賦能通信技術原理及應用展望

鄭相全，楊萬君，唐秋菊

(1.軍事科學院 系統工程研究院，北京 100101; 2.北京軍代局駐石家莊軍代室，河北 石家莊 050081; 3.中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

0 引言

VHF/UHF電臺作為最常用的無線通信設備，在地面、艦船以及各類飛行器中廣泛使用，但是隨著各類應用需求的發展，以視距傳播為主要手段的VHF/UHF電臺越來越難以適應應用場合對超視距無線通信的要求。尤其對于艦船以及各類飛行器平臺，在執行遠離陸地及深入遠海的任務中，拓展通信保障范圍的需求越來越迫切[1]。

目前應用于艦船以及飛行器平臺的通信手段主要包括HF、VHF/UHF和衛星通信三種方式：衛星通信原則上通信距離不受地域限制，但由于體積、重量及信道資源等原因僅能裝備于大型空中平臺，難以在中、小型空中平臺上大量使用，且衛星通信難以實現對海域的全域覆蓋；HF通信由于其通信帶寬有限，通常只能滿足話音通信的需要，且易受電離層擾動及各類干擾的影響；VHF/UHF電臺作為目前最主要的無線通信裝備，廣泛裝備于各類大、中、小型飛行器以及艦船，可提供話音和各型數據鏈通信[2]，但由于VHF/UHF電臺僅支持視距通信，難以滿足對超視距通信保障的需求。

作為一種重要的超視距無線通信手段，對流層散射通信已廣泛用于世界主要軍事強國的戰略、戰術通信領域，美軍更是在經歷了伊拉克、阿富汗等戰場的實戰檢驗后，將對流層散射通信視為與衛星通信相并列的2種超視距手段之一[3-4 ]，并強調在分散部署的戰場，當兩者皆滿足使用條件時，優先使用散射通信作為傳輸手段，以提高通信的抗偵收、抗干擾能力并節約軍用衛星頻帶資源。

鑒于VHF/UHF電臺已大量裝備于各類平臺，通過理論分析和試驗驗證，在不改變現役VHF/UHF電臺硬件結構的前提下，建立賦能站和加載對流層散射通信波形，可以在VHF/UHF電臺與賦能站之間實現可靠的超視距通信，不但能顯著擴展其通信保障范圍，且能有效降低技術風險和應用成本[5]。

1 賦能通信原理

1.1 概念內涵

賦能通信是指在不改變現役VHF/UHF機載、艦載、單兵戰術電臺硬件形態的前提下，通過為其加載具有超視距傳輸能力的散射通信波形，并在指揮所部署具備多部大功率發射機、多面高增益天線的地面賦能站，由它賦予現役VHF/UHF機載、艦載、單兵戰術電臺一定的超視距通信能力。

1.2 基本原理

1.2.1 構建不對稱的空間分集通信鏈路

現役VHF/UHF電臺的硬件形態不變，地面賦能站采用多部大功率發射機和多面高增益天線。賦能站與電臺之間采用“多發一收”(下行鏈路，賦能站至電臺)或“一發多收”(上行鏈路，電臺至賦能站)的配置，構建不對稱的空間分集通信鏈路[6-7]。以4重分集為例，不對稱通信鏈路的示意圖如圖1所示。

圖1 站型不對稱的4重空間分集通信鏈路

① 賦能站→電臺

電臺接收信號功率為：

式中，PR為電臺接收信號功率，PT為賦能站發射功率，GT、GR分別為發射和接收天線增益，L(i)為路徑中值傳輸損耗。

電臺超視距通信情況下，L(i)變大，電臺硬件形態不變，為克服傳輸損耗的增加，需加大賦能站發射機的功率PT和天線的增益GT，并采用4面發射天線(發射頻率分別為f1～f4)，使電臺可接收多路空間分集信號，以此平滑信號的快衰落，使信號平穩被接收。

② 電臺→賦能站

賦能站接收信號功率：

式中，PR為賦能站接收信號功率，PT為電臺發射功率，GT、GR分別為發射和接收天線增益，L(i)為路徑中值傳輸損耗。

電臺超視距通信情況下，L(i)同樣變大，由于不改動電臺硬件，其發射功率及天線數量均保持不變。通過增加賦能站的天線增益和天線數量，電臺發射信號(頻率為f5)同時可被賦能站4部天線接收，不但增加接收能量，也能抵消信號的快衰落，使信號平穩接收[8]。

1.2.2 超視距波形的設計

超視距波形的設計需采用分集通道合并接收技術克服電臺與賦能站之間在超視距通信時存在的接收信號快衰落問題，實現電臺與賦能站的趨恒接收[9]。

此外，各類電臺在不同應用場景下，也需針對其具體問題采用差異性的技術措施：例如采用大動態、多普勒頻移的快速估計技術克服地空賦能通信系統中由于通信一方快速運動而造成的接收信號存在的多普勒頻移；采用低門限、高精度調制解調技術解決低速、遠距賦能通信系統低電平信號的有效接收問題等。

1.3 系統組成

賦能通信系統由賦能站和VHF/UHF電臺兩部分組成：賦能通信站配備1個信號處理終端、多臺射頻單元和多副天線(數量可根據需求靈活配置)；VHF/UHF電臺可以為現役機載、艦載或地面電臺，通過加載散射波形的方式實現話音和數據的超視距傳輸。組成示意圖如圖2所示。

圖2 賦能通信系統組成

2 試驗驗證情況

2.1 賦能通信信道傳播特性測試

為深入開展賦能通信技術研究，必須對賦能站至電臺之間的超視距傳輸信道特性進行探索研究，建立理論模型，進行相關試驗驗證，為賦能通信系統的設計提供充分的理論依據。近年來國內相關單位構建賦能通信信道測試系統，測試系統單端采用高增益定向天線模擬賦能站，另一端采用全向天線模擬VHF/UHF電臺，先后開展了多次VHF/UHF頻段信道特性測試試驗，試驗距離最遠達300 km，并且涵蓋了平原、山地等多種地形[10]。以2012年12月在華北地區開展的多條超視距線路的測試情況為例，其接收電平的統計分布結果如圖3所示。

圖3 不同距離的VHF/UHF電波接收電平統計分布

根據在多條超視距線路上VHF/UHF頻段電波的接收電平統計分布特征可以初步看出：所有線路上的接收電平均存在瑞利衰落、典型萊斯衰落和準恒參等3種分布類型[11-12]，即分別對應于湍流體散射、層反射和大氣波導超折射等3類電波超視距傳播方式；隨著距離的增加，瑞利衰落所占的分布比例呈顯著提高趨勢，即對流層散射傳播模式所占的分布比例顯著增加，符合對流層散射信道的電平分布特征，可采用不對稱空間分集措施開發散射通信波形有效克服信號快衰落，使信號平穩接收[13]。

2.2 地空賦能通信演示試驗

為驗證VHF/UHF賦能通信的技術可行性及通信效能，基于VHF/UHF機載電臺構建了地空賦能通信演示系統，其中包括具備4部大功率發射機、4面高增益天線的地面賦能站的研制和一個VHF/UHF電臺的散射通信波形的增補。該演示系統經超視距野外試驗測試，可支持地面賦能站與機載站之間的話音或數據信息的超視距傳輸，通信距離為原視距傳輸模式的數倍(視機載站高度而定)。

3 應用前景

在賦能技術的引領下，現役VHF/UHF機載、艦載、單兵戰術電臺與賦能站間可實現超視距通信，從而大幅提升現役VHF/UHF電臺的通信保障范圍。

3.1 地空賦能通信

以一個VHF/UHF機載電臺與地面賦能站構建的地空賦能通信演示系統為例，該演示系統的地面賦能站配備1個信號處理終端、4臺發射功率100 W的射頻單元和4副四單元對數周期拼陣天線，可與機載站之間構成4重分集發射/接收的信號傳輸體制[14]。當機載站的飛行高度為100 m時，地面賦能站可與機載站在300 km的距離上實現話音或數據通信；當機載站飛行高度為10 000 m時，通信距離可進一步擴展至600 km以上，顯著擴展了戰機在海上巡航的通信保障范圍。

3.2 地面賦能通信

假設在一個VHF戰術電臺(發射功率2 W)中嵌入對流層散射傳輸波形，并與配備1個信號處理終端、4臺100 W射頻單元和4副四單元對數周期拼陣天線的賦能站構成地面賦能通信系統，則電臺可與賦能站之間實現100 km以上的話音和數據通信。

3.3 岸船賦能通信

假設在一個UHF艦載電臺(發射功率50 W)中嵌入對流層散射傳輸波形，并與配備1個信號處理終端、4臺100 W射頻單元和4付四單元對數周期拼陣天線的賦能站構成岸船賦能通信系統，則可為艦船在距陸地或島嶼100 km距離內提供兆比特量級的數據通信服務[15]，或在200 km以遠距離上提供話音或低速數據的通信保障。

4 結束語

通過賦能通信信道傳播特性試驗驗證和理論研究，該信道具備散射信道特征，可通過建立賦能站和引入具有空間分集特征的散射通信波形，使得電臺在保留設備硬件和結構特征的基礎上具備分集信號接收能力，有效抑制信號的衰落。作為一種在不改變現役VHF/UHF電臺硬件平臺基礎上提升其通信能力的理念創新和技術創新，基于對流層散射的賦能通信技術可將VHF/UHF機載、艦載或戰術電臺的通信保障范圍由視距擴展到超視距，可提升通信距離1～3倍，具有廣闊的應用前景。