DARPA射频骨干网项目的启示研究

今日荐文的作者为中国电子科学研究院专家李秉权，李硕，孙延坤。本篇节选自论文《DARPA射频骨干网项目的启示研究》，发表于《中国电子科学研究院学报》第14卷第5期。

摘 要：梳理了美国国防高级研究计划局（DARPA）资助“100Gbps射频骨干网”项目的研究进展，从技术可行性角度分析了该项目的基本原理，并分析了采用毫米波通信技术、高阶调制技术以及LoS MIMO空间复用技术的好处和带来的问题。最后给出了该项目的启示，以及对我国技术创新发展体制的思考。

关键词:100Gbps；毫米波；空间复用。

论文全文摘编如下，仅供学术交流与参考

引言

现代战争中，为实现实时的态势统一、传感器信息协同和辅助决策，有大量的数据信息需要传输交换，其中大部分数据是在连接各控制中心的骨干网上传输的。目前，光纤网络是军事骨干网络的核心，可确保文字、语音、视频等数据以Gbps级的超高速率远距离传输，但远征作战需要在没有光纤的地方获得这种数据传输能力。

美国国防高级研究计划局（DARPA）认为，美军不能依赖固定通信基础设施来部署行动，而需要在全球任何地方都能获得等同光纤的通信能力。卫星通信（SATCOM）和自由空间光通信（FSO）是可供选择的解决方案，但同时都存在一定局限性。卫星通信能够提供远程数据传输服务，但传输速率达不到要求；自由空间光通信技术可提供光纤级的传输能力，但不能透过云层传输，无法保证军事网络的可用性。因此，毫米波波段的无线射频（RF）通信链路可能是最好的解决方案。

DARPA于2013年1月启动了一项名为“100Gbps射频骨干网”的项目（以下简称“100G”项目），旨在开发一种高速军用无线数据链，使位于约18km高空的飞机能够实现传输速率达100Gbps的空-空通信（通信距离200km）和空-地通信（通信距离100km）。

“100G”项目的任务就是研究能够产生光纤级数据传输能力的技术和系统概念，最终目标是在战场上让士兵等地面节点与无人机、战斗机等空中平台之间能够以100Gbps的速率进行无线通信。

2016年12月，DARPA的“100G”项目的项目经理泰德·伍德沃德(Ted Woodward)表示，该项目第一阶段已完成了100Gbps无线链路可行性的验证，正处于开发原型系统的第二阶段，进行飞行试验的第三阶段可能将在后续启动。

据ASDnews网站2018年8月22日报道，诺格公司宣布已于2018年1月完成了DARPA射频骨干网项目第二阶段“系统集成”的地面演示工作，成功演示了4秒内通过100Gbps骨干网传输一部50GB的蓝光视频。地面试验的成功为飞行试验打下了基础，第三阶段“飞行试验”已于2018年6月启动，诺格公司计划采用其子公司研发的“变形杆菌”验证机进行100km的空地飞行验证。

1 概述

“100G”项目的目标是创建一个具有光纤级数据容量的机载无线通信链路，可穿透云层进行远距传输，并保证高可用性。该数据链必须能够透过云、雾、雨，同时确保战术数据吞吐量和链路范围。图1为云层之外的高空平台（如“全球鹰”无人机）与地面节点以毫米波链路进行高速通信的构想示意图。

图1 “100G”项目高速机载数据链通信构想示意图

1.1 进度安排

该项目分为三阶段。原计划从2016年9月持续到2018年9月，分别完成关键技术验证，原型系统搭建与集成，以及最终的飞行测试。目前从公开信息获知，该项目已于2018年1月完成了第一阶段和第二阶段任务，2018年6月启动第三阶段工作，比原计划延迟了5个月。原进度计划如表1所示：

表1 “100G”项目进度安排

第一阶段奠定了远距离100Gbps无线数据链的技术基础，其项目招标公告（DARPA-BAA-13-15）于2013年1月公布，投资约1830万美元，承包商为包括雷声、诺格、巴特尔、Silvus技术公司、Trex公司、Basking Ridge通信应用公司在内的6家公司；第二、三阶段制造用于飞行试验的原型系统，其招标公告（DARPA-BAA-15-22）于2015年3月公布，承包商从6家降低到2家，仅剩雷声和诺格，研发经费为2700万元。各阶段主要工作如下：

1.1.1 第一阶段：基础技术研发

“100G”项目的第一阶段主要研究实现高速传输的两项关键技术：毫米波的高阶调制技术和空分复用技术，共包括3个技术领域。技术领域1（TA-1）研发了在毫米波频段生成、发送、接收和处理高阶调制信号的技术，实现了单载波25Gbps及单孔径双极化下50Gbps的传输速率；技术领域2（TA-2）探索了长距离毫米波链路的空分复用技术，验证了接收端同频率多信号流之间保持独立不干扰的技术原理；技术领域3（TA-3）则进行了概念演示验证和100G系统关键测试的工程实现技术开发。

第一阶段的研究工作为实现100Gbps的传输速度奠定了理论基础。

1.1.2第二阶段：原型系统开发

“100G”项目的第二阶段开发原型系统，集成高阶调制技术、空分复用技术及提升功率和频谱效率的技术等关键技术，并将它们综合于飞机和地面工作站内。对原型系统的地面测试也在第二阶段完成，包括山-地测试和山-山测试，测试在中国湖试验基地等政府试验设施内进行。此外，为最小化下一阶段系统设计出现变化的风险，飞行测试的准备工作也已在该阶段完成。

第二阶段已于2018年1月完成。DARPA局长Steven Walker表示，在该项目的试验中，DARPA创下了若干毫米波调制的传输记录，达到了满足项目最终目标的等级。

1.1.3 第三阶段：飞行测试

“100G”项目的第三阶段集中进行实际装机设备的开发和飞行测试，已于2018年6月启动，预计完成两次持续数周的飞行测试，测试示意图如图2所示，包括1个空中节点和1个地面节点。飞行测试中所使用的载机没有做特定要求，由承包商结合自身需求及项目指标要求选定。

图2 第三阶段飞行测试示意图

该项目开发的数据链运行高度目标是约18.3km，为提高费效比，项目第三阶段将在约3.7km的空中进行飞行试验。降低了飞行高度的要求，便于承研单位选择测试飞机，降低了飞行试验的成本；并且飞行高度降低可以减少飞机爬升时间，增加有效的飞行测试时间，提高测试效率。然而，随着飞行高度的降低，大气干扰将加剧，会导致通信距离降低。后续，项目组将利用低空飞行的测试结果进行仿真建模，验证100G骨干网在目标高度上的空-地和空-空通信性能。

1.2 性能指标

“100G”项目第二阶段和第三阶段中的测试系统包括一个空中节点和一个地面节点，其详细性能指标如表2所示。其中，空中节点的尺寸、重量和功耗（SWaP）要求需要与搭载的平台相适应，地面节点则需要安装在移动平台上，同样有相应的SWaP要求。

表2 100G系统设计性能指标

1.3 典型应用场景

“100G”项目的应用场景如图3所示，其中包含两种典型路径。路径①是一架用户飞机沿长200km、宽50km的矩形路线围绕中间的地面节点飞行；路径②是飞机沿与地面节点的垂直距离为25km的直线飞行。飞机上载荷及地面节点的分布如图4所示。飞机在飞行过程中与地面节点进行高速通信。

图3 “100G”项目应用场景

图4 应用场景中飞机和地面节点的分布示意图

2  基本原理

由香农公式可知，通信系统的信道容量可以通过增加互相独立信道的数量来提升，如下式所示：

其中，M是互相独立信道的数量，B是系统带宽，S是接收端信号功率，N是接收端噪声功率。式(1)可以写成频谱效率的形式，SE（b/s/Hz）为单个独立信道的频谱效率，受限于接收信号的信噪比，如下式所示：

一般而言，可以通过以下方法来提升系统的信道容量：

●增加独立信道的个数。例如通过空间复用技术，极化复用技术，以及轨道角动量技术；其中一些技术需要通过多天线阵列才能实现。

●增加系统带宽。在较高频段上才能提供较大的系统带宽，但频率高到一定程度时，大气吸收损耗效应会比较明显，会影响链路性能。

●采用频谱效率高的调制方式。例如正交振幅调制（QAM），但需要增加发射信号功率，以提高接收信号的信噪比，满足解调门限。

鉴于此，为了实现大容量远距离传输的项目目标，“100G”项目选择了毫米波通信、高阶调制技术和空间复用技术这三项关键技术，选择这些技术的原因和可能带来的问题如下：

2.1 毫米波通信

（1） 采用该技术的初衷：

●低频率段的频谱资源有限，毫米波频段可以提供较大的频谱资源；

●毫米波频段波长较短，可以减小阵列天线尺寸；

●毫米波频段的瑞利区间可以达到100km量级，在瑞利区间范围内，多天线阵之间的信道独立性较好，有助于增加独立信道的个数。

（2） 积累的工程经验：

●频率越高，自由空间损耗越大，同时，当频率达到几十GHz以上时，大气吸收效应也会对信号质量造成不可忽略的影响；

●损耗大，需要加大发射功率和天线增益，以满足系统的通信距离要求，这就增加了系统的功耗；同时要求更好的SWaP指标；

●毫米波频段的闪烁效应会导致20km远的接收信号强度产生高达15dB的波动，系统设计必须考虑设计相应的可靠性协议来抵抗闪烁效应；

●高频段对AD/DA、功放器件以及射频滤波器等元器件性能要求较高，国内目前尚无80GHz的相关元器件开发经验。

2.2 高阶调制技术

（1） 采用该技术的初衷：

●高阶调制可以增加每个独立信道的频谱效率。例如，32QAM的频谱效率理论值可到5bps/Hz，当系统可以提供4个独立信道时，频谱效率可以达到20bps/Hz，采用5GHz的频带宽度，即可实现100Gbps的信道容量。

（2） 积累的工程经验：

●需要增加发射信号功率，以提高接收信号的信噪比，满足解调门限。

2.3 空间复用技术

（1） 采用该技术的初衷：

●可以提高独立信道的数量。

（2） 积累的工程经验：

●增加了信号处理的复杂度。毫米波MIMO信号处理的复杂度在100次运算/信息bit至2500次运算/信息bit，即信号处理单元（如FPGA、DSP等）处理1bit信息的平均运算次数；

●并行处理多个高速率数据流对系统的时间同步性能提出了更高的要求。第二阶段要求完成相应的研究和测试，以解决该风险点。

3 思考与启示

3.1 “100G”项目的启示

（1）“100G”项目是目前传输速率最快的无线通信系统之一。就点对点链路级传输速率而言，100Gbps的数值指标比现役Link16数据链高4个数量级，是当前军用无线通信速率的500倍，是目前商用4G移动通信系统峰值数率的100倍，同样也高于尚处于预研阶段的5G移动通信系统的几十Gbps的目标值，具有跨代领先意义的。

（2）“100G”项目充分体现了技术融合的无限潜力。就技术本身而言，“100G”项目所选用的毫米波通信、高阶调制及空间复用等关键技术都是较成熟的技术，在民用通信已有应用。“100G”项目的先进之处在于制定了合适的系统设计方案，将这几项技术成功结合运用在了军事通信中，这种技术融合能力恰恰是我们所欠缺的。

（3）核心关键元器件依旧是限制技术创新的关键所在。如前所述，“100G”项目从技术原理分析存在着一些固有的弊端，如高频段对AD/DA、高性能FPGA、功放器件以及射频滤波器要求较高，高阶调制技术对功率放大器要求较高等。虽然DARPA并没有公开详细的技术解决方案，但由上述分析可知解决这些问题的根本在于高性能AD/DA、FPGA等核心元器件的支撑。而据了解，国内的技术人员也曾设想过使用相似的关键技术，但都因没有相应的元器件可用而放弃，核心关键元器件的缺失严重制约了先进技术的发展。

（4）军事大数据的传输能力值得高度关注。随着全球军事信息化水平的快速提高，各种军事数据正“爆炸式”激增。未来影响、决定军事行动的核心在数据，对数据的积累量、数据分析与处理能力、数据分发与共享能力将成为获得战场优势的决定性因素。“100G”项目的核心目的即在帮助美军获得及时的、高效的大容量数据传输能力，对于美军后续提升大数据应用能力具有积极意义。

3.2 对我国技术发展体制的思考

技术跨越式创新以及技术点储备和技术点积累问题。“100G”项目体现了DARPA对技术先进性的单纯追求，在没有明确应用背景及作战任务需求的情况下，以技术能力突破为牵引，鼓励超前沿技术点的研发，这与DARPA的定位是相匹配的：以解决中、远期国家安全问题提供前沿技术储备为目标，体系化地进行超前沿技术点的储备。这正是我国当前科技发展体制上所欠缺的，如何鼓励创新，鼓励超前沿技术点的研发，并完成技术点可行性的原型系统验证，真正转化为未来随时可用的技术点进行储备，而不仅仅停留在报告式理论研究阶段，是我国面临的科技发展体制和人/物/财力资源投入上的巨大挑战。

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