朱振飛 劉毅敏 吳永宏 盧冬鳴

(中國電波傳播研究所，山東 青島 266107)

引 言

短波通信新技術(shù)[1-4]的引入與研究，極大地提高了短波通信的質(zhì)量與應(yīng)用范圍，使得未來的短波通信運(yùn)用模式越來越向組網(wǎng)運(yùn)用發(fā)展[5]．國內(nèi)外在短波通信網(wǎng)及其頻率管理機(jī)制等方面做了大量研究和實(shí)驗(yàn)[6-8]．新一代的短波通信網(wǎng)絡(luò)一般采用多級分層樹形結(jié)構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)終端為機(jī)動電臺，以星形結(jié)構(gòu)接入各區(qū)域接入點(diǎn)(基站設(shè)備)，網(wǎng)絡(luò)通常定位于應(yīng)急通信體系或備用通信體系，主要特點(diǎn)為：覆蓋區(qū)域大、基站設(shè)備硬件資源相對較少、網(wǎng)絡(luò)終端數(shù)量龐大、終端平均業(yè)務(wù)量低、業(yè)務(wù)突發(fā)性強(qiáng)等．由于短波信道資源少、信道質(zhì)量隨電離層變化，短波通信網(wǎng)的頻率資源管理必須以信道資源共享、動態(tài)信道資源分配與回收、實(shí)時(shí)信道資源調(diào)配等策略[9]來實(shí)現(xiàn)．機(jī)動終端的鏈路狀態(tài)是短波網(wǎng)進(jìn)行動態(tài)頻率管理的重要輸入信息；實(shí)時(shí)狀態(tài)查詢是無線網(wǎng)絡(luò)常用的獲取鏈路狀態(tài)的有效手段，針對短波通信的特點(diǎn)，本文設(shè)計(jì)了快速、高效的鏈路狀態(tài)查詢機(jī)制及相關(guān)的查詢調(diào)度算法和空中波形．其中波形設(shè)計(jì)結(jié)合了141B協(xié)議中的突發(fā)波形1 (Burst Waveform 1， BW1)，部分兼容目前的短波設(shè)備，可方便地應(yīng)用于新規(guī)劃的短波通信網(wǎng)．

1 狀態(tài)查詢機(jī)制設(shè)計(jì)

1.1 狀態(tài)查詢基本原理

在短波網(wǎng)中，全網(wǎng)使用一個(gè)公共的頻率池{Fsys}，頻率在動態(tài)指配過程中，任意一個(gè)頻率fj可能同時(shí)被N個(gè)基站復(fù)用(復(fù)用：基站間地域間隔足夠遠(yuǎn)，相互之間無干擾)；同時(shí)，在第n(n=1,2,…,N)個(gè)基站，該頻率fj還有可能存在于In個(gè)機(jī)動終端共用的工作信道組中．最終，每個(gè)基站將獲得一個(gè)子頻率池{Fbase}，并管理一個(gè)用戶集{Suser}．短波通信網(wǎng)頻率分配示意圖如圖1所示．

圖1 短波網(wǎng)頻率分配示意圖

在每個(gè)基站覆蓋區(qū)內(nèi)用信道fj廣播查詢信息，可最多同時(shí)查詢∑In個(gè)機(jī)動終端．終端回復(fù)查詢信息時(shí)，可分為N個(gè)獨(dú)立的組回復(fù)不同的基站，每個(gè)組內(nèi)的In個(gè)終端依次回復(fù)．合理的設(shè)計(jì)以{Fbase,Fuser}為基本元素的頻率資源矩陣及相應(yīng)的查詢調(diào)度算法，可實(shí)現(xiàn)狀態(tài)查詢機(jī)制調(diào)度的最優(yōu)化；合理地設(shè)計(jì)基站查詢幀格式以配合電臺的異步掃描工作模式，即可在物理層確保查詢機(jī)制正確地執(zhí)行．二者構(gòu)成高效快速的鏈路狀態(tài)查詢機(jī)制．

1.2 鏈路狀態(tài)查詢流程

查詢流程可分為查詢調(diào)度、查詢廣播、查詢回復(fù)、狀態(tài)判定．

查詢調(diào)度：確定當(dāng)前查詢使用的下行頻率和發(fā)射查詢信息的基站；選擇本次各個(gè)基站要查詢的終端，并確定這些終端的回復(fù)次序，調(diào)度算法的優(yōu)劣決定了狀態(tài)查詢流程的開銷時(shí)間．

查詢廣播：選中的基站按選定頻率發(fā)送查詢廣播(幀格式如表1所示，見2.2節(jié))．

查詢回復(fù)：收到查詢廣播的機(jī)動終端解讀查詢信息，計(jì)算自己的回復(fù)順序及下行信道質(zhì)量．各終端按順序在自己相應(yīng)的時(shí)隙到達(dá)時(shí)，發(fā)送查詢回復(fù)(幀格式如表2所示，見2.2節(jié))．

狀態(tài)判定：狀態(tài)有三種：雙向鏈路質(zhì)量良好、雙向鏈路質(zhì)量下降、鏈路狀態(tài)未知即查詢后未收到回復(fù)．基站按已分配時(shí)隙檢查是否收到對應(yīng)機(jī)動終端的應(yīng)答幀，根據(jù)情況判斷鏈路狀態(tài)并決定后續(xù)操作：

1) 若收到應(yīng)答幀，且雙向鏈路的質(zhì)量都合格，則更新鏈路狀態(tài)為正常，在本輪后續(xù)的點(diǎn)名查詢過程中，不再查詢該機(jī)動終端；

2) 若收到應(yīng)答幀，但雙向鏈路中有鏈路質(zhì)量不合格，則更新鏈路狀態(tài)為繼續(xù)查詢，本輪后續(xù)的點(diǎn)名查詢過程中，繼續(xù)用其他頻率對該機(jī)動終端進(jìn)行查詢；

3) 若未收到應(yīng)答幀，則更新鏈路狀態(tài)為未知，本輪后續(xù)的點(diǎn)名查詢過程中，繼續(xù)對該終端進(jìn)行查詢．

在所有信道查詢完成后，整理鏈路狀態(tài)，對鏈路狀態(tài)為繼續(xù)查詢的鏈路，可通過系統(tǒng)的動態(tài)頻率管理模塊為其重新指配新的頻率組，并發(fā)起業(yè)務(wù)工作模式，將頻率表傳送至終端；對于鏈路狀態(tài)為未知的鏈路，直接由頻管系統(tǒng)刪除終端在網(wǎng)信息，等待終端重新注冊，并將相應(yīng)頻率組置為空閑，留待分配至新入網(wǎng)終端．終端在一輪查詢周期后發(fā)現(xiàn)自己未收到查詢，將判斷為自己被頻管系統(tǒng)刪除出網(wǎng)．終端將再次主動發(fā)起入網(wǎng)請求，重新注冊入網(wǎng)．

2 狀態(tài)查詢調(diào)度設(shè)計(jì)

2.1 狀態(tài)查詢調(diào)度算法

設(shè)用戶數(shù)為I，可用頻率個(gè)數(shù)為J，I×J維頻率指配矩陣的元素為

Fassign(i，j)=kk=0,1,…,Nshare.

(1)

式中：Nshare為每個(gè)頻率被共享的最大次數(shù)；k是不超過Nshare的指配序數(shù)，當(dāng)k=0時(shí)表示未給用戶ui指配頻率fj，當(dāng)k>0時(shí)表示為用戶ui指配了頻率fj，且其回復(fù)次序?yàn)閗．由于采用了頻率共享機(jī)制，因此Fassign中第i行的非零元素對應(yīng)的頻率集合表示對用戶ui指配的業(yè)務(wù)頻率組，F(xiàn)assign中第j列的非零元素對應(yīng)的用戶集合代表共享頻率fj的用戶．

指配后用戶使用業(yè)務(wù)頻率進(jìn)行建鏈的情況用I×J維建鏈狀態(tài)矩陣可表示為

Llinkstate(i,j)=t，t=1,…,T/Δt,T/Δt+t.

(2)

式中：t為建鏈成功距今的時(shí)間刻度，在T時(shí)間內(nèi)建鏈成功，則t=「Tlink/Δt?，否則超過T時(shí)間未建鏈成功時(shí)t=T/Δt+1,Tlink為建鏈距今過去的時(shí)間；T為指配有效時(shí)長； Δt為狀態(tài)更新間隔，這里取T=12 h, Δt=0.5 h．

根據(jù)建鏈狀態(tài)矩陣，可得I×J維頻率質(zhì)量矩陣為

(3)

查詢狀態(tài)矩陣設(shè)計(jì)為：

(4)

式中：i=1,2,…,I;j=1,2,…,J.

系統(tǒng)初始化時(shí)，Hinquiry中與Fquality非零元素對應(yīng)位置元素為1，其余元素為0．設(shè)當(dāng)前待查詢的頻率集合Fwait為一個(gè)1×J維向量：

(5)

本次查詢的頻率編號為

Fwait]}.

(6)

本次查詢的用戶集合U為一個(gè)I×1維向量：

(7)

該變量作為查詢廣播幀中的點(diǎn)名表將發(fā)送至收到查詢呼叫的用戶處，用戶根據(jù)指配時(shí)自己獲得的頻率序數(shù)k可以在U中找到自己的位置，再通過自己前面有幾個(gè)被查詢用戶，就可計(jì)算得到自己的回復(fù)順序．第i個(gè)用戶的回復(fù)次序?yàn)?/p>

c(i)=

(8)

式中nnz(*)表示求取矩陣非零元素個(gè)數(shù)．

2.2 查詢幀格式設(shè)計(jì)

查詢幀格式設(shè)計(jì)參考了美軍標(biāo)MIL-STD-188-141B[10]，幀格式基于BW1波形設(shè)計(jì)，目前已支持141B協(xié)議的電臺和基站只需在上層軟件做簡單的修改就可實(shí)現(xiàn)．信息幀采用8PSK調(diào)制方式，r=1/2,k=7的卷積碼編碼．幀中的協(xié)議字段為3 bit長度，定義為111，表示本幀為點(diǎn)名查詢協(xié)議數(shù)據(jù)單元(Protocol Data Unit，PDU)，以區(qū)別于已在141B協(xié)議中定義的HDL-ACK幀(high-rate data link protocol-acknowledgment，HDL協(xié)議中的確認(rèn)幀，協(xié)議字段=000)及TM-PDU幀(traffic management-protocol data unit，業(yè)務(wù)管理協(xié)議幀，協(xié)議字段=001)．基站點(diǎn)名查詢幀和終端應(yīng)答幀的幀格式分別如表1、表2所示．

表1 基站點(diǎn)名查詢幀格式

表2 終端應(yīng)答幀格式

基站點(diǎn)名查詢幀波形在原BW1波形的基礎(chǔ)上增加了掃描引導(dǎo)序列，以兼容電臺的異步掃描工作模式．波形由4部分組成，分別為自動增益控制保護(hù)段(tlc)、掃描引導(dǎo)段(scan)、同步引導(dǎo)段(pre)、有效數(shù)據(jù)段(data)．其中數(shù)據(jù)段由48 bit擴(kuò)展到了96 bit．各字段的長度為：Ttlc=106.67 ms、Tscan=「1.3×Nchann?×600 ms、Tpre=240 ms、Tdata=1 920 ms．當(dāng)電臺分配信道數(shù)Nchann=4時(shí)，基站單次點(diǎn)名查詢幀發(fā)送時(shí)長為Tball=5 860 ms．

終端點(diǎn)名應(yīng)答幀與BW1波形相同，單次應(yīng)答的發(fā)送時(shí)長為Tsall=1 300 ms．

3 查詢代價(jià)及性能仿真

短波網(wǎng)在引入查詢機(jī)制后，動態(tài)頻率管理系統(tǒng)將從中獲得各終端的鏈路狀態(tài)信息，并以此為依據(jù)實(shí)施動態(tài)頻率調(diào)控機(jī)制以提高終端通信質(zhì)量、實(shí)現(xiàn)頻率資源的動態(tài)回收與釋放，從中獲取收益；但查詢過程會占用基站及機(jī)動終端的業(yè)務(wù)信道，對正常業(yè)務(wù)通信造成影響．長的狀態(tài)查詢間隔會降低對業(yè)務(wù)信道的影響，但同時(shí)也會造成部分信道惡化而未能及時(shí)發(fā)現(xiàn)，造成業(yè)務(wù)可通率指標(biāo)惡化．仿真將從以上幾個(gè)方面分析查詢機(jī)制的收益和代價(jià)．

3.1 應(yīng)用場景描述

取2011年6月份的一次短波頻率預(yù)測及天波鏈路測試的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并從中提取出短波預(yù)測頻率與不同時(shí)間間隔實(shí)測的可通率數(shù)據(jù)，如圖2所示．

圖2 短波預(yù)測頻率不同時(shí)間段可用概率圖

對于一個(gè)典型短波網(wǎng)部署，假定每個(gè)基站信道機(jī)數(shù)量Nequip=16；經(jīng)頻率復(fù)用后，每個(gè)基站分配的頻率池{Fbase}中的頻率數(shù)平均為30個(gè)，其中日頻頻率Ndchann=24、夜頻頻率Nnchann=12；基站容納的最大終端數(shù)Nuser=156；每個(gè)終端在入網(wǎng)時(shí)分配4個(gè)信道；基站每30 min對所有終端進(jìn)行一輪查詢．

3.2 仿真結(jié)果

由仿真結(jié)果圖3可知：單輪的狀態(tài)查詢時(shí)間在極低的信道可通概率下，最大可接近1 800 s；查詢時(shí)間隨信道可通率的升高而降低，當(dāng)可通率極高時(shí)，日頻/夜頻條件下的查詢時(shí)間都約為500 s，即8 min左右；圖中日頻條件下的查詢時(shí)間總是大于夜頻下的查詢時(shí)間，這是由于日頻條件下可用頻率比較多，系統(tǒng)的頻率共用度低造成的．

業(yè)務(wù)信道占用率集中在1.5%～6%之間，曲線走勢基本與信道查詢時(shí)間相同，日頻條件下的占用率始終比夜頻信道占用率低是由于夜頻條件下頻率資源較少造成的．若短波網(wǎng)中的動態(tài)頻管系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理，可以保證單信道可通率維持在較高的概率，則可在日間和夜間進(jìn)一步延長查詢業(yè)務(wù)的間隔，僅在日夜交替時(shí)段將查詢業(yè)務(wù)間隔設(shè)置為30 min，以進(jìn)一步降低查詢帶來的信道占用．

圖3 查詢時(shí)間/業(yè)務(wù)占用率隨可通率變化圖

仿真結(jié)果圖4表示短波網(wǎng)中狀態(tài)查詢時(shí)間間隔對通信性能的影響．

圖4 查詢機(jī)制收益與間隔時(shí)間的關(guān)系

圖4中，終端狀態(tài)改善率定義為Rrise=(Nreg×a+Nchannge)/Ntotal，其中Nreg為查詢進(jìn)程執(zhí)行后需要重新注冊的終端數(shù)；Nchange為查詢進(jìn)程執(zhí)行后需要更換頻率組的終端數(shù)；Ntotal為總的終端數(shù)；a為權(quán)重比．由圖4可以看出當(dāng)查詢間隔在兩小時(shí)左右時(shí)，查詢進(jìn)程帶來的終端狀態(tài)改善約為10%，此時(shí)終端業(yè)務(wù)可通率基本可維持在較高的水平．隨著查詢時(shí)間間隔的增大，查詢機(jī)制帶來的收益也隨之增大，但系統(tǒng)的終端業(yè)務(wù)可通率會有急劇的惡化．在設(shè)計(jì)短波網(wǎng)頻管系統(tǒng)時(shí)，可參照上述分析，合理地規(guī)劃查詢進(jìn)程間隔．

4 結(jié) 論

針對短波網(wǎng)的特點(diǎn)，為短波網(wǎng)頻管系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一套優(yōu)化的鏈路狀態(tài)查詢機(jī)制，對鏈路查詢方式、查詢調(diào)度算法、通信協(xié)議等內(nèi)容作了詳細(xì)的闡述，并給出了關(guān)于狀態(tài)查詢機(jī)制的開銷、帶來的系統(tǒng)性能增益等仿真結(jié)果．在實(shí)際工程應(yīng)用中，可參照該設(shè)計(jì)方法和仿真結(jié)果來指導(dǎo)、評估短波網(wǎng)頻管系統(tǒng)指標(biāo)的設(shè)計(jì)與優(yōu)化．

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