单位文秘网 2021-10-05 08:27:50 点击: 次
摘 要:根据目前非对称数据链原理,对其工作应用模型和最新成果进行分析。基于“复合单工DSSS”非对称数据链思想,结合我军现有通信设备状况,提出了利用短波、超短波战术电台作为上行链路,下行链路采用卫星、无人机、同温层气球及其他高空平台载体作为通信枢纽,利用微波、超短波和其他军用频段,结合相控阵天线、扩频通信等技术,通过具有分组协议的数据广播来实现的战术通信网的应用方案,并对其性能进行了分析。
关键词:数据链; DSSS; 高空平台载体; 战术通信网
中图分类号:TP274文献标识码:A
文章编号:1004-373X(2010)08-0090-03
Research on Unsymmetrical Data Link Application Based on “DSSS” Multiplexing Technology
CAI Hang1, LUO Jun2
(1.Shaanxi Lignum Head Office, Xi’an7100001, China;
2.Military Repsesentative Office Stationed at Xi’an Area Army Aviation Department of General Staff, Xi’an 710073, China)
Abstract: The operation applications model and the latest achievements is analyzed according to the principle of asymmetric data link. Based on the ideology of "Composite Simplex DSSS" asymmetric data link, a scheme that takes short-wave and ultrashort-wave tactical radio stations as the uklinks is put forward in consideration of the psesent situation of chinese military communication equipments, and also the scheme that takes satellites, UAVs, stratoballoons and other high-altitude platform carriers as the downlinks is brought forward.
Keywords:data link; DSSS; high-altitude platform carrier; tactical communication network
无论是民用的因特网,还是专用的战术通信网,通常用户终端设备在整个网络中接收数据的业务量远远大于发送数据的业务量,需要从服务器端到本地用户终端的下行速率远远大于用户终端到服务器的上行速率,利用非对称的传输技术可以进一步提高用户接入网络的带宽和速率[1]。此技术在民用有线网络接入中已被广泛应用,如目前己商用化的非对称数字用户环线(ADSL)技术、Cable-Modem技术等。非对称传输技术在无线网络方面的应用研究才刚刚起步,各种管理、调度的理论算法为工程应用提供了进一步的理论基础。研究表明,非对称无线网络在有限带宽的条件下比传统等速率网络具有更大的网络传输效率和频带利用率。如何利用不同频段、不同调制方式的信道资源和通信媒介组成非对称的战略、战术数据链路和信息网络,已成为各国军事通信领域中的重点研究对象。1995年,MIT的林肯实验室(MIT Lincoln Laboratory)在美国国防部发展技术研究项目(DoD-developed Technology)资助下开展了基于非对称卫星广播链路的GBS系统研究[1];马里兰大学系统研究院(University of Maryland and the Institute for Systems Research)在美国国家航空航天局(NASA)和国防部(DoD)的联合资助下成立了卫星与综合通信网络中心(CSHCN),专门研究基于卫星链路的非对称传输体制综合网络(Hybrid Networks)技术,并取得了许多相关的研究成果[2]。本文对非对称传输技术在无线网络中的应用进行了分析研究。
1 基本原理与模型
早期所有解决DS扩频系统的快速同步问题几乎都源于“参考直序扩频”技术方案,该技术多用于本文广播方式的途径。
1.1 基本原理
非对称下行数据链的应用,由于采取广播方式一点对多点通信,与传统的对称应用有很大的差异。就广播通信而言,单向链路上的终端用户是被动接收,在一个大的范围内,每个用户的通信环境都完全不同,而且作为战术应用,要求接收机体积小,成本低。因此,非对称技术的战术数据链要求使用传输参考信号的直序扩频信道模型来简化整个系统的多点接收同步问题,从而进一步降低的复杂程度和成本。深入对比多种复杂的技术方案,事实上,现在仍利用该方法实现DSSS扩频接收机,但区别在于:现在的方案结合了原有的HF/UHF单工战术电台。这种方法尽管复杂,但原理上没有较大的突破,技术成熟,可迅速组合成一套非对称传输的无线网络[3]。
凡是通过这种重新 “组合” 而生成的技术方案可归为一类“复合单工DSSS”非对称数据链。该数据链的上行信道使用战术电台原来的战斗员信息网络,下行链路使用本节所述的直序扩频链路模型,且易于工程实现。处理广播信道的模块既能直接传输数据,也可作为更复杂的DSSS系统设计中的导频或传呼信道。
1.2 工作模型
在 “复合单工DSSS”非对称数据链的扩频通信中,码同步是必不可少的,同步的本地PN码是对期望信号实现去扩谱和对干扰信号扩谱的关键[4]。同步性能直接影响系统的性能。通常在分析扩频系统性能时都是假定发射机与接收机之间是同步良好的(就码同步而言),即到达接收机的编码信号在码的波形相位及其比特速率两个方面相对于接收机的参考码在时间上都是准确一致的。实际上,为保证收发二者的精确同步,必须在发射机和接收机中都使用精度较高的码发生器。因此,“复合单工DSSS”非对称数据链的同步跟踪和捕获电路较为复杂[5],成本和技术复杂程度也随之增加。
对比稳定度极高的频率源方案,尽管可以降低成本,简化复杂程度,却依然不可能完全消除所有的不稳定因素。例如,对有相对运动的发射机和接收机,多普勒频移将对系统的同步产生不良影响,即使对于固定位置的收发系统,也会由于传输信道的变化而引起码相位和载波频率的变化。因此在实际系统中要做到准确同步是相当困难的。作为广播信道,由于不同用户接收环境的差异,这些问题会显得更加突出,而“复合单工DSSS”非对称数据链可以很好地解决这些问题,其模型[3]如图1所示。
图1 非对称数据链工作模型
2 非对称数据链应用
我军的通信装备从先进的卫星通信系统到传统的短波、超短波战术电台都在编使用,特别是短波、超短波战术电台,以其具有简单、便捷、抗毁性强等特点,仍然是部队最基本的通信手段,且采用先进技术,可大大提高现有短波、超短波电台的数据传输速率。
2.1 现有技术改造应用
在单工超短波电台上,采用GMSK调制,可以实现稳定的9.6 Kb/s数据率;在短波信道上采用多音并行调制,也能获得稳定的2.4 Kb/s数据率[1]。这些技术无论从理论研究到工程应用已趋于成熟。因此,充分利用这些设备和频率资源作为战术通信网的上行链路,不但可以延长现有武器装备的效用周期,保护国家对军队的投资,而且可使部队现有的模拟通信手段无缝升级到数字化、网路化,这对提高部队战斗力,实现科技强军有重要意义。下行链路的实现可以用卫星、无人机、同温层气球及其他高空平台载体作为通信枢纽,利用微波、超短波并及其他军用频段,结合相控阵天线、扩频通信等技术,通过具有分组协议的数据广播来实现。
表1 非对称数据链战场主要装备表
数据链节点通路类别传输速度/(Kb/s)
预警机上行>9
战斗机上行2.4~9
直升机上行2.4
通讯车上行2.4~9
地面中继站下行>9
卫星下行2.4
无人机下行2.4~9
同温层气球下行2.4
侦查步兵上行不确定
用上述方案实现的上、下行非对称无线网络,具有性能良好,成本低,易于工程实现等特点,符合我军现有装备的实际情况和未来的发展需求。采用目前广泛应用的软件无线电技术、无线网络技术、卫星导航技术,还可实现全频段、多制式、多媒体的新型战术终端,对提高我军的电子战、信息战的作战能力和生存能力,具有较高的军事意义和广阔的应用前景。利用非对称传输技术实现高速战术数据链,完全符合我军战术通信网的发展方针,即“技术体制由模拟向数字过渡,传输系统由低速窄带向高速宽带过渡,通信业务由以话音为主向话音、数据、图像综合业务过渡”,同时也能满足战略、战役、战术系统互联互通的要求。
2.2 国外最新成果应用案例
Tadiran 电子系统公司已研发的Starlink 小型数据链就是一种小型化了的“复合单工DSSS”非对称数据链,其终端用来装备无人机和其他小型平台,同时用于开发商用成熟的COTS产品与技术,以提供给无线电收发两用机。这种无线电收发两用机的重量小于400 g,电池功率为4 W。Starlink 使用正交跳频技术,使15架或更多架无人机既可在不同频率下通信,又可在同样的地理环境下操作,从而避免了相互的干扰。
Tadiran 公司声称他们使用数字调频技术使该系统可在有陡坡、凹地的多山地区实现抗干扰和多路效应。Starlink 除了提供点对点链接外,还可以作为一个中继站,当视线被阻挡时,允许多架无人机接收通信信息,并提供来自机上传感器的图像。该系统可与TadiranM RS2200 数字便携式接收器一起工作。附加的轻型放大器将有效距离从10~ 15km扩大到50km。Tadiran公司通过Elbit 公司向英国(Watchkeeper)、加拿大、美国及其他国家的无人机计划推销该系统。
另外,Starlink 可与Tadiran 的战术视频链 (TVL )联合操作。轻型(不足1 kg)视频接收器适于安装在直升机、地面车辆及其他小型平台上。战术视频链(TVL )已用于以色列国防军,并装备在猎潜分队作战的攻击直升机上。只收系统通过安装在直升机座舱盖上的小型天线工作,直接从巡逻无人机上接收图像的能力,能使直升机突然跃起,捕获目标,并以最短响应时间发射导弹。当使用全向辐射天线时,战术视频链在C波段的有效距离可达12 km或在S波段的有效距离达40 km。当使用定向天线时,战术视频链在C波段和S波段的有效距离可分别增加到40 km和50 km。
3 非对称数据链性能分析
3.1 理论性能分析
由于“复合单工DSSS”非对称数据链主要基于参考法DSSS来实现,其理论性能也以此为主。为了方便分析,下面以常规BPSK-DSSS为例说明参考法DSSS的解扩原理。对于任意常规的BPSK调制,设置为数据信号,已调信号可以表示为:
x(t)=2ssin(ωt+dnπ/2)
式中:nTb≤t(n+1) x(t)=dn2scos(ωt) 式中:nTb≤t<(n+1)Tb,n为正整数。对于二进制PN码的BPSK-DSSS信号则可以表示为: x(t)=2ssin(ωt+dnCnN+kπ/2) =dnCnN+k2scos(ωt) 式中:nTb+KTc≤t s(t)=x1(t)+x2(t)=d(t)C(t)2scos(ω1t)+ C(t)2scos(ω2t) 在接收机端经过分路器得到x1(t)和x2(t)两路信号,经过混频器的输出信号为: s(t)=x1(t)x2(t)=d(t)C(t)2scos(ω1t)• C(t)2scos(ω2t) 简化为: s(t)=d(t)C2(t)s[cos(ω1+ω2)t+cos(ω1-ω2)t] 对于PN码Cn(t)=±1,设ω1>ω2,ω1-ω2=ωIF,则经过低通滤波器滤出的输出信号为: s(t)=sd(t)cos ωIFt 该信号为中频调制的BPSK信号,经解调器解调后可得输入端的数据信号dn。 3.2 应用性能分析 未来数字化战场对战术通信链路提出了越来越高的要求,其核心内容是增强指挥人员的指挥能力和决策能力,要求各种作战信息的传递和战场指挥都能达到“实时”或“准实时”,从而夺取和控制作战空间,使敌方始终处于被动地位。非对称数据链路的特点如下: (1) 有利于提供高速、大容量的多媒体信息。 非对称数据链的下行信道是一个高速多用户共享信道,其数据带宽比传统战术通信链路要大得多,采用的访问方式也不是传统链路中点对点方式,而是采用多播或广播方式,在这种方式下信道效率和信息分发速度远远大于传统的点对点方式。如信息中心可以通过非对称下行链路不间断地提供无人机获取的视频侦察图像,也可以动态地刷新最新的作战地图。在实际战斗中显示一段实况录像或一张照片远远比几千字的战斗电文更有意义。 (2) 有利于提高战术终端的灵活性。 对于非对称模式的战术终端,其高速下行链路实际上是由一部宽带接收机和解密器组成的,它利用“IP隧道”技术、IP欺骗技术等措施来实现非对称模式单向链路的宽带IP传输。即使没有上行信道,信息中心也可将收集到的各种情报,如高分辨地图、图形、图像、气象、预警等多媒体信息,以广播形式快速分发到各战斗单位。终端的信息请求只需通过常规战术信道和设备建立“虚拟”上行链路,将该“请求”由战术节点转发至信息中心,信息中心将检索结果经战区信息注入点的上行链路通过卫星或无人机的广播信道向战区内所有战术终端广播。该类型的战术终端在体积、重量、耗电、机动性等各方面都与常规战术终端相近,但信息分发速度远远大于常规系统。 (3) 有利于提高战术数据链路的稳健性。 非对称模式可通过多条下行链路用不同的“频道”进行广播,以增强系统的抗毁性[6],同时可对广播信息进行连续接 收、存储和归档。如果被检索对象在本地历史存储数据中存在,则可迅速“恢复”,而无需请求发送。战术终端只有在需要特定信息时才进行数据发送请求,其他时间都是通过下行链路的“推”(Push)功能自动获取信息,因此战术终端的无线电发射时间和概率很小,故被截获和侦听的概率也小[7],这有利于提高自身的隐蔽性和抗毁性能。 4 结 语 非对称数据链技术有着广泛的研究前景与发展空间。目前,我军正处在信息化建设的关键时期,如何更好地利用现有资源、设备,并合理进行改造与创新,已成为一项紧迫的任务。非对称数据链技术适合于目前我军这种处境,同时非对称数据链技术的应用成本还有待进一步降低,如何改进非对称数据链技术的应用方案及其技术将是未来非对称数据链技术的重要研究方向。 参考文献 [1]Department of Defense. Technical reference model[S]. USA: Department of Defense of USA, 2003. [2]罗卫兵. 无人机多链路中继的非对称数据链研究\. 西安: 西北工业大学, 2003. [3]李芸. 面向小型无人机的空地数据链系统研究\.西安: 西北工业大学, 2005. [4]尤克, 胡智娟, 陈曦. 现代数字移动通信原理及实用技术[M]. 北京:北京航空航天大学出版社, 2001. [5]达新宇, 林家蔚, 张德纯. 数据通信原理与技术[M]. 北京: 电子工业出版社, 2003. [6]雒俊, 陈宏盛. 资源化网络OA的安全模型\. 计算机工程, 2006, 32(12): 176-178. [7]雒俊. 分布式数据库的安全控制技术研究\. 长沙: 国防科技大学, 2005. [8]PARHI K. VLSI digital signal processing systems design and implementation[M]. 北京: 机械工业出版社, 2003.
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