徐亮亮，陳 瑋

(1.海軍裝備部信息系統(tǒng)局，北京 100841；2.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

散射通信固定站因其傳輸容量大，可提供話音、數(shù)據(jù)和視頻等多種業(yè)務(wù)，具有易于維護、維護費用低、無需租費等特點，在無光纜和衛(wèi)星通信資源不足的條件下，可用于陸地戰(zhàn)略組網(wǎng)通信、海上島礁間通信和島嶼到大陸通信等。特別是在沿海地帶，信道質(zhì)量明顯優(yōu)于內(nèi)陸地區(qū)，可使通信容量更大、傳輸質(zhì)量更優(yōu)，可與光纖媲美，無論是軍用還是民用，在無線通信領(lǐng)域均占有極為重要的地位。

早在20世紀(jì)五六十年代，以美、蘇兩個超級大國為首的北約和華約國家之間開展了長達半個世紀(jì)的“冷戰(zhàn)”，在科技與軍備競賽的大背景下，對流層散射通信長期活躍于戰(zhàn)略指揮及遠程預(yù)警信息回傳的舞臺，美國和前蘇聯(lián)兩個超級大國建設(shè)了上百條散射通信遠程中繼固定鏈路[1]；20世紀(jì)80年代以來衛(wèi)星通信技術(shù)逐漸成熟，散射中繼鏈路跨幾個國家甚至跨大洲、大洋的戰(zhàn)略通信地位逐漸為之取代，盡管如此，在近30年、幾百跳散射鏈路的長期運行基礎(chǔ)上，對流層散射傳播特性研究和對流層散射通信技術(shù)均得到了長足的發(fā)展[1]；進入21世紀(jì)，國際形勢的發(fā)展呈現(xiàn)總體穩(wěn)定局部動蕩的態(tài)勢，在美國發(fā)動的“持久自由行動”和“伊拉克自由行動”這2次局部戰(zhàn)爭中，對流層散射通信再次歷經(jīng)了實戰(zhàn)檢驗，無論技術(shù)研發(fā)還是軍方訂貨此時都再次進入一個革新突破期，以至于國外設(shè)備供方稱散射通信“重新躍升”(Bounces Back)[11]。

散射通信固定站因散射通信海上傳播的優(yōu)勢，在海上島礁間超視距通信、海上石油平臺通信等方面得到廣泛應(yīng)用[10]，但是因散射通信本身特點及在島嶼上的使用環(huán)境限制，使海上散射通信固定站的建設(shè)有別于其他通信設(shè)備，因此本文給出了海上散射固定站建設(shè)要求，并對其未來應(yīng)用方向進行了展望。

1 國內(nèi)外應(yīng)用

1.1 國外應(yīng)用

國外散射通信固定站應(yīng)用主要包括冷戰(zhàn)時期的戰(zhàn)略指揮及預(yù)警遠程通信組網(wǎng)應(yīng)用以及21世紀(jì)以來海上平臺的遠程信息回傳應(yīng)用等。

1.1.1 戰(zhàn)略指揮及預(yù)警遠程通信組網(wǎng)應(yīng)用

此種應(yīng)用中的散射固定站具有如下特點：單跳可達數(shù)百km(如有的鏈路距離遠達600 km以上)；使用的頻率大都在1 GHz以下；采用了大型的拋物面廣告牌天線；發(fā)射功率大，近距離發(fā)射功率在幾kW，遠距離時可達幾十kW。

(1) 白愛麗絲通信系統(tǒng)(WACS)[2]

WACS是用于連接預(yù)警系統(tǒng)與指揮控制系統(tǒng)的遠程通信網(wǎng)，服務(wù)時間約1956～1985年，是冷戰(zhàn)期間位于阿拉斯加的美國空軍遠程通信系統(tǒng)。鏈路總跨距達4 000英里，有的散射鏈路單跳段距離超過了350英里。在衛(wèi)星通信出現(xiàn)后該系統(tǒng)逐漸廢棄，1997年后一些站址因環(huán)境問題被拆除。

(2) 北美3條防空預(yù)警線的雷達站點間互連通信系統(tǒng)

北美3條預(yù)警線包括連接加拿大和美國的近程預(yù)警線(Pinetree Line)[3]、跨越北部區(qū)域的加拿大中部預(yù)警線(Mid-Canada Line)[4]、遠程預(yù)警線(Distant Early Warning Line)[5]，它們是冷戰(zhàn)期間為了應(yīng)對蘇聯(lián)而建立的雷達站系統(tǒng)，如圖1所示。

圖1 DEW Line的鏈路和站址分布

其中，DEW Line規(guī)模最大并且服役時間較長，包括63個站點，跨越大約10 000 km，成為北美防空聯(lián)合司令部(NORAD)聯(lián)合洲際防空系統(tǒng)的基礎(chǔ)，后來升級融入了北部預(yù)警系統(tǒng)。DEW在阿拉斯加北部與白愛麗絲系統(tǒng)互連，預(yù)警線站點間互連主要依賴對流層散射通信。1990年，隨著冷戰(zhàn)的結(jié)束以及蘇聯(lián)解體逐漸棄用。

(3) 前蘇聯(lián)戰(zhàn)略指揮及預(yù)警通信系統(tǒng)[6]

20世紀(jì)60～70年代是前蘇聯(lián)對流層散射通信迅速發(fā)展時期，共建設(shè)了長達100 000 km的散射鏈路，其間大力發(fā)展低頻段散射通信站，在早期綜合預(yù)警系統(tǒng)及指揮控制系統(tǒng)中大量裝備應(yīng)用。其中非常著名的是其“北方”系統(tǒng)(又名“地平線”系統(tǒng))，如圖2所示。該系統(tǒng)沿歐亞大陸匯入北冰洋的河流還有幾個向南延伸的支線；沿鄂霍次克海岸與沿勒拿河的支線在東西伯利亞形成環(huán)路；沿葉尼塞河有一個支線；沿鄂畢河為另一支線。這條預(yù)警鏈路全長超過15 000 km，共有50多個中繼站/端站。“北方”系統(tǒng)在北極地區(qū)與美國和加拿大建設(shè)的DEW Line隔北冰洋相望，互相防御來自對方的彈道導(dǎo)彈和遠程轟炸機的威脅。

圖2 前蘇聯(lián)“北方”系統(tǒng)[6]

1.1.2 海上平臺到大陸的超視距信息回傳應(yīng)用

對流層散射通信在海上應(yīng)用極具優(yōu)勢。首先，海上散射鏈路的傳輸損耗要小，有些地區(qū)海上信號比陸上要強10 dB甚至更多，所以在海上同樣距離的情況下所需的發(fā)射功率更小，通信容量更大；與衛(wèi)星通信相比，散射鏈路的頻譜可復(fù)用，不存在類似衛(wèi)星信號的雨衰斷鏈時段，而且長期使用費用比衛(wèi)星要低。Comtech公司比較了衛(wèi)星通信與散射通信的長期使用費用[7]，如圖3所示。

圖3 VSAT和對流層散射的費用與時間關(guān)系[7]

圖3表明盡管散射通信的一次投資高于VSAT，但一旦建設(shè)完成再無租用費用，因而幾年之后散射通信的總投入反而更低。

基于上述原因，散射通信固定站在海上平臺到大陸的超視距信息回傳方面得到了廣泛的應(yīng)用。英國北海油田利用對流層散射通信系統(tǒng)作為解決平臺至岸的通信手段。英國馬可尼公司已為北海公司建成20多條對流層散射通信鏈路。澳大利亞針對油田開采的需求，構(gòu)建了從大陸至海上采油平臺跨越草原的多條散射通信鏈路，通信距離在130 km左右，傳輸容量為2～8 Mb/s。俄羅斯為了開發(fā)海洋資源，利用對流層散射通信系統(tǒng)，先后構(gòu)建了多條對海上島嶼和海上平臺的通信鏈路。另外還有利比亞撒哈拉沙漠地區(qū)的對流層散射通信電視傳輸線路、加拿大水電部拉布拉半島到魁北克對流層散射通信線路等。

英國采油平臺散射通信典型鏈路如圖4所示。澳州西部采油平臺散射通信站如圖5所示。

圖4 英國采油平臺散射通信典型鏈路

圖5 澳洲西部采油平臺散射通信站

1.2 國內(nèi)應(yīng)用

國內(nèi)從20世紀(jì)80年代開始了散射通信固定站的研究，目前主要應(yīng)用于島礁間遠距離通信以及島嶼、海上平臺到大陸遠距離超視距通信。

1.2.1 陸地應(yīng)用

我國早在80年代即利用數(shù)字對流層散射通信設(shè)備建成一條2跳3站的散射通信鏈路。該設(shè)備是一種遠距離地面無線通信設(shè)備，S頻段，主要用于建立戰(zhàn)略散射通信干線，也可用于軍用/民用通信網(wǎng)中其他通信方式難以實現(xiàn)或成本太高的遠距離路由。通信速率460.8 kbps，24路話(19.2 kbps×24路)，單跳跨距遠，選擇合適的散射路由，單跳跨距可超過500 km。20 m×20 m廣告牌式拋物面天線如圖6所示。

圖6 20 m×20 m廣告牌式拋物面天線

1.2.2 海上應(yīng)用

(1) 海上島礁間超視距傳輸

我國島礁眾多，很多面積較大的島嶼，相距在幾十km到幾百km，其中與大陸最近的島嶼距離為300 km左右。傳統(tǒng)的微波視距通信在海上難以建設(shè)中繼站；衛(wèi)星通信資源緊張，不可能在每個礁站建設(shè)衛(wèi)星通信地面站，而短波通信因其通信容量小、通信易受電離層影響等不足，難以滿足要求。對流層散射通信由于單跳距離遠、抗干擾能力強、無資源依賴性等優(yōu)點，以及在海上傳播可獲得性能提升，十分適合應(yīng)用于島礁間超視距通信，作為光纜中斷時的應(yīng)急備份，增強各島礁及島礁與大陸間通信保障的可靠性。海島散射通信固定站如圖7所示。

(2) 海上石油平臺通信應(yīng)用

海洋油田數(shù)字化發(fā)展的最大瓶頸就是油田與陸地辦公室之間的通信鏈路，常用的衛(wèi)星通信由于轉(zhuǎn)發(fā)器資源受限，且租用價格非常昂貴，只能提供中低速數(shù)據(jù)鏈路，根本無法滿足數(shù)字化油田的發(fā)展需要；微波通信由于通信距離受限，為視距通信，且在海上建設(shè)中繼站的成本非常高，也無法滿足海洋油田通信的需求。所以，尋求一種鏈路穩(wěn)定、寬帶以及超視距的通信鏈路迫在眉睫。

圖7 海島散射通信固定站

散射通信可實現(xiàn)超視距通信，傳輸容量較大，可提供話音、數(shù)據(jù)和視頻等多種業(yè)務(wù)，易于維護，且維護費用低，無需租費。因此在400 km以內(nèi)超視距情況下，采用散射通信具有較高的性價比。文昌油田至大陸散射鏈路的室外天線如圖8所示。

(a) 海上平臺端站

(b) 岸上端站

我國文昌油田至大陸的一條8 Mb/s的散射鏈路，現(xiàn)已穩(wěn)定工作超過10年。該鏈路工作在C頻段，海上平臺天線口徑3 m，陸上天線口徑4.5 m。目前，基于散射鏈路的網(wǎng)絡(luò)電視電話會議系統(tǒng)、設(shè)備在線監(jiān)測系統(tǒng)、電站電網(wǎng)中心調(diào)度指揮及專家支持系統(tǒng)、FPSO單點GPS監(jiān)測與預(yù)警系統(tǒng)，均已成功應(yīng)用。

2 海上散射通信固定站特點及建設(shè)要求

島嶼屬于高溫、高鹽和高濕的海洋性氣候環(huán)境，雷電和臺風(fēng)較多，下雨過程比較頻繁，對散射通信設(shè)備特別是室外部分的通信設(shè)備材質(zhì)、防腐處理、防雷設(shè)計和安裝要求較高。同時，由于散射通信本身的設(shè)備特點及在島嶼上特殊的地理環(huán)境、使用環(huán)境限制等，使散射通信固定站的建設(shè)有別于其他通信設(shè)備。

頻譜電測：島嶼上一般具有多種電子設(shè)備，覆蓋了很寬的頻段，而且還有其他的強電磁輻射源，因此對站點的頻譜電測非常重要，根據(jù)電測結(jié)果要對散射通信設(shè)備的安裝位置和電磁兼容進行針對性的設(shè)計和處理。

“三防”：為防止高溫、鹽霧等對島嶼散射通信設(shè)備造成的腐蝕、鹽蝕等損害，島嶼散射通信室外設(shè)備，特別是天線等設(shè)備必須做好“三防”處理，在臺風(fēng)較多地帶要加裝必要的防風(fēng)罩；在波導(dǎo)、電纜連接處要做好防水處理，以防雨水進入導(dǎo)致鏈路通信質(zhì)量下降甚至中斷。

安全警示：散射通信設(shè)備一般配置有大功率的發(fā)射機，而且工作在微波頻段，因此要在天線的近場區(qū)安裝圍欄或者設(shè)置警示牌，畫出警戒線，以防人員進入和駐留。

前方無遮擋：散射通信是利用10～12 km 以下的對流層產(chǎn)生散射現(xiàn)象進行通信的，由于發(fā)生散射現(xiàn)象空域離地面較近，為避免地面建設(shè)物或者高山、樹木等對信號傳播遮擋造成的影響，必須確保在信號傳播前方至少2 km范圍內(nèi)無高大的建筑物或者自然遮擋物。

設(shè)備間隔：為防止由于信號衰減造成通信質(zhì)量下降等問題，散射通信室外單元與室內(nèi)單元相隔不應(yīng)太遠，一般確保在20 m距離范圍內(nèi)，天線與室外單元距離在3 m范圍內(nèi)為佳。

3 未來應(yīng)用展望

如引言所述，從冷戰(zhàn)結(jié)束至今，散射通信的應(yīng)用定位幾次轉(zhuǎn)換，很多知名的廠商退出又加入這種裝備研發(fā)的行列。在作為戰(zhàn)略預(yù)警的唯一遠程通信方式的時期，一個國家或軍事集團如果沒有強大的國力和廣闊的疆域縱深就沒必要、也不可能承擔(dān)其高昂的建設(shè)和維護費用；在這之后雖然站型不斷輕量化，但若無經(jīng)濟實力支撐仍然沒有能力對其研發(fā)和列裝。時至今日，它不但沒有銷聲匿跡反而再次躍升，并且被重新定義為衛(wèi)星通信“能力增強”的新角色。

作為散射通信固定站，未來應(yīng)用可以在以下兩方面考慮：軍用方面，在衛(wèi)星資源匱乏時，可作為島礁間、島礁到大陸間常態(tài)值班通信保障手段，提供全天候的寬帶、組網(wǎng)和多業(yè)務(wù)應(yīng)用；還可作為熱點海域傳感器等信息遠程回傳手段，為雷達預(yù)警、信息采集等功能提供通信保障。民用方面，可為島嶼到大陸之間、島嶼之間、島嶼與鉆井平臺之間、無人島礁與島嶼之間的各種寬、窄帶業(yè)務(wù)提供超視距通信保障，例如海岸監(jiān)視與管理、無人島礁監(jiān)控、應(yīng)急搜救保障等。

4 結(jié)束語

對流層散射通信單跳典型距離為150～300 km，最大中繼次數(shù)可達20次以上，適于跨越各種復(fù)雜地形，在低緯度海域傳播特性更佳，從20世紀(jì)五六十年代至今已在國內(nèi)外、軍民用各領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，為各種信息提供了超視距、寬帶和高質(zhì)量的可靠傳輸保障。通過國內(nèi)這幾年的應(yīng)用經(jīng)驗，對海上散射通信固定站提出了一些建設(shè)建議，希望能對今后的散射通信固定站建設(shè)提供一些幫助和指導(dǎo)。最后，根據(jù)應(yīng)用需求和散射固定站的特點，提出了未來應(yīng)用展望，為散射通信固定站今后的發(fā)展提供一點思路。

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