复杂电磁环境下海上发射无线宽带组网应用研究

栗志荣，杜培明，李振凯，周凌凯

（太原卫星发射中心，太原，030045）

0 引言

海上发射任务中，发射船和保障船出海后所面临的海洋气象条件复杂多变，海洋环境具有的高湿、高盐、温差大等特点以及电磁环境复杂等因素都对临时部署的无线通信系统设备安全性、可靠性和网络稳定性带来挑战。目前已进行数次的海上发射任务的通信系统主要以卫星通信+无线宽带为基础构建承载网络，用于向广域网远端和近端的指挥控制中心传输图像、语音和数据等业务信息。在组网过程中，无线宽带负责构建船与船之间的传输链路，承担着关键信息传输的重要作用。因此，基于无线宽带的组网模式研究对于改进海上发射通信承载网络模式以及提升网络可靠性和稳定性具有重要意义。

1 海上发射复杂电磁环境特性

海上发射中，电磁环境复杂多变，港口、船舶等各类平台设备具有的辐射源信号，在发射空域形成了复杂的电磁辐射态势，在频域上可能密集重叠。在实际应用过程中，能够使用的电磁频谱范围有限，这就使密集的电磁波拥挤在狭窄的频段之中［1］。

实际电磁环境中，大量的电磁干扰信号是在人为控制下产生的。为保障良好的海上发射空域电磁环境，确保无线通信组网不受干扰，可以通过便携式电磁频谱监测设备或频谱监测车采取交叉定位方式确定此类人为产生的电磁干扰信号来源，并依据规定进行临时管控消除。

在实际工作中，如果多个电子信息装备的工作频段重叠或相近，会造成装备同时使用时形成相互干扰。这就需要在工作中针对具体情况，采取有序开关机、电磁环境规避或其他措施进行处置。

2 无线宽带网络技术特性

2.1 无线宽带系统特性

无线宽带基于TD-LTE 的技术体制构建，可满足机动、抗干扰、无线自组网等应用需求，可以实现移动用户终端的宽带通信与管理。当前使用的无线宽带设备集成了基带处理单元、射频单元、核心网等功能模块，融合正交频分多路复用、多入多出、混合自动重传等技术。系统具有带宽大、覆盖广、支持业务种类丰富等特点，具体包括以下方面：

a）区域覆盖：在基础通信设施无法覆盖的区域，实现大范围的宽带无线信号覆盖，为移动终端用户提供无缝、端到端的无线通信服务；

b）机动架设：适应机动环境下的快速开通和撤收，满足移动用户终端随遇接入；

c）互联互通：具有符合标准体制的通信协议与接口，能够实现信息共享与分发；

d）动态组网：能够动态发现、感知其他网络节点和拓扑结构，并快速建立或加入网络，自动进行网络优化配置，增强整个接入网的健壮性和抗毁能力；

e）安全保密：预留通信加密接口，配合加密设备，保证数据的隐蔽性、安全性和完整性；

f）可靠性：功能设备模块化设计，互换性强、可维修性高；

g）抗干扰：在复杂电磁环境中能够对干扰信号进行自动检测和规避，保证通信的连续通畅。

2.2 无线宽带网络架构

无线宽带可使用两种工作体制［2］：

a）接入模式：一点至多点（Point to Multi-point，PMP），使用LTE技术，对终端提供接入基站的功能；接入模式下，基站之间不能互联，终端能使用接入技术与基站连接，终端之间无法使用PMP 互联。接入常用于基站的覆盖，终端的随遇接入。

b）自组网模式：节点对节点（Node to Node，NTN），使用NTN模式时，基站之间、终端之间、基站与终端之间都可以相互连接。自组网常用于基站间的骨干链路连接。

两种模式均使用TDD 时分双工技术，即通信时需要建立一个对时间同步要求高的特定频宽的共同通道。

3 基于无线宽带的通信组网模型

3.1 海上发射任务基本布局

海上发射任务可分近海和远海两种方式进行。近海发射时，发射船部署于近海合适位置，后端保障系统部署于岸边；远海发射时，发射船和后端保障系统（保障船）一同出海至预定海域，抛锚固定后实施发射。位于远端的指控中心及近岸的指挥所通过光纤和卫通等传输手段构建的承载网络完成海上发射的指挥控制和信息接收。基本布局如图1所示。

图1 海上发射基本布局Fig.1 Basic layout of marine launch

根据任务基本布局，其通信网络需要满足以下条件：

a）无线通信为主。海上发射尤其是远海发射时，无法依托有线链路构建通信网络，必须采用以无线通信为主的通信组网方式。

b）高可靠性。海上发射通信网络主要用于指挥、T0、数据等关键信息的传输，传输可靠性要求高，网络必须有良好冗余设计。

c）高带宽。海上发射任务中需要进行大量语音、数据以及图像业务传输，较低的带宽不能满足发射任务需求。

d）抗毁性。如果某通信节点受海况等因素影响导致失效，应迅速自动采取自动路由等措施满足数据传输需求。

无线宽带网络特性可以充分满足上述要求，组网过程中应充分利用无线宽带构建传输链路。

3.2 网络组织结构

结合海上发射布局考虑，海上发射通信组网使用TCP/IP 协议网络分层结构规划，设计双路由传输链路，提升传输可靠性。其中，传输层用于提供承载层设备之间的传输通道，由光纤通信、卫星通信、无线宽带等系统组成。发射船与保障船间采用无线宽带通信设备使用自组网模式构建点对点传输电路；保障船节点与远端和近端指挥控制中心采用卫星通信手段完成信息传输。传输层组织示意如图2所示。

图2 传输层组织示意Fig.2 Schematic diagram of transmission layer organization

网络层建立在传输层之上，为各类业务信息提供接入和传输的平台，由广域网和局域网组成。网络协议使用静态路由协议和动态OSPF 路由协议相结合，各网络设备支持组播协议。

分析以上网络组织结构和信息传输模式，虽然能够基本满足海上发射中的信息传输保障，但依然存在以下不足：

a）抗毁性不足。虽然在传输层构建了双平面的传输路由，但是发射船火箭产生的关键信息只能通过2 路无线宽带链路点对点传输至保障船节点。其中一个节点故障或受干扰失效即造成一条链路中断，如果因带宽影响，业务无法实现双路由备份传输，将会有造成相关业务中断的风险。

b）链路集中监控缺乏。当前无线通信网络监控手段主要针对网络层数据流量进行实时监测和分析，对于传输层尤其是无线宽带系统只采取点对点通信模式而未形成网络，缺乏集中监控手段。

3.3 网络组网结构优化

为优化网络，提升抗毁性和管理性，以无线宽带为基础，构建海上发射Mesh 组网模型。其中，规划各船只上部署的无线宽带设备，形成骨干节点，构建骨干Mesh 网络，其他设备作为边缘节点接入骨干网络，形成骨干+接入的Mesh网络模型，实现各节点之间的联通，如图3所示。

图3 基于Mesh的通信组网模型Fig.3 A Mesh based communication networking model

考虑到实际海上发射任务中负责各类保障任务的船只不固定，可根据实际参试船只构建相应的骨干节点。具体应用来说，可以在原基础上重新部署无线宽带设备，设备可部署在同一保障船或其他保障警戒船只上，使用无线宽带自组织模式与发射船之间构建形成双路由自组织Mesh 骨干网络。网络中的每个节点不仅可以接受和转发数据，而且可以与一个或多个节点进行直接通信［3］。构建形成的无线宽带网络是一个自组织网络，不存在中心控制节点，由一组可以自由移动的节点组成，可以通过节点间的自我组织，随时随地自由形成一个移动的通信网［4］，信息自行选路传输，提高了网络的抗毁性，确保了信息传输的可靠。

网络层构建过程中，分别在保障船节点和发射船节点部署路由器或交换机等网络设备，构建各节点的双路由局域网接入网络，保障船节点通过卫星通信设备与远端或近端的指挥中心构建双路由链路，以远端节点的方式接入指控中心双路由广域网。考虑保密通信要求，可以部署相应的终端网络加密设备或信道加密设备。双路由选路策略由路由器或交换机采取静态路由和OSPF 动态路由协议完成。基本网络组织关系如图4所示。

图4 网络组织关系Fig.4 Network organization diagram

无线宽带Mesh 自组织网络可以部署统一的网管平台，实施集中管控，完成拓扑管理、状态跟踪、告警、流量监控等功能管理，如图5所示。

图5 网络拓扑监控Fig.5 Network topology monitoring

4 干扰分析及应对措施

无线通信容易受到电磁干扰，也就是有用信号在接收过程中，由于其他无用信号通过直接耦合或间接耦合的方式进入有用信号接收机而造成有用信号接收质量下降、接收信息误码增加或丢包从而导致通信性能下降甚至通信障碍的状态［5］。

根据无用信号与有用信号的关系，电磁干扰分为同频干扰、邻频干扰、互调干扰及其他干扰。其中，同频干扰包括宽带和窄带同频干扰，是同频率的无用信号进入有用信号接收机而产生的干扰，一般无法通过滤波器去除，在无线宽带组网实际应用中较为常见，也较难消除。

某次近海发射任务时，在发射船停靠港口进行射前测试过程中，以无线宽带设备为传输层链路构建的网络出现严重丢包，在单独测试无线宽带设备无异常的情况下，怀疑无线宽带设备受到电磁干扰。使用频谱监测设备扫描周围信号时，在发射船停靠的港口方向发现无线宽带同频段的干扰信号，如图6所示。使用便携式频谱监测设备和频谱监测车针对该同频干扰信号进行测向和交叉定位，发现信号位于港口附近但无法确定精确位置。

图6 干扰信号频谱图Fig.6 Interference signal spectrum diagram

多次监测干扰信号，发现信号完全分布在无线宽带设备使用的频率宽度内，但频率和带宽并不固定。使用频谱监测设备针对港口附近进一步扫描其他频段用频设备的干扰信号，发现干扰信号频率均分布在无线宽带、超短波等用频设备频宽范围内（200～1 500 MHz），且设备开机时相关同频干扰信号才出现。综合分析上述现象可排除主动干扰源，应为己方用频设备多、港口环境复杂造成的未知宽带同频干扰。

针对宽带同频干扰，一般可采用监测定位同频干扰源，并采取直接管控的方式消除，使任务中无线通信设备不受同频电磁干扰，确保信息传输不受影响。但针对上述同频干扰，无法通过管控的方式消除。主要应对措施包括：

a）架高天线。无线宽带收发两端同时架高天线，当架高3 m左右时，在3 km通信范围内观察干扰有所降低。

b）更换定向天线。原全向天线辐射范围大，无法防止反射、折射后的无用信号的再次接收，更换为定向天线后，一定程度上规避了无用信号。

c）调整功率。通过调整两端功率来增加信噪比，观察发现信噪比提升时，干扰功率有所降低。

通过上述调整后，干扰信号有所下降，但并未完全消除，如图7所示。直到发射船离港脱离电磁干扰环境后，监测发现干扰信号消失。

图7 干扰信号频谱图Fig.7 Interference signal spectrum diagram

在复杂电磁环境下，干扰信号还有可能采用窄带信号发送。针对窄带同频干扰，Mesh 自组网系统通过感知侦测干扰频率范围，重新排布无干扰的频谱资源，可有效避让恶意干扰。系统具有识别并避让带内任意位置、信干比不大于-10 dBc 的窄带干扰，对于总累计带宽小于工作带宽60%的形式为单音、多音、多个窄带，也具有明显的抑制效果［6］。

针对邻频干扰、交调干扰及其他干扰，在设备中集成了滤波器部署了相应算法软件，可自动检测并规避非工作频段干扰。

5 结论

海上发射任务中，无线宽带基于带宽大、覆盖广、自组织、抗干扰等特点，得到广泛应用。双路由传输链路采用点对点传输电路，存在抗毁性和链路监控不足等问题。基于无线宽带构建了Mesh 骨干网，改进了海上发射通信组网模式。分析了实际发射任务中无线宽带网络受到干扰的情况，提出应对措施，降低了干扰，为日后海上发射通信组网打下良好基础。