0 引言

    短波通信作為一種可以不依賴于易被摧毀的固定基礎設施的通信手段，具有通信距離遠、機動靈活、組網便捷等優點，其能力的發展和提高可以為“海、陸、空、天”一體化協同作戰提供重要的基礎能力支撐。

    由于短波通信依賴于不穩定的大氣電離層反射，短波信道存在時變色散、衰落和干擾嚴重等特點。同時，隨著短波頻段面臨的電磁環境不斷惡化和遠距離、高動態戰場環境的通信需要，提高短波通信的可通率和通信質量迫在眉睫。隨著分集接收技術應用日益廣泛，將短波通信與空間分集接收技術相結合的短波廣域分集接收技術是一種重大的應用創新。該技術在我國不具備完備的衛星通信網背景下，對提高我國軍用通信系統安全具有重要意義。

    分集技術是針對包含相同信息、經過多個相互獨立路徑傳輸的多路信號實施合并處理，以達到減小各種衰落、提高抗干擾能力的目的。不論是在民用還是在軍事裝備中，分集技術的應用都非常廣泛。在軍事領域，針對隱身技術日漸完善的隱形飛行器，現有常規雷達對高速、超高速目標的捕獲顯得捉襟見肘。外軍現役先進雷達裝備通過引入分集接收技術來提高對太空和臨近空間快速目標的探測能力，如外軍裝備的反隱身MIMO米波雷達就是將諧振效應與分集接收技術相結合。此外，在防空系統的建設中，使雷達陣地發揮分集接收功能、并與導彈陣地相隔較遠距離，不但可以大大提高雷達探測精度和抗干擾能力，還可以提高導彈陣地的抗打擊能力。此外，NASA還將天線陣空間分集接收技術應用于具有極低信噪比的深空探測，獲得了高質量的語音和圖像信息。在民用領域，蜂窩移動通信系統中就廣泛應用了分集接收技術，如RAKE接收機、MIMO、協同分集接收技術等。分集技術另一個重要的應用領域就是現有的高速鐵路通信系統，如我國上海運營的磁懸浮車地通信系統。 

    短波廣域分集接收就是利用多個相距較遠的、通過有線互聯的短波固定臺站，將不同地域空間和不同極化天線所接收的短波信號，通過實時匯聚和合并解調，有效提升短波話音鏈路的穩定性和可靠性^[1-2]。圖１是基于軟值合并的多天線地空短波分集接收技術框圖。移動臺通過聲碼話設備將編碼后的數據通過短波電臺發送出去。地面各個短波臺站進行同步頭捕獲與頻率校正、信道均衡與解調軟值操作。由于需要對多路信號進行分集合并處理，信號的匯集方式包括IP網、數據專線和電話公網等多種方式[1]，可以根據業務服務質量的要求進行合理選擇。在匯聚端，對各路信號通過同步信息進行時延校正，并對各路解調軟值數據進行合并處理，從而提高系統接收性能。這樣的合并處理方式可以有效處理各路信號到達匯聚點時延遲不一的問題。

1 短波廣域分集接收特點及難點

1.1 短波廣域分集接收特點

    分集接收技術是發端將信號分散傳輸、收端集中處理、從而減少多徑衰落影響的技術。目前，主要的分集接收技術包括空間分集、頻率分集、極化分集、角度分集、時間分集等。短波廣域分集接收主要用到的是下行信道（移動臺到固定臺）的空間分集和上行信道（固定臺到移動臺）的頻率分集。在下行信道上，由于多個不同短波臺站間的間隔距離足夠遠，不同天線接收信號是相互獨立的，根據不同信道間信息的互補來增強接收效果。在上行信道上，將信源信息調制到載頻間隔足夠寬的不同載波上進行傳輸，從而獲得衰落特性相互獨立的多路信號。

    根據匯聚端對多路信號合并的方式不同可以分為三種：選擇式合并、等增益合并和最大比合并。這三種合并方式的復雜度和獲得的分集增益都是有所差異的。

    選擇式合并是從接收到的多路信號中選擇信噪比最大的一路信號輸出，該合并方式算法復雜度低，易于實現。但是只利用了多路信號中的一路信號，分集增益低。

    相比之下，等增益合并和最大比值合并均對多路信號進行了合并處理，分集效果更加明顯。等增益合并是對各路信號對齊后作等系數加權合并處理，算法復雜度較低，可以提高接收性能。但缺點是，當存在某一路或者多路信號的信噪比很低時，會導致分集合并性能急劇下降，甚至可能低于選擇性合并。

    最大比值合并則依據各路信號的信噪比分配不同的加權系數，再對各路信號進行加權合并處理，從而最大化接收信號信噪比。但缺點是算法實現復雜，同時需要實時、動態、精確地測定各條信道的信噪比來準確地分配加權系數，從而最大化接收性能。

    由于短波信道具有多徑衰落嚴重、信道時變特性復雜、干擾復雜等特點，在短波廣域分集接收設計中需要考慮將選擇性合并與最大比合并相結合，實現有選擇的最大比合并更能充分發揮短波分集接收系統的性能^[1]。有選擇的最大比合并的一般步驟是：

    (1)設定可以滿足數據傳輸速率要求的信噪比門限值SNR_O；

    (2)對于N條信道，估計各信道s_i的瞬時信噪比|s_i| (1≤i≤N)，并與信噪比門限值SNR_O作比較；

    (3)選出參與最大比合并的信道集合：實施最大比值合并。

    實施有選擇的最大比合并可以將選擇性合并和最大比合并各自的優勢相結合，避免由于短波信道的時變衰落特性造成各信道質量的較大差異，影響分集合并的效果。

    由于短波廣域分集接收中的同構天線間距很大，幾十到幾千公里不等，能夠很好地保證各天線所接收到的信號衰落的獨立性；同時，由于短波地面接收臺站分布地域的寬廣，隨著分集重數的增加，短波通信的可通率也會得到極大提高，從而有效提高短波通信的可靠性。據統計^[2，3]，當收端天線分別位于我國北京、西安、重慶、廣州，發端電臺位于南京時的四重分集接收，短波通信的可通率可以達到96%以上，遠高于無分集方式的可通率，有效提高了短波通信的通信效能。

1.2 短波廣域分集接收技術難點

    (1)短波模擬話音通信在缺乏聲碼話設備的條件下，將不同地域空間和不同極化天線所接收的短波模擬話音信號實施分集合并接收是短波廣域分集接收技術的難點之一。針對短波模擬信號的特性，主要采用選擇性合并分集接收技術來提升話音鏈路的話音質量和穩定性。實施的技術難點包括：①短波信道帶噪語音信號的端點檢測；②短波語音信號的質量評價；③短波語音信號的優選切換。

    (2)短波廣域分集接收需要對不同地域所接收到的信號匯聚后作集中合并處理。然而，信號的匯聚可以通過IP網絡、數據專網等多種方式，所獲得的傳輸時延也是不盡相同，進而影響到合并后信號的整體傳輸時延。對于一些延時要求低的應用（如短報文等），信號匯聚所帶來的傳輸時延對其無大的影響，但是對有延時要求的話音通信等，會直接影響其服務質量。因此，對于各路參與合并的信號，需要通過具有QoS意識的路由技術、基于延時限制的軟信息動態合并技術等來滿足對服務質量的要求。

    (3)由于短波天波傳輸主要依靠電離層的反射來實現遠距離通信，依據短波信道的特性，短波通信的最佳工作頻率為可用頻率窗口中的最高頻率。在這種情況下，短波的散射路徑最少，接收信噪比最高。然而，在實際的短波通信測試中發現，由于電離層的特性會隨晝夜變化、太陽黑子活動、季節等變化，部分地域會成為信號盲區。因而，短波廣域分集接收技術需要短波經電離層的散射路徑盡可能多，從而需要調低工作頻率。由此帶來的弊端是接收端信噪比的降低。如何在最佳工作頻率和最佳的分集增益間進行合理的折中是工作頻率調整的一個難點。

2 國內外研究概況

    短波廣域分集接收旨在通過廣域有線互聯的多個短波臺站接收經電離層反射和散射的短波信號，然后合并處理來提高短波信道的抗衰落和抗干擾性能。盡管已經有大量研究工作集中于將MIMO技術應用于VHF~SHF頻段，以利用有限的頻譜來提高數據傳輸速率^[4-6]。然而，由于短波波長在10 m~100 m之間，相比于MIMO應用于其他頻段，所需的天線尺寸較大，使用間隔的天線陣來應用MIMO技術受到了較大的限制，MIMO技術領域新的研究進展也難于直接應用于短波頻段^[7]。幸運的是，短波廣域分集接收技術卻不受這些限制的影響，可以充分發揮分集技術的優勢，國內外在該領域已經取得了可喜的研究進展，有效改善了短波通信的可靠性和抗干擾性能。

2.1 國內研究概況

    在國內，電子科技大學通信抗干擾技術國家級重點實驗室最早對短波MIMO相關關鍵技術開展實驗驗證工作。2004年，張熙瑜、聶在平等人對MIMO多天線系統展開了深入研究，在國內首次提出了分布式開關陣列天線來均衡各分集支路接收到的信號強度，從而最大化分集合并增益^[8]；朱鵬、唐萬斌等人展開了對短波MIMO信道相關性的測量研究，并給出了短波MIMO信道測量的實現方案^[9]；王運健、李少謙等人對短波系統中采用OFDM-MIMO通信系統展開了研究，嘗試了導頻訓練序列來實施信道估計^[10]；王民建、雷霞等人基于MIMO OFDM短波通信系統實現了基于擴頻滑動相關的短波信道參數測量的研究工作，并針對實際無線傳輸干擾問題展開了干擾抑制研究^[11]；劉吉、雷霞等人面向第三代短波通信標準，研究了基于分布式天線的短波語音分集接收方案來解決短波信道下語音可靠傳輸問題^[12]。此外，上海交通大學王若擎、錢良等人針對短波MIMO通信系統研究了預編碼技術來消除用戶間的干擾等^[13]。

    除了大學的相關研究成果外，國內部分企業（如南京熊貓漢達科技有限公司等）在短波分集接收領域也開展了大量卓有成效的實驗驗證工作。王崢等對分集接收技術用于對抗短波信道衰落做了仿真分析并進行了實驗驗證，展示出良好的分集接收效果^[3]。信長安探討了在短波組網條件下實現短波分集接收的設計問題，并給出了相關的優化和設計方法^[2]。王欽玉等對短波分集接收技術建立了相應的通信模型和軟件仿真。實際的天波通信試驗表明，MIMO短波通信可以將傳統的點對點短波通信可通率由17%提升至96%，顯著提升了短波通信的傳輸效能^[14]。此外，中國電子科技集團公司第三十六研究所李堅等人提出了一種短波分集接收方案來提升短波猝發通信系統性能。實驗結果表明，該方案在1 000 km通信距離、猝發發射功率100 W的條件下，采用5重分集接收可以有效提高猝發通信信號的捕獲概率和接收信號的信噪比^[15]。

2.2 國外研究概況

    多輸入、多輸出系統（MIMO）作為傳統天線陣通信的自然延伸和擴展，國外學者已經從信息論容量的角度對其進行過深入研究，證實了其容量增益和空分復用效果^[16-20]。盡管短波存在的多徑傳輸問題非常適合于MIMO技術的應用，但受限于傳統短波天線尺寸較大的緣故，使之不便于MIMO技術的直接應用。2008年，國外首次對短波MIMO應用展開了測試實驗，發站位于英國達拉謨（Durham）、收站分別位于距離達拉謨255 km的英國萊斯特（Leicester）和距離達拉謨743 km的法國蒙特菲爾（Monterfil），采用4重發射天線和8重接收天線并實驗了不同類型的天線陣。實驗證實了：(1)在發射信號和在不同天線上接收到的信號間的相關度足夠低的情況下，短波頻段采用MIMO技術可以取得高容量增益；(2)異構天線陣可以取代天線間相隔距離較遠的同構天線陣、并取得相近似的容量增益^[7]。此后，大量的研究工作朝這兩個方向展開。通過MIMO技術來抑制雜波，加拿大的研究機構實驗證實了短波MIMO視距外雷達的可行性和有效性^[23]。文獻[24]在實驗驗證了短波MIMO應用緊湊型交叉極化天線陣的可行性前提下，基于已有的單天線MIL-STD-188-110C-Appendix-D寬帶短波標準，設計了新的短波MIMO物理層。仿真結果表明，與單天線模式相比，該新標準可以提高整體吞吐率116%、提高信噪比15 dB。文獻[25]介紹了短波近垂直天波傳輸在救災等指揮通信中的應用，并通過實驗證明，相比于線性極化天線，環形極化天線能更有效地抑制多徑衰落的影響，從而可以有效提高各類短波分集接收系統的整體性能。針對視距外短波通信，文獻[26]提出了一種基于隨機空時編碼的物理層節點協同方法，從而獲得類似于MIMO系統的分集增益。仿真實驗證實了該方法的能量效率和分集增益。文獻[27]針對短波MIMO OFDM系統提出了一種時間和頻率同步算法。仿真結果證明，即使在低信噪比條件下，該方法依然可以顯著提高系統同步性能，并且時域內可以快速收斂。文獻[28]通過將發送的極化分集替代傳統的空間分集，提出了一種短波超視距的數字傳輸方法。通過280 km遠的短波傳輸實驗表明，在4.2 kHz的帶寬上可以取得最高24.09 kb/s的傳輸速率。

    此外，隨著網絡通信領域一些提高網絡吞吐率的新技術的出現，如網絡編碼技術^[29]等，創新性地將MIMO與網絡編碼技術相結合可以使系統更加有效地對抗衰落信道、獲得更高的傳輸速率^[30]。

3 短波廣域分集接收關鍵技術及發展趨勢

3.1 關鍵技術

    為實現短波廣域分集接收系統的性能增益，需要研究以下的關鍵技術。

3.1.1 分集合并技術

    對來自遠端的多路接收信號通過組網方式匯集、并將基于解調數據的軟值合并基本步驟是：

    (1)對各支路基帶音頻信號進行檢測和同步；

    (2)依據各路信號的信噪比和幅度信息，對各條支路信號分配不同的加權系數；

    (3)對加權后的各支路信號相加合并。

    單純的分集合并算法包括選擇合并、等增益合并和最大比值合并。在短波廣域分集接收系統中，出于對復雜度的限制和高分集增益的要求，一般采用的是組合合并技術^[31]。常見的組合合并方式是將選擇合并（SC）與最大比值合并（MRC）或等增益合并（EGC）相結合，對從所有鏈路中選出的部分鏈路實施最大比合并或者等增益合并。

3.1.2 模擬話音質量打分與切換

    在短波模擬話音分集接收系統中，當缺少聲碼話設備時，需要通過選擇性分集合并接收來提高話音鏈路的話音質量和穩定性。由于短波的天波傳輸受到電離層的影響較大，多徑衰落、干擾、噪聲等均會對信號的接收造成影響。為此，可以概括為三項主要的關鍵技術：

    (1)帶噪語音端點檢測技術：從含噪聲的語音信號中確定出語音信號的起始點及結束點。目前主要有基于模型與基于特征兩類端點檢測方法；

    (2)語音質量評價技術：主要從語音質量的特征參數（如響度、信噪比、串音等）角度來加以綜合評價；

    (3)語音信號優選切換技術：通過對各支路語音信號信號質量的準確評價，動態地切換至語音質量更好的信道。

3.1.3 具有服務質量意識的等待匯集技術

    在短波廣域分集接收系統中，需要對多個不同地域空間和不同極化天線所接收到的短波信號通過網絡傳輸并匯聚至中心站點進行合并處理。由于經過不同路徑的傳輸，到達中心合并站點的延時也不相同。為了確保語音信號的服務質量（QoS），當各支路信號中的某一路信號到達中心合并站點后，需要確定一個等待時間的門限tT，從而在QoS和分集增益間取得一個合理的折中，該問題可以歸結為求解如下的一個最優化問題：

在式(1)中，ΔC(t)表示在等待匯聚時間t后所能獲得的分集增益；Δw(t)表示在等待匯聚時間t后在QoS上所付出的代價；優化目標即為，在滿足語音信號QoS要求的條件下，確定等待匯聚時間t，使得在單位QoS損失的條件下取得最大的分集增益。

3.1.4 具有QoS意識的路由技術

    在短波廣域分集接收系統中，由于多個短波地面臺站所接收到的信號通過網絡、經不同的路徑加以傳輸，所產生的網絡延時也是不一樣的。具有QoS意識的路由技術可以通過動態地獲取網絡擁塞情況來選擇合適的路由，從而有助于提高分集增益和語音質量。

3.2 發展趨勢

    對于短波廣域分集接收系統未來的發展，主要表現出以下幾個方面的發展趨勢。

3.2.1 采用緊湊的異構天線陣技術

    在短波廣域分集接收領域，為保證各短波地面臺站天線所接收的信號衰落的獨立性，國內研究機構所開展的相關研究工作主要是基于相距足夠遠的、位于不同地域的、多個同構短波通信天線所接收到的信號進行合并接收，從而大大限制了分集的重數和分集增益。由于異構天線陣可以取代天線間相隔距離較遠的同構天線陣、并取得相近似的容量增益^[7]，由此可以帶來分集重數和分集增益的大幅提升，也是未來應用的趨勢。

3.2.2 實施分層混合合并技術

    對于單純的分集合并技術(如最大比和等增益合并)會隨著分集重數的增加，其計算開銷也會隨之增大；選擇合并盡管算法復雜度低，但分集效率低下。通過將不同的分集合并算法加以組合，可以取得對分集合并性能和計算復雜度間的合理折中。

    隨著緊湊的異構天線陣在國外短波分集接收系統中的成功應用^[21-22]，可以通過諸如先對分布在不同地域的、應用異構天線陣的若干短波臺站實施最大比合并，然后匯聚至中心合并站點實施選擇合并。此類分層混合合并方式類似于“微分集”和“宏分集”的思想，可以有效提高短波廣域分集合并系統整體性能，是未來的一個發展趨勢。

3.2.3 節點協同分集接收

    由于節點間的協同分集可以擴大短波分集接收系統的應用范圍，降低各分集接收短波臺站所接收到的信號經有線網絡傳輸的延時，是作為天線分集接收系統的一類重要補充。節點協同分集利用了無線傳輸的廣播特性，并通過協同節點創造出“虛擬”的分布式天線，從而獲得空間分集增益。

3.2.4 分集合并技術與其他新技術相結合

    隨著一些通信新技術的出現，如網絡編碼技術^[29]、功率分配技術^[32]等的出現，在短波廣域分集接收系統中將分集合并接收與其他新技術的相互結合，以進一步提高短波通信系統的性能是未來一個重要的發展方向。

4 結束語

    本文較詳細地介紹了短波廣域分集接收系統的特點以及實現的技術難點。同時，對短波廣域分集接收系統當前的國內外發展狀況做了詳盡介紹與對比。最后，介紹了短波廣域分集接收系統中的關鍵技術并指出了其未來的發展趨勢。

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21-33略