艦載散射通信自主建鏈研究

李經安，劉子龍，韓 軍，丁良輝

（1.中國電子科技集團公司第54研究所，河北 石家莊 050081；2.上海交通大學，上海 200240）

0 引言

對流層散射通信是1種利用對流層大氣媒介中的不均勻體對電波的前向散射作用而實現的超視距無線通信，可看作“依托高空對流層無源轉發實現的超視距通信”，是除衛星通信、升空平臺中繼等有源轉發手段之外，唯一具備寬帶超視距通信能力的無線通信手段[1]。對流散射通信具有單跳跨距遠、通信容量大、抗干擾能力強、受核爆影響小等突出優點，可以跨越復雜地形（如湖泊、海灣、沼澤等）進行全天候的可靠通信[2-3]。

散射既可以用于陸地超視距傳輸，又可用于海上傳輸，與陸上對流層散射通信相比，跨越海面的對流層散射通信具有以下優勢：1） 無山體丘陵等突出遮擋，具有天然優越的地形優勢[4]；2） 海面傳播增強效應明顯，信號衰減相對較少[5-6]；3） 海上經常出現蒸發波導，大大降低了鏈路衰減，能夠支持高速率遠距離通信[7]。

因此，國內外散射通信逐步由固定架設、陸地機動向海上“動中通”應用拓展。美國格子商品公司正在研制新型散射電臺[8]，目的是利用散射通信能力支持艦-艦、岸-艦通信，減小對衛星通信的依賴，已于2019 年完成200 km 通信試驗。Comtech 也正在開展對流層散射“動中通”技術研究，進行了一系列海上超視距通信應用的測試，結果證明，低功耗對流層散射是1 種在航行中提供船/岸高吞吐量通信的可行手段[9]。通過國外報道可以分析出，該艦載散射的建鏈方法仍是通過GPS 定位定向完成的散射建鏈和跟蹤[10-11]；我國早在2002 年就開展了海上散射“動中通”技術體制驗證[12]，并形成樣機產品，經歷了多次試驗和驗證[13-14]，取得了一系列成果，但同時系統存在一些需要克服的問題：傳輸速率低、系統容量小、鏈路建立較困難等。近年來，隨著自適應傳輸、新型分集等技術在散射通信中的逐步應用[15]，散射通信能力得到了大幅提升，但散射自主建鏈仍是難題[16-17]。

由于散射通信鏈路的高衰減特性，需要通過高增益、窄波束方向性天線實現通信[18]。如何將通信雙方的窄波束互相對準，是散射通信建立的前提。現有艦載散射的開通和建鏈主要依靠衛通、短波等第三方通信手段交換通信雙方的位置信息，通過位置解算實現粗對準。但是，在局域拒止環境下，衛通、短波等第三方通信手段無法使用時，現有艦載散射通信建鏈機制將無法工作，因而迫切需要不依賴第三方通信手段的建鏈方法。通過國內外現狀分析，散射的建鏈方式主要通過第三方通信輔助手段完成信號的初始捕獲，再將通信信號進行精確對準；而散射的自主建鏈尚未看到相關報道。

針對該問題，本文提出了1 種艦載散射的自主建鏈方法，通過使用不同波束寬度的散射天線，以不同旋轉角速度的旋轉來搜索目標站臺方位，從而完成建鏈，解決位置信息無法獲得背景下的散射開通問題。

1 艦載散射自主建鏈方法

1.1 建鏈方法總述

本文所設計自主建鏈方案用不同波束寬度的天線進行建鏈。建鏈過程中，兩站以不同轉速進行目標站點搜索，建鏈完成后，再使用窄波束天線進行通信。需要建鏈的兩站點被劃分為主站和從站：主站采用頻分雙工的方式進行信號收發；從站一直處于掃描偵聽狀態。建鏈時，主站主動發起建鏈請求，從站接收到建鏈請求后向主站發送建鏈確認信息；主站和從站分別從收到的信息中解析出對方的位置信息，從而完成建鏈。主、從站均為移動站的自主建鏈示意圖，如圖1所示，其中，主站采用離散式掃描，從站采用連續式掃描。單一移動站的情況可以看作雙移動站中主站對1個方位進行掃描的情況。

圖1 雙移動站散射通信系統自主建鏈示意圖Fig.1 Diagram of the link auto-creation in dual mobile station sacttering communication system

設主站波束寬度為α，從站波束寬度為β，主站掃描步長為Δφ，開始通信時刻為t1，結束通信時刻為t2，主站發送時長和從站發送時長的和為T，從站掃描角速度為ω。為了使主站在掃描1 周后可以完成建鏈，對系統參數做以下約束。

1） 兩站波束寬度。以典型的拋物面天線為例，天線波束寬度如下：

式（1）中：λ和D分別表示工作波長和天線口徑。在指定頻率條件下，兩站之間波束寬度α和β的改變，主要是通過天線口徑的改變獲得。同時，兩站的波束寬度會共同影響通信距離，此影響將在3.1 部分詳細闡述。因此，為了能在短時間內完成建鏈，須根據實際情況進行天線口徑設計和頻率選擇。當前典型的天線口徑為0.6 m、1.5 m 和2.4 m，工作在3 GHz 時，各天線對應的波束寬度分別為11.7°、4.7°和2.9°。

2） 主站掃描步長。主站以固定步長在離散的方向進行掃描，每個方向上掃描的時間應至少保證從站能夠轉動1圈。為了縮減系統建鏈時間且保證主站能實現全方位覆蓋，則主站掃描步長如下：

3） 從站掃描角速度。為了能在順利解析主站發送建鏈請求信息的同時降低建鏈所需時間，各參數約束條件如下：

由于自主建鏈過程中，建鏈雙方至少有一方的方位信息是未知的，這就需要在建鏈過程中傳輸位置信息。為了能在建鏈過程中獲得建鏈兩端的位置信息，本文設計了如圖2 所示的用于建鏈的數據幀，建鏈請求信息（Link Request，LReq）和建鏈確認信息（Link Response，LRes）均采用該數據幀格式。其中，同步碼用于通信同步，位置信息用于建鏈，源節點和目標節點信息用于判定是否為通信對象。

圖2 建鏈幀格式Fig.2 Frame structure used in link creation process

開始建鏈時，主站隨機選擇角度開始以步長Δφ進行全方位掃描。在固定角度掃描過程中，主站持續發送LReq 直到接收到LRes 或者等待1 個完整的時隙結構（如圖3所示），之后步進Δφ，重復上述過程。

圖3 建鏈時隙結構圖Fig.3 Diagram of time slot in link creation process

假設探測信號在兩站之間的傳播時間為T1、主站發送信號的時間為T2、從站發送信號的時間為T3、從站的掃描時長為T4，則單個方向掃描的時隙長度為2T1+T2+T3+T4。當從站接收到LReq 之后，立即向主站發送LRes。主站和從站從LReq 和LRes 中分別解析出對端的位置信息，結合自身位置信息和姿態信息，通過計算可以獲得通信方位，從而完成建鏈。通信方位的計算[2]如圖4 所示。本站通過和目標站的位置信息可以計算通信指向，并獲得該指向與真北方向的夾角θ。設天線當前指向與真北方向的夾角為γ，則艦載散射天線須向通信方位旋轉角度Φ=θ-γ。

圖4 通信方位計算示意圖Fig.4 Diagram of communication bearing calculation

1.2 岸-艦散射通信自主建鏈

岸-艦散射通信指的是艦載“動中通”散射通信站與1臺岸基固定散射站或多臺岸基固定散射站組成的通信網之間的通信。岸基站作為固定站點，其位置可以作為已知信息存入艦載“動中通”散射站。岸-艦散射通信系統自主建鏈的示意圖如圖5 所示，這是雙移動站的1種特殊情況，艦載站作為主站，岸基站作為從站。開始建鏈時，由艦載站根據岸基站的位置選擇最佳岸基通信站點，計算通信方位。艦載站天線轉向通信方位后持續發送LReq 信號，等待岸基回復LRes。岸基站一直處于偵聽狀態，當接收到艦載站的LReq之后，岸基站根據LReq 中的位置信息計算通信方位，將窄波束天線指向通信方位，從而完成建鏈。

圖5 岸-艦散射通信系統自主建鏈示意圖Fig.5 Diagram of the link auto-creation in shore-to-ship system

建鏈流程分解如下。

1） 艦載站計算通信方位。艦載站獲取自身位置信息和姿態信息，根據已知的岸基站位置進行通信方位計算。艦載站通過自身和岸基站位置信息可以計算通信指向。

2） 艦載站計算旋轉角度。根據計算出的通信方位和自身天線方位信息，將天線轉向通信方位。在旋轉的過程中，艦載天線伺服或相控陣列需實時補償艦載站自身姿態變化的影響。

3） 艦載站發送建鏈請求。艦載站將波束指向岸基站，選擇合適的速率發送LReq。

4） 岸基站響應建鏈請求。由于散射通信的窄波束特性，岸基固定散射站需要通過波束調整實現大范圍海域的覆蓋。在空閑時，岸基固定站按照預設的規則在規劃的覆蓋區域內進行波束掃描，接收散射通信信號。當岸基站偵聽到LReq 信號后，在接下來的時間T3內發送LRes信號。

5） 完成建鏈。岸基站接收到LRes 信號后，根據LRes中的位置信息計算通信方位，兩站之間建立起通信鏈路。之后兩站便可以使用窄波束天線進行通信和方位追蹤，從而完成建鏈。

1.3 艦-艦散射通信自主建鏈

2 艘艦艇在雙方均未知對方端位置的前提下，通過各自固有的窄波束定向天線掃描，接收到對端信號的概率極小，導致幾乎不可能實現超視距散射通信建鏈，存在耗時長、建鏈成功率低的問題。隨著相控陣列天線在艦船上的廣泛應用，通過調整散射通信波束成為可能，可以使用寬天線波束、低通信速率實現建鏈，再通過窄天線波束實現高速通信。

設艦載站A、B 需要建立散射通信鏈路，兩站之間的主從關系需事先設定。此時兩站之間建立鏈路時典型的雙移動站的自主建鏈流程可以分解如下。

1） 建鏈發起。艦載站A、B 以事先設定的主從關系開始建鏈。主站以離散掃描的方式發起建鏈請求，從站以連續掃描的形式持續偵聽主站的信息。

2） 建鏈請求信息發送。主站隨機選擇1 個時間點，從絕對0°指向開始，以波束寬度α持續發射LReq信號并等待從站的回復。若在時間2T1+T2+T3+T4內收到建鏈請求回復，則建鏈成功；否則，旋轉角度Δφ，繼續執行上述過程。

3） 建鏈請求信息回復。從站隨機選擇1 個時間點，從絕對0°指向開始，以波束寬度β，掃描角速度ω持續掃描偵聽LReq 信號。若在接收時間內收到LReq，則立刻發送LRes；否則，繼續執行上述過程。

4） 計算通信方位。主、從站通過解析LReq 和LRes獲得對方的位置信息，然后進行通信方位計算。

5） 完成建鏈。兩站轉向通信方位，并在旋轉過程中補償自身姿態變化所產生的影響，完成建鏈。

2 岸-艦、艦-艦散射通信自主建鏈性能分析

在散射通信建鏈過程中，比較重要的2 個參數是可以進行通信的距離以及建鏈所需花費的時間。本節將著重分析主、從站的波束寬度和建鏈請求信息發送時隙T2對自主建鏈系統的性能影響，為系統在實踐應用中提供參考。

2.1 通信距離

在移動通信中，通信距離是1個非常重要的指標，其與天線波束寬度密切相關。在相同發射功率情況下，窄波束天線由于具有更好的方向性，在特定方向上具有更高的發射增益，能實現更遠距離的通信。以拋物面天為例，其增益G為：

設天線的發射功率和接收靈敏度分別為Pt和Pr，dBm；發送端天線增益和接收端天線增益分別為Gt和Gr，dBi；路徑損耗為L，dB。所設參量之間的關系為：

其中，路徑損耗根據L.P.Yeh公式[19]可以表示為：

式（6）中：f表示鏈路使用頻率，MHz；d為收發天線大圓弧弧線距離，km；θ0為散射角，( °) ；Ns為鏈路大氣折射指數；Le為天線介質耦合損耗，dB。Le可以表示為：

設Pt=56 dBm、Pr=-120 dBm、f=3 GHz、θ0=1°、Ns=310，則結合式（1）和（4）～（7），可以獲得如圖6所示的通信距離d隨波束寬度α和β的變化曲線。

圖6 系統通信距離隨波束寬度變化曲線Fig.6 Communication distance of different aperture antennas

該圖假設從站使用的是典型的3 種天線，口徑分別為0.6 m、1.5 m 和2.4 m，工作頻率為3 GHz，即β分別等于11.7°、4.7°和2.9°。從圖6 可以看出，當β一定時，通信距離會隨α的增大而減小，對于固定的α，通信距離也會隨β的增大而減小。當主站和從站均使用2.4 m 天線時，通信距離可以達到200 km；當二者同時使用0.6 m天線時，通信距離會大幅減少到50 km。

2.2 建鏈時間

為了應對瞬息多變的場景，散射通信系統自主建鏈的另一個非常重要的指標為建鏈時間，它能在較短時間內完成建鏈，以實現為戰場提供更及時有效的通信保障。本節將著重分析岸-艦散射通信自主建鏈和艦-艦散射通信自主建鏈所需時間的影響因素，為實際應用提供參考。

2.2.1 岸-艦散射通信自主建鏈時間

在岸-艦散射通信系統中，岸基站為固定站，所以主站僅需通過計算即可獲得從站的通信方位。因而整個建鏈過程所需的時間Tc僅與從站的掃描時間相關，最大為2πω。由式（2）可得ω與從站波束寬度β和主站發送信號時隙T2的關系為：

從而可以獲得建鏈時間為：

最終可以獲得建鏈時間Tc與從站波束寬度β和消息發送時間T之間的關系如圖7 所示，圖中標識了從站使用典型散射天線時的建鏈時長。

圖7 不同參數情況下岸-艦散射系統建鏈時間變化曲線Fig.7 Curve of link creation time of shore-ship system under different parameters

從圖7 中可以看出，岸-艦系統自主建鏈過程可以在秒級時間內完成，Tc與β、T之間的關系存在著以下規律。

1） 在相同的消息發送時間條件下：建鏈時間會隨著從站波束寬度β的增大而減少；但變化速率會隨著從站波束寬度的增大而逐漸變小。

2） 在相同的從站波束寬度條件下，建鏈時間會隨著消息發送時間的增大而增大。

2.2.2 艦-艦散射通信自主建鏈時間

相對于岸-艦系統而言，艦-艦系統的主站也需要進行掃描，因而需要花費更多的時間。艦-艦散射通信自主建鏈過程可以分解為多個岸-艦散射通信系統建鏈過程，數量為式（2）中的N，其余的推導均和岸-艦散射通信系統相同。故結合式（2）（9）可以獲得艦-艦系統建鏈所需時間為：

通過式（10）可以發現，與岸-艦系統所不同的是，主站波束寬度不僅影響系統的通信距離，也影響系統建立鏈接的時間。圖8 展示了信息發送時間T=100 ms時，不同從站波束寬度情況下，艦-艦散射通信系統建鏈時間隨主站波束寬度α變化的曲線。從站依舊選用典型的拋物面天線。

圖8 不同參數情況下艦-艦散射系統建鏈時間變化曲線Fig.8 Curve of link creation time of ship-to-ship system under different parameters

從圖8 中可以看出，艦-艦系統建鏈時間與α、β之間存在以下規律。

1） 從站波束寬度β和信息發送時間T相同的情況下，建鏈時間隨著主站波束寬度α的增大而減小。當T=100 ms、α=2.9°、β=2.9°時，艦-艦系統需要花費幾十分鐘完成建鏈。當主、從站均采用0.5 m 天線，即波束寬度均為11.7°時，系統可以在2 min內完成建鏈。

2） 從站波束寬度β對艦-艦系統建鏈時間的影響和對岸-艦系統的影響相同。如圖中相同的圖標標注所示，在α不變的情況下，隨著β的增大，系統建鏈所需時間會逐漸減少。

3 結論

目前，散射通信的建鏈主要依靠北斗及短波，或者預設陣地，散射通信尚未有合適的自主建鏈方法。本文提出的自主建鏈系統在理論上證明了散射通信系統自主建鏈的可行性。通過分析發現，無論是岸-艦系統還是艦-艦系統，在滿足通信距離和天線波束寬度要求的前提下，都可以通過此方案在分鐘級時間內完成建鏈。同時，該方法也可用于現有地面散射通信系統，在局域拒止環境下，實現散射的快速建鏈。