移动通信技术在军事上的应用论文

——移动通信技术 [内容提要]

移动通信，是指通信双方或至少有一方处于运动中进行信息交换的通信方式，它不但集中了无线通信和线通信的最新技术成就，而且集中了网络技术和计算机技术的最新成果。移动通信的发展已经经历了两代，第一代（1G）采用模拟技术的语音移动通信，第二代（2G）采用数字技术的移动通信（语音为主，低速数据）。目前，各国的蜂窝移动通信技术正在进行系统演进，演进后的系统称为2.5代（2.5G），并继续朝着第三代（3G）和（4G）方向发展. 军事无线通信与民用无线通信在需求方面既有相同又有不同。相同之处在于，两种无线通信都呈现出宽带化、移动化的发展趋势。

[关键词]发展系统结构新技术军事无线通信需求

（一移动通信的发展历程）

第一代移动通信系统是在20世纪80年代初提出的，它完成于20世纪90年代初。第一代移动通信系统是基于模拟传输的，其特点是业务量小、质量差、交全性差、没有加密和速度低。

第二代移动通信系统(2G)起源于90年代初期。欧洲电信标准协会在1996 年提出了GSM Phase 2+，目的在于扩展和改进GSM Phase 1及Phase 2中原定的业务和性能。它主要包括CMAEL(客户化应用移动网络增强逻辑)，SO(支持最佳路由)、立即计费，GSM 900/1800双频段工作等内容，也包含了与全速率完全兼容的增强型话音编解码技术，使得话音质量得到了质的改进；半速率编解码器可使GSM系统的容量提高近一倍。在GSM Phase2+ 阶段中，采用更密集的频率复用、多复用、多重复用结构技术，引入智能天线技术、双频段等技术，有效地克服了随着业务量剧增所引发的GSM 系统容量不足的缺陷；自适应语音编码(AMR)技术的应用，极大提高了系统通话质量；GPRS/EDGE技术的引入，使GSM与计算机通信/Internet 有机相结合，数据传送速率可达115/384kbit/s，从而使GSM 功能得到不断增强，初步具备了支持多媒体业务的能力。尽管2G技术在发展中不断得到完善，但随着用户规模和网络规模的不断扩大，频率资源己接近枯竭，语音质量不能达到用户满意的标准，数据通信速率太低，无法在真正意义上满足移动多媒体业务的需求。

2第三代移动通信系统概述

第三代移动通信业务主要是话音和中低速数据, 码率为384 kb/ s (局域网可达2 Mb/ s) , 因而可传送比目前GSM (第二代移动通信) 更高码率的信息。随着多媒体业务的发展, 2 Mb/ s 的码率将越来越不能满足用户各种新的宽带业务的需要, 因此国际上已开始研究移动通信系统, 第一步目标是10 Mb/ s 以上。我们国内则尚未启动。因此需尽早开始研究其关键技术。需要解决的关键技术有: 宽带多媒体移动通信系统的体系结构, 包括频段、多址方法、无线接入技术、软件无线电的硬件和软件、多载波调制和OFDM 技术、自适应天线阵、高效信道编码技术(如Turbo 码) 等。

第三代移动通信系统(3G)，也称IMT2000，是正在全力开发的系统，其最基本的特征是智能信号处理技术，智能信号处理单元将成为基本功能模块，支持话音和多媒体数据通信，它可以提供前两代产品不能提供的各种宽带信息业务，例如高速数据、慢速图像与电视图像等。如WCDMA的传输速率在用户静止时最大为2Mbps，在用户高速移动时最大支持144Kbps，所占频带宽度5MHz 左右。但是，第三代移动通信系统的通信标准共有WCDMA，CDMA2000和TD-SCDMA三大分支，共同组成一个IMT 2000家庭，成员间存在相互兼容的问题，因此已有的移动通信系统不是真正意义上的个人通信和全球通信；再者，3G的频谱利用率还比较低，不能充分地利用宝贵的频谱资源；第三，3G支持的速率还不够高，如单载波只支持最大2Mbps 的业务，等等。这些不足点远远不能适应未来移动通信发展的需要，因此寻求一种既能解决现有问题，又能适应未来移动通信的需求的新技术(即新一代移动信:next generation mobile communication)是必要的。可以提供前两代产品不能提供的各种宽带信息业务，例如高速数据、慢速图像与电视图像等。如WCDMA的传输速率在用户静止时最大为2Mbps，在用户高速移动时最大支持144Kbps，所占频带宽度5MHz 左右。但是，第三代移动通信系统的通信标准共有WCDMA，CDMA2000和TD-SCDMA三大分支，共同组成一个IMT 2000家庭，成员间存在相互兼容的问题，因此已有的移动通信系统不是真正意义上的个人通信和全球通信；再者，3G的频谱利用率还比较低，不能充分地利用宝贵的频谱资源；第三，3G支持的速率还不够高，如单载波只支持最大2Mbps 的业务，等等。这些不足点远远不能适应未来移动通信发展的需要，因此寻求一种既能解决现有问题，又能适应未来移动通信的需求的新技术。

（二移动通信系统的组成）

移动通信系统由三个的子系统组成：移动台（MS）、基站子系统（BSS）和网络交换子系统（NSS）一网络交换子系统（NSS）包括移动通信系统的移动交换中心（MSC）、归属位置寄存器（HLR）、访问位置寄存器（VLR）、鉴权中心（AUC）、消息中心（MC）、短消息实体（SME）、和操作维护中心（OMC）。

移动交换中心(MSC)是码分多址移动通信系统的心脏。通过它，移动通信系统与固定市话网相连，实现固定用户与移动用户互连，以及实现移动通信系统用户的漫游。同时，它还控制着基站和移动台的工作状态，实现移动用户的互连，移动台的各种切换等。

移动交换中心（MSC）用线路与每个基站相连。每个基站对每个声码器(约20ms长)的数据组作信号质量的估算，并将估算结果随同声码器输出的数据一起传送到移动交换中心。由于移动台至基站的无线链路会受到衰落和干扰的影响，从某一基站到交换中心的信号有可能比从其他基站传到交换中心的质量好。交换中心把从一个基站或几个基站得到的信号送入选择器，每次通话需要一个选择器和相应的声码器。选择器对从两个或更多个基站传来的信号质量进行比较，逐帧选取质量最高的信号送入声码器。声码器再把数字信号转换成Kbit/s 的PCM电话信号或模拟电话信号送往固定市话网。在相反方向，市话网用户的话音信号送往移动台时，首先接至交换中心的声码器。MSC的控制器与每一个基站的控制器相连，检测、监视基站和移动台。

二基站子系统是设于某一地点、服务于一个或几个蜂窝小区的全部无线设备及无线信道控制设备的总称。基站子系统包括集中基站控制器（BSC）和若干个基站收发信机（BTS）。基站收发信机（BTS）是移动通信系统无线接口的固定端设备，进行正向链路的发送信号处理和反向链路的接收信号处理。其主要功能有：数据调制和解调，支持无线接口Um；提供移动通信系统正向和反向的各种逻辑信道；正向信道功率控制和反向信道对MS的功率控制；可将基站设置成全向或120°扇形小区覆盖；空间分集和路径分集接收；切换的实现等。基站收发信机（BTS）包括三个功能单元：射频调制解调器框架、基站接口机架、线性功率放大器机架。

移动台使用一副天线，通过双工器与收发两端相连。在模拟前端包含了功率放大、频率合成及射频和中频放大处理电路等。通过频率合成器，移动台可以把工作频率调整到任意一个频道上去。中频放大处理电路中使用一个声表面波（SAW）带通滤波器，带宽约为1.25MHz。当移动台工作在接收模式时，中频滤波器输出信号首先经过模/数（D/A）变换成数字信号，此数字信号送给四个相关接收机。其中一个用于搜索，其余三个用于数据接收。数字化的中频信号包含许多由相邻小区基站发出的具有相同导频频率的呼叫信号。数字接收机用适当的伪随机序列进行相关解调。相关处理获得的处理增益增加了匹配信号的信噪比，而抑制了其他信号。使用距离基站最近的导频载波作为相位参考对相关的解调器输出的信号进行信息解调，从而获得编码数据符号序列。这里采用三个相关接收机（Rake接收），并行接收三路不同路径信号，输出信号再进行路径分集合并。解调后的数据首先进行反交织，在用维特比（Viterbi）译码器进行前向纠错译码，得到的用户数据由声码器变成语音。发送过程与之相反。

（三移动通信系统采用的新技术）

近年来各种通信新技术蓬勃发展，新一代移动通信标准的制定过程虽然受到各国投资商和经营者的左右，但是最终结果还将取决于先进通信技术的较量和优选。这些技术概括起来可分为：新型调制技术、智能天线、多用户信号检测、无线ATM、多层网络结构和软件无线电等，特别是软件无线电技术，它是通信领域的新技术，并广泛地应用于陆地移动通信、卫星移动通信与全球定位等系统，在商用移动通信市场有很强的竞争力，是多标准统一的最佳方案。

1. 新型调制技术

调制技术是决定系统频谱利用率的关键技术，一直是人们关注的研究热点。近年来人们正在致力于研究一些更能适应复杂通信环境和多变业务需求的调制方式，多载波调制就是一个典型的例子。多载波调制的原理是把传输的数据流分解成若干个子数据流，每个子数据流具有底、低得多的码元速率，然后用这些子数据流去并行调制若干个载波。由于在多载波调制的子信道中，码元速率低，码元周期长，因而对传输信道中的时延扩展和选择性衰落不敏感，或者在满足一定条件下，多载波调制具有抗多径扩展和选择性衰落的能力。当然，多载波调制手忙脚乱的各个子载波必须满足一定精度和稳定度的要求。

多载波调制可用以下的不同方法实现：

（1）多载波正交振幅调制（MC-QAM）。把待传输的数据流分解成多路低速率

的子数据流，每一路数据流被编码成多进制QAM码元，再插入同步/引导码元，分别去调制各个子信道的载波，这些子载波综合在一起就形成了MC-QAM信号，MC-16QAM曾经用于Motorola 公司开发的数字集成群系统MIRS。

（2）正交频分利用和码分多址结合（OFDM-CDMA）。正交频分复用（OFDM）是

一种比较成熟并获得成功应用的调制技术。它和传统频分复用（FDM）不同的地方，是利用频率正交来区分不同子信道的载波，因而相信子信道貌岸然所占用的频段可以相互交叠（见图1）而不会相互干扰，因而可提高通信系统的频谱利用率。

1 2 3 4 N-1

图1 OFDM的正交载波频率

2．智能天线

智能天线是一种自适应阵列天线。实现自适应阵列天线的方法是通过调节各阵元信号的幅度和相位的加权因子（统称复加权因子），使天线的方向图可以在任意方向上具有尖峰（波束）或者凹陷。发射机把高增益天线波束对准通信中的接收机，这样既可以增大通信距离（距离不变可节约发射功率），又可以减少对其它方向上接收机的干扰。接收机把高增益天线波束对准通信中的发射机，可增大接收信号的强度，同时把零点对准其它干扰信号的入射方向上，还可滤出同道干扰和多址干扰，从而提高接收信号的信干比。智能天线的理想目标是能在发射机或接收机快速移动时，以一个或多个高增益窄波束分别对准并跟踪干扰信号的方向，此时通信系统中的许多用户可以占用同一个信道工作而互不干扰，这就实现了所谓的“空分多址”。智能天线类似于一个空间滤波器，其突出的优点是能够减少或者滤除同道干扰和多址干扰，因而能显著提高通信系统的通信容量。目前，移动台要使用自适应天线，因受体积、重量和造型等方面的，尚有一定的困难，但基站使用自适应天线已证明是非常有效的。

3.多用户信号检测

在DS-CDMA移动通信系统中，多址干扰（MAI）是通信容量的关键因素。随着移动通信用户的增加，多址干扰增大，通信质量也下降。为了使通信质量不低于预定的最低要求，必须用户的最大数目。即使用户的数目不是太多如果个别信号的发射功率远远超过有用信号，有用信号也会受到它的压制。为此DS-CDMA通信系统一般要采用精确的功率控制，把通信双方的发射功率在允许的电平上。此外，增大扩频增益、设置自适应天线阵列和进行有效的信道编码等都有利于减少多址干扰的影响，但是，多址干扰是不可避免的。为了在信号检测的过程中，进一步设法减少或消除多址干扰，我们采用多用户信号检测器。

多用户检测器的最佳检测方式是最大似然序列（MLS）检测，其性能虽然很好，但算法过于复杂，所以目前此技术多用于基站。近年来，为了探讨准最佳的检测方式，于是，人们提出了多种多样的设想和方案。这里仅就两种基本的方法简要说明这种技术原理。

（1）去相关多用户信号检测器

这种检测器在DS-CDMA系统中，用一种匹配滤波器分别对多个用户的输入信号进行检测。由于各个扩频序列之间存在相关性，各匹配滤波器的输出除所需信号和信道噪声外，还包括由互相关性引起的其它用户信号的干扰，即多址干扰。去相关检测器能够把多址干扰完全消除，但变换后的噪声要增大。去相关多用户信号检测器属于线性检测器，线性检测器还有其它类型。

（2）干扰抵消式多用户检测器

这种检测器的基本思路是把输入信号按功率的强弱进行排序，强者在前，弱者在后。首先，最最强的信号进行解调，接着利用其判决结果产生此最强信号的估计值，并从总信号中减去此估计值（对其余信号而言，相当于消除了最强的多址干扰）；其次，在对次强的信号进行解调，并按同样方法处理；依次类推，直至把最强的信号解调出来。因为相对而言，最强的信号对其它用户造成的多址干扰最强，所以从接收信号中首先把最强的多址干扰消除，最后续其它信号的解调最有利。同样的道理，先对最强的信号判决和估计也最可靠。这种按顺序消除多址干扰的方法称为连续干扰对消法，其缺点是每增加一级都要增加一比特时延，而且当每个用户的信号强度差不多时，初始判决和估计的正确性，往往对检测器的性能有较大影响。目前，许多人在研究并行干扰对消法。

4.无线ATM

第一代和第二代移动通信的主要业务是语音通信，第三代移动通信的发展目标是提供多媒体综合业务。众所周知，异步传输模式（ATM）是宽带综合业务数字网（B-ISDN）的目标模式，它把不同类型的业务数据组成固定长度的信元进行传输和交换使同一通信网络可以极为灵活地处理多种业务，不论其速率高低、实时性要求和质量要求如何，都能提供满意的服务，并能按需分配信道资源，有效地得用网络资源。随着移动通信的迅速发展这种灵活处理多种业务的技术同样会在移动通信网络中获得应用和发展，因而出现无线ATM网络。此外，当前多媒体性能日益在便携式终端（如膝上PC机、个人数字助理机（PDA）和个人信息助理机（PIA）等）上行到扩展，要使这些多功能终端能在各种环境（如室内/室外、移动/静止、城市/郊区等）下高效地接入B-ISDN，同时又能满足便携性和移动性的要求，也必须发展无线异步传输模式，最终把有线和无线多媒体融合为一体。

一般ATM用于B-ISDN的传输媒质是高速率、低误码率和传播性能稳定的光纤信道，而无

线信道却大不相同，它通常具有频谱受限（传输速率低）、传播特性时变、传输路由多变、以及传输时延大和误码率高等特点，因而要实现无线ATM就必有采用有效的措施来适应无线信道的特征。

首先，现有的ATM协议并不支持用户的移动性，而在移动通信系统中，不但用户的位置可能快速移动，而且在以小区为基础的蜂窝系统中，通信中的用户还会不断发生越区切换，这就要求无线ATM必须具有移动性管理功能，能实时选择和高速通信路由，保证用户在快速移动和越区切换时，传输不中断，而且误码率和呼损率不超过预定的要求。

其次，在常规的ATM网络中，从用户发起呼叫到双方通信结束，所有的ATM信元都是按顺序沿同一路径被传送到被呼用户。但在无线ATM网络中，由于用户移动，通信路由发生变化，被呼用户收到的偏远顺序可能不是主呼用户发出的信元顺序，这种现象称为乱序，为了接收用户能对ATM信元重新排序，可以在ATM信元地打上时间标记，或者加上顺序编号。当然，这种增加标志信息的办法，会增大信元长度，而且在接收端对信元重新排序，还会增大信息传输时延。

此外，在现有的ATM系统中，信元是沿着误码率很低的信道传输的，因而不需要逐段链路进行差错控制，只对信元头部信息采取差错校验即可。然而，无线信道的误码率却非常高，为了降低信元的丢失率，有必要对整个信元信息采用强有力的前向纠错编码，并在信元尾部附加CRC校验，显然，加强纠错措施也会增大信元长度。

5.多层网络结构

在移动通信的发展初期，网络结构的设计和规划主要由“区域覆盖”驱动，其

基本出发点是保证在所需的地区内不出现通信死角。这时候，人们虽然也注意到根据用户密度（业务密度）的不同，来确定小区覆盖面积，比如，在市区采用小型小区，在郊区采用大型小区；也预计到随着网络的成功运营，某些地区的业务需求会急剧增长，因而提出采用小区“的对策。然而，这种大型小区和小型小区相结合的网络结构仍然是单层的、互不交叠的。

第三代移动通信系统要在各种各样的通信环境中，满足形形色色的业务需求，它的发展是以提高容量需求和频谱利用率为标志的，网络结构的规划不仅要受区域覆盖的引导，而且必须同时考虑网络结构采用什么样的形式，单层的网络结构不便于通信资源的合理分配和有效利用，现在已很难满足移动用户对预定业务的需求。于是双层网络诞生了。图2是这种网络结构的例子。其中，（a）是重叠小区，由底层和顶层组成，底层指配业务信道和信令信道，顶层只指配业务信道；（b）是由宏小区和微小区组成的，宏小区服务于高移动性用户，微小区服务于低移动性用户。

（a）(b)

图2 双层小区示意图

多层的网络结构允许网络中设置不同的停产资源层，并根据业务性质进行分类，把同类性质的业务纳入同一资源层之中，以提高网络资源的利用率。资源分层可以用多种方法实现，以双层资源来说，可以按频段来分层，底层用一个频段，顶层用另一个频段；也可以按多址方法来分类，一层用时分多址，另一层用码分多址；另外，两层可以均采用时分多址，而两层使用不同的时隙；或者两层均采用码分多址，而两层使用不同的扩频序列，如顶层用短码，底层用长码等等。采用多层网络结构除合理分配区层之间的信道资源和业务容量外，还必须解决好区层之间的连接与切换，避免重叠层之间出现“乒乓效应”。

6.软件无线电技术

软件无线电SDR（Software Defined Radio）是20世纪90年代初提出的通信新技术，它的基本思想是在通用硬件平台上，用软件方式实现各种通信功能。自从1992年Jeo Mitola 提出以来，它以其通用性广、可移植性好、适应性强等优点，在军用电台方面得到迅速发展和应用。近年来，随着第三代移动通信（3G）系统的发展，软件无线电在民用领域也开始崭露头角

（四军事无线通信需求）

近年来，民用电子技术、计算机技术和通信技术的飞跃发展、极大地促进了军事无线通信的发展。民为军用、实现民用和军用技术的融合，是新时期军事无线通信发展的特点之一。军事无线通信与民用无线通信在需求方面的特点之一。军事无线通信与民用无线通信在需求方面既有相同又有不同。相同之处在于，两种无线通信都呈现出宽带化、移动化的发展趋势。

现代战争是信息化的战争，通信、侦察、指挥系统对信息传输速率的要求越来越高、可靠的通信手段成为了影响战争胜负的重要条件；同时为了赢得未来战争的胜利，对不对的机动性提出了很高的要求，军事无线通信系统应能提供告诉移动条件下的数据传输。这使得军事无线通信又有别于民用无线通信；

首先，军事无线通信的应用环境较民用无线通信更复杂、恶劣、民用无线通信设备一般具备良好的基础设施，仅需要客服非敌意干扰。而军事无线通信设备往往用于山区、海岛等地区，地形复杂多变，电波传播损耗巨大、多径影响严重；同时，战场的电磁环境也极为恶劣，除了非敌意干扰外，地方施加的有意干扰将对军事无线通信系统构成巨大威胁。其次，军事无线通信系统是基于多种平台的系统，包括车载、机载、舰载、弹载、星载系统等。这就对军事无线通信设备的体积、工号等提出了更高的要求。第三，军事无线通信由于其特殊性，对于安全性及保密行有很高的要求，需要具备抗侦察、抗截获的能力。在信息化战争条件下，通信设施的暴露和信息的泄漏，有可能导致敌精确制导武器“顺藤摸瓜”式的精确大几。通信系统的反侦察能力不仅关系到通信网络自身的安全，而且直接涉及到各级指挥机构和主站武器装备的安全。即使通信信号被敌方侦测到，也要保证通信内心内容的保密性，这就需要对通信内容进行加密提高截获的能力。

第四，在民用宽带无线移动通信系统中，激战大多是固定的、有市电供应，因此对基站端往往没有功率上的严格，只有用户终端是受限的；而军事无线通信设备的收发两端都是移动使用的，能源储备有限，这就使收发设备的功耗都收到严格，必须提高功率利用率。最后，军事无线通信和民用无线通信所使用的频段不相同。不同频段的电波信号在传输特性上有很大差别，在军事无线通信系统的设计中需要考虑工作频率对系统性能的影响。

现代战争是信息化战争，传统的通信装备已无法满足作战需求，迫切需要支持更高数据速率、更高移动速度的新一代军事无线通信系统。与这种需求不想称的是，较之民用宽带无线移动通信的迅速发展，军事无线通信技术的发展相对缓慢，诸多新技术未能及时应用于军事无线通信系统。笔者认为，新一代军事无线通信系统可以借鉴民用宽带无线移动通信技术的成功，结合其其自身特点，发展出适用于军用条件下的宽带化、移动化通信装备：将民用宽带无线移动通信技术应用于军事无线通信可分为网络应用、产品应用、技术应用三个层次。（1）网络应用。直接利用民用无线通信网络，对终端进行改造后用于军事无线通信应用的普及，运营商建立了大量的2g/3g蜂窝移动通信网和wifi、wimax宽带无线接入网，实现了对大部分地区（除山区、森林、湖泊、沙漠等人迹罕至地区外）的信号覆盖。利用现有的网络资源，解决对移动终端的加密、加固问题后，即可应用于的日常通信。这种应用模式简单、直接，但安全行、保密性较差，网络安全问题不能很好地解决；而且战时一旦民用无无线通信网络的基站或供电网络被摧毁，移动终端便无法继续使用。（2）产品应用。直接利用民用产品自行组建通信网络，如自建蜂窝移动通信网基站、宽带无线接入基站等。这样，军事无线通信网络与民用无线通信网络完全，通过加密、制定安全策略等措施可以更好地解决网络安全问题。民用产品技术成熟，加个便宜，采用民用产品自建网络打打减少了设备的研发周期和成本。但是直接利用民用产品，就只能使用民用产品支持的跑那段；而且民用产品在一些性能指标上（如速率、功耗、体积等）也无法很好地满足军事无线通信的需求。（3）技术应用。采用民用宽带无线移动通信中的核心技术，结合军事无线通信的特殊要求，沿着军用宽带无线移动通信系统。首先，应该研究并解决OFDM、MIMO、认知无线电、无线资源管理、自组织网络等关键技术在军事无线通信中的应用问题。技术应用层次可将民用技术与军事需求很好地结合起来，解决通信频段、抗干扰、加固等问题，从根本上提升我军事无线通信装备的宽带化、移动化能力，为赢得未来信息化战争提供有力保障。

[参考文献]

1、傅会民著：《军事信息技术》，北京：出版社，2005年版

2、庞宝茂著：《现代移动通信》，北京：清华大学出版社，2007年版