从远古时代的鸿雁传书、狼烟烽火到当今社会移动电话与计算机普及到家庭和个人,人类总是在探索中不断追求更加快捷、更加自由的信息交流方式。1873年,英国物理学家麦克斯韦(J. C. Maxwell)在其科学名著《论电与磁》中系统、全面地阐述了电磁场理论,它标志着人类从此开始迈进无线通信的新时代。19世纪末,意大利的马可尼(G. Marconi)、美国(塞尔维亚裔)的特斯拉(N. Tesla)、俄罗斯的波波夫(A. Popov)分别独立地成功开展了无线电通信试验。在此之后,商用无线通信链路越来越多,通信距离越来越远。20世纪30年代,磁控管和速调管放大器被发明,无线发射机的功率越来越大,一些能够实用的雷达站相继建立。
第二次世界大战(二战)之前,人们已经发现了多种超出视距的无线电波传播现象,为人熟知的如中长波地波绕射、短波电离层反射/散射等。但是当时还有一种超视距无线信号被观察到,它的强度虽然很弱,但是全天都能接收到,其频率覆盖了超短波和微波频段。众所周知,在几百MHz直至几个GHz的频段,电波不可能被电离层反射(或散射)回到地面,而在如此高的频段地波绕射的距离也十分有限。显然,这是一种新的电波传播方式,由于它全年都存在,因而将其简单解释为由大气波导这种偶然的气候现象所造成也不成立。
从20世纪30年代末期到“二”战有很多雷达站相继投入使用,由于雷达具有大功率发射机和高增益天线,使得该信号被更加频繁地观察到。经过分析后研究人员认为,它的出现是由大气层中传播媒介的不均匀性而对电波产生了散射作用之故,其中的前向散射波可以被远端处于地平线之下的天线接收,故而后来此现象被称为无线电波对流层散射。
与电离层散射相比,对流层散射的信道相关带宽非常宽,该信道可靠存在,所以人们很快意识到这将是一种可资利用的远距离通信方式,它在军事上可能有着非常巨大的应用价值。20世纪50年代初,研究人员总结了大量传播试验数据,有关散射传播理论的文献不断发表;1955年,第一条散射通信链路建成;50年代末,美国(和北约)的多跳段大型散射中继通信系统—白爱丽丝(White Alice Communications System)建成并投入运行。此后整个五六十年代,北约和华约组织国家先后建设了几万千米的战略指挥及远程预警散射链路。
散射信号的路径传输损耗非常巨大,所以必须使用大口面天线和高功率发射机才能保证通信的可靠性。早期的站型设计受技术水平制约所采用的频段比较低,常用几十米的广告牌天线、数十千瓦的速调管发射机。到20世纪80年代卫星通信技术发展起来以后,除了高纬度同步轨道卫星覆盖不佳的地区,原来1 GHz以下的散射通信站陆续被关闭停用。
早期的散射通信线路多采用模拟FM体制,从20世纪70年代,数字对流层散射通信得到了非常迅速的发展,原来固定使用的大型站逐渐被可搬移、可车载、可空运的移动站取代,现在的散射通信设备与小口径卫星地面站多有相似。从技术角度上看,当前的站型特点为:
· 频段上,从2GHz、5GHz到15GHz均有成熟的产品供应;
· 很少使用几十米的固定天线,天线口径常为1~3m,多数可折叠、易收藏,能够自动对准另一端站,某些站型还能快速更换馈源从而切换工作频段;
· 发射功率为几百瓦~2kW,除固定站偶有使用更大功率的发射机外,小功率固态功放更被青睐,但即使是2~3kW的速调管发射机,其外观和重量也不比普通的家用分体式空调室外机大;
· 现代数字信号处理技术被广泛采用,如信道均衡、多天线空时编码、前向纠错等都被引入;
· 通信速率可以达到几十Mb/s,支持高质量的数据通信,话音、图像和流行的IP数据等业务类型皆可承载。
20世纪90年代,前苏联解体后曾有一段时间国际形势相对缓和,而同期卫星通信的快速发展也使得很多军事投资偏重于它;此间散射通信的地位和作用也一度受到质疑。但是后来的几次局部战争(地区冲突)表明,技术进步已使得散射通信完全能够胜任各种战术通信的角色,特别是它的超视距宽带联通能力是解决卫星转发器带宽不足之问题的利器。因此,美军开始大量升级80年代订购的第一代数字散射通信装备,一些原来停滞不前的厂商(如美国雷声公司)又重返散射通信市场,多种型号的新装备再次不断面世。
下面首先简述散射通信的优缺点,而后再分析其主要的应用领域。