數據鏈系統中的越區切換技術研究＊

陳 娟 熊友根 馬沐春

（1.中國電子科技集團公司第二十八研究所 南京 210007）（2.南京軍區空軍司令部信息化處自動化站 210007）

1 引言

隨著無線數據通信技術的發展，現代戰爭方式發生了革命性的變化。現代戰爭要求戰場上各個作戰單元之間迅速交換情報信息，共享各個作戰單元掌握的所有情報，實時監視戰場態勢，具備相互協同能力。數據鏈是全球信息柵格（GIG）的重要組成部分，也是實施網絡中心戰的重要信息手段，是現代信息技術與戰術理念相結合的產物，它將陸、海、空、天等各軍兵種的指揮、控制、情報、信息系統和武器平臺等緊密地鏈接在一起，按照統一的數據格式和通信協議，以無線信道為主對信息進行了實時、準確、自動、保密傳輸。數據鏈使作戰區域內各種指揮控制系統和作戰平臺的計算機系統組成戰術數據傳輸，交換和信息處理網絡，為作戰指揮人員和戰斗人員提供有關的數據和完整的戰場戰術態勢圖，讓所有作戰力量實現信息共享，實時掌握戰場態勢，縮短決策時間，提高指揮速度和協同作戰能力，增強部隊的整體作戰效能［1］。因此，數據鏈是將信息優勢轉化為戰斗力的關鍵環節，是形成基于信息系統體系作戰能力的有效手段，是信息化戰爭中必不可少的重要裝備［2］。

2 數據鏈系統中的越區切換概念

通常，作戰飛機的作戰半徑可達1500km，而單個數據鏈站點對3000m以上覆蓋范圍僅為200km～300km。數據鏈系統通過使用多個數據鏈站點實現對飛機作戰區域的通信覆蓋。為保障地面指揮所與作戰飛機的連續通信，需要按作戰飛機位置與通信質量選擇最佳的數據鏈站點來承擔對空通信任務。在數據鏈系統中，越區切換的過程如圖1所示，當作戰飛機在數據鏈站點1的通信覆蓋范圍時，地面指揮所使用數據鏈站點1與作戰飛機進行通信；當作戰飛機飛行至數據鏈站點2的通信覆蓋范圍時，需要將作戰飛機和數據鏈站點1建立的數據通信關系切換到數據鏈站點2上，地面指揮所能夠使用數據鏈站點2與作戰飛機進行通信，這個過程就稱為越區切換。

圖1 越區切換過程

2.1 相關領域中的越區切換技術

蜂窩移動通信系統中，將服務區劃分成若干個小區域，在各小區用小功率發射機覆蓋，由若干小區構成區群，實現頻率復用。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］。在蜂窩移動通信網中，越區切換保證移動用戶在移動狀態下實現不間斷通信，同時也是為了在移動臺與網絡之間保持一個可以接受的通信質量，防止通信中斷。特別是由網絡發起的切換，其目的是為了平衡服務區內各小區的業務量，降低高用戶小區的呼損率的有力措施。切換可以優化無線資源的使用，還可以及時減小移動臺的功率消耗和對全局的干擾電平的限制。

目前，移動通信系統中常用的切換檢測準則有：基于接收到的信號強度（RSS）的檢測準則、基于載干比（CIR）的檢測準則和基于距離的檢測準則［4～5］。其中基于信號強度的判斷方式有以下幾種：

1）相對信號強度

切換判決基于從基站接收的信號平均值。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基站時發起切換。

2）有門限的相對信號強度

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發起切換。在此種方法中需要恰當地選擇門限值。如果選擇的門限值高于兩基站的信號強度，就會出現類似相對信號強度的效果。如果選擇的門限值低于此信號強度，移動臺將推遲切換，直到服務基站的信號強度經過此門限值。如果選擇的門限值遠低于此信號強度，將會造成過大的時延。這將降低通信鏈路的質量甚至會導致呼叫中斷。

3）有滯后的相對信號強度

移動臺同樣連續監測各個小區的信號強度，當某相鄰小區基站的信號強度大于當前小區基站信號強度超過一個滯后范圍時發起切換。這種方案可以有效地避免由于信號的起伏造成的“乒乓效應”，但是當服務基站的信號強度足夠強時，它也產生不必要的切換。

4）有滯后和門限的相對信號強度

在這種方式中，當某個相鄰基站的信號強度超過當前小區基站高于一個滯后范圍，并且當前小區基站的信號強度低于某一個門限時發起切換。當當前基站的信號強度能夠提供所需的質量要求時，使用此方式可以進一步降低不必要的切換。

5）有滯后時間的相對信號強度

在這種方式中，當某個相鄰小區基站的信號強度比當前小區基站的信號強度高，而且在此后的一段時間里都保持比當前基站的信號強度高時發起切換。此方式降低了頻繁的切換次數。

2.2 數據鏈系統中的越區切換技術

在無縫連接的數據鏈系統中，當飛機移動用戶移動到地面站信號覆蓋區域的邊界，即將進入另一地面的覆蓋范圍時，為了使飛機與地面的通信不中斷，飛機必須通過越區切換技術進行無縫通信切換，從而實現與另一地面站的通信，共享另一區域信息，接收指揮控制命令［6］。傳感器、戰斗平臺等都在地面主控站或者指揮平臺的控制下工作，當傳感器或者戰斗平臺從一個主控站的范圍內移出之前，根據越區切換算法，計算出恰當的切換時間以及目標切換站點。到達切換時刻啟動越區切換，完成地面站點的切換工作。如果切換選擇的時機不正確，空中平臺就可能越出當前通信站點的覆蓋范圍，可能會丟失大量的數據，空中平臺失去與指揮所的通信，從而貽誤戰機，對戰爭產生嚴重的影響，因此，一個可靠的越區切換算法是數據鏈系統穩定有效運行的關鍵技術。

數據鏈的越區切換可以借鑒相對成熟的移動通信越區切換技術［7～8］，但數據鏈與一般移動通信系統在通信組網方式和使用方式上都存在差異。公眾移動通信網一般采用小區制，基站覆蓋半徑隨著用戶數量的增多而減小，最小只有幾百米。而數據鏈通信采用大區制覆蓋，在不同高度具有不同的覆蓋半徑，最大作用距離可以達到幾百公里，因此相鄰站點的通信覆蓋區范圍較大，作戰飛機在一次飛行任務過程中需要切換次數相對較少。

數據鏈通信不同于一般移動通信，作戰飛機與指控系統自始至終都通過數據鏈保持著指控關系，始終占用一定的信道資源，這是軍用專用移動通信與一般民用通信的最大不同。數據鏈的應用環境的特殊性，對越區切換的魯棒性、可靠性等提出更高的要求。同時，數據鏈屬于軍用專用通信系統，數據吞吐量有限，以輪詢或者固定時分作為信道接入方式，主要用于指控平臺與作戰平臺之間指令和態勢的數字信息交換。因此，越區切換必須立足數據鏈的鏈路協議和戰術要求。

受到數據鏈技術、組網方式和使用方式等的限制，越區切換需要的時間大于蜂窩通信切換時需要的時間，且切換過程中指揮所與作戰飛機的通信中斷。越區切換算法的檢測部分是提高越區切換可靠性的關鍵所在［9］。由于數據鏈直接面向作戰指揮，因此在設計越區切換算法時，應考慮算法不能過于復雜，避免作戰飛機在飛行過程中受復雜因素的影響而導致的頻繁切換。本文分別設計了三種不同的切換算法，并對三種算法的優劣進行了比較。

1）基于站點通信覆蓋區的越區切換算法

站點的理論通信覆蓋范圍為以站點為頂點的錐形體，站點相對于作戰飛機的理論通信覆蓋區域為錐形體在飛機當前飛行高度的圓形橫截面，高度越高通信覆蓋范圍越大，相鄰站點的通信覆蓋重疊區也越大，可以借鑒基于地理信息系統實現V／UHF通信評估的實現方法［10］。越區切換判斷所依據通信覆蓋信息僅僅通過理論計算是遠遠不夠的，應通過對站點的實地考察、計算和測量獲得相對更為準確的覆蓋區數據，并在管理中心建立所有站點的覆蓋區數據庫，同時收集錄入在作戰飛機的日常訓練中檢測到的站點覆蓋盲區位置信息，以此作為越區切換判斷的理論依據。

（1）切換時機的選擇

越區切換選擇作戰飛機在通信覆蓋重疊區內進行，切換時間不能太早，此時作戰飛機雖然在新站點的通信覆蓋范圍內，但很可能與新站點的通信質量較差。切換時機的選擇與通信覆蓋重疊區的大小息息相關，當通信覆蓋重疊區足夠大，可選擇在通信覆蓋重疊區的中間位置同時避開通信盲區的位置開始切換；若通信覆蓋區相對較小，可選擇在剛進入通信覆蓋重疊區的位置進行切換。

（2）切換站點的選擇

切換站點的選擇主要基于對作戰飛機飛行趨勢的判斷，越區切換的首要前提是作戰飛機遠離原通信站點。其中，飛行趨勢計算方法如圖2所示。

圖2 飛機趨勢計算方法

飛機位置為S（t），當前站點位置為A，飛機的飛行趨勢為其中，S（t）、A 為二維坐標點。如果cosθ＜0，飛機朝著遠離當前站點的方向飛行。如果連續5點cosθ＜－0.2（門限可調整），則可確認飛機趨向于數據鏈站點A。在計算飛行趨勢時，還應該根據作戰飛機的飛行航向、飛行速度等預估未來一段時間的飛行軌跡，評估在未來一段時間內的作戰飛機相對于各站點的飛行趨勢。選擇最終切換站點時，綜合評估作戰飛機相對于站點的距離、飛行趨勢和覆蓋區位置等，選擇最優的站點進行切換，避免因多余的切換而增加系統的負擔。

2）基于站點與作戰飛機通信質量的越區切換算法

在作戰飛機執行任務的過程中，最直接導致切換的原因就是作戰飛機與原通信站點的通信質量越來越差，這個判斷依據是最直接最根本的。這種切換算法要求站點實時檢測作戰飛機與自身的通信質量，并將通信質量情況報告給管理中心。管理中心接收各個站點報告的通信質量信息，從而獲得全局的站點與作戰飛機的通信情況。

（1）切換時機的選擇

管理中心動態計算滑動時間窗口內作戰飛機與當前通信站點的質量變化趨勢，當質量變化值低于一個門限值時，啟動對這架飛機的越區切換控制。這個算法的設計關鍵在于滑動時間窗口值和質量門限閾值的選擇。滑動時間窗口選擇過大將無法評估衡量出作戰飛機當前的質量變化趨勢，窗口選擇過小可能使判斷出的質量變化趨勢出現抖動，從而導致對作戰飛機的頻繁越區切換。質量門限閾值選擇過大，當質量變化情況達到門限閾值即說明作戰飛機與當前通信站點的通信質量急劇下降，這時發起切換，指揮所與作戰飛機可能失去通信聯系，錯失了切換時機。反之，如果質量門限閾值選擇過小，當質量變化情況達到門限閾值即說明作戰飛機與當前通信站點的通信質量變化不大，則可能使判斷出的質量變化趨勢出現抖動，從而導致對作戰飛機的頻繁切換。

（2）切換站點的選擇

由于管理中心掌握了作戰飛機與所有可連通站點的通信質量信息，選擇可切換站點時，可結合作戰飛機相對于各站點的飛行趨勢，從作戰飛機趨向飛行的站點中選擇通信質量最好的站點進行切換。

3）基于站點與作戰飛機通信質量與站點覆蓋區相結合的越區切換算法

以上分別介紹了基于站點通信覆蓋區與基于站點與作戰飛機通信質量的越區切換算法，兩個方法各有利弊。基于站點通信覆蓋區的方法存在風險，即雖然作戰飛機在前方站點的通信覆蓋區內，但可能因為天氣、地理等方面的原因與前方站點無法通信，這時候發起切換控制將導致切換失敗；基于站點與作戰飛機通信質量的方法同樣存在風險，如果通信狀況不佳，可能使判斷出的質量變化趨勢出現抖動，從而導致對作戰飛機的頻繁切換。綜合考慮兩方面的因素，設計了同時結合通信質量與覆蓋區的算法，根據作戰飛機航向、速度計算相對于各站點的運動趨勢，判斷作戰飛機與各站點的通信狀態，同時推算下一個運動點是否在各站點的覆蓋盲區中。有兩種情況將觸發越區切換判斷，一是作戰飛機遠離原通信站點并將要到達通信覆蓋區邊界（預留一段控制距離），二是作戰飛機與原通信站點持續一段時間失去通信聯系或通信狀況不佳。在選擇切換站點時，充分考慮作戰飛機與站點的通信狀況、飛行趨勢及覆蓋盲區數據，使得選擇的站點具有更高的可切換性。

3 結語

越區切換技術是數據鏈系統中實現指控系統對空中平臺遠距離、大區域、不間斷地引導指揮的關鍵技術。本文結合數據鏈技術和組網方式的特點，根據現有的技術體制綜合考慮了戰場環境下的各種因素，以切換的成功率和對系統的通信影響最小為原則，提供了三種越區切換技術的實現方法并進行了比較分析。實際應用中，越區切換控制技術涉及的設備較多，需要相互之間高效穩定的協同配合工作，才能保證整個系統正確可靠的運行。

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