军用4G概念移动通信关键技术发展浅析

摘要：民用3G技术目前已经基本成熟但更为先进的4G 通信技术在军事领域已经逐步的开始运用本文从民用3G通信技术入手,对民用3G通信技术和4G移动通信做了简要的比较,并对军用4G移动通信系统中OFDM 技术、智能天线技术、软件无线电技术、多用户检浏技术、IPv6技术等等关健技术做了分析,以期为我军通信技术的发展提供一定的借鉴。

民用第三代移动通信系统是新一代移动通信系统,其具有很好的网络兼容性,能够实现全球范围内多个不同系统间的漫游,不仅要为民用移动用户提供话音及低速率数据业务,而且要提供广泛的多媒体业务。

随着民用3G技术的深人发展,能够广泛运用于军事领域的4G 通信技术也逐步成熟起来。

可以预测,在军事领域4G通信技术将得到全面的运用与发展。

1 军用4G概念通信技术应当具备的主要特点分析
随着信息技术产、网络技术和通信技术的深人发展,战场信息传输与通信的容量、质量要求日益提高,为了确保在信息通信的有效与稳定,世界各国专业人士对能够广泛运用于军事领域的4G概念移动通信系统应当具备的主要功能提出①在不同战区的战场上,用户可以在任何地点、任何时间以任何方式不受限地接人战场通信网络中②战场上不同的移动用户终端可以是所有军种、兵种中任何类型用户③在战场上,不同任务、不同需求和不同身份的用户可以自由地选择业务、应用和网络④通过网络可以实现战场评估、战场预测和作战模拟等相关信息的传输⑤新开发的通信技术可以可以较为容易地被嵌人到建成的通信系统和相关系统和业务中。

2 军用4G概念通信系统应当具备的主要技术标准
根据对军用4G通信技术基础战场任务的描述,未来的军用4G通信系统应具备以下的基本条件。

覆盖面广。

军用4G通信网络具有良好的覆盖性能,其通信系统具有良好的覆盖并能提供高速可变速率传输,对于不同作战区域的战场、防护工程、指挥控制中心等室内环境,其也可以较好地实施信号搜盖。

智能化强。

军用4G通信网络是高度智能化的网络,其通过采用智能技术可以将其构建为一个的高度自治、自适应的网络军用通信系统。

同时,采用智能信号处理技术对信道条件不同的各种复杂环境进行结合的正常发送与接收,有很强的智能性、适应性和灵活性。

无缝链接。

军用4G通信网络要能够实现真正的战场无缝信息链接。

4G移动通信系统在民用领域要实现全球统一的标准,能使各类媒体、通信主机及网络之间进行“无缝连接”,真正实现一部手机在全球的任何地点都能进行通信在军用领域其无缝链接的要求则更加突出。

传输率高。

具有较很高的数据传输速率,在战争中对于作战飞机、高速舰艇、巡航导弹等运用速度达到250km/h劝了以上的大范围高速移动用户,数据速率为2Mbit/s; 对于主战坦克、装甲车辆、自行火炮、防空导弹、大中型舰艇等运动速度为60km/h的中速移动用,数据速率为20Mbit/s; 对于战场机器人、作战人员等低速移动用户,数据速率为100Mbit/s。

3 军用4G 概念通信技术开展的几项主要关键技术
3.1无线链路增强技术
军用4G 通信网络中无线链路增强技术可以提高容量和覆盖的无线链路增强主要技术包括分集技术, 如通过空间分集、时间分集(信道编码) 、频率分集和极化分集等方法来获得最好的分集性能多天线技术,如采用2或4天线来实现发射分集,或采用多输人多输出(MIMO) 技术来实现发射和接收分集。

MIMO技术是指利用多发射、多接收天线进行空间分集的技术,它采用的是分立式多天线,能够有效的将战场通信链路分解成为许多并行的子信道,从而大大提高容量。

信息论已经证明,当不同的接收天线和不同的发射天线之间互不相关时,MIMO系统能够很好地提高系统的抗衰落和噪声性能,从而获得巨大的容量。

在功率带宽
受限的无线信道中,MIMO技术是实现高数据速率、提高系统容量、提高传输质量的空间分集技术。

3.2智能天线技术
军用4G 通信网络中智能天线采用了空时多址的技术,利用信号在传输方向上的差别,将同频率或同时隙、同码道的信号进行区分,动态改变信号的覆盖区域,将主波束对准关键的战场用户,旁瓣或零陷对准干扰信号方向,并能够自动跟踪用户和监测环境变化,为每个用户提供优质的上行链路和下行链路信号从而达到抑制干扰、准确提取有效信号的目的。

这种技术具有在战场上较好的抑制信号干扰、自动跟踪及数字波束等功能,被认为是未来军事移动通信的关键技术。

现阶段,智能天线的工作方式主要有全自适应方式和基于预多波束的波束切换方式。

全自适应智能天线虽然从理论上讲可以达到最优,但相对而言各种算法均存在所需数据量、计算量大、信道模型简单、收敛速度较慢,在战场上某些特定情况下,其甚至会暴露出错误收敛等缺点。

实际信道条件下,当干扰较多、多径严重,特别是信道快速时变时,很难对某一指定的战场用户进行实际跟踪。

在基于预多波束的切换波束工作方式下,全空域被一些预先计算好的波束分割覆盖,
各组权值对应的波束有不同的主瓣指向,相邻波束的主瓣间通常会有一些重叠,接收时的主要任务是挑选一个作为工作模式,与自适应方式相比它显然更容易实现,是未来智能天线技术发展的方向。

3.3正交频分复用(OFDM)技术
军用4G通信技术是在民用第四代移动通信系统的基础上开发研制出来的,其主要是以OFDM为核心技术。

OFDM技术实际上是多载波调制的一种。

其主要设计思想是将战场通信信道分成若干正交子信道,将高速数据信号转换成并行的低速子数据流,调制在每个子信道上进行传输,通信网络中的正交信号可以通过在接收端采用相关技术来分开,这样可以减少子信道之间的相互干扰每个子信道上的信号带宽小于信道的相关带宽,因此每个子信道可以看成平坦性衰落,从而可以消除符号间干扰而且由于每个子信道的带宽仅仅是原信道带宽的一小部分,信道均衡变得相对容易。

在军用4G通信网络开发的过程中,OFDM技术之所以越来越受关注,是因为具有频谱利用率高、抗衰落能力强、适合高速数据传输、抗码间干扰(ISI)能力强等诸多独特的优点。

(1)频谱利用率高。

军用4G通信网络中的OFDM技术频谱利用率高,其频谱效率比串行系
统高近一倍,同时,信号的相邻子载波相互重叠,其频谱利用率可以接近Nyquist的极限,频谱利用率高是通信技术的军事通信领域能够得到广泛运用的基础。

(2)抗衰落能力强。

军用4G通信网络中的技术具有较强的抗衰落能力,其能够把不同的战
场用户信息通过多个子载波传输,这样在每个子载波上的信号时间就相应地比同速率的单载波系统上的信号时间长很多倍,从而使ODFM对脉冲噪声和信道快衰落的抵抗力更强。

(3)适合高速数据传输。

军用4G通信网络中的ODFM技术更加适合高速数据传输,其自适
应调制机制使不同的子载波可以按照信道情况和噪声背景的不同使用不同的调制方式。

当信道条件好的时候,应采用效率高的调制方式而当信道条件差的时候,则应采用抗干扰能力强的调制方式。

另外,ODFM技术加载算法的采用,使得军用4G 通信网络系统可以把更多的数据集中放在条件好的信道上以高速率进行传送,因此,ODFM技术非常适合战场上进行高速数据传输。

(4)抗码间干扰能力强。

军用4G 通信网络中的ODFM技术具有较强的抗码间干扰能力。

所谓码间干扰是数字通信系统中除噪声干扰之外最主要的干扰,它与加性的噪声干扰不同,是一种乘性干扰。

在战场上造成码间干扰的原因有很多,实际上,只要传输信道的频带是有限的,就会造成一定的码间干扰,而ODFM技术由于采用了循环前缀,故对抗码间干
扰的能力很强。

3.4软件无线电(SDR) 技术
在军用4G 通信网络中系统中,若要实现“任何战场用户在任何战区以任何形式接人网络”的理想通信方式,则至少需要保证移动终端能够适合各种类型的空中接口,能够在各类网络环境间无缝漫游,并可以在不同类型的业务之间进行转换。

这就意味着在军用4G 通信网络中系统中,软件将会变得非常复杂。

为此,引人软件无线电技术是一项较为有效的选择。

其核心就是构造一个具有开放性、标准化、模块化的通用硬件平台,将工作频段、调制解调类型、数据格式、加密模式、通信协议等各种功能用软件来完成,并使宽带刀A/D和D/A 转换器尽可能靠近天线,以研制出具有高度灵活性、开放性的新一代无线通信系统。

在军用通信网络众多关键技术中,软件无线电技术是通向未来军用4G通信网络桥梁。

由于各种技术的交迭有利于减少开发风险,所以未来技术需要适应不同种类的产品要求,而软件无线电技术则是适应产品多样性的基础,它不仅能减少开发风险,还更易于开发系列型产品。

3.5 IPv6 技术
军用4G通信网络中通信系统选择了采用基于IP的全分组方式传送数据流,因此技术将成为下一代网络的核心协议。

IPv6协议具有巨大的地址空间,在一段可预见的时期内,它能够为所有可以想像出的网络设备提供一个全球惟一的地址IPv6协议可以实现自动控制,还有另一个基本特性就是它支持无状态和有状态两种地址自动配置方式,无状态地址自动配置方式是获得地址的关键IPv6协议移动性好,移动IPv6在新功能和新服务方面可提供更大的灵活性,每个移动设备设有一个固定的地址,这个地址与设备当前接人网络的位置无关,移动设备每次改变位置都要将它的转交地址告诉给家乡地址和它所对应的通信节点。

3.6多用户检测技术
军用4G 通信网络中系统的终端和基站将用到多用户检测技术以提高系统的容量。

多用户检测技术即同时把占用某个信道的所有用户或部分用户的信号都当作有用信号,而不是作为噪声处理,利用多个用户的码元、时间、信号幅度以及相位等信息联合检测单个用户的信号,即综合利用各种信息及信号处理手段,对接收信号进行处理,从而达到对多用户信号的最佳联合检测。

它在传统的检测技术的基础上,充分利用造成多址干扰的所有用户的信号进行检测,从而具有良好的抗干扰和抗远近效应性能,降低了系统对功率控制精度的要求,因此可以更加有效地利用链路频谱资源,显著提高系统容量。

当前的算法只考虑了同小区内的干扰,而没有考虑相邻小区间的同频率用户干扰。

一般的战场多用户检测研究都假设用户数据是独立等概率的,没有考虑信道编码的影响现在组合信道编码和多用户检测的研究受到越来越多的重视。

另外,目前的研究方向还包括多速率多用户检测和多用户检测与空时二维信号处理、多载波调制、功率控制等技术的结合。