Ku频段散射通信传输特性与装备小型化关键技术.pdf
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1、第 56 卷 第 10 期2023 年 10 月通信技术Communications TechnologyVol.56 No.10Oct.20231129 *收稿日期:2023-08-25;修回日期:2023-09-04 Received date:2023-08-25;Revised date:2023-09-04文献引用格式:郑华利,刘鹏,靳朝,等.Ku 频段散射通信传输特性与装备小型化关键技术 J.通信技术,2023,56(10):1129-1136.doi:10.3969/j.issn.1002-0802.2023.10.002Ku 频段散射通信传输特性与装备小型化关键技术*郑华利1,
2、刘 鹏2,靳 朝1(1.中国人民解放军 32180 部队,北京 100072;2.北京慧清科技有限公司,北京 101500)摘 要:散射通信作为一种超视距的无线通信手段,具有通信距离远、越障能力强、抗干扰和抗截获能力强等优势,在军事及民用通信中的应用日趋广泛。着眼散射通信小型化、轻量化应用,通过分析 Ku 频段散射信道传输特性,测试验证散射快衰落速率、相关时间等关键指标,开展低复杂度、易于工程实现的迭代检测关键技术、天线与收发设备一体化集成设计等研究,为新型散射通信系统研制提供技术支撑。关键词:Ku 频段散射通信;小型化/轻量化;传输特性;关键技术中图分类号:TN926 文献标识码:A 文章编
3、号:1002-0802(2023)-10-1129-08Ku-band and Scattering Communication Transmission Characteristics and Key Technologies for Miniaturized and Lightweight ApplicationZHENG Huali1,LIU Peng2,JIN Chao1(1.Unit 32180 of PLA,Beijing 100072,China;2.Huiqing Technology,Beijing 101500,China)Abstract:As an over-the-h
4、orizon wireless communication means,scattering communication has many advantages,such as long communication distance,strong ability to surmount obstacles,strong anti-jamming and anti-interception,etc.,and is increasingly widely used in military and civil communication.This paper focuses on the minia
5、turized and lightweight applications of scattering communication,tests and verifies the key indicators such as scattering fast fading rate and correlation time by analyzing the transmission characteristics of Ku-band scattering channel,carries out research on the key technology of iterative detectio
6、n with low complexity and easy engineering implementation,and the integrated design of antenna and transceiver equipment,which provides technical support for the development of new scattering communication system.Keywords:Ku-band scattering communication;miniaturized and lightweight application;tran
7、smission characteristic;key technology0 引 言对流层散射通信具有单跳跨距远、通信容量大、传输时延低、抗干扰抗截获能力强等优点,特别是具有受核爆炸影响小的优势,因此在现代战争中扮演着不可替代的角色。美国、俄罗斯等军事大国高度重视散射通信发展与建设,其中美国的散射技术水平高、装备型谱全、实战应用更广。近年来,随着作战理念的转变、信息技术的发展和器件水平的1130通信技术2023 年进步,美军加速将散射通信装备向轻量化和小型化推进,开发了多种箱式、便携式散射通信设备,通信速率达数十兆 bit/s,支持高质量数据通信,可承载话音、图像和 IP 数据等多种业务类型
8、,传统大型散射站可能逐渐被可搬移、可车载、可空运的移动站所取代。图 1 美军散射通信装备我国的散射通信起步于 20 世纪 50 年代,经历了从仿制跟踪到自主研发、从单台单站到集成应用的发展过程1。传统散射通信装备主要以 C 频段、空间分集为主要传输体制,有力支撑了战略战役骨干通信应用。聚焦现代战场需求,散射通信装备正逐步向更广泛的机动应用拓展,亟需开展更高频段(如 Ku 频段)、信道弹性适变等关键技术研究。本文着眼支撑散射通信手段小型化、轻量化应用,主要对 Ku 频段对流层散射通信的电波传输特性进行分析,阐述信道数据采集、分析方法,重点提出导频和译码软信息联合辅助载波同步、迭代检测相关技术,以
9、及天线与设备一体化集成设计思路,以有效提升散射信道传输能力,为小型化、轻量化的机动散射通信设备研制提供理论和技术支撑。电离层平流层对流层1050 km601 000 km散射体812 km图 2 对流层散射通信1 Ku 频段散射信道传输特性分析对流层Ku频段散射传播中,接收信号包括收、发天线波束相交区域内所有散射体(湍流涡旋、不规则锐变层和相干反射层等)的二次辐射。散射体随机多径传输会使得接收端存在严重的衰落现象,具体表现在慢衰落和快衰落两个方面,因此通常需采用波束宽度较窄的高增益天线和大功率发射机,以保证足够的接收电平。因此,研制小型化、便携化的散射通信装备之前要分析如何克服这两种衰落特性。
10、1.1 慢衰落特性分析对流层散射慢衰落是指接收电平在较长时间间隔内的中值波动,具体表现为分钟变化、小时变化、日变化、月变化。慢衰落与通信距离、链路所处气候区、季节等相关,主要由气象条件变化引起,其中,散射信号慢衰落日内小时变化和月变化具有较强的规律性。根据无线传输信道慢衰落特性,如图 3 所示,通过对某地全年 Ku 频段散射信道的采集结果分析可知:散射信道月变化慢衰落特性呈现夏天链路裕量充足,冬季链路裕量下降明显,甚至部分时段通信能力直降的现象,主要原因在于夏季比冬季对流层环境温度高,散射体湍流相对活跃,电磁波通过对流层时散射信号的能量增强;日变化的衰落特性与天气环境相关,在正常天气条件下,慢
11、衰落幅度表现出了无规律性;小时变化中,信号电平最强的时间一般在午夜和早晨,表现出与昼夜变化相关的衰落特性。根据慢衰落特性分析结果,机动散射通信装备可通过设计与该特性相匹配的波形软件,从而提高散射通信链路的平均吞吐量。1.2 快衰落特性分析对流层散射快衰落统计特性源自散射体辐射导致的多径传播,其统计特性表现为瑞利衰落,具有很强的频率选择性和空间选择性,其中衰落速率、衰落深度是散射通信系统设计主要考虑的因素。衰落速率主要表征信号随时间和频率变化的衰落特征,信号快衰落速率与频率扩散相关,可由信号的中值电平参数反映,中值电平是链路损耗、慢衰落特性分析的一个重要参数。信号中值电平处的快衰落速率的表达式为
12、2:()12221222ln201,exhmexhfvcmCN EfvcmC+=+?(1)1131第 56 卷第 10 期式中:N(Em)为快衰落速率。m为,f为频率,e为散射角,c为光速,为与气象气候条件和介质结构有关的参数,介质运动的湍流分量在直角坐标系3个方向上分量的均方根值,vx为有效散射区风速。Ch的表达式为:2210201221hhhCm=+(2)式 中:112 ln2hh=,222 ln2hh=,10和20分别为发、收双方视平线与收发点连线间的夹角,20为收端视频线与收发点连线的夹角,h1和h2分别为发射天线、接收天线水平波束宽度。由式(1)和式(2)可知:快衰落速率受对流层介质
13、运动的影响较大,介质运动速度越快,衰落速率越大,对流层介质运动速度取决于平均风速;快衰落速率与散射角和频率成正比,并与天线方向性有关,天线波束角越小,快衰落速率越小。衰落深度主要表征信号接收的幅度分布,散射通信通常包括瑞利型、广义瑞利型和瑞利矢量加反常随机矢量型 3 类,并随时间快速变化。Ku 频段散射信道特性测试的数据采集结果如 图4所示,每秒衰落深度均不同,10分钟衰落深度变化范围在25 dB以上。经过对采集的数据计算、统计、分析可知,快衰落信道相干时间一般为 50500 ms。由此可得,低速传输时散射信道为平坦衰落信道,宽带传输时散射信道为频率选择性衰落信道。10 5 0-5-10功率/
14、dB-15-20-250100200300时间/秒40050060025 dB图 4 Ku 频段对流层散射快衰落统计曲线(a)信号功率逐月变化(b)信号功率逐日变化(c)信号功率昼夜变化图 3 Ku 频段对流层散射慢衰落统计曲线郑华利,刘鹏,靳朝:Ku 频段散射通信传输特性与装备小型化关键技术1132通信技术2023 年根据快衰落特性分析结果可知,散射通信系统可设计与该特性相匹配的波形软件,从而提高散射通信链路的传输能力。2 Ku 频段散射信道特性测试通过信道传输特性分析可知,若要克服快衰落和慢衰落信道影响,需对信道进行测试以获取相关参数信息。因此,需采集信道数据,分析、计算、统计出衰落周期、
15、衰落幅度、衰落深度、衰落速率、多普勒频移和时延扩展等,实现信道最优匹配。2.1 测试方案设计散射通信数据采集系统典型结构如图 5 所示,发送端包括基于秒脉冲同步的北斗授时终端、基带板、发链路、功放,接收端包括滤波器、链路、基带板和北斗授时终端。为简化数据采集系统复杂度,测试时一端固定为发送,一端固定为接收,发送端通过终端基带板发送信号,接收端基带板采集数据发送给终端以文件形式保存。功放LNABD授时终端收链路+基带板BD授时终端基带板+发链路图 5 数据采集系统原理散射传输特性研究主要包括链路损耗、慢衰落统计特性和快衰落统计特性,快衰落统计特性又细分为多普勒频移(信道相干时间、衰落速率)、多径
16、时延扩展(信道相干带宽)等统计特性。因此,不同特性分析需要通过不同的测试信号完成。单载波可以使接收信号通过窄带滤波器以提高接收信号信噪比(Signal Noise Ratio,SNR),有利于散射传输中链路损耗、慢衰落统计特性、快衰落中的多普勒频移特性的分析。由于信号带宽的影响,单载波无法分析散射传输多径时延扩展,必须采用调制信号完成。根据时频原理,信号带宽越宽,时间分辨率越高;噪声功率谱密度不变,带宽越宽,接收SNR越低,信道估计精度越低。为平衡发送信号带宽和多径测量精度之间的关系,测试过程中的调制信号带宽需要根据测试数据 SNR 动态调整。2.2 测试方法设计根据测试方案,分别定时采集单载
17、波和调制信号两种测试信号数据。在长时间观测条件下,对采集的样本采用统计分析方法可得到不同传输距离下的散射信道传输损耗、慢衰落和快衰落的统计特性等,与理论分析结果进行对比,从而总结出适用于散射链路传输特性的波形参数。利用单载波能够测试和统计信号的链路损耗、慢衰落和多普勒频移。单载波通过对流层散射信道到达接收点时,由于传输时延的随机变化,接收信号的相位也随之发生相应变化。当接收信号的相位随时间变化时,就会产生附加的频移,导致传输信号的频谱发生小范围的“晃动”。因此,可以将接收信号看作是一个占据一定频带的随机调相信号,并通过多普勒频移估计方法确定信道的相干时间。某时间段内测得的 Ku 频段散射通信的
18、快衰落速率如图 6 所示,该时间段内衰落速率在 10 12 次/s 左右。010203040506070809034363840时间/min功率/dB 0102030405060708090910111213时间/min (a)衰落幅度 010203040506070809034363840时间/min功率/dB快衰落速率次/s0102030405060708090910111213时间/min (b)衰落速率图 6 Ku 频段快衰落速率测试结果利用调制信号进行多径时延扩展的测试与分析。选择时域、频域都具有恒定幅度的 FrankChu零点自相关序列,其构造方法为:()exp%8,0,1,634
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