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赋能通信原理与应用前景分析

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  VHF/UHF电台作为最常用的无线通信设备, 在地面、舰船以及各类飞行器中广泛使用, 但是随着各类应用需求的发展, 以视距传播为主要手段的VHF/UHF电台越来越难以适应应用场合对超视距无线通信的要求。尤其对于舰船以及各类飞行器平台, 在执行远离陆地及深入远海的任务中, 拓展通信保障范围的需求越来越迫切[1]。

  目前应用于舰船以及飞行器平台的通信手段主要包括HF、VHF/UHF和卫星通信三种方式:卫星通信原则上通信距离不受地域限制, 但由于体积、重量及信道资源等原因仅能装备于大型空中平台, 难以在中、小型空中平台上大量使用, 且卫星通信难以实现对海域的全域覆盖;HF通信由于其通信带宽有限, 通常只能满足话音通信的需要, 且易受电离层扰动及各类干扰的影响;VHF/UHF电台作为目前最主要的无线通信装备, 广泛装备于各类大、中、小型飞行器以及舰船, 可提供话音和各型数据链通信[2], 但由于VHF/UHF电台仅支持视距通信, 难以满足对超视距通信保障的需求。

  作为一种重要的超视距无线通信手段, 对流层散射通信已广泛用于世界主要军事强国的战略、战术通信领域, 美军更是在经历了伊拉克、阿富汗等战场的实战检验后, 将对流层散射通信视为与卫星通信相并列的2种超视距手段之一[3,4], 并强调在分散部署的战场, 当两者皆满足使用条件时, 优先使用散射通信作为传输手段, 以提高通信的抗侦收、抗干扰能力并节约军用卫星频带资源。

  鉴于VHF/UHF电台已大量装备于各类平台, 通过理论分析和试验验证, 在不改变现役VHF/UHF电台硬件结构的前提下, 建立赋能站和加载对流层散射通信波形, 可以在VHF/UHF电台与赋能站之间实现可靠的超视距通信, 不但能显着扩展其通信保障范围, 且能有效降低技术风险和应用成本[5]。

  1、赋能通信原理

  1.1、概念内涵

  赋能通信是指在不改变现役VHF/UHF机载、舰载、单兵战术电台硬件形态的前提下, 通过为其加载具有超视距传输能力的散射通信波形, 并在指挥所部署具备多部大功率发射机、多面高增益天线的地面赋能站, 由它赋予现役VHF/UHF机载、舰载、单兵战术电台一定的超视距通信能力。

  1.2、基本原理

  1.2.1、构建不对称的空间分集通信链路

  现役VHF/UHF电台的硬件形态不变, 地面赋能站采用多部大功率发射机和多面高增益天线。赋能站与电台之间采用“多发一收” (下行链路, 赋能站至电台) 或“一发多收” (上行链路, 电台至赋能站) 的配置, 构建不对称的空间分集通信链路[6,7]。以4重分集为例, 不对称通信链路的示意图如图1所示。


图1 站型不对称的4重空间分集通信链路

  (1) 赋能站→电台

  电台接收信号功率为:

  式中, PR为电台接收信号功率, PT为赋能站发射功率, GT、GR分别为发射和接收天线增益, L (i) 为路径中值传输损耗。

  电台超视距通信情况下, L (i) 变大, 电台硬件形态不变, 为克服传输损耗的增加, 需加大赋能站发射机的功率PT和天线的增益GT, 并采用4面发射天线 (发射频率分别为f1~f4) , 使电台可接收多路空间分集信号, 以此平滑信号的快衰落, 使信号平稳被接收。

  (2) 电台→赋能站

  赋能站接收信号功率:

  式中, PR为赋能站接收信号功率, PT为电台发射功率, GT、GR分别为发射和接收天线增益, L (i) 为路径中值传输损耗。

  电台超视距通信情况下, L (i) 同样变大, 由于不改动电台硬件, 其发射功率及天线数量均保持不变。通过增加赋能站的天线增益和天线数量, 电台发射信号 (频率为f5) 同时可被赋能站4部天线接收, 不但增加接收能量, 也能抵消信号的快衰落, 使信号平稳接收[8]。

  1.2.2、超视距波形的设计

  超视距波形的设计需采用分集通道合并接收技术克服电台与赋能站之间在超视距通信时存在的接收信号快衰落问题, 实现电台与赋能站的趋恒接收[9]。

  此外, 各类电台在不同应用场景下, 也需针对其具体问题采用差异性的技术措施:例如采用大动态、多普勒频移的快速估计技术克服地空赋能通信系统中由于通信一方快速运动而造成的接收信号存在的多普勒频移;采用低门限、高精度调制解调技术解决低速、远距赋能通信系统低电平信号的有效接收问题等。

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