海上微波自适应数传系统设计

闫乐乐 赵显超

1.中国电子科技集团公司第五十四研究所；2.空军装备部驻石家庄地区军事代表室

受海面极其复杂的微波信道环境影响，传统的海上微波数传系统存在传输距离近、通信稳定性差、适应性不强等缺点。从提高天线增益以及增加传输自适应性角度设计了海上浮标船载间微波自适应数传系统，给出了系统的整体组成框图和主要模块的设计过程，针对浮标设计了可切换波束全向覆盖阵列天线，还设计了波束自动扫描切换以及速率自适应切换的通信协议。仿真结果与协议分析表明浮标天线增益高，自适应通信协议鲁棒性好，可保证系统传感器数据的高低速率远近距离的稳定自适应传输。

海上微波数传系统是应用于海上的以采集数据回传为目的的微波无线通信系统，由船载设备和浮标设备组成。浮标设备安装于无人值守的海上浮标系统之上，可将传感器数据自动上传至船载站，船载站可接收浮标上传的数据，并对浮标站进行监控[1]。

海上浮标通信系统设计需要考虑的主要因素有通信距离、成本和吞吐量等[2]。由于海上微波通信天线尤其是浮标天线通常不具备架高条件，在工作高度范围内海水蒸发形成的温湿度梯度和海面镜反射的影响造成了海面极其复杂的微波信道[3]，对信号造成较大衰减，极大地影响系统通信距离。另外大容量微波系统通常采用的C或X波段电磁波绕射能力较弱，在通信链路上的海浪容易对信号产生遮挡，同时海浪冲击造成船体/浮标的摇摆会使得天线俯仰姿态不稳定，最大增益方向很难保持在通信链路上，导致传统海上微波数传系统的通信稳定性差适应性不强。因此本文从提高天线增益以及增加传输自适应性角度设计实现了海上微波自适应数传系统。

1 系统设计

1.1 系统总体设计

数传系统主要包括基带单元、变频组件、双工器以及天线单元组成，系统组成框图如图1所示。发送端将来自上位机的以太网业务在基带单元组帧复接送至调制器编码成中频信号，中频信号经射频单元变频和功放放大后形成射频信号并通过天线发送出去；接收端在收到射频信号后，进行放大、滤波、变频并解调得到数据信息，分接出最终数据发送到上位机。

图1 数传系统组成框图Fig.1 Block diagram of data transmission system

基带单元包括以太网业务接口、复分接、调制器、解调器、数模转换和模数转换，实现业务数据到模拟中频信号的转换，组成框图如图2所示。

图2 基带单元的组成框图Fig.2 Block diagram of baseband unit

其中，网口变压器和以太网收发器实现以太网数据接口的数据收发功能；FPGA芯片中通过软件实现复分接、调制器和解调器功能，此外FPGA芯片中的功能软件还生成对其他模块的控制信号，主要是频率控制信号、功率控制信号以及波束选择信号；D/A和A/D实现数字信号和模拟信号之间的转换；发通道中频滤波器和收通道中频滤波器实现对中频信号的滤波功能。

变频组件完成L波段发射中频到C或X波段射频的变频、滤波、放大；完成C或X波段射频到P波段接收中频的低噪声放大、滤波、变频；收发通道独立工作，并且分别工作于两个频段；内置高稳定度参考时钟，并对外输出一路参考信号；并且能够通过外部监控设置收发工作频率、发射功率、接收通道增益，读取发射中频功率、发射射频功率、接收信号功率。

1.2 浮标天线设计

由于船载设备安装在船上，天线波束方向受船体摇摆影响较大，在无天线稳定伺服平台的情况下，采用低副瓣喇叭定向天线就能满足系统的增益需求。

海面通信条件下通常浮标体水平摇摆最大360°，最大俯仰摇摆角度接近±20°[4]。考虑到浮标设备的天线增益要求高，波束水平覆盖范围为全向，波束俯仰角度变化大，重量体积功耗等要求苛刻，微带天线具有体积小、成本低、重量轻、低剖面、易共形和易集成等优点，可作为阵列天线的基本单元，具有广泛应用。依据文献[5-8]，针对浮标设备设计了可切换波束全向覆盖定向天线。

天线单元采用微带天线天线单元由一层辐射贴片层，一层馈电层及一层地板组成，各层之间通过尼龙柱及螺钉进行组装。采用插入式的微带馈电结构，通过优化天线的插入深度、寄生层与贴片之间的间距可提高单个天线单元的带宽及天线的增益，使天线获得较好的性能。浮标设备的天线单元组阵方式如图3所示。8个天线单元组成一个环形阵列，搭配上高隔离度单刀八掷波束快速切换开关就组成了浮标可切换波束全向覆盖阵列天线。综合考虑浮标设备安装位置和重量体积功耗等方面的限制，采用一体化和高集成设计，在阵列天线中间空出部分放置浮标设备的其他功能单元，底部附有导热散热性好的钣金底座。设计的以浮标天线为基本架构的浮标设备具有集成度高、体积小、重量轻、散热性好等优点。

图3 浮标天线单元结构图Fig.3 Buoy antenna unit structure diagram

1.3 自适应通信协议设计

数传系统通信协议需要实现设备控制和数据传输功能，因此需要实现两种软件接口：设备控制接口和数据传输接口。设备控制主要实现上位机对设备工作参数的配置（工作频率、发送功率等）、设备状态查询（通信状态）等方面的功能。数据传输包括业务传输和信令传输。业务传输指两端上位机之间的上下行业务传输，下行指船载站到浮标站，上行指浮标站到船载站。信令传输主要是两端传输设备之间的信令传输，用于两端传输设备之间信道的建立与维护。

上位机上电后，要向传输设备发送设备初始化参数帧，参数包括站址、工作模式、上下行频率集等，告知传输设备是船载站还是浮标站，传输设备根据需求对频率集和发送功率进行设置，待传输设备正常工作后，上位机定时向传输设备发送握手帧，确定传输设备的在线状态。传输设备上电后，会阻塞等待上位机的初始化参数帧，收到初始化参数帧后进入正常工作状态并反馈。同样，上位机应先发送初始化参数帧，再等到传输设备反馈后，即可进入正常工作状态。在进入正常工作状态后，上位机维护5s一次的心跳握手帧，当超过5min都收不到传输设备的心跳帧反馈，则回归初始化配置状态，间隔5s发一次参数初始化配置帧，直到收到传输设备的反馈。

1.3.1 波束自动扫描切换

浮标设备采用了可控波束天线，船载设备首先需要引导浮标设备的天线波束指向本机。浮标受浪涌影响会随浮筒水平旋转，需要保证通信范围内的浮标设备在整个通信期间一直使用最佳收发波束方向。

船载设备上电初始化配置完成后会在业务传输空闲时间周期性每隔100ms发送广播信令帧到下行公共信道，用于浮标设备的天线对准和对浮标设备进行远程控制。

当浮标设备初始化配置完成后会处于波束自动扫描侦听状态，只收不发，利用波束开关依次切换在8个波束方向上轮询侦听船载设备信号。每个波束方向驻留1s，在一个扫描周期完成后，统计8个方向的信号强度和收包情况，从满足基本收包正确数（7包）的波束中选取平均接收电平最大的方向作为最佳收发波束方向。如果各个方向收包正确数均小于7，则扫描对准失败，继续扫描。当扫描对准成功后，浮标设备按照船载信令要求设置上行发射频率等参数后工作于低速数据传输状态，开始进行数据上传，并且在业务数据传输空闲时间周期性每隔100ms发送信令帧。在低速状态下，浮标设备会统计近10s内的收包正确数，低于50包则判定该波束方向通信效果不理想，重新回到扫描侦听状态。浮标设备上行信道的高低速率切换由船载设备来决策完成，浮标站根据船载站决策执行同步操作。浮标设备的状态转移如图4所示。

图4 浮标设备状态转移图Fig.4 State transfer diagram of buoy equipment

1.3.2 速率自适应切换

根据距离的不同自动调整调制方式与通信速率[9]，船载设备高低速率切换决策如下：

（1）低速切高速条件：近5s收包正确至少48包；近5s收包正确率不低于90%；近30包平均接收电平大于-91.5dBm，以上条件需要同时满足。在满足低速切高速条件状态后持续3s以后才执行升速操作，发送升速广播信令帧给浮标设备。

（2）高速切低速条件：近5s内收包正确数小于45包；近5s收包正确率小于80%，满足一个条件即可。在满足高速切低速条件状态后持续1s以后才执行降速操作，发送降速广播信令帧给浮标设备。

船载设备状态转移如图5所示。

图5 船载设备状态转移图Fig.5 State transfer diagram of shipboard equipment

2 仿真与协议分析

2.1 多波束天线性能仿真

应用CST MWS电磁场仿真软件[10]对微带天线单元结构进行了仿真和优化。最终天线极化方式采用垂直极化，微带天线结构单元尺寸为：54mm×39.25mm×12mm。结构设计上采用较小的天线尺寸，可大幅降低电磁波绕射损耗，提高通信距离[11]。

所设计微带天线单元在8GHz频率下的方向图仿真如图6、图7、图8所示。

图6 天线单元三维仿真图Fig.6 Three-dimensional simulation diagram of antenna unit

图7 天线单元垂直方向仿真图Fig.7 Simulation diagram of vertical direction of antenna element

由图6-图8可知，天线单元的最大增益为12.6dBi，水平方向3dB波束宽度为43.4°，垂直方向为37°。利用8个单元组成环形阵列可保证在水平全向范围内获得稳定较高增益，并且能够抵抗波束纵向俯仰角度变化。

图8 天线单元水平方向仿真图Fig.8 Horizontal simulation diagram of antenna element

微带天线单元的增益与频率关系仿真曲线如图9所示。

由图9曲线可知，天线单元在7.7～8.5GHz频率范围内增益变化在0.5dBi以内，可保证系统在整个工作频率范围内的远距离通信质量。

图9 天线单元增益与频率的关系仿真曲线Fig.9 Simulation curve of the relation between gain and frequency of antenna element

2.2 协议性能分析

在网络自适应通信协议信道估计算法中，普遍通过分配固定时隙发送和接收特定探测帧来获取信道状态[12]，因此会产生固定的信道开销，网络吞吐量无法达到饱和状态。而本协议中普通业务数据帧也可像探测帧一样参与统计信道状态，并且特定探测帧是在业务数据传输空闲时间周期性发送的。当业务数据量多时，特殊探测帧就发送的少甚至不发，这种动态调整探测帧发送间隔的方法既可充分利用空闲信道资源传输信令，同时又不会影响网络吞吐量达到饱和。

一般在多波束通信协议中，波束扫描侦听过程结束后通常会选取接收电平最大波束方向即通信双方最正对的方向作为最佳通信方向[13]，而且需要设计复杂的主从式波束同步切换协议[14]。然而在实际环境应用中，由于存在低噪放LNA饱和现象，在近距离通信情况下，会出现最正对方向捕获不到数据包的现象，此时接收电平最大方向未必是最佳通信方向。因此在本波束自动扫描切换协议设计中，设置基本的收包正确数限制条件，在此基础上选取平均接收电平最大的方向为最佳通信方向。浮标站可以独立完成波束扫描和选择，状态图更加简单，能够保证远近距离通信波束切换正确性和通信稳定性。

传统的速率自适应协议一般选用固定阈值的切换方案，例如接收电平达到某个速率门限阈值就切换速率状态[15]，这样做虽然可以增加系统的灵敏性，但是在临界阈值条件状态下会产生状态频繁切换的震荡现象，造成系统通信的不稳定。在本速率自适应切换协议中，不通过瞬时状态而是通过统计近段时间中综合收包情况估计信道状态并决定通信速率，综合考虑收包的正确数和正确率以及平均接收电平，以此保证多速率稳定地自适应通信，协议鲁棒性更好。

3 结论

本文主要解决了海上微波信道传输的可靠性问题，通过设计高增益天线增大了通信距离，设计自适应协议增强了通信稳定性，仿真结果与协议分析表明，本文设计的数传系统具有小型化、结构简单、传输速率自适应、传输距离远等优点。对浮标通信系统设计有借鉴指导作用，也适用于更多海面微波通信应用场合。

引用

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