擴(kuò)頻通信是指利用擴(kuò)展頻譜技術(shù),使信號(hào)所占有的頻帶寬度遠(yuǎn)大于所傳信息必需的最小帶寬,以提高通信系統(tǒng)的抗干擾性。?
一、擴(kuò)頻的原理:香農(nóng)定理
擴(kuò)頻的原理,可以通過(guò)回顧香農(nóng)公式來(lái)理解。 香農(nóng)定理:定義了有噪聲信道的極限速率,公式如下:C=W*log2(1+S/N) 其中,S為信號(hào)平均功率,N為噪聲平均功率則S/N為信噪比,單位為分貝(dB)。 分貝與信噪比的換算關(guān)系為:dB=10log10(S/N) 信號(hào)越強(qiáng),噪聲越小,則信噪比越大,信道速率就越高。帶寬為3k赫茲的普通電話線,波特率為6000,根據(jù)調(diào)制方式的不同,可以有不同的速率,但由于噪聲的存在,能達(dá)到9.6kbps的速率已經(jīng)很不錯(cuò)了。
? 當(dāng)傳輸速率一定時(shí),加大信號(hào)帶寬,可以降低對(duì)信噪比的要求。當(dāng)帶寬加大到一定程度,甚至允許信號(hào)功率淹沒(méi)在噪聲之下。因此,在一定的發(fā)射功率下,擴(kuò)頻信息分布在很寬的頻帶內(nèi),有用的信號(hào)功率密度很低,在強(qiáng)噪聲背景或信號(hào)被噪聲淹沒(méi)時(shí),也能夠可靠通信,具有極強(qiáng)的抗干擾性能。同時(shí),擴(kuò)頻通信使用擴(kuò)頻函數(shù)(不可預(yù)測(cè)的偽隨機(jī)序列碼)調(diào)制和對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理,使得擴(kuò)頻通信具有高保密性的特點(diǎn)。 ? 擴(kuò)頻信號(hào)帶寬與信息帶寬之比為擴(kuò)頻因子。擴(kuò)頻因子數(shù)值為1-2時(shí),成為窄帶通信;大于50稱為寬帶通信;大于100為稱為擴(kuò)頻通信。?
二、四種擴(kuò)頻技術(shù),F(xiàn)HSS在無(wú)人機(jī)電臺(tái)上最常用
?擴(kuò)頻通信系統(tǒng)可以分為以下四種:? ? ? ?? ?
1、直接序列擴(kuò)頻(DSSS) 發(fā)送端直接采用高碼率的擴(kuò)頻碼序列去擴(kuò)展信號(hào)頻譜,接收端通過(guò)同樣的擴(kuò)頻碼序列還原信號(hào)。直接序列擴(kuò)頻將信號(hào)擴(kuò)展成很寬的頻帶,其功率頻譜密度比噪聲還要低,使信號(hào)能隱蔽在噪聲中,提高信號(hào)保密性。在接收端則對(duì)噪聲信號(hào)進(jìn)行非相關(guān)處理,使干擾電平顯著下降而被抑制。直接序列擴(kuò)頻通信系統(tǒng)是目前應(yīng)用最為廣泛的系統(tǒng),典型應(yīng)用有CDMA、WLAN。 ?
2、跳頻擴(kuò)頻(FHSS) 用偽隨機(jī)碼序列進(jìn)行頻移鍵控(FSK),使載波頻率不斷跳變而擴(kuò)展頻譜。跳頻擴(kuò)頻將整個(gè)頻譜分割為更小的窄帶頻譜。發(fā)送方和接收方在每個(gè)窄帶信道上工作一段時(shí)間,然后轉(zhuǎn)移到另一個(gè)信道。 ? 跳頻技術(shù)的基本原理是在通信的不同時(shí)間片或數(shù)據(jù)包中,發(fā)送端和接收端按照事先約定好的序列,頻繁地切換使用不同的頻率進(jìn)行通信。這種頻率切換可以是隨機(jī)的、偽隨機(jī)的或按照特定的算法進(jìn)行。具體切換頻率的方式取決于跳頻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)施。 ? 跳頻技術(shù)的主要目的是提高通信的安全性和抗干擾能力。由于頻率的快速切換,跳頻通信可以減少特定頻率上的干擾或竊聽(tīng)威脅,因?yàn)楦蓴_者或竊聽(tīng)者需要在短時(shí)間內(nèi)掌握并跟蹤頻率的變化才能有效進(jìn)行干擾或竊聽(tīng)。跳頻技術(shù)還可以提供頻譜擴(kuò)展的效果,即通過(guò)在更廣泛的頻率范圍內(nèi)進(jìn)行通信,提高了抗干擾性和抗多徑衰落的能力。 ? 跳頻擴(kuò)頻通信應(yīng)用在WLAN、藍(lán)牙、ZigBee中。在無(wú)人機(jī)數(shù)傳電臺(tái)上,常用的Digi 900M的XBee模塊(比如900HP、SX Pro、XTend等)、Microhard的P900以及國(guó)產(chǎn)T900,都是FHSS的。
3、跳時(shí)擴(kuò)頻(THSS) 和跳頻擴(kuò)頻類似,跳時(shí)是發(fā)射信號(hào)在時(shí)域(時(shí)間軸)上的跳變。因?yàn)樵跁r(shí)域上壓縮了傳輸時(shí)間,則相應(yīng)的頻譜寬度也擴(kuò)展了。簡(jiǎn)單的跳時(shí)抗干擾性不強(qiáng),很少單獨(dú)使用。可以和以上擴(kuò)頻技術(shù)進(jìn)行組合形成混合系統(tǒng),如跳時(shí)/直擴(kuò)系統(tǒng)。 ?
4、線性調(diào)頻擴(kuò)頻(CSS) 如果發(fā)射的信號(hào)在一個(gè)周期內(nèi),其載頻的頻率作線性變化,則稱為線性調(diào)頻。因?yàn)槠漕l率在較寬的頻帶內(nèi)變化,所以信號(hào)的頻帶也被展寬了。這種擴(kuò)頻調(diào)制方式主要用在雷達(dá),物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域(LPWAN等)。 ? 綜上,總結(jié)如下: ?
三、美軍單兵電臺(tái):寬帶自組網(wǎng)成主流
? 傳統(tǒng)的覺(jué)得能普及單兵電臺(tái)說(shuō)說(shuō)話就了不得;后來(lái)琢磨怎么能組網(wǎng),數(shù)據(jù)語(yǔ)音都有,就像手機(jī)一樣,但那個(gè)離不開(kāi)基站,需要車(chē)輛或臨時(shí)架設(shè);而現(xiàn)在則是如何帶寬更寬,并且擺脫基站的束縛。業(yè)界管第三種叫ad-hoc,自治的,無(wú)中心,動(dòng)態(tài)拓?fù)?,全?duì)等,多跳,可重構(gòu)自組網(wǎng),無(wú)需基站,或者說(shuō)每個(gè)節(jié)點(diǎn)都可以作為基站。戰(zhàn)場(chǎng)和救災(zāi)一直是大戶。 ?
美國(guó)陸軍用戶一直很上心,目前主要有兩種無(wú)線電系統(tǒng):第一種就是大家熟知的那種“傳統(tǒng)電臺(tái)”,固定信道或者用戶點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的單通道地面和機(jī)載無(wú)線電系統(tǒng) sincgars,第二種就是基于ad-hoc的移動(dòng)自組織網(wǎng)絡(luò),美軍叫 manet,也分為很多版本,單兵自組網(wǎng)的叫srw。1980年以來(lái),第一種sincgars一直是美軍士兵的基本無(wú)線電系統(tǒng)。但能寬帶上網(wǎng),動(dòng)態(tài)組網(wǎng)的ad-hoc也一直在測(cè)試,隨著關(guān)鍵技術(shù)逐步突破,最近幾年srw發(fā)展迅猛,多家公司都在搞,然后推出自己商標(biāo)的解決方案,但都遵循軍方manet標(biāo)準(zhǔn),且都在JTRS聯(lián)合戰(zhàn)術(shù)無(wú)線電框架里面。
一、trellisware公司brn網(wǎng)絡(luò)
比如trellisware公司的srw基本上成熟了,目前已經(jīng)包含tire 1和 tier 2兩個(gè)。Tier 1負(fù)責(zé)連排到單兵,tier 2負(fù)責(zé)營(yíng)連旅這一級(jí)別,再結(jié)合更高層的win-t網(wǎng)絡(luò)來(lái)實(shí)現(xiàn)從華盛頓最高統(tǒng)帥到沙漠里的最底層士兵之間的數(shù)據(jù)共享。
trellisware的brn網(wǎng)絡(luò),主要針對(duì)美軍特戰(zhàn)司令部的下一代tsm-x戰(zhàn)術(shù)無(wú)線電(ad-hoc/manet, 單個(gè)rf新到250個(gè)節(jié)點(diǎn))以及陸軍的srw窄帶無(wú)線電,從戰(zhàn)術(shù)行動(dòng)中心toc開(kāi)始,發(fā)起組網(wǎng)行動(dòng),無(wú)線電信息已虛擬多路徑方式,逐步找到單兵,這在對(duì)抗無(wú)線電環(huán)境中特別有優(yōu)勢(shì),不怕單個(gè)鏈路中斷,能繞行,網(wǎng)絡(luò)能自愈。民用的已經(jīng)發(fā)展到tsm-6,用于地下隧道,采礦,船舶內(nèi),城市應(yīng)急救援等。 ?
二、洛格,soldierlink系統(tǒng)
著名的諾斯羅普格魯曼公司的,叫soldierlink系統(tǒng),建成后sls,號(hào)稱是“移動(dòng)戰(zhàn)術(shù)云通訊網(wǎng)絡(luò)”。先試用先進(jìn)的動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)波形aknw和現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)協(xié)議,建立一個(gè)安全的,無(wú)基站的移動(dòng)ad-hoc網(wǎng)絡(luò)manet,允許連排級(jí)別以下的共享數(shù)據(jù)。重要數(shù)據(jù)再通過(guò)win-t連接到更高層。底層和高層通過(guò)有限帶寬的戰(zhàn)術(shù)網(wǎng)絡(luò)無(wú)線電來(lái)進(jìn)行橋接轉(zhuǎn)發(fā),具有網(wǎng)絡(luò)邊界保護(hù),和網(wǎng)關(guān)服務(wù)。 ? sls系統(tǒng)的aknw無(wú)線節(jié)點(diǎn)都可以作為其他網(wǎng)絡(luò)的交換機(jī)、路由器、接入點(diǎn)或者網(wǎng)關(guān),并通過(guò)以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行連接,實(shí)際應(yīng)用中已經(jīng)可以擴(kuò)展1000個(gè)節(jié)點(diǎn)。每個(gè)用戶的數(shù)據(jù)吞吐量為5-20M加密數(shù)據(jù)。 ? 可以兼容現(xiàn)有的其他戰(zhàn)術(shù)網(wǎng)絡(luò):Harris 117G (ANW2)、HMS/RR (SRW)、MNVR (WNW)、WIN-T、BFT2、3G/4G Tactical Cellular、BGAN (Commercial)。
士兵們通過(guò)一個(gè)叫做eud的battle sleeve終端設(shè)備接入網(wǎng)絡(luò),核心是一個(gè)加固的安卓智能手機(jī),這樣每個(gè)人都是一個(gè)智能終端。也同時(shí)是士兵的個(gè)人信息中心。上面可以承載的功能包括:Tactical radio-over-IP (PTT),基于ip的戰(zhàn)術(shù)無(wú)線電;Voice-over-IP (VoIP telephony),基于ip的話音;C2/SA (FBCB2/BFT and JBC-P),指揮控制,部隊(duì)監(jiān)視,藍(lán)軍等系統(tǒng);ISR reporting (TIGR),偵查報(bào)告;Fire Support (FOS),火力支援呼叫;Video access (OSRVT Air, Ground Recon, Soldier),視頻訪問(wèn);Mission Provisioning/File Transfer Protocol (Maps, Orders, Graphics),地圖,命令,圖形等傳遞;Chat,聊天;Training POI,訓(xùn)練;Maintenance POI,維護(hù)。 ?
三、GD通用動(dòng)力的,叫win-t
號(hào)稱是美國(guó)陸軍戰(zhàn)術(shù)網(wǎng)絡(luò)的骨干網(wǎng)。 增量1,也叫jnn-n,已經(jīng)2004年在伊拉克部署,營(yíng)級(jí)高速數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)。 增量2,2013年第10山地師在阿富汗首次使用。完全自組織網(wǎng)絡(luò),一套支持200人,30臺(tái)車(chē),不過(guò)尺寸還是偏大,主要是車(chē)載。
PRC-155背負(fù)式電臺(tái)(已停產(chǎn)),跟PRC-154手臺(tái)配合,陸軍首個(gè)部署的雙通道,軟件定義無(wú)線電,可以連接到muos衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò),提供類似智能手機(jī)的語(yǔ)音通訊,兩個(gè)信道,可以運(yùn)行不同波形和頻段,一臺(tái)就夠。自帶gps,加密,可以ad-hoc自組網(wǎng)。就是當(dāng)時(shí)技術(shù)所限,2G,窄帶一點(diǎn),但ad-hoc自組網(wǎng)技術(shù)算是實(shí)錘實(shí)用了。
四、persisten公司mpu 5
不過(guò)現(xiàn)在裝備的最先進(jìn)的是persistent system的 wave relay 技術(shù)的網(wǎng)絡(luò),2017年推出的mpu5號(hào)稱世界首個(gè)基于智能手機(jī)的電臺(tái),全面支持陸軍manet網(wǎng)絡(luò)的ad-hoc自組網(wǎng),self forming/hearling自組網(wǎng)/自愈,3G-SDI視頻,H.264解碼,16個(gè)信道,RoIP無(wú)線接口。對(duì)等網(wǎng)絡(luò)無(wú)主節(jié)點(diǎn),軍方和警察都在用。
尤其是針對(duì)頻率高,距離短,容易被遮擋,城市/森林/洞穴多路徑問(wèn)題,采用了3*3的mimo多發(fā)多收技術(shù),比傳統(tǒng)電臺(tái)通訊范圍擴(kuò)大4倍,速度大于100Mbps,而且s波段/ l波段/c波段的射頻硬件完全模塊化,覆蓋從幾百M(fèi)hz到6GHz,用螺絲刀就能更換,功率10瓦。
很皮實(shí),IP68標(biāo)準(zhǔn),milt-std-810g,防水20M的30分鐘,-40度到+85度。
新節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)時(shí)間小于1秒,hops數(shù)量和nodes數(shù)量沒(méi)限制。距離130英里!峰值tcp吞吐量150Mbps,信道20MHz。可以安裝apps擴(kuò)展功能,多個(gè)usb口和網(wǎng)口連接各種其他設(shè)備。通過(guò)3g-sdi, hdmi,支持320*240到高清1080p30和720p60的h.264流媒體。通過(guò)板載硬件加速編碼器,最多支持4個(gè)視頻流。
2017年開(kāi)始在警察,F(xiàn)BI、民用等領(lǐng)域使用。2017年9月跟陸軍簽了個(gè)890萬(wàn)美元的合同,11月獲得了陸軍endeavor robotics獎(jiǎng)1億美元。2018年4月參與陸戰(zhàn)隊(duì)演習(xí),6月拿到陸戰(zhàn)隊(duì)1千萬(wàn)美元單子。
所以,美軍以后的單兵電臺(tái),使用起來(lái)其實(shí)跟我們的4G/5G手機(jī)用戶體驗(yàn)差不多,關(guān)鍵人家不依賴基站,隨時(shí)隨地兄弟們自組網(wǎng),對(duì)上連接連、營(yíng)、旅,上衛(wèi)星,直通國(guó)防部。 ? ?
四、美軍用電臺(tái)是如何確保通信安全的?
軍用電臺(tái)作為一種重要的通信工具,用于軍隊(duì)內(nèi)部和軍隊(duì)之間的通信聯(lián)絡(luò)。軍用電臺(tái)通信安全對(duì)于保障軍事行動(dòng)的成功和保護(hù)軍隊(duì)的生命財(cái)產(chǎn)具有至關(guān)重要的意義。通過(guò)確保通信信息的機(jī)密性、防止竊聽(tīng)和監(jiān)聽(tīng)、抵御干擾和破壞,以及采用加密技術(shù)和有效的密鑰管理,軍用電臺(tái)通信可以在敵對(duì)環(huán)境中保持可靠、安全和保密的通信連接。這為指揮員提供了有效指揮、控制和協(xié)調(diào)作戰(zhàn)行動(dòng)的重要工具,提高了軍隊(duì)的戰(zhàn)斗力和作戰(zhàn)效能。 ? ?
? 下面兩項(xiàng)是軍用電臺(tái)確保通信安全的關(guān)鍵技術(shù): ?
1、跳頻技術(shù) 跳頻技術(shù)是一種無(wú)線通信技術(shù),通過(guò)在通信過(guò)程中頻繁改變信道(頻率)來(lái)傳輸數(shù)據(jù)。它是一種抗干擾和竊聽(tīng)的技術(shù),常用于軍事通信和安全敏感應(yīng)用中??傊l技術(shù)通過(guò)頻繁切換使用不同的頻率,提高了通信的安全性和抗干擾能力,使得通信更加難以被竊聽(tīng)、干擾和破壞。它在軍事通信、無(wú)線電間諜活動(dòng)和其他安全敏感應(yīng)用中得到廣泛應(yīng)用。 ? ? ?
2、加密通信 加密通信是指通過(guò)使用密碼算法將通信內(nèi)容進(jìn)行加密,以保護(hù)通信的機(jī)密性和安全性。在加密通信中,發(fā)送方使用加密算法將明文信息轉(zhuǎn)換為密文,只有擁有正確密鑰的接收方才能解密并還原出明文信息。 ? 加密通信的主要目的是防止未經(jīng)授權(quán)的個(gè)人或組織獲取和理解通信內(nèi)容。美軍的加密通信是指美國(guó)軍隊(duì)在通信過(guò)程中采用的安全保密措施和技術(shù),旨在保護(hù)軍事信息的機(jī)密性、完整性和可用性,防止未經(jīng)授權(quán)的人獲取和篡改敏感信息。 ? 美軍的加密通信系統(tǒng)采用了多種技術(shù)和設(shè)備,其中包括:
1)加密設(shè)備:美軍使用先進(jìn)的加密設(shè)備,如保密電話、加密通信終端和保密無(wú)線電設(shè)備,以確保通信內(nèi)容在傳輸過(guò)程中得到加密保護(hù),只有授權(quán)人員才能解密和理解。
2)加密算法:美軍采用強(qiáng)大的加密算法來(lái)對(duì)通信內(nèi)容進(jìn)行加密。這些算法包括對(duì)稱加密算法和非對(duì)稱加密算法,如AES(Advanced Encryption Standard)和RSA(Rivest-Shamir-Adleman)等,以保證通信的機(jī)密性和安全性。
3)密鑰管理:美軍注重密鑰管理的重要性。它采用安全的密鑰生成、分發(fā)和存儲(chǔ)機(jī)制,確保密鑰的安全性,只有授權(quán)人員才能獲得正確的密鑰用于解密和獲取明文信息。
4)通信網(wǎng)絡(luò)安全:美軍在通信網(wǎng)絡(luò)中采取了多層次的安全措施,包括防火墻、入侵檢測(cè)系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)加密技術(shù)等,以防止未經(jīng)授權(quán)的訪問(wèn)和攻擊,確保通信數(shù)據(jù)的安全傳輸。
5)信息保護(hù)政策和程序:美軍建立了嚴(yán)格的信息保護(hù)政策和程序,包括身份驗(yàn)證、訪問(wèn)控制、審計(jì)跟蹤和安全培訓(xùn)等,以確保通信系統(tǒng)的安全運(yùn)行和保密性。 ?
美軍的加密通信系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域,包括指揮與控制、戰(zhàn)場(chǎng)通信、情報(bào)收集和共享、聯(lián)合作戰(zhàn)等。它確保了軍事信息的保密性,防止敵對(duì)勢(shì)力獲取和利用敏感信息,維護(hù)了美軍的作戰(zhàn)優(yōu)勢(shì)和國(guó)家安全。同時(shí),美軍不斷研發(fā)和更新加密通信技術(shù),以適應(yīng)不斷變化的安全威脅和信息環(huán)境的挑戰(zhàn)。 ? 最后,附上美軍在役電臺(tái)型號(hào):
據(jù)2023年《歐洲安全和防御》雜志發(fā)表了一篇名為《部隊(duì)的連通性》的文章,文章指出:HMS項(xiàng)目為徒步部隊(duì)提供手持式及背負(fù)式電臺(tái),為車(chē)輛等各平臺(tái)和固定基地提供背負(fù)電臺(tái)。美軍最終將采購(gòu)10萬(wàn)臺(tái)AN/PRC-163指揮員手持臺(tái)、21579臺(tái)AN/PRC-154A電臺(tái)和104496臺(tái)戰(zhàn)斗網(wǎng)無(wú)線電(CNR)單信道電臺(tái),總共將采購(gòu)73064臺(tái)各類背負(fù)臺(tái),其中65622臺(tái)背負(fù)臺(tái)將裝備美國(guó)陸軍。
編輯:黃飛
?
評(píng)論
查看更多