《军用全双工无线电技术》最新114页技术报告

北约研究任务组（RTG）对一种新兴技术进行了研究，该技术为更有效和高效地利用电磁频谱（EMS）铺平了道路。电磁频谱为用户提供了以无线方式获取各种服务的途径。军事领域的典型服务包括通信、雷达、电磁战和导航。这些服务中的每一项都越来越重要，尤其是在冲突局势中，如最近俄罗斯乌克兰战争。

正在考虑的新兴技术被称为带内全双工（IBFD）或简单的全双工（FD）。IBFD 允许单个无线电收发器通过同时发射和接收操作，在同一频率上同时执行两个 EMS 功能。因此，IBFD 也被广泛称为同频同步收发 (SF-STAR)，或简称为同步收发 (STAR)。

在任何军事行动中，取得 EMS 优势都是最优先的目标之一。这里的优势是指在任何时间、任何地点都能确保自己在 EMS 中的行动利益，就像在友好和良性的环境中一样，同时最大限度地削弱敌方的能力。然而，众所周知，现代电磁作战环境是拥挤的、有争议的和受限制的。因此，需要精心制定的 EMS 战略来解决由此带来的挑战。实现 EMS 优势的大多数战略都依赖于有效和高效地利用频谱。显然，新兴的 IBFD 技术可以在这方面发挥重要作用。

IBFD 系统面临的主要科学挑战是，发射信号在接收路径上不可避免地会产生自干扰，因为具有线性和非线性成分的失真副本会叠加到实际感兴趣的信号上。通常情况下，自干扰的强度要比微弱的相关信号大几个数量级。因此，关键的科学目标是找到尽可能减小自干扰的方法，同时保持微弱干扰信号的质量，使其在接收路径中能够被检测和处理。

文献中已经提出了针对商业/民用 EMS 服务的自干扰消除问题的强大解决方案。这些解决方案大多假设采用单天线配置，并基于两步消除过程，其中很大一部分自干扰已通过消除电路在模拟域中消除，而大部分残余部分则通过数字信号处理进行补偿。利用多天线也可以在传播域抑制自干扰。

然而，在军事应用中，EMS 服务的系统参数通常是不同的。例如，这些服务具有更高的发射功率、更低的载波频率、更窄的频谱带宽和更小的吞吐量等。这使得为典型军事应用的自干扰问题寻找强有力的解决方案变得更加困难和具有挑战性。

图 3-1：以全双工概念为不同侧重点的军事驱动场景概览。

全双工收发器在军事领域的应用

为了更好地了解具体的军事要求，RTG 首先确定并评估了全双工收发器在军事领域的几种潜在应用。在介绍了全双工收发器的总体情况后，重点转向了选定的方面。这些方面可分为三类：通信中的全双工收发器、电子战中的全双工收发器以及两者的结合。第一类的例子包括双向通信、中继、隐藏节点、认知无线电、共站问题和卫星通信。传感/探测和干扰是全双工收发器在电子战中的应用实例。

我们详细讨论了其中的每一种情况，并确定了典型的系统参数配置。所有这些讨论都得出了一个共同结论，即在军事领域应对自干扰问题比在商业/民用领域更具挑战性。例如，一方面，较高的发射功率（尤其是在干扰情况下）会导致明显更强的自干扰。因此，需要对更高水平的自干扰进行补偿。另一方面，V/UHF 频段的发射载波频率较低，使得模拟消除电路的成熟概念无法直接应用。较低的发射载波频率伴随着较大的波长，无法满足可行的尺寸限制。

从全双工收发器在军事领域的各种潜在应用领域中，RTG 挑选出了两个关键的应用场景。针对这两种情况，研究并演示了功能强大的解决方案。

战术通信场景演示器

两个演示器中的一个旨在展示带内全双工操作对传统双向战术通信的益处。为此，演示器尽可能广泛地使用了现成的商用（COTS）组件。IST-175 RTG 还开发了其他 IBFD 专用组件，如模拟消除电路和数字消除软件。

演示展示了通过 STANAG 5630 第 1 版北约窄带波形 (NBWF) 的双向一键通 (PTT) MELPe 编码语音通信，使用的是 Ettus Research 公司的 USRPTM B205-mini-i 作为 COTS 软件定义无线电 (SDR) 收发器。为了演示的目的，对 NBWF 稍作修改，使两名无线电操作员可以同时按下 PTT 按钮访问语音插槽。所有其他信号处理和协议实体（如时间同步、网络隶属等）均完全符合 STANAG 5630 Ed.1 规范。模拟消除电路专为 300 MHz 的载波频率而设计。

在整个战术通信演示器的开发过程中，出现了一个额外的干扰信号。由于使用了低保真度的 COTS 组件，SDR 收发器的发射和接收路径之间的隔离度不够高，因此可以观察到相当大的内部串扰。IST-175 RTG 还表明，可以采用类似的方法来抑制自干扰和串扰这两种干扰。

只有同时启用两个消除步骤（模拟消除电路和数字消除软件），才能充分降低自干扰（超过 70 dB）。这样，来自通信伙伴的微弱干扰信号就可以被检测和解码了。语音质量可达到 2.4 kbps MELPe 编码所允许的最高水平。如果禁用这两个消除步骤，自干扰仍然是主要部分，而实际的干扰信号则会丢失。

2023 年 10 月在荷兰阿姆斯特丹举行的第 52 次 IST 小组业务会议上对研究结果进行了现场演示。

电子战场景演示器

第二个演示器的系统方案包括一个带内全双工收发器和一个截获的敌方发射器。通过同时发射和接收操作，全双工收发器发射高功率宽带信号以干扰敌方的通信，同时检测和接收敌方的发射信号，即目标信号。这样就能获得有关敌方通信和干扰效果的信息等。

在这种情况下，关键的技术和科学挑战尤其来自于更高的发射功率。为此，实现全双工 EW 应用的工作目标是支持至少 100 W 的发射功率和 100 kHz（相当窄）瞬时带宽的接收，该带宽可在 225 - 400 MHz 宽频率范围内任意选择。

演示器显示了在 300 MHz 频率范围内连续发射的高功率、5 MHz 宽 AWGN 干扰信号，同时在这 5 MHz 范围内接收较弱的窄带干扰信号。模拟射频消除器可根据干扰信号自动调整频率。如果没有 IST-175 RTG 开发的全双工技术，就不可能探测到微弱的干扰信号。

用于 EW 情景的演示器通过结合新型高隔离度天线结构和模拟射频消除器板实现了上述目标，并对其实施了自适应控制。高隔离度天线由两个传统的 Yagi-Uda 天线组成，这两个天线之间有一个新颖的去耦结构。与参考系统相比，去耦结构将天线隔离度从 40 dB 提高到 75 dB。模拟射频消除器由延迟组和矢量调制器组成，能够额外消除 50 dB 的自干扰。估计的性能表明，在所考虑的预警情况下，有可能在数十公里的距离上拦截信号，同时在 5 至 15 公里的距离上干扰对手的收发器。

在 2023 年 11 月于芬兰坦佩雷举行的 IST-175 RTG 会议上，对研究结果进行了现场演示。

结论与建议

上述所有结果可得出以下结论：

• 新兴的全双工技术可使多种军事应用和服务受益。例如，在双向通信、中继、隐藏节点、认知无线电、共站问题、卫星通信以及传感/探测和干扰方面，都可以在通信和电子战领域找到实例。
• 传统上，通信和电子战在军事行动中被视为不同的学科。研究结果表明，值得将这两个学科结合起来考虑，以便为双方带来益处。因此，全双工技术可以作为跨学科解决方案的促进因素。
• 证明了应用于军事场景的 IBFD 技术已达到技术成熟水平，可在实验室环境和腔室中进行演示，支持军用窄带波形（如 STANAG 5630 Ed.1 的 25 kHz）、军用频段（如北约 I 频段的 300 MHz）以及高发射功率（如超过 100 瓦特）。
• 两个演示器都侧重于带内全双工 (IBFD) 场景。一些令人感兴趣的例子表明，也存在许多带外全双工方案。
• 据观察，为了最大限度地利用全双工功能，可能需要对 COTS 组件进行修改。

目前，两个实验室演示器都仅限于支持少量收发器（通常为 2 个节点）和静态环境（即无移动性）的军事场景。此外，战术通信演示器仅侧重于基于电缆的射频传输。从这些局限性和结论中可以得出以下建议：

• 将研究课题的范围从物理层（如消除算法）扩展到更高的协议层，如调整无线电网络的介质访问控制（MAC）协议，以更好地支持全双工操作。
• 将范围从基于射频电缆的实验室扩展到现场环境，包括移动性（即对信号处理算法适应速度的影响）。这些实地测试将有助于证明 IST-175 RTG 的成果，并将技术成熟度提高到更高水平。
• 将研究范围从带内全双工扩展到带外全双工场景。
• 将研究范围从技术研究扩展到战术和作战概念。科技界需要了解军队如何从使用全双工无线电中获益。此外，未来的军事行动必须考虑传统半双工无线电和现代全双工无线电共存的情况，包括友方和敌方。在通信方面，这几代无线电必须能在战场上互操作。
• 为了鼓励北约 STO 继续支持跨小组活动，因为 SCI 和 IST 小组的几个研究任务组已经确定，共同解决通信和电子战领域的挑战具有很高的价值。例如，除 IST-175 RTG 外，SCI-222（软件定义无线电的电子战）和 IST-146RTG（无线电环境地图）也指出了这一事实。