一種基于TDMA地面基站的自主協(xié)同方法

陳志為，劉懷遠，孫曉毓

(中國電子科技集團公司第二十研究所，陜西 西安 710068)

0 引 言

Link16(又稱聯(lián)合戰(zhàn)術(shù)信息分配系統(tǒng))戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈是美軍現(xiàn)役的一種戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)，該系統(tǒng)基于TDMA協(xié)議，具有網(wǎng)絡(luò)容量大、保密性佳、抗干擾能力強的特點，支持陸、海、空等諸軍兵種聯(lián)合作戰(zhàn)[1]。Link16基本的周期性時間單元是時幀，一旦數(shù)據(jù)鏈開始工作，時幀就重復(fù)出現(xiàn)并周而復(fù)始。時隙是Link16網(wǎng)絡(luò)的基本時間單位，每個工作平臺在某一個時隙內(nèi)完成某一類信息的發(fā)送和接收。Link16的多個網(wǎng)絡(luò)可進行“重疊”，在同一時隙里不同成員使用不同頻率，就可在各自網(wǎng)內(nèi)發(fā)送數(shù)據(jù)，支持時隙的重復(fù)使用[2]。

當?shù)孛?岸基)指揮所需要與多個艦船、飛機互聯(lián)互通時，地面(岸基)指揮所通過基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)與地面基站形成一對多的網(wǎng)狀連接。所有地面基站獨立工作，通過衛(wèi)星授時保證其時間精確同步。地面(岸基)指揮所對飛機進行空中控制或?qū)ε灤M行水面控制時，先將信息通過基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至距離艦船、飛機較近的地面基站，再通過無線射頻將信息發(fā)送至艦船、飛機，從而完成信息的及時傳遞。地面(岸基)指揮所與艦船、飛機的聯(lián)通示意圖如圖1所示。

圖1 地面(岸基)指揮所與艦船和飛機聯(lián)通示意圖

1 站群劃分

隨著基站數(shù)量的增多，時隙資源的消耗、網(wǎng)絡(luò)成員受到了較大制約。此外，利用一個基站對多個艦船、飛機進行控制時，由于基站時隙資源的限制，會增加信息在隊列中的積壓，信息的時效性會大打折扣。因此，我們引入站群的概念來解決以上問題。

將2～4個位置較近、具有公共覆蓋區(qū)域的地面基站劃分為一個站群。每個地面基站分別使用不同的編號與其他成員共同組網(wǎng)，該編號在全網(wǎng)內(nèi)唯一，是網(wǎng)內(nèi)成員身份的標識，也是網(wǎng)內(nèi)信息數(shù)據(jù)傳遞的唯一標識。站群內(nèi)所有地面基站雖獨立工作，但不再給其分配多余的時隙資源，而是共用原先1個基站的時隙資源。站群內(nèi)的基站可以使用不同的重疊網(wǎng)絡(luò)，保證站群內(nèi)的基站在發(fā)送空中控制或水面控制信息數(shù)據(jù)時可以將對應(yīng)時隙重復(fù)使用，以實現(xiàn)同一時刻對不同的飛機、艦船進行控制。站群內(nèi)各基站可在基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)上相互連通，在射頻網(wǎng)絡(luò)上使用衛(wèi)星授時保證時間同步，從而進行自主組網(wǎng)。

地面基站之間在基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)上采用以太網(wǎng)傳輸協(xié)議進行報文交互，站群內(nèi)以組播形式互相發(fā)送基站狀態(tài)報文，所有基站收集群內(nèi)其他基站的狀態(tài)，并自主計算出編號最小的地面基站作為站群中的主基站，編號次小的基站作為替補主基站。主基站可獲得站群內(nèi)所有基站的編號、設(shè)備狀態(tài)，具備向其他基站發(fā)送管理命令的功能。當主基站發(fā)生故障或被摧毀時，替補主基站就能監(jiān)測到主基站故障或在一定時間監(jiān)測不到主基站存在，替補主基站就接替上任為主基站，繼續(xù)擔(dān)任向其他基站發(fā)送管理命令的職責(zé)。站群組成示意圖如圖2所示。

圖2 站群組成示意圖

從圖2可以看出，站群內(nèi)3個地面基站共用原先1個基站的時隙資源。根據(jù)站群劃分原則，一個站群可以擁有2～4個基站，就可以節(jié)約50%～75%的資源，從而將節(jié)省出的資源分配給更多的網(wǎng)絡(luò)成員。這樣一來，通過劃分站群的方式，就可使網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的成員數(shù)量增加，進一步提高網(wǎng)絡(luò)容量。

2 資源動態(tài)調(diào)配方法

根據(jù)上述站群的劃分方式，站群內(nèi)2～4個地面基站共用原先1個基站的時隙資源，就需要由主基站對站群的時隙資源進行動態(tài)調(diào)配。主基站將原先1個基站的時隙資源平均分配給群內(nèi)所有基站，保證每個基站的初始時隙資源都是整數(shù)，且盡量相等。各基站收到分配的時隙資源后，分別實時統(tǒng)計各自需要分配的時隙資源和實際使用的時隙資源，進而計算出每一個基站的負載情況，并將計算結(jié)果周期上報主基站。

當某一基站分配的時隙不足以支持其需要發(fā)送的信息時，主基站就能根據(jù)其上報的負載情況，結(jié)合站群內(nèi)其他基站的負載情況，將有空閑的資源臨時調(diào)配給需要的基站，以保證信息發(fā)送的實效性。如果站群內(nèi)的資源調(diào)配仍無法滿足發(fā)送需求，則主基站會向岸基指揮所發(fā)送資源申請，調(diào)配網(wǎng)內(nèi)空閑的資源供本站群使用。如主基站申請到新的時隙后，再將該資源分配到實際需要資源的基站，滿足其信息發(fā)送需求。站群資源動態(tài)調(diào)配流程圖如圖3所示。

圖3 站群資源動態(tài)調(diào)配流程圖

對于申請到的時隙資源，主基站也會持續(xù)對其使用情況進行監(jiān)控。一旦發(fā)現(xiàn)站群內(nèi)部資源可以滿足群內(nèi)所有基站的使用需求，應(yīng)立即將該資源退還給岸基指揮所，以便后續(xù)其他站群繼續(xù)申請資源。

3 成員保障算法分析

時隙資源動態(tài)調(diào)配解決了專用和競爭使用接入方式時基站間的資源調(diào)配問題，而當岸基指揮所通過基站向公共覆蓋區(qū)中的飛機、艦船進行控制時，使用重疊網(wǎng)絡(luò)方式接入。同時由于飛機、艦船具有編隊的特點，岸基指揮所需要對整個編隊進行同時控制，因此應(yīng)該考慮將同一編隊放在一個基站下進行通信保障。在進行成員保障方案調(diào)整時，基本的原則是：

(1) 飛機、艦船應(yīng)選擇無線聯(lián)通質(zhì)量最佳或聯(lián)通質(zhì)量不小于80%的基站；

(2) 同一編隊內(nèi)的成員應(yīng)與編隊長的保障基站一致；

(3) 在滿足以上條件的前提下，不同編隊盡量使用不同的基站。

根據(jù)以上3個原則，采用窮舉法列出站群對飛機、艦船的所有保障方案。當站群中基站數(shù)量為N，保障編隊數(shù)量為M時，總共可窮舉出NM個不同的保障方案。針對每一種保障方案，分別計算其分數(shù)。分數(shù)的計算方法為：編隊長在其無線聯(lián)通質(zhì)量最佳的基站下權(quán)重為1，非最佳但不小于80%的權(quán)重為0.9，非最佳且小于80%的權(quán)重為0；在站群中找出保障編隊最多的基站和最少的基站，并計算最大值和最小值的差值，每差1個就減去0.25。分別對每一種方案計算其最終得分，取分數(shù)最高的方案作為成員保障的最優(yōu)方案。算法流程圖如圖4所示。

圖4 站群成員保障算法流程圖

下面給出圖4對應(yīng)算法進行算法實現(xiàn)的具體步驟：

(1) 統(tǒng)計M個編隊長在N個基站的聯(lián)通質(zhì)量，第m個編隊長在第n個基站的聯(lián)通質(zhì)量為Qmn,1≤m≤M,1≤n≤N。

(2) 計算第m個編隊長在第n個基站的聯(lián)通質(zhì)量Qmn對應(yīng)的權(quán)重Wmn,1≤m≤M,1≤n≤N。 (3) 依據(jù)窮舉法，計算NM種方案中每一種方案的單個基站下編隊長數(shù)量最多與最少之差，第i種方案中的差值為Di,1≤i≤NM。

(4) 計算第i種方案的得分：

(1)

(5) 在所有NM種方案中找出得分最高的方案，得分為：

Pmax=max{Pi},1≤i≤NM

(2)

下面通過一個例子來說明該算法及其結(jié)果。假設(shè)一個具有3個基站(A、B、C)的站群，需要保障4個編隊(1、2、3、4)，4個編隊長在3個基站的無線聯(lián)通質(zhì)量為：

那么，結(jié)合其權(quán)重和基站差值，可通過窮舉法計算出81個方案的最終得分。其中最佳方案為：基站A保障編隊1，基站B保障編隊2，基站3保障編隊3、4，得分為3.2。得分最低方案得分0.024，平均分為1.425。因此，在使用優(yōu)化算法后，其保障能力有了明顯提升。各方案得分情況如圖5所示。

按照上述方法計算出的保障方案，能夠在保證無線聯(lián)通質(zhì)量的前提下，盡量將不同的編隊分配到不同的基站去保障，避免由于一個基站保障過多編

圖5 站群成員保障方案得分情況示意圖

隊，導(dǎo)致信息在隊列中積壓，使岸基指揮所與飛機、艦船之間交互的信息不能及時傳遞。同時，由于不同基站和編隊信息交互時使用了重疊網(wǎng)絡(luò)，信息發(fā)送采用不同頻率，在同時發(fā)送時也不會因時隙碰撞而導(dǎo)致信息丟失。因此，此算法保證了信息傳輸?shù)臅r效性和可靠性。

4 結(jié)束語

通過劃分站群，能將獨立工作的各個基站結(jié)合在一起，通過自主協(xié)同的方式，對站群中基站進行監(jiān)視管理。站群的資源動態(tài)調(diào)配和成員保障方案調(diào)整，能夠自動將站群的資源進行合理分配，既避免了資源浪費，又提高了信息交互效率。自主管理過程同樣可變?yōu)檩o助決策，站群將分析結(jié)果和建議的執(zhí)行指令發(fā)送給指揮員，經(jīng)人工確認后，可以選擇同意執(zhí)行或禁止執(zhí)行，與全部由人工進行操作相比較，本文方法提高了各項操作的時效性，這在瞬息萬變的戰(zhàn)場中是十分重要的，同時促進了數(shù)據(jù)鏈的實際應(yīng)用。