樊 湖

(中國電子科技集團(tuán)公司第七研究所，廣東 廣州 510310)

0 引言

末端火控系統(tǒng)內(nèi)的無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)通常是一個指揮點(diǎn)(主臺)控制多個火力輸出點(diǎn)(從臺)和傳感器觀察點(diǎn)(從臺)，主臺傳送指令信息或其他數(shù)據(jù)信息，同時接收從臺上報狀態(tài)信息。主臺下發(fā)的數(shù)據(jù)量大于從臺上傳的數(shù)據(jù)量，主臺通常要接收觀察點(diǎn)或傳感器發(fā)出的目標(biāo)要素數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)量會相對比較大，要求數(shù)據(jù)傳輸具有一定的可調(diào)整性。

按照文獻(xiàn)[1]分析，火控系統(tǒng)內(nèi)的無線數(shù)據(jù)傳輸劃為戰(zhàn)斗協(xié)作網(wǎng)絡(luò)范疇，屬于武器協(xié)同數(shù)據(jù)鏈一種地面應(yīng)用。在國際上，早期美軍是各兵種根據(jù)系統(tǒng)要求開發(fā)各自的武器協(xié)同數(shù)據(jù)鏈，有多種波形體制。到20世紀(jì)末，美軍逐步利用JTRS系列波形中的寬帶網(wǎng)絡(luò)波形統(tǒng)一這些波形體制。21世紀(jì)初，美軍啟動戰(zhàn)術(shù)瞄準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)(TTNT)項(xiàng)目，這是一種基于IP的嵌入到JTRS中使用的高速、寬帶戰(zhàn)場網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，能比較快速組網(wǎng)和以極高的速率傳遞數(shù)據(jù)，使精確打擊時間敏感目標(biāo)成為可能，TTNT會成為未來的武器協(xié)同數(shù)據(jù)鏈。同樣，國內(nèi)各兵種根據(jù)自己火力系統(tǒng)特點(diǎn)研制了各種專用無線數(shù)據(jù)傳輸鏈路，在末端要求強(qiáng)抗干擾的情況下，大多是采用通信控制器加跳頻電臺的體系架構(gòu)，數(shù)據(jù)鏈路層在通信控制器中。這種架構(gòu)下，電臺一般工作于大時隙TDMA或CSMA的多址工作方式，組網(wǎng)時間比較長，傳輸時延比較大。

針對火控系統(tǒng)內(nèi)部無線數(shù)據(jù)組網(wǎng)傳輸，本文提出一種在電臺內(nèi)設(shè)計小時隙TDMA組網(wǎng)的新方法，指控應(yīng)用直接連接電臺，省去通信控制器，組網(wǎng)時間和數(shù)傳時延大幅減少，并提出計算主臺組網(wǎng)成功率和從臺入網(wǎng)成功率的方法。

1 系統(tǒng)傳輸模型及TDMA數(shù)傳幀結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1 系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸模型

系統(tǒng)傳輸層級模型如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸模型Fig.1 System data transmission model

系統(tǒng)數(shù)據(jù)鏈路層包含在電臺內(nèi)，鏈路層直接控制物理硬件，可以實(shí)現(xiàn)TDMA的小時隙劃分，實(shí)現(xiàn)快速組網(wǎng)或入網(wǎng)。數(shù)據(jù)在MAC子層成幀直接發(fā)送到物理硬件層發(fā)射出去，縮短傳輸時間。

1.2 幀結(jié)構(gòu)設(shè)計

利用半雙工電臺構(gòu)建無線數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)通常采用TDMA技術(shù)架構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)幀結(jié)構(gòu)設(shè)計是系統(tǒng)能進(jìn)行正常數(shù)據(jù)傳輸?shù)年P(guān)鍵，幀結(jié)構(gòu)設(shè)計要考慮電臺的無線傳輸體制、抗干擾體制、收發(fā)轉(zhuǎn)換時間和一次發(fā)射或接收能處理的最小時間間隙等電臺傳輸特性，考慮各節(jié)點(diǎn)上/下行傳送數(shù)據(jù)量和數(shù)據(jù)產(chǎn)生速率，考慮上層指控要求的傳輸時延。幀結(jié)構(gòu)設(shè)計還需要綜合考慮數(shù)傳效率與組網(wǎng)方法，特別要考慮遲后入網(wǎng)的從臺加入已經(jīng)運(yùn)行的無線網(wǎng)絡(luò)的方法。

綜合以上要素，設(shè)計的數(shù)傳幀結(jié)構(gòu)如圖2所示。其中，要組網(wǎng)的電臺數(shù)量為k，編號為A，B，C，…，K，其中A為主臺。主臺與從臺的組網(wǎng)流程不同，但入網(wǎng)后主臺和從臺都遵循圖示的數(shù)據(jù)傳送運(yùn)行幀結(jié)構(gòu)。

圖2 數(shù)據(jù)傳輸幀結(jié)構(gòu)Fig.2 Data transmission frame structure

時隙是數(shù)據(jù)包發(fā)射的最小單位，對跳頻電臺來說可以是一個頻率跳，x個時隙組成一個可分配幀，可分配幀是數(shù)據(jù)網(wǎng)中各電臺可發(fā)射時間最小的劃分單位。n個可分配幀組成的A臺分幀(主臺發(fā)射)和由m個可分配幀組成的某從臺分幀(從臺發(fā)射)組成組合子幀，有k-1個從臺就有k-1個組合子幀，本設(shè)計中組合子幀的長度大于2倍的從臺入網(wǎng)請求信令的發(fā)射長度。

A臺子幀/維護(hù)子幀(A子幀)，由p個可分配幀組成，用于主臺發(fā)射數(shù)據(jù)或發(fā)射網(wǎng)絡(luò)維護(hù)信令。

可動態(tài)分配子幀(DZ子幀)，由q個可分配幀組成，主臺或得到授權(quán)的從臺能占用可動態(tài)分配子幀發(fā)射數(shù)據(jù)。本設(shè)計中可動態(tài)分配子幀長度大于主臺發(fā)射TOD同步信息和組網(wǎng)信令的長度。

n,m,p,q,x為大于1的正整數(shù)。在特定的系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計中，根據(jù)各從臺的數(shù)據(jù)量和相應(yīng)時間規(guī)劃n,m,p,q,x的值。

各電臺在自己的分幀內(nèi)發(fā)射數(shù)據(jù)，在其余分幀接收數(shù)據(jù)，規(guī)定各從臺在自己的分幀中沒有數(shù)據(jù)時發(fā)射在網(wǎng)信令。

2 主臺和從臺的處理流程

2.1 主臺流程

主臺與從臺的處理流程不同，主臺處理流程如圖3(a)所示，流程說明如下：

S10：主臺在系統(tǒng)約定的信道F掃描接收，開啟搜索波形。對跳頻電臺F可以是一張?zhí)囟ǖ念l率表，但是如果信道F為一個定頻頻率，則可以大大降低系統(tǒng)的組網(wǎng)時間；

S20：主臺判斷是否接到主動組網(wǎng)命令，是則執(zhí)行步驟S40，否則執(zhí)行S30。主動組網(wǎng)命令來自面板人工操作或者上級設(shè)備的信令；

S30：主臺判斷搜索波形是否接收到從臺的入網(wǎng)請求信令，是則執(zhí)行步驟S40，否則執(zhí)行步驟S10；

S40：主臺用整幀的長度在信道F發(fā)射組網(wǎng)信令，組網(wǎng)信令包含同步信息TOD和組網(wǎng)時隙信息；

S50：主臺和已經(jīng)入網(wǎng)的從臺按照整幀時序正常收發(fā)數(shù)據(jù)；

S60：主臺判斷是否收到退網(wǎng)命令或者靜默命令，是則執(zhí)行步驟S70，否則執(zhí)行步驟S80。退網(wǎng)命令或者靜默命令來自面板人工操作或者上級設(shè)備的信令；

S70：主臺發(fā)射退網(wǎng)或靜默信令，返回執(zhí)行步驟S10；

S80：檢查是否全部從臺在網(wǎng)，是則執(zhí)行步驟S120，否則執(zhí)行步驟S90；

S90：在未入網(wǎng)從臺組合子幀時，開啟信道F的掃描接收搜索波形。在已入網(wǎng)從臺組合子幀內(nèi)正常收發(fā)數(shù)據(jù)。設(shè)計的從臺組合子幀時間長度必須超過2倍從臺的入網(wǎng)請求信令的長度，這樣才能保證主臺完整收到入網(wǎng)請求信令；

S100：判斷在未入網(wǎng)從臺組合子幀內(nèi)是否收到入網(wǎng)請求信令，是則執(zhí)行步驟S110，否則執(zhí)行步驟S120；

S110：按照整幀時序分配，A子幀發(fā)射數(shù)據(jù)。連續(xù)2個整幀的DZ子幀發(fā)射組網(wǎng)信令，返回執(zhí)行步驟S50；

S120：主臺根據(jù)各電臺數(shù)據(jù)量判斷是否需要分配DZ子幀給某個從臺，是則執(zhí)行步驟S140，否則執(zhí)行步驟S130。DZ子幀的設(shè)計使得系統(tǒng)具備一定的時隙動態(tài)調(diào)整能力,同時不影響網(wǎng)內(nèi)其他電臺的正常工作；

S130：主臺在A子幀和DZ子幀發(fā)射數(shù)據(jù)，返回執(zhí)行步驟S50；

S140：在A子幀發(fā)送DZ子幀占用信令，信令中包含可占用DZ子幀的從臺號碼；

S150：在DZ子幀接收數(shù)據(jù)，返回執(zhí)行步驟S50。

2.2 從臺流程

從臺處理流程如圖3(b)所示，流程說明如下：

(a)主臺處理流程 (b)從臺處理流程圖3 電臺處理流程Fig.3 Radio processing flow

S200：從臺在預(yù)設(shè)的信道F掃描接收，開啟搜索波形。信道F定義如主臺；

S210：判斷是否接收到上層的啟動組網(wǎng)命令，是則執(zhí)行步驟S220，否則執(zhí)行步驟S230。同樣上層的啟動命令來源于人工面板操作或上級設(shè)備指令；

S220：在信道F整幀長度時間內(nèi)不斷發(fā)射入網(wǎng)請求信令；

S225：在信道F整幀長度時間內(nèi)接收搜索接收主臺發(fā)射的組網(wǎng)信令；

S230：判斷是否在信道F的掃描接收中收到主臺下發(fā)的組網(wǎng)信令，是則執(zhí)行步驟S240，否則返回執(zhí)行步驟S200；

S233：判斷是否已經(jīng)發(fā)射入網(wǎng)請求2次，是則執(zhí)行步驟S236，否則返回執(zhí)行步驟S220。設(shè)計從臺僅發(fā)射2次入網(wǎng)請求，為了避免已入網(wǎng)電臺的正常工作；

S236：向上層報告入網(wǎng)失敗，返回執(zhí)行步驟S200；

S240：在本臺分幀處發(fā)射在網(wǎng)信令或者數(shù)據(jù)；

S250：按照整幀時序正常收發(fā)數(shù)據(jù)；

S260：從臺自檢是否在網(wǎng)，在網(wǎng)則執(zhí)行步驟S270，否則報告上層脫網(wǎng)并返回執(zhí)行步驟S200；

S270：從臺判斷是否收到主臺發(fā)送的退網(wǎng)信令或者靜默信令，是則報告上層并返回執(zhí)行步驟S200，否則執(zhí)行步驟S280；

S280：判斷是否收到主臺發(fā)送的讓本機(jī)占用DZ子幀信令，是則執(zhí)行步驟S300，否則執(zhí)行步驟S290；

S290：在DZ子幀只收，跳轉(zhuǎn)步驟S250；

S300：占用DZ子幀發(fā)射數(shù)據(jù)，跳轉(zhuǎn)步驟S250。

3 組網(wǎng)成功率和入網(wǎng)成功率

組網(wǎng)成功率是無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的重要指標(biāo)，這里給出組網(wǎng)成功率明確定義。

組網(wǎng)成功率是無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)在規(guī)定的時間內(nèi)從臺入網(wǎng)的概率，規(guī)定時間的起點(diǎn)可以是開機(jī)時間、或者是按鍵輸入組網(wǎng)命令的時間、或者進(jìn)入組網(wǎng)狀態(tài)時間，組網(wǎng)成功率通常是主臺的指標(biāo)要求。

相應(yīng)的，對從臺定義入網(wǎng)成功率。入網(wǎng)成功率是無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)中從臺在規(guī)定的時間內(nèi)加入已經(jīng)存在的無線數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)的概率，規(guī)定時間的起點(diǎn)可以是開機(jī)時間、或者是按鍵輸入入網(wǎng)命令的時間、或者進(jìn)入組網(wǎng)狀態(tài)時間。

組/入網(wǎng)能否成功取決于下列因素：

① 組網(wǎng)策略的設(shè)計。理想無誤碼情況下，接收電臺能收到1次組網(wǎng)信令發(fā)射的概率，設(shè)為Pd；對從臺入網(wǎng)概率來說，主要是主臺能收到從臺入網(wǎng)請求信令的概率。取決于數(shù)據(jù)傳輸幀時隙的設(shè)計和規(guī)定時間內(nèi)發(fā)射/接收組網(wǎng)信令的次數(shù)n；

② 物理層的因素。具體是接收電臺收到信號的強(qiáng)度能達(dá)到基帶輸出正確信令的概率，設(shè)為Pr。由發(fā)射功率、接收靈敏度、通信距離、天線及架設(shè)方式、天氣地形和調(diào)制解調(diào)方式等傳輸參數(shù)決定。接收端的電磁干擾也是影響接收的重要因素，設(shè)電磁干擾強(qiáng)度足以干擾信號正常接收的概率為Pi；

③ 對跳頻電臺來說，跳頻同步概率也是組/入網(wǎng)成功率的因素之一，跳頻同步概率設(shè)為Ph。成功的跳頻電臺設(shè)計，跳頻同步所需的信號強(qiáng)度會遠(yuǎn)低于基帶信號正確解調(diào)所需要的信號強(qiáng)度，因此本文認(rèn)為跳頻同步概率與接收機(jī)收到信號強(qiáng)度達(dá)到基帶輸出正確信令的概率不相關(guān)。

綜上，設(shè)主臺組網(wǎng)成功率為Psc，按照概率學(xué)知識 :

Psc=(1-(1-Pd×Ph)n)×Pr×(1-Pi)。

(1)

計算系統(tǒng)組網(wǎng)成功率要注意：主臺組網(wǎng)或從臺入網(wǎng)，n是不同的。以圖3為例，主臺流程中主臺用一個整幀發(fā)射組網(wǎng)信令，可以發(fā)射n次，從臺有n次接收機(jī)會。

考慮從臺入網(wǎng)成功率，以圖3為例，從臺入網(wǎng)雖然是整幀發(fā)射入網(wǎng)請求信令，但已經(jīng)組網(wǎng)的主臺只在相應(yīng)未入網(wǎng)的從臺子幀打開信道F掃描接收，因此主臺接收從臺入網(wǎng)請求信令的機(jī)會取決于從臺子幀內(nèi)最少能收到多少次入網(wǎng)申請信令，設(shè)次數(shù)為m。按圖3的流程，主臺收到從臺入網(wǎng)之后，才會在DZ子幀發(fā)射組網(wǎng)信令，設(shè)能發(fā)射k次。為了提高系統(tǒng)綜合傳輸效率，通常DZ子幀設(shè)計得不會太長，一般k=1。從臺入網(wǎng)成功率為Pst：

Pst=(1-(1-Pd×Ph)m)×

(1-(1-Pd×Ph)k)×Pr×(1-Pi)。

(2)

簡化起見，式(2)認(rèn)為主臺單次接收從臺的入網(wǎng)申請成功概率與從臺單次接收組網(wǎng)信令概率相同為Pd，雖然實(shí)際單個入網(wǎng)申請的信令長度要小于組網(wǎng)信令長度。Pr屬于信道范疇，取決于收發(fā)信機(jī)物理特性和發(fā)射接收環(huán)境和距離d。距離帶來的無線電傳播衰減可以取相適應(yīng)的無線電傳輸模型計算。本系統(tǒng)給定的通信距離和實(shí)際環(huán)境，不會出現(xiàn)直射信號，空中傳輸信道可以采用瑞利衰落模型，接收信號幅度概率密度函數(shù)為[2]：

(3)

設(shè)電臺能正確解調(diào)的信號幅度要求為Umin：

Umin=S+Xa，

(4)

式中，S為電臺接收靈敏度值；Xa為保障接收性能的余量。

可以得出Pr：

(5)

(6)

PL=88+40lgD+20lgF-20lg(HtHr)-Kh，

(7)

式中，PL為傳播衰耗，單位dB；D為收發(fā)電臺天線之間的距離，單位km；F為載波頻率，單位MHz；Ht,Hr分別為發(fā)射天線和接收天線高度，單位m；Kh為地形修正因子，Kh=1.667-0.109 4Δh(25 MHz﹤F﹤150 MHz)，Δh為地形高差。

接收功率Pr(dB)為：

Pr=Pt-PL-βct-βcr，

(8)

式中，Pt為電臺發(fā)射標(biāo)稱功率；PL為電波傳播損耗；βct，βcr為發(fā)射端、接收端電臺到天線的線損。

(9)

實(shí)際工程中，聯(lián)解式(1)～式(9)可以得出主臺組網(wǎng)成功率或從臺入網(wǎng)成功率，可用計算機(jī)輔助計算。

按照通用的VHF電臺性能，可以分析組網(wǎng)成功率與n,D的關(guān)系。電臺發(fā)射功率50 W，接收靈敏度-113 dBm，接收余量3 dB，線損1 dB，頻率80 MHz，車輛平臺天線高度2.5 m，地形高差15 m。代入上述各式得：

Umin(V)=0.707×10-6，

(10)

σ2=8.051×10-4log D×10-9，

(11)

(12)

正常的基帶處理能保證Pd=1，跳頻同步概率不小于95%，在不考慮干擾情況下，式(1)化為：

Psc=(1-0.05n)×Pr。

(13)

用通用數(shù)學(xué)計算軟件計算式(10)～式(13)，做出Psc與n和D的關(guān)系如圖4所示。

圖4 組網(wǎng)成功率與距離、組網(wǎng)信令發(fā)射次數(shù)關(guān)系Fig.4 Relationship between networking success rate and distance,network signaling transmission times

由圖4可以得出：① 只發(fā)射1次組網(wǎng)信令時，任何通信距離都不能達(dá)到95%的組網(wǎng)成功率；②n≥2后，曲線基本重合，即主臺發(fā)射2次組網(wǎng)信令與發(fā)射4次入網(wǎng)信令幾乎沒有區(qū)別；③n≥2后，組網(wǎng)成功率取決于信號幅度不小于Umin的概率；④ 要求的5 km處組網(wǎng)成功率不小于95%，50%組網(wǎng)成功率位置大約為14 km處，也稱為覆蓋邊緣。

從臺的入網(wǎng)成功率采用式(2)類似計算。本方案空中傳輸信道采用了瑞利衰落模型，如果電臺之間收發(fā)有視距直射信號可以采用萊斯衰落分布模型[2]。接收信號中值空中衰減計算可以根據(jù)當(dāng)?shù)貙?shí)際情況和經(jīng)驗(yàn)采用不同的模型，無論如何采用實(shí)測方法最為準(zhǔn)確。

理論上，從臺入網(wǎng)成功率小于主臺的組網(wǎng)成功率，因此在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)通過操作規(guī)程和通信方案確定開機(jī)時間，主臺發(fā)起組網(wǎng)時間，未能入網(wǎng)的從臺某個時間之后才能發(fā)起入網(wǎng)申請。

按照本文組網(wǎng)方案，某系統(tǒng)在1部主臺和4部從臺的配置中，如圖2整幀設(shè)計為2 s，組網(wǎng)信令長度330 ms。組網(wǎng)時，主臺連續(xù)發(fā)射3次組網(wǎng)信令。4 s之內(nèi)，5 km距離組網(wǎng)成功率實(shí)測為199/200=99.5%，10 km距離組網(wǎng)成功率為153/200=76.5%，都比圖4計算好，分析應(yīng)為接收余量3 dB帶來的好處比較明顯。組網(wǎng)之后通信系統(tǒng)主臺的數(shù)據(jù)和指揮命令下發(fā)、從臺的狀態(tài)信息上報運(yùn)行符合設(shè)計預(yù)期，滿足了系統(tǒng)要求。

4 結(jié)束語

本文提出的數(shù)據(jù)傳輸幀結(jié)構(gòu)和組網(wǎng)方法特別適合上下行數(shù)據(jù)不對稱的無線數(shù)據(jù)分發(fā)系統(tǒng)，本文通用化設(shè)計的數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)可以根據(jù)實(shí)際系統(tǒng)要求的上下行數(shù)據(jù)量和時延要求來確定幀結(jié)構(gòu)的設(shè)計變量。

本文提出的數(shù)據(jù)傳輸幀結(jié)構(gòu)基于跳頻電臺的跳頻時隙，對商用定頻電臺只需定義一個最小的數(shù)傳猝發(fā)，基于該猝發(fā)可以設(shè)計數(shù)據(jù)傳輸幀結(jié)構(gòu)的各設(shè)計變量。提出的數(shù)據(jù)傳輸幀結(jié)構(gòu)和組網(wǎng)方法不僅適合窄帶低速電臺系統(tǒng)，也可以應(yīng)用于高速電臺作為系統(tǒng)傳輸設(shè)備的系統(tǒng)。

本文的組網(wǎng)設(shè)計方法可以為未來武器協(xié)同數(shù)據(jù)鏈設(shè)計提供參考，文中根據(jù)組網(wǎng)方法相應(yīng)計算的組網(wǎng)成功率與系統(tǒng)實(shí)測驗(yàn)證值比較吻合，可以成為其他類似系統(tǒng)的使用單位和研制單位制定組網(wǎng)成功率指標(biāo)或進(jìn)行仿真計算的參考案例。