復雜電磁環境下海上發射無線寬帶組網應用研究

栗志榮，杜培明，李振凱，周凌凱

（太原衛星發射中心，太原，030045）

0 引言

海上發射任務中，發射船和保障船出海后所面臨的海洋氣象條件復雜多變，海洋環境具有的高濕、高鹽、溫差大等特點以及電磁環境復雜等因素都對臨時部署的無線通信系統設備安全性、可靠性和網絡穩定性帶來挑戰。目前已進行數次的海上發射任務的通信系統主要以衛星通信+無線寬帶為基礎構建承載網絡，用于向廣域網遠端和近端的指揮控制中心傳輸圖像、語音和數據等業務信息。在組網過程中，無線寬帶負責構建船與船之間的傳輸鏈路，承擔著關鍵信息傳輸的重要作用。因此，基于無線寬帶的組網模式研究對于改進海上發射通信承載網絡模式以及提升網絡可靠性和穩定性具有重要意義。

1 海上發射復雜電磁環境特性

海上發射中，電磁環境復雜多變，港口、船舶等各類平臺設備具有的輻射源信號，在發射空域形成了復雜的電磁輻射態勢，在頻域上可能密集重疊。在實際應用過程中，能夠使用的電磁頻譜范圍有限，這就使密集的電磁波擁擠在狹窄的頻段之中［1］。

實際電磁環境中，大量的電磁干擾信號是在人為控制下產生的。為保障良好的海上發射空域電磁環境，確保無線通信組網不受干擾，可以通過便攜式電磁頻譜監測設備或頻譜監測車采取交叉定位方式確定此類人為產生的電磁干擾信號來源，并依據規定進行臨時管控消除。

在實際工作中，如果多個電子信息裝備的工作頻段重疊或相近，會造成裝備同時使用時形成相互干擾。這就需要在工作中針對具體情況，采取有序開關機、電磁環境規避或其他措施進行處置。

2 無線寬帶網絡技術特性

2.1 無線寬帶系統特性

無線寬帶基于TD-LTE 的技術體制構建，可滿足機動、抗干擾、無線自組網等應用需求，可以實現移動用戶終端的寬帶通信與管理。當前使用的無線寬帶設備集成了基帶處理單元、射頻單元、核心網等功能模塊，融合正交頻分多路復用、多入多出、混合自動重傳等技術。系統具有帶寬大、覆蓋廣、支持業務種類豐富等特點，具體包括以下方面：

a）區域覆蓋：在基礎通信設施無法覆蓋的區域，實現大范圍的寬帶無線信號覆蓋，為移動終端用戶提供無縫、端到端的無線通信服務；

b）機動架設：適應機動環境下的快速開通和撤收，滿足移動用戶終端隨遇接入；

c）互聯互通：具有符合標準體制的通信協議與接口，能夠實現信息共享與分發；

d）動態組網：能夠動態發現、感知其他網絡節點和拓撲結構，并快速建立或加入網絡，自動進行網絡優化配置，增強整個接入網的健壯性和抗毀能力；

e）安全保密：預留通信加密接口，配合加密設備，保證數據的隱蔽性、安全性和完整性；

f）可靠性：功能設備模塊化設計，互換性強、可維修性高；

g）抗干擾：在復雜電磁環境中能夠對干擾信號進行自動檢測和規避，保證通信的連續通暢。

2.2 無線寬帶網絡架構

無線寬帶可使用兩種工作體制［2］：

a）接入模式：一點至多點（Point to Multi-point，PMP），使用LTE技術，對終端提供接入基站的功能；接入模式下，基站之間不能互聯，終端能使用接入技術與基站連接，終端之間無法使用PMP 互聯。接入常用于基站的覆蓋，終端的隨遇接入。

b）自組網模式：節點對節點（Node to Node，NTN），使用NTN模式時，基站之間、終端之間、基站與終端之間都可以相互連接。自組網常用于基站間的骨干鏈路連接。

兩種模式均使用TDD 時分雙工技術，即通信時需要建立一個對時間同步要求高的特定頻寬的共同通道。

3 基于無線寬帶的通信組網模型

3.1 海上發射任務基本布局

海上發射任務可分近海和遠海兩種方式進行。近海發射時，發射船部署于近海合適位置，后端保障系統部署于岸邊；遠海發射時，發射船和后端保障系統（保障船）一同出海至預定海域，拋錨固定后實施發射。位于遠端的指控中心及近岸的指揮所通過光纖和衛通等傳輸手段構建的承載網絡完成海上發射的指揮控制和信息接收?；静季秩鐖D1所示。

圖1 海上發射基本布局Fig.1 Basic layout of marine launch

根據任務基本布局，其通信網絡需要滿足以下條件：

a）無線通信為主。海上發射尤其是遠海發射時，無法依托有線鏈路構建通信網絡，必須采用以無線通信為主的通信組網方式。

b）高可靠性。海上發射通信網絡主要用于指揮、T0、數據等關鍵信息的傳輸，傳輸可靠性要求高，網絡必須有良好冗余設計。

c）高帶寬。海上發射任務中需要進行大量語音、數據以及圖像業務傳輸，較低的帶寬不能滿足發射任務需求。

d）抗毀性。如果某通信節點受海況等因素影響導致失效，應迅速自動采取自動路由等措施滿足數據傳輸需求。

無線寬帶網絡特性可以充分滿足上述要求，組網過程中應充分利用無線寬帶構建傳輸鏈路。

3.2 網絡組織結構

結合海上發射布局考慮，海上發射通信組網使用TCP/IP 協議網絡分層結構規劃，設計雙路由傳輸鏈路，提升傳輸可靠性。其中，傳輸層用于提供承載層設備之間的傳輸通道，由光纖通信、衛星通信、無線寬帶等系統組成。發射船與保障船間采用無線寬帶通信設備使用自組網模式構建點對點傳輸電路；保障船節點與遠端和近端指揮控制中心采用衛星通信手段完成信息傳輸。傳輸層組織示意如圖2所示。

圖2 傳輸層組織示意Fig.2 Schematic diagram of transmission layer organization

網絡層建立在傳輸層之上，為各類業務信息提供接入和傳輸的平臺，由廣域網和局域網組成。網絡協議使用靜態路由協議和動態OSPF 路由協議相結合，各網絡設備支持組播協議。

分析以上網絡組織結構和信息傳輸模式，雖然能夠基本滿足海上發射中的信息傳輸保障，但依然存在以下不足：

a）抗毀性不足。雖然在傳輸層構建了雙平面的傳輸路由，但是發射船火箭產生的關鍵信息只能通過2 路無線寬帶鏈路點對點傳輸至保障船節點。其中一個節點故障或受干擾失效即造成一條鏈路中斷，如果因帶寬影響，業務無法實現雙路由備份傳輸，將會有造成相關業務中斷的風險。

b）鏈路集中監控缺乏。當前無線通信網絡監控手段主要針對網絡層數據流量進行實時監測和分析，對于傳輸層尤其是無線寬帶系統只采取點對點通信模式而未形成網絡，缺乏集中監控手段。

3.3 網絡組網結構優化

為優化網絡，提升抗毀性和管理性，以無線寬帶為基礎，構建海上發射Mesh 組網模型。其中，規劃各船只上部署的無線寬帶設備，形成骨干節點，構建骨干Mesh 網絡，其他設備作為邊緣節點接入骨干網絡，形成骨干+接入的Mesh網絡模型，實現各節點之間的聯通，如圖3所示。

圖3 基于Mesh的通信組網模型Fig.3 A Mesh based communication networking model

考慮到實際海上發射任務中負責各類保障任務的船只不固定，可根據實際參試船只構建相應的骨干節點。具體應用來說，可以在原基礎上重新部署無線寬帶設備，設備可部署在同一保障船或其他保障警戒船只上，使用無線寬帶自組織模式與發射船之間構建形成雙路由自組織Mesh 骨干網絡。網絡中的每個節點不僅可以接受和轉發數據，而且可以與一個或多個節點進行直接通信［3］。構建形成的無線寬帶網絡是一個自組織網絡，不存在中心控制節點，由一組可以自由移動的節點組成，可以通過節點間的自我組織，隨時隨地自由形成一個移動的通信網［4］，信息自行選路傳輸，提高了網絡的抗毀性，確保了信息傳輸的可靠。

網絡層構建過程中，分別在保障船節點和發射船節點部署路由器或交換機等網絡設備，構建各節點的雙路由局域網接入網絡，保障船節點通過衛星通信設備與遠端或近端的指揮中心構建雙路由鏈路，以遠端節點的方式接入指控中心雙路由廣域網?？紤]保密通信要求，可以部署相應的終端網絡加密設備或信道加密設備。雙路由選路策略由路由器或交換機采取靜態路由和OSPF 動態路由協議完成?；揪W絡組織關系如圖4所示。

圖4 網絡組織關系Fig.4 Network organization diagram

無線寬帶Mesh 自組織網絡可以部署統一的網管平臺，實施集中管控，完成拓撲管理、狀態跟蹤、告警、流量監控等功能管理，如圖5所示。

圖5 網絡拓撲監控Fig.5 Network topology monitoring

4 干擾分析及應對措施

無線通信容易受到電磁干擾，也就是有用信號在接收過程中，由于其他無用信號通過直接耦合或間接耦合的方式進入有用信號接收機而造成有用信號接收質量下降、接收信息誤碼增加或丟包從而導致通信性能下降甚至通信障礙的狀態［5］。

根據無用信號與有用信號的關系，電磁干擾分為同頻干擾、鄰頻干擾、互調干擾及其他干擾。其中，同頻干擾包括寬帶和窄帶同頻干擾，是同頻率的無用信號進入有用信號接收機而產生的干擾，一般無法通過濾波器去除，在無線寬帶組網實際應用中較為常見，也較難消除。

某次近海發射任務時，在發射船?？扛劭谶M行射前測試過程中，以無線寬帶設備為傳輸層鏈路構建的網絡出現嚴重丟包，在單獨測試無線寬帶設備無異常的情況下，懷疑無線寬帶設備受到電磁干擾。使用頻譜監測設備掃描周圍信號時，在發射船?？康母劭诜较虬l現無線寬帶同頻段的干擾信號，如圖6所示。使用便攜式頻譜監測設備和頻譜監測車針對該同頻干擾信號進行測向和交叉定位，發現信號位于港口附近但無法確定精確位置。

圖6 干擾信號頻譜圖Fig.6 Interference signal spectrum diagram

多次監測干擾信號，發現信號完全分布在無線寬帶設備使用的頻率寬度內，但頻率和帶寬并不固定。使用頻譜監測設備針對港口附近進一步掃描其他頻段用頻設備的干擾信號，發現干擾信號頻率均分布在無線寬帶、超短波等用頻設備頻寬范圍內（200～1 500 MHz），且設備開機時相關同頻干擾信號才出現。綜合分析上述現象可排除主動干擾源，應為己方用頻設備多、港口環境復雜造成的未知寬帶同頻干擾。

針對寬帶同頻干擾，一般可采用監測定位同頻干擾源，并采取直接管控的方式消除，使任務中無線通信設備不受同頻電磁干擾，確保信息傳輸不受影響。但針對上述同頻干擾，無法通過管控的方式消除。主要應對措施包括：

a）架高天線。無線寬帶收發兩端同時架高天線，當架高3 m左右時，在3 km通信范圍內觀察干擾有所降低。

b）更換定向天線。原全向天線輻射范圍大，無法防止反射、折射后的無用信號的再次接收，更換為定向天線后，一定程度上規避了無用信號。

c）調整功率。通過調整兩端功率來增加信噪比，觀察發現信噪比提升時，干擾功率有所降低。

通過上述調整后，干擾信號有所下降，但并未完全消除，如圖7所示。直到發射船離港脫離電磁干擾環境后，監測發現干擾信號消失。

圖7 干擾信號頻譜圖Fig.7 Interference signal spectrum diagram

在復雜電磁環境下，干擾信號還有可能采用窄帶信號發送。針對窄帶同頻干擾，Mesh 自組網系統通過感知偵測干擾頻率范圍，重新排布無干擾的頻譜資源，可有效避讓惡意干擾。系統具有識別并避讓帶內任意位置、信干比不大于-10 dBc 的窄帶干擾，對于總累計帶寬小于工作帶寬60%的形式為單音、多音、多個窄帶，也具有明顯的抑制效果［6］。

針對鄰頻干擾、交調干擾及其他干擾，在設備中集成了濾波器部署了相應算法軟件，可自動檢測并規避非工作頻段干擾。

5 結論

海上發射任務中，無線寬帶基于帶寬大、覆蓋廣、自組織、抗干擾等特點，得到廣泛應用。雙路由傳輸鏈路采用點對點傳輸電路，存在抗毀性和鏈路監控不足等問題?；跓o線寬帶構建了Mesh 骨干網，改進了海上發射通信組網模式。分析了實際發射任務中無線寬帶網絡受到干擾的情況，提出應對措施，降低了干擾，為日后海上發射通信組網打下良好基礎。