栗志榮，杜培明，李振凱，周凌凱

（太原衛(wèi)星發(fā)射中心，太原，030045）

0 引言

海上發(fā)射任務(wù)中，發(fā)射船和保障船出海后所面臨的海洋氣象條件復(fù)雜多變，海洋環(huán)境具有的高濕、高鹽、溫差大等特點以及電磁環(huán)境復(fù)雜等因素都對臨時部署的無線通信系統(tǒng)設(shè)備安全性、可靠性和網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性帶來挑戰(zhàn)。目前已進行數(shù)次的海上發(fā)射任務(wù)的通信系統(tǒng)主要以衛(wèi)星通信+無線寬帶為基礎(chǔ)構(gòu)建承載網(wǎng)絡(luò)，用于向廣域網(wǎng)遠端和近端的指揮控制中心傳輸圖像、語音和數(shù)據(jù)等業(yè)務(wù)信息。在組網(wǎng)過程中，無線寬帶負(fù)責(zé)構(gòu)建船與船之間的傳輸鏈路，承擔(dān)著關(guān)鍵信息傳輸?shù)闹匾饔?。因此，基于無線寬帶的組網(wǎng)模式研究對于改進海上發(fā)射通信承載網(wǎng)絡(luò)模式以及提升網(wǎng)絡(luò)可靠性和穩(wěn)定性具有重要意義。

1 海上發(fā)射復(fù)雜電磁環(huán)境特性

海上發(fā)射中，電磁環(huán)境復(fù)雜多變，港口、船舶等各類平臺設(shè)備具有的輻射源信號，在發(fā)射空域形成了復(fù)雜的電磁輻射態(tài)勢，在頻域上可能密集重疊。在實際應(yīng)用過程中，能夠使用的電磁頻譜范圍有限，這就使密集的電磁波擁擠在狹窄的頻段之中［1］。

實際電磁環(huán)境中，大量的電磁干擾信號是在人為控制下產(chǎn)生的。為保障良好的海上發(fā)射空域電磁環(huán)境，確保無線通信組網(wǎng)不受干擾，可以通過便攜式電磁頻譜監(jiān)測設(shè)備或頻譜監(jiān)測車采取交叉定位方式確定此類人為產(chǎn)生的電磁干擾信號來源，并依據(jù)規(guī)定進行臨時管控消除。

在實際工作中，如果多個電子信息裝備的工作頻段重疊或相近，會造成裝備同時使用時形成相互干擾。這就需要在工作中針對具體情況，采取有序開關(guān)機、電磁環(huán)境規(guī)避或其他措施進行處置。

2 無線寬帶網(wǎng)絡(luò)技術(shù)特性

2.1 無線寬帶系統(tǒng)特性

無線寬帶基于TD-LTE 的技術(shù)體制構(gòu)建，可滿足機動、抗干擾、無線自組網(wǎng)等應(yīng)用需求，可以實現(xiàn)移動用戶終端的寬帶通信與管理。當(dāng)前使用的無線寬帶設(shè)備集成了基帶處理單元、射頻單元、核心網(wǎng)等功能模塊，融合正交頻分多路復(fù)用、多入多出、混合自動重傳等技術(shù)。系統(tǒng)具有帶寬大、覆蓋廣、支持業(yè)務(wù)種類豐富等特點，具體包括以下方面：

a）區(qū)域覆蓋：在基礎(chǔ)通信設(shè)施無法覆蓋的區(qū)域，實現(xiàn)大范圍的寬帶無線信號覆蓋，為移動終端用戶提供無縫、端到端的無線通信服務(wù)；

b）機動架設(shè)：適應(yīng)機動環(huán)境下的快速開通和撤收，滿足移動用戶終端隨遇接入；

c）互聯(lián)互通：具有符合標(biāo)準(zhǔn)體制的通信協(xié)議與接口，能夠?qū)崿F(xiàn)信息共享與分發(fā)；

d）動態(tài)組網(wǎng)：能夠動態(tài)發(fā)現(xiàn)、感知其他網(wǎng)絡(luò)節(jié)點和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并快速建立或加入網(wǎng)絡(luò)，自動進行網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化配置，增強整個接入網(wǎng)的健壯性和抗毀能力；

e）安全保密：預(yù)留通信加密接口，配合加密設(shè)備，保證數(shù)據(jù)的隱蔽性、安全性和完整性；

f）可靠性：功能設(shè)備模塊化設(shè)計，互換性強、可維修性高；

g）抗干擾：在復(fù)雜電磁環(huán)境中能夠?qū)Ω蓴_信號進行自動檢測和規(guī)避，保證通信的連續(xù)通暢。

2.2 無線寬帶網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

無線寬帶可使用兩種工作體制［2］：

a）接入模式：一點至多點（Point to Multi-point，PMP），使用LTE技術(shù)，對終端提供接入基站的功能；接入模式下，基站之間不能互聯(lián)，終端能使用接入技術(shù)與基站連接，終端之間無法使用PMP 互聯(lián)。接入常用于基站的覆蓋，終端的隨遇接入。

b）自組網(wǎng)模式：節(jié)點對節(jié)點（Node to Node，NTN），使用NTN模式時，基站之間、終端之間、基站與終端之間都可以相互連接。自組網(wǎng)常用于基站間的骨干鏈路連接。

兩種模式均使用TDD 時分雙工技術(shù)，即通信時需要建立一個對時間同步要求高的特定頻寬的共同通道。

3 基于無線寬帶的通信組網(wǎng)模型

3.1 海上發(fā)射任務(wù)基本布局

海上發(fā)射任務(wù)可分近海和遠海兩種方式進行。近海發(fā)射時，發(fā)射船部署于近海合適位置，后端保障系統(tǒng)部署于岸邊；遠海發(fā)射時，發(fā)射船和后端保障系統(tǒng)（保障船）一同出海至預(yù)定海域，拋錨固定后實施發(fā)射。位于遠端的指控中心及近岸的指揮所通過光纖和衛(wèi)通等傳輸手段構(gòu)建的承載網(wǎng)絡(luò)完成海上發(fā)射的指揮控制和信息接收?；静季秩鐖D1所示。

圖1 海上發(fā)射基本布局Fig.1 Basic layout of marine launch

根據(jù)任務(wù)基本布局，其通信網(wǎng)絡(luò)需要滿足以下條件：

a）無線通信為主。海上發(fā)射尤其是遠海發(fā)射時，無法依托有線鏈路構(gòu)建通信網(wǎng)絡(luò)，必須采用以無線通信為主的通信組網(wǎng)方式。

b）高可靠性。海上發(fā)射通信網(wǎng)絡(luò)主要用于指揮、T0、數(shù)據(jù)等關(guān)鍵信息的傳輸，傳輸可靠性要求高，網(wǎng)絡(luò)必須有良好冗余設(shè)計。

c）高帶寬。海上發(fā)射任務(wù)中需要進行大量語音、數(shù)據(jù)以及圖像業(yè)務(wù)傳輸，較低的帶寬不能滿足發(fā)射任務(wù)需求。

d）抗毀性。如果某通信節(jié)點受海況等因素影響導(dǎo)致失效，應(yīng)迅速自動采取自動路由等措施滿足數(shù)據(jù)傳輸需求。

無線寬帶網(wǎng)絡(luò)特性可以充分滿足上述要求，組網(wǎng)過程中應(yīng)充分利用無線寬帶構(gòu)建傳輸鏈路。

3.2 網(wǎng)絡(luò)組織結(jié)構(gòu)

結(jié)合海上發(fā)射布局考慮，海上發(fā)射通信組網(wǎng)使用TCP/IP 協(xié)議網(wǎng)絡(luò)分層結(jié)構(gòu)規(guī)劃，設(shè)計雙路由傳輸鏈路，提升傳輸可靠性。其中，傳輸層用于提供承載層設(shè)備之間的傳輸通道，由光纖通信、衛(wèi)星通信、無線寬帶等系統(tǒng)組成。發(fā)射船與保障船間采用無線寬帶通信設(shè)備使用自組網(wǎng)模式構(gòu)建點對點傳輸電路；保障船節(jié)點與遠端和近端指揮控制中心采用衛(wèi)星通信手段完成信息傳輸。傳輸層組織示意如圖2所示。

圖2 傳輸層組織示意Fig.2 Schematic diagram of transmission layer organization

網(wǎng)絡(luò)層建立在傳輸層之上，為各類業(yè)務(wù)信息提供接入和傳輸?shù)钠脚_，由廣域網(wǎng)和局域網(wǎng)組成。網(wǎng)絡(luò)協(xié)議使用靜態(tài)路由協(xié)議和動態(tài)OSPF 路由協(xié)議相結(jié)合，各網(wǎng)絡(luò)設(shè)備支持組播協(xié)議。

分析以上網(wǎng)絡(luò)組織結(jié)構(gòu)和信息傳輸模式，雖然能夠基本滿足海上發(fā)射中的信息傳輸保障，但依然存在以下不足：

a）抗毀性不足。雖然在傳輸層構(gòu)建了雙平面的傳輸路由，但是發(fā)射船火箭產(chǎn)生的關(guān)鍵信息只能通過2 路無線寬帶鏈路點對點傳輸至保障船節(jié)點。其中一個節(jié)點故障或受干擾失效即造成一條鏈路中斷，如果因帶寬影響，業(yè)務(wù)無法實現(xiàn)雙路由備份傳輸，將會有造成相關(guān)業(yè)務(wù)中斷的風(fēng)險。

b）鏈路集中監(jiān)控缺乏。當(dāng)前無線通信網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控手段主要針對網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)流量進行實時監(jiān)測和分析，對于傳輸層尤其是無線寬帶系統(tǒng)只采取點對點通信模式而未形成網(wǎng)絡(luò)，缺乏集中監(jiān)控手段。

3.3 網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化

為優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)，提升抗毀性和管理性，以無線寬帶為基礎(chǔ)，構(gòu)建海上發(fā)射Mesh 組網(wǎng)模型。其中，規(guī)劃各船只上部署的無線寬帶設(shè)備，形成骨干節(jié)點，構(gòu)建骨干Mesh 網(wǎng)絡(luò)，其他設(shè)備作為邊緣節(jié)點接入骨干網(wǎng)絡(luò)，形成骨干+接入的Mesh網(wǎng)絡(luò)模型，實現(xiàn)各節(jié)點之間的聯(lián)通，如圖3所示。

圖3 基于Mesh的通信組網(wǎng)模型Fig.3 A Mesh based communication networking model

考慮到實際海上發(fā)射任務(wù)中負(fù)責(zé)各類保障任務(wù)的船只不固定，可根據(jù)實際參試船只構(gòu)建相應(yīng)的骨干節(jié)點。具體應(yīng)用來說，可以在原基礎(chǔ)上重新部署無線寬帶設(shè)備，設(shè)備可部署在同一保障船或其他保障警戒船只上，使用無線寬帶自組織模式與發(fā)射船之間構(gòu)建形成雙路由自組織Mesh 骨干網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)中的每個節(jié)點不僅可以接受和轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，而且可以與一個或多個節(jié)點進行直接通信［3］。構(gòu)建形成的無線寬帶網(wǎng)絡(luò)是一個自組織網(wǎng)絡(luò)，不存在中心控制節(jié)點，由一組可以自由移動的節(jié)點組成，可以通過節(jié)點間的自我組織，隨時隨地自由形成一個移動的通信網(wǎng)［4］，信息自行選路傳輸，提高了網(wǎng)絡(luò)的抗毀性，確保了信息傳輸?shù)目煽俊?/p>

網(wǎng)絡(luò)層構(gòu)建過程中，分別在保障船節(jié)點和發(fā)射船節(jié)點部署路由器或交換機等網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，構(gòu)建各節(jié)點的雙路由局域網(wǎng)接入網(wǎng)絡(luò)，保障船節(jié)點通過衛(wèi)星通信設(shè)備與遠端或近端的指揮中心構(gòu)建雙路由鏈路，以遠端節(jié)點的方式接入指控中心雙路由廣域網(wǎng)?？紤]保密通信要求，可以部署相應(yīng)的終端網(wǎng)絡(luò)加密設(shè)備或信道加密設(shè)備。雙路由選路策略由路由器或交換機采取靜態(tài)路由和OSPF 動態(tài)路由協(xié)議完成。基本網(wǎng)絡(luò)組織關(guān)系如圖4所示。

圖4 網(wǎng)絡(luò)組織關(guān)系Fig.4 Network organization diagram

無線寬帶Mesh 自組織網(wǎng)絡(luò)可以部署統(tǒng)一的網(wǎng)管平臺，實施集中管控，完成拓?fù)涔芾怼顟B(tài)跟蹤、告警、流量監(jiān)控等功能管理，如圖5所示。

圖5 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浔O(jiān)控Fig.5 Network topology monitoring

4 干擾分析及應(yīng)對措施

無線通信容易受到電磁干擾，也就是有用信號在接收過程中，由于其他無用信號通過直接耦合或間接耦合的方式進入有用信號接收機而造成有用信號接收質(zhì)量下降、接收信息誤碼增加或丟包從而導(dǎo)致通信性能下降甚至通信障礙的狀態(tài)［5］。

根據(jù)無用信號與有用信號的關(guān)系，電磁干擾分為同頻干擾、鄰頻干擾、互調(diào)干擾及其他干擾。其中，同頻干擾包括寬帶和窄帶同頻干擾，是同頻率的無用信號進入有用信號接收機而產(chǎn)生的干擾，一般無法通過濾波器去除，在無線寬帶組網(wǎng)實際應(yīng)用中較為常見，也較難消除。

某次近海發(fā)射任務(wù)時，在發(fā)射船?？扛劭谶M行射前測試過程中，以無線寬帶設(shè)備為傳輸層鏈路構(gòu)建的網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)嚴(yán)重丟包，在單獨測試無線寬帶設(shè)備無異常的情況下，懷疑無線寬帶設(shè)備受到電磁干擾。使用頻譜監(jiān)測設(shè)備掃描周圍信號時，在發(fā)射船?？康母劭诜较虬l(fā)現(xiàn)無線寬帶同頻段的干擾信號，如圖6所示。使用便攜式頻譜監(jiān)測設(shè)備和頻譜監(jiān)測車針對該同頻干擾信號進行測向和交叉定位，發(fā)現(xiàn)信號位于港口附近但無法確定精確位置。

圖6 干擾信號頻譜圖Fig.6 Interference signal spectrum diagram

多次監(jiān)測干擾信號，發(fā)現(xiàn)信號完全分布在無線寬帶設(shè)備使用的頻率寬度內(nèi)，但頻率和帶寬并不固定。使用頻譜監(jiān)測設(shè)備針對港口附近進一步掃描其他頻段用頻設(shè)備的干擾信號，發(fā)現(xiàn)干擾信號頻率均分布在無線寬帶、超短波等用頻設(shè)備頻寬范圍內(nèi)（200～1 500 MHz），且設(shè)備開機時相關(guān)同頻干擾信號才出現(xiàn)。綜合分析上述現(xiàn)象可排除主動干擾源，應(yīng)為己方用頻設(shè)備多、港口環(huán)境復(fù)雜造成的未知寬帶同頻干擾。

針對寬帶同頻干擾，一般可采用監(jiān)測定位同頻干擾源，并采取直接管控的方式消除，使任務(wù)中無線通信設(shè)備不受同頻電磁干擾，確保信息傳輸不受影響。但針對上述同頻干擾，無法通過管控的方式消除。主要應(yīng)對措施包括：

a）架高天線。無線寬帶收發(fā)兩端同時架高天線，當(dāng)架高3 m左右時，在3 km通信范圍內(nèi)觀察干擾有所降低。

b）更換定向天線。原全向天線輻射范圍大，無法防止反射、折射后的無用信號的再次接收，更換為定向天線后，一定程度上規(guī)避了無用信號。

c）調(diào)整功率。通過調(diào)整兩端功率來增加信噪比，觀察發(fā)現(xiàn)信噪比提升時，干擾功率有所降低。

通過上述調(diào)整后，干擾信號有所下降，但并未完全消除，如圖7所示。直到發(fā)射船離港脫離電磁干擾環(huán)境后，監(jiān)測發(fā)現(xiàn)干擾信號消失。

圖7 干擾信號頻譜圖Fig.7 Interference signal spectrum diagram

在復(fù)雜電磁環(huán)境下，干擾信號還有可能采用窄帶信號發(fā)送。針對窄帶同頻干擾，Mesh 自組網(wǎng)系統(tǒng)通過感知偵測干擾頻率范圍，重新排布無干擾的頻譜資源，可有效避讓惡意干擾。系統(tǒng)具有識別并避讓帶內(nèi)任意位置、信干比不大于-10 dBc 的窄帶干擾，對于總累計帶寬小于工作帶寬60%的形式為單音、多音、多個窄帶，也具有明顯的抑制效果［6］。

針對鄰頻干擾、交調(diào)干擾及其他干擾，在設(shè)備中集成了濾波器部署了相應(yīng)算法軟件，可自動檢測并規(guī)避非工作頻段干擾。

5 結(jié)論

海上發(fā)射任務(wù)中，無線寬帶基于帶寬大、覆蓋廣、自組織、抗干擾等特點，得到廣泛應(yīng)用。雙路由傳輸鏈路采用點對點傳輸電路，存在抗毀性和鏈路監(jiān)控不足等問題?；跓o線寬帶構(gòu)建了Mesh 骨干網(wǎng)，改進了海上發(fā)射通信組網(wǎng)模式。分析了實際發(fā)射任務(wù)中無線寬帶網(wǎng)絡(luò)受到干擾的情況，提出應(yīng)對措施，降低了干擾，為日后海上發(fā)射通信組網(wǎng)打下良好基礎(chǔ)。