利用散射通信構(gòu)建岸海信息傳輸系統(tǒng)

鞠茂光 ,劉增基

(1.西安電子科技大學(xué) 綜合業(yè)務(wù)網(wǎng)國家重點實驗室, 西安710071;2.解放軍91469 部隊, 北京100841)

1 引 言

信息傳輸系統(tǒng)是指能以交換方式傳送話音、數(shù)據(jù)、文本、圖像、視像和多媒體信息的高速通信網(wǎng)及相關(guān)設(shè)施。中國是世界上海島最多的國家之一,隨著海洋資源的不斷開發(fā),以及海洋國土安全形勢的需要,構(gòu)建一個便捷、高效、健壯的岸海信息傳輸系統(tǒng)已經(jīng)迫在眉睫。現(xiàn)有的大陸與近海的島嶼、平臺等的通信手段主要包括海底光纜、衛(wèi)星通信、短波通信、超短波通信[1]。由于海底光纜敷設(shè)困難且易受地震或其他人為因素影響而中斷,中斷后的恢復(fù)周期很長;衛(wèi)星通信資源緊張且易受氣候影響;短波和超短波通信帶寬有限且易受電磁環(huán)境等外界因素影響。在岸?；蚝Ｉ蠘?gòu)建信息傳輸系統(tǒng),采用的通信手段要具備抗破壞能力、抗干擾能力以及穩(wěn)定可靠的特點[2]。單純依靠一種通信手段構(gòu)建近海信息傳輸系統(tǒng)不能滿足穩(wěn)定、高效、及時的信息傳輸需求。隨著技術(shù)的不斷進步,散射通信已經(jīng)具備了進行大帶寬遠距離數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪芰Α１疚难芯坷蒙⑸渫ㄐ攀侄?在近海及海上構(gòu)建信息傳遞系統(tǒng)。

2 散射通信的特點

對流層散射通信是一種利用高空10 ～12 km 以下對流層大氣媒介中的不均勻體對電波的前向散射作用而實現(xiàn)的超視距無線通信方式,其一跳的傳播距離約為幾十至幾百公里,可以工作在超短波和微波頻段,其單跳通信與傳輸速率、發(fā)射功率及天線口徑有關(guān),跨距可達幾百至上千公里。散射通信具有如下特點[3]:單跳跨距遠,可達數(shù)百公里;通信容量較大,傳輸速率可達8 Mb/s以上;傳播信道穩(wěn)定,支持全時域、全天候工作, 傳播可靠性高(可達99.9%),基本不受雷電、極光、磁暴和太陽黑子等惡劣自然環(huán)境的影響及現(xiàn)場狀態(tài)的威脅;抗干擾、抗截獲能力強;散射通信在幾百公里內(nèi)無需中繼、補給和空間資源,設(shè)備具有良好的抗毀能力。

岸海及海上通信與大陸通信相比具有很多特殊性,散射通信的諸多特點使得其在海上傳輸更具優(yōu)越性[4]。

(1)海洋地區(qū)具有極佳的對流層散射傳輸環(huán)境,尤其對于赤道無風(fēng)區(qū)的熱帶海洋性氣候,具有大氣折射能力強、散射年傳輸損耗小的特點。實測表明,海洋上的傳輸損耗比陸地上低6 dB以上。

(2)島基散射站天線面向大海,前方無地物地貌遮擋,具備天然良好的應(yīng)用條件。

(3)以散射通信手段構(gòu)建的邏輯拓撲為網(wǎng)狀網(wǎng)、物理拓撲為鏈狀網(wǎng)的組網(wǎng)工作方式,可顯著提高長鏈路網(wǎng)絡(luò)的通信傳輸能力,且在帶寬效率、使用成本、鏈路魯棒性等方面具有顯著的性價比優(yōu)勢。

3 岸海信息傳輸系統(tǒng)的基本構(gòu)想

岸海信息傳輸系統(tǒng)主要連接大陸、島嶼以及各種海上平臺,其主要構(gòu)成是:跨大陸和近海島嶼構(gòu)成骨干網(wǎng)鏈路,相距較近(200 km以內(nèi))的群島內(nèi)的島嶼之間構(gòu)成超視距海上地域網(wǎng),面向海上的機動或固定平臺構(gòu)成無線接入網(wǎng)。

(1)鏈狀骨干網(wǎng):由散射鏈狀網(wǎng)、衛(wèi)通專線和光纜等通信手段組成,用于實現(xiàn)地域網(wǎng)與大陸固定網(wǎng)絡(luò)之間信息的互聯(lián)互通。

(2)海上超視距地域網(wǎng):用于實現(xiàn)群島內(nèi)地域網(wǎng)內(nèi)部各島礁之間的信息交互。

(3)海島無線接入網(wǎng):由群島地域網(wǎng)內(nèi)的多個接入節(jié)點組成,各接入節(jié)點部署對空、對海接入設(shè)備,用于實現(xiàn)艦船、飛機與大陸骨干網(wǎng)的遠程信息傳遞。

3.1 大陸至海島遠程骨干網(wǎng)

大陸至海島遠程骨干網(wǎng)用以承擔(dān)干線信息傳輸任務(wù),其網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 大陸至海島遠程骨干網(wǎng)示意圖Fig.1 Shore-based to island remote backbone network diagram

在遠程骨干網(wǎng)的規(guī)劃構(gòu)想中,節(jié)點間大容量超視距傳輸是最為關(guān)鍵的一環(huán),具體的實現(xiàn)方法如下。

(1)在具備條件的情況下,以敷設(shè)海底光纜作為主要的信息傳輸手段,并同時采用大容量散射通信手段作為海底光纜通信手段的備份,用于解決光纜中斷時的通信保障。

(2)在不具備敷設(shè)海底光纜的情況下,采用衛(wèi)星通信與散射通信互為補充的方式作為傳輸手段,即高優(yōu)先級、低時延要求的業(yè)務(wù)信息通過散射信道傳輸,而允許有一定時延的其他業(yè)務(wù)通過衛(wèi)通信道傳輸,實現(xiàn)在信息的時敏要求、抗偵收/截獲要求、運營維護與建站成本等方面的最佳折衷。

我國目前的散射通信設(shè)備,在配置合適口徑的天線,并適當(dāng)架高天線安裝位置的情況下,可以實現(xiàn)單跳350 km的距離2 Mb/s的傳輸速率,單跳630 km 256 kb/s的傳輸速率,采用中繼方式,通信距離可達1 000 km以上。因此,采用散射通信手段與海底光纜或衛(wèi)星通信手段互為備份,可以實現(xiàn)大陸至海島遠程大容量數(shù)據(jù)傳輸。

3.2 超視距地域網(wǎng)

在相距200 km以內(nèi)的島嶼間以散射為主要通信手段構(gòu)建超視距地域網(wǎng),該地域網(wǎng)選擇條件相對較好的島礁為簇頭節(jié)點,網(wǎng)絡(luò)的物理結(jié)構(gòu)采用鏈狀組網(wǎng),邏輯結(jié)構(gòu)采用網(wǎng)狀網(wǎng)結(jié)構(gòu),支持網(wǎng)內(nèi)任意兩節(jié)點間的互聯(lián)互通及相關(guān)信息的網(wǎng)內(nèi)共享,其網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 超視距地域網(wǎng)Fig.2 Beyond visual range regional network diagram

各島嶼利用散射鏈路實現(xiàn)鏈狀組網(wǎng),各島嶼信息通過該鏈狀網(wǎng)匯集到簇頭節(jié)點,并通過遠程骨干網(wǎng)接入大陸固定網(wǎng)絡(luò)。

3.3 海島無線接入網(wǎng)

無線接入網(wǎng)由較大的島嶼節(jié)點和各地域網(wǎng)內(nèi)的多個接入節(jié)點組成,各接入節(jié)點布設(shè)對空、對海接入設(shè)備,實現(xiàn)水面平臺及船舶、飛機至大陸間的遠程話音和數(shù)據(jù)接入。其中飛機在萬米高度可實現(xiàn)與大陸的無縫接入,艦船可在島礁周邊接入。其網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖3 無線接入網(wǎng)Fig.3 Wireless access network diagram

無線接入網(wǎng)接入設(shè)備由分散部署在各礁盤之上的多信道接入終端以及通信控制設(shè)備組成,如圖4所示。其中無線接入點的部署位置需要綜合考慮信息傳輸需求及島礁分布兩方面要求。

圖4 無線接入網(wǎng)接入設(shè)備構(gòu)成Fig.4 The access equipment of wireless access network diagram

無線接入點配置如下:

(1)可根據(jù)飛機或艦船所裝備的VHF/UHF 電臺,在島嶼無線接入點配備VHF/UHF 電臺接入設(shè)備,使飛機及艦艇在各接入節(jié)點的覆蓋范圍內(nèi)具有動態(tài)接入能力,使得飛機和艦船的話音和數(shù)據(jù)能夠遠傳至大陸固定網(wǎng)絡(luò);

(2)可結(jié)合漁船、海上采油平臺上布設(shè)的應(yīng)急通信終端,在各接入點上配備民用應(yīng)急接入終端,使在島嶼周邊海域作業(yè)的漁船、海上石油平臺等民用目標,在面臨突發(fā)事件時具有接入島嶼上的基礎(chǔ)通信網(wǎng)的功能,為其向上級主管部門或軍方發(fā)送應(yīng)急求援信息提供了有力保障。

4 可行性分析

遠程骨干網(wǎng)和海上地域網(wǎng)作為信息傳遞的主要通道,其構(gòu)建必須充分結(jié)合島嶼分布的自然條件與所承載業(yè)務(wù)對帶寬及質(zhì)量的具體要求。島礁彼此間超視距分布、島礁及島岸間信息容量需求大、傳輸質(zhì)量要求高。

在有限節(jié)點間的超視距傳輸方面,散射鏈狀組網(wǎng)手段目前已具備千公里范圍內(nèi)的寬帶遠距離無線通信的能力,且使用成本和鏈路魯棒性與衛(wèi)星通信相比具有顯著優(yōu)勢,因此是解決島嶼與大陸間地跨1 000 km的干線無線傳輸,以及海上地域網(wǎng)內(nèi)部信息傳遞的最優(yōu)越組網(wǎng)形式。

(1)根據(jù)目前的散射技術(shù)發(fā)展水平,并充分利用海洋地區(qū)散射傳播條件改善的優(yōu)勢,散射通信在海上傳輸時,300 km以上的鏈路能夠支持2 Mb/s的傳輸速率,600 km以上的鏈路能夠支持256 kb/s的傳輸速率,鏈狀網(wǎng)節(jié)點距離在100 km以內(nèi)的鏈路,可支持34 Mb/s以上的對流層散射傳輸容量。

(2)目前已開發(fā)出具有世界傳輸容量最高(業(yè)務(wù)速率34 Mb/s,傳輸速率47 Mb/s)、技術(shù)水平最先進,且具有堪稱“超視距無線光纖”傳輸質(zhì)量的散射通信波形,可滿足岸海間和島礁間的超視距、大容量信息傳輸需要。

(3)對流層散射通信在沿海及海上地區(qū)已具有初步使用先例:2000 年以來,散射通信在海上石油開采的實際使用中鏈路穩(wěn)定、網(wǎng)絡(luò)傳輸潛能高,可為本文中散射鏈路的大規(guī)模建設(shè)提供有力的參考支撐[5-7] 。

在遠程骨干網(wǎng)和海上地域網(wǎng)的建設(shè)中,以散射通信為核心,并充分利用已建光纜、衛(wèi)星通信鏈路等方式的綜合傳輸手段不僅是可行的,而且是針對岸海間及島嶼間特定地理條件下的最佳傳輸方案。

5 結(jié)束語

綜上所述,散射通信作為遠程骨干網(wǎng)與超視距地域網(wǎng)中的核心傳輸手段,具有良好的技術(shù)基礎(chǔ)與相關(guān)使用經(jīng)驗。結(jié)合現(xiàn)有的海底光纜和衛(wèi)星通信等其他通信方式,本信息傳輸系統(tǒng)中涉及的傳輸手段不存在顛覆性的技術(shù)與應(yīng)用風(fēng)險,具有較強可行性。

由于岸海及海上地理環(huán)境和電磁環(huán)境的特殊性,為了確保信息傳遞的可靠、暢通,必須依靠多種通信手段互補的方式構(gòu)建岸海信息傳遞系統(tǒng)。本文提出的將散射通信、海光纜通信、衛(wèi)星通信3 種手段結(jié)合構(gòu)建岸海遠程骨干網(wǎng)、島嶼間的超視距地域網(wǎng)和海島無線接入網(wǎng)的構(gòu)想,為構(gòu)建一個生存能力強、覆蓋面積廣、信息傳輸可靠性高的岸海信息傳輸基礎(chǔ)設(shè)施提供了切實可行的方案。

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