空地數據鏈越區切換設計＊

林 菡 朱振宇 方 衛

（中國船舶重工集團公司第七二二研究所 武漢 430079）

1 引言

戰術數據鏈在現代戰爭中發揮著極其重要的作用，數據鏈的建設是信息化戰爭發展的重要標志之一，數據鏈的應用水平在很大意義上決定著信息化戰爭的水平和能力[1]。空地數據鏈被稱為“當代空戰中樞系統”，它是鏈接地面的指揮控制中心、各個作戰部隊、空中武器平臺的一種信息處理、交換和分發系統[2]。空地數據鏈一般采用超短波或微波信道，因此其通信距離一般為視距。飛機在執行正常任務時，會在多個基站的通信覆蓋范圍間來回穿梭，為保證指揮控制中心與飛機的不間斷通信，就必須實時切換與飛機通信的基站，即所謂的越區切換。

本文針對空地數據鏈系統，在借鑒移動通信中越區切換方法的基礎上，設計了三種空地數據鏈越區切換方法，并對各種方法進行了分析。

2 移動通信中越區切換

圖1 移動通信中的越區切換

越區切換的概念最早出現在移動通信中。切換的基本概念很簡單：當用戶從一個小區的覆蓋范圍移動到另外一個小區覆蓋范圍時，必須在用戶和新的小區之間建立新的鏈路連接，而必須刪除和釋放用戶和舊的小區之間的原來的鏈路連接。移動臺在呼叫或通話進行中，在從一個服務小區移動到另一個服務小區時需要維持呼叫或通話繼續進行，就是越區切換的過程[3]。如圖1所示。

越區切換最主要的問題就是越區切換準則的判定，即什么情況下實施越區切換。在目前的移動通信系統中，主要有以下幾種越區切換準則：

1）射頻信號強度

射頻信號強度準則[4]是移動通信中最常用的切換判決準則。移動臺連續監測各個小區的信號強度，當某個相鄰小區基站的信號強度超過當前小區基站，并且當前小區基站的信號強度低于某一門限時，切換過程將被啟動。為了防止過早地啟動切換過程，可以采取加窗平均和滯后門限相結合的切換準則[5]。在這種準則里，當系統做出切換的決策前，系統將對接收到的若干信號強度采樣值進行平均，只有當從當前小區接收到的平均值低于從目標小區接收到的平均值一個預先設定的滯后門限時，系統才啟動切換過程。

2）載波與干擾比

盡管射頻信號強度準則在實際系統中易于實現，但是它不太適用于干擾受限的系統中。這是因為其并未將系統中的載波和干擾比[6]考慮進去。載波和干擾比即載干比是指接收到的有用信號電平與所有非有用信號電平的比值，載干比是反映信號在空間傳播的過程中接收端接收信號好壞的比值。由于載干比也將受到無線信道衰落和陰影的影響而有所波動，因此，為了提供準確的切換指示，還需用到加權平均和滯后門限的方法。

3）移動臺和基站的相對位置[7]

由于無線信道的多變性以及移動用戶所處環境的不同，在移動通信系統中完全可能出現這樣一種現象，即從離用戶近的基站接收到的信號質量反而不如從離用戶較遠的基站接收到的信號質量。因此，實際系統中經常將相對位置作為上述兩種準則的一種輔助參考。

3 空地數據鏈越區切換設計

與移動通信中的越區切換相比，空地數據鏈系統在用戶數量、飛機（終端）移動速度、通信覆蓋半徑，以及越區切換的魯棒性和可靠性等方面存在著差異[8]，但其越區切換過程卻與移動通信系統類似，因此，可以借鑒移動通信系統的越區切換過程進行空地數據鏈系統的越區切換設計。

3.1 基于接收質量的越區切換

空地數據鏈系統中，地面站點與飛機之間一般采用呼叫－應答協議[9]，即地面站點周期向飛機發送呼叫報文，飛機收到后，以應答報文的方式響應地面站點，飛機不主動向地面站點發送信息。在地空數據鏈系統中地面站點的建設一般要保證“無盲區”，即飛機在整個飛行過程中，要時刻保持與地面的正常通信，這就要求地面站點的通信覆蓋半徑必須有重疊區域，如圖2所示。一般飛機在飛行過程中，有2～3個甚至更多的地面站點能接收到飛機的下行報文。站點將接收到的報文統一送控制中心處理，控制中心根據各站點報文的CRC校驗結果，確定站點報文接收質量，以此作為越區切換的依據。為避免切換過于頻繁，需對接收質量進行滑動平均及趨勢判決。一般以10次或1分鐘作為滑動平均的周期。即若當前與飛機通信外站連續10次或連續一分鐘接收到的報文平均質量低于從其它外站接收到的報文質量，且當前站點與飛機通信質量的變化趨勢為逐漸降低，其它站點與飛機的通信質量逐漸提高，則實施切換。

3.2 基于位置的越區切換

與移動通信中終端的隨機移動不同，空地數據鏈系統中飛機的飛行線路一般是經過規劃的[11]，因此，控制中心可以根據飛機的起飛時間判斷飛機當前所處的區域，以此確定飛機位置，但該方式受外界干擾因素較多，為更精準地確定飛機位置，一般根據地面雷達監測的飛機經緯度信息或飛機下行的平臺信息，利用公式精確計算飛機與各地面站點之間的距離，以此作為越區切換的依據。為避免切換過于頻繁，也需采用滑動平均和基于趨勢的方式。一般以連續五次接收的飛機下行的平臺信息或雷達上報的飛機經緯度信息，計算出飛機與各站點的距離，若當前通信站點與飛機的平均距離大于其它站點與飛機的距離，且當前通信站點與飛機距離的變化趨勢為逐漸增大，其它通信站點與飛機的通信距離逐漸減小，則實施切換。

圖2 空地數據鏈系統示意圖

3.3 接收質量和位置相結合的越區切換

雖然上述兩種方法都易于實現，但在實際運用時，兩種方法都存一定的缺陷。基于接收質量的越區切換，在飛機越區過程中如果出現飛機天線遮擋，導致所有站點均收不到飛機的數據信息，則在飛機越區后，由于飛機已遠離當前通信站點，飛機收不到當前站點的詢問報文，因此其也不會發送下行數據，導致基于接收質量的越區切換無法實施，造成飛機丟失，這是空地數據鏈系統所不允許的。而基于位置的越區切換，由于其未考慮接口質量，而實際通信過程中經常出現距離遠的站點接收質量好，距離近的站點反而接收質量差的情況，因此會造成通信效率低等問題。為較好地解決空地數據鏈系統的越區切換問題，需將上述兩種方法結合起來。

接收質量和位置相結合的越區方法以接收質量為主，位置信息為輔，其越區切換判決流程如圖3所示。飛機起飛進入正常通信狀態后，控制中心實時監控飛機的下行數據，如果能正常接收，則按照接收質量越區切換判決準則辨別飛機越區狀態，否則按照基于位置的越區切換判決準則進行飛機的越區切換。

圖3 越區切換判決流程

4 結語

基于接收質量和位置的越區切換方式能很好地解決空地數據鏈系統的越區切換問題，其切換及時、可靠，基本可實現無需人工干預的自動越區切換。但由于實際的越區組網是個龐大復雜的系統工程，在研究過程中為了研究的方便對有關問題作了簡化，因此，實際操作時還需對許多細節問題進行進一步分析，這也是今后的研究方向。

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