無線數據通信快速組網方法及組網成功率計算

樊 湖

(中國電子科技集團公司第七研究所，廣東 廣州 510310)

0 引言

末端火控系統內的無線數據傳輸系統通常是一個指揮點(主臺)控制多個火力輸出點(從臺)和傳感器觀察點(從臺)，主臺傳送指令信息或其他數據信息，同時接收從臺上報狀態信息。主臺下發的數據量大于從臺上傳的數據量，主臺通常要接收觀察點或傳感器發出的目標要素數據，這些數據量會相對比較大，要求數據傳輸具有一定的可調整性。

按照文獻[1]分析，火控系統內的無線數據傳輸劃為戰斗協作網絡范疇，屬于武器協同數據鏈一種地面應用。在國際上，早期美軍是各兵種根據系統要求開發各自的武器協同數據鏈，有多種波形體制。到20世紀末，美軍逐步利用JTRS系列波形中的寬帶網絡波形統一這些波形體制。21世紀初，美軍啟動戰術瞄準網絡技術(TTNT)項目，這是一種基于IP的嵌入到JTRS中使用的高速、寬帶戰場網絡技術，能比較快速組網和以極高的速率傳遞數據，使精確打擊時間敏感目標成為可能，TTNT會成為未來的武器協同數據鏈。同樣，國內各兵種根據自己火力系統特點研制了各種專用無線數據傳輸鏈路，在末端要求強抗干擾的情況下，大多是采用通信控制器加跳頻電臺的體系架構，數據鏈路層在通信控制器中。這種架構下，電臺一般工作于大時隙TDMA或CSMA的多址工作方式，組網時間比較長，傳輸時延比較大。

針對火控系統內部無線數據組網傳輸，本文提出一種在電臺內設計小時隙TDMA組網的新方法，指控應用直接連接電臺，省去通信控制器，組網時間和數傳時延大幅減少，并提出計算主臺組網成功率和從臺入網成功率的方法。

1 系統傳輸模型及TDMA數傳幀結構設計

1.1 系統數據傳輸模型

系統傳輸層級模型如圖1所示。

圖1 系統數據傳輸模型Fig.1 System data transmission model

系統數據鏈路層包含在電臺內，鏈路層直接控制物理硬件，可以實現TDMA的小時隙劃分，實現快速組網或入網。數據在MAC子層成幀直接發送到物理硬件層發射出去，縮短傳輸時間。

1.2 幀結構設計

利用半雙工電臺構建無線數據傳輸網通常采用TDMA技術架構，網絡幀結構設計是系統能進行正常數據傳輸的關鍵，幀結構設計要考慮電臺的無線傳輸體制、抗干擾體制、收發轉換時間和一次發射或接收能處理的最小時間間隙等電臺傳輸特性，考慮各節點上/下行傳送數據量和數據產生速率，考慮上層指控要求的傳輸時延。幀結構設計還需要綜合考慮數傳效率與組網方法，特別要考慮遲后入網的從臺加入已經運行的無線網絡的方法。

綜合以上要素，設計的數傳幀結構如圖2所示。其中，要組網的電臺數量為k，編號為A，B，C，…，K，其中A為主臺。主臺與從臺的組網流程不同，但入網后主臺和從臺都遵循圖示的數據傳送運行幀結構。

圖2 數據傳輸幀結構Fig.2 Data transmission frame structure

時隙是數據包發射的最小單位，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，可分配幀是數據網中各電臺可發射時間最小的劃分單位。n個可分配幀組成的A臺分幀(主臺發射)和由m個可分配幀組成的某從臺分幀(從臺發射)組成組合子幀，有k-1個從臺就有k-1個組合子幀，本設計中組合子幀的長度大于2倍的從臺入網請求信令的發射長度。

A臺子幀/維護子幀(A子幀)，由p個可分配幀組成，用于主臺發射數據或發射網絡維護信令。

可動態分配子幀(DZ子幀)，由q個可分配幀組成，主臺或得到授權的從臺能占用可動態分配子幀發射數據。本設計中可動態分配子幀長度大于主臺發射TOD同步信息和組網信令的長度。

n,m,p,q,x為大于1的正整數。在特定的系統規劃設計中，根據各從臺的數據量和相應時間規劃n,m,p,q,x的值。

各電臺在自己的分幀內發射數據，在其余分幀接收數據，規定各從臺在自己的分幀中沒有數據時發射在網信令。

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可以是一張特定的頻率表，但是如果信道F為一個定頻頻率，則可以大大降低系統的組網時間；

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

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

S40：主臺用整幀的長度在信道F發射組網信令，組網信令包含同步信息TOD和組網時隙信息；

S50：主臺和已經入網的從臺按照整幀時序正常收發數據；

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

S70：主臺發射退網或靜默信令，返回執行步驟S10；

S80：檢查是否全部從臺在網，是則執行步驟S120，否則執行步驟S90；

S90：在未入網從臺組合子幀時，開啟信道F的掃描接收搜索波形。在已入網從臺組合子幀內正常收發數據。設計的從臺組合子幀時間長度必須超過2倍從臺的入網請求信令的長度，這樣才能保證主臺完整收到入網請求信令；

S100：判斷在未入網從臺組合子幀內是否收到入網請求信令，是則執行步驟S110，否則執行步驟S120；

S110：按照整幀時序分配，A子幀發射數據。連續2個整幀的DZ子幀發射組網信令，返回執行步驟S50；

S120：主臺根據各電臺數據量判斷是否需要分配DZ子幀給某個從臺，是則執行步驟S140，否則執行步驟S130。DZ子幀的設計使得系統具備一定的時隙動態調整能力,同時不影響網內其他電臺的正常工作；

S130：主臺在A子幀和DZ子幀發射數據，返回執行步驟S50；

S140：在A子幀發送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子幀接收數據，返回執行步驟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：從臺在預設的信道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命令，是則執行步驟S220，否則執行步驟S230。同樣上層的啟動命令來源于人工面板操作或上級設備指令；

S220：在信道F整幀長度時間內不斷發射入網請求信令；

S225：在信道F整幀長度時間內接收搜索接收主臺發射的組網信令；

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

S233：判斷是否已經發射入網請求2次，是則執行步驟S236，否則返回執行步驟S220。設計從臺僅發射2次入網請求，為了避免已入網電臺的正常工作；

S236：向上層報告入網失敗，返回執行步驟S200；

S240：在本臺分幀處發射在網信令或者數據；

S250：按照整幀時序正常收發數據；

S260：從臺自檢是否在網，在網則執行步驟S270，否則報告上層脫網并返回執行步驟S200；

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

S280：判斷是否收到主臺發送的讓本機占用DZ子幀信令，是則執行步驟S300，否則執行步驟S290；

S290：在DZ子幀只收，跳轉步驟S250；

S300：占用DZ子幀發射數據，跳轉步驟S250。

3 組網成功率和入網成功率

組網成功率是無線數據傳輸系統的重要指標，這里給出組網成功率明確定義。

組網成功率是無線數據傳輸系統在規定的時間內從臺入網的概率，規定時間的起點可以是開機時間、或者是按鍵輸入組網命令的時間、或者進入組網狀態時間，組網成功率通常是主臺的指標要求。

相應的，對從臺定義入網成功率。入網成功率是無線數據傳輸系統中從臺在規定的時間內加入已經存在的無線數據傳輸網的概率，規定時間的起點可以是開機時間、或者是按鍵輸入入網命令的時間、或者進入組網狀態時間。

組/入網能否成功取決于下列因素：

① 組網策略的設計。理想無誤碼情況下，接收電臺能收到1次組網信令發射的概率，設為Pd；對從臺入網概率來說，主要是主臺能收到從臺入網請求信令的概率。取決于數據傳輸幀時隙的設計和規定時間內發射/接收組網信令的次數n；

② 物理層的因素。具體是接收電臺收到信號的強度能達到基帶輸出正確信令的概率，設為Pr。由發射功率、接收靈敏度、通信距離、天線及架設方式、天氣地形和調制解調方式等傳輸參數決定。接收端的電磁干擾也是影響接收的重要因素，設電磁干擾強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/入網成功率的因素之一，跳頻同步概率設為Ph。成功的跳頻電臺設計，跳頻同步所需的信號強度會遠低于基帶信號正確解調所需要的信號強度，因此本文認為跳頻同步概率與接收機收到信號強度達到基帶輸出正確信令的概率不相關。

綜上，設主臺組網成功率為Psc，按照概率學知識 :

Psc=(1-(1-Pd×Ph)n)×Pr×(1-Pi)。

(1)

計算系統組網成功率要注意：主臺組網或從臺入網，n是不同的。以圖3為例，主臺流程中主臺用一個整幀發射組網信令，可以發射n次，從臺有n次接收機會。

考慮從臺入網成功率，以圖3為例，從臺入網雖然是整幀發射入網請求信令，但已經組網的主臺只在相應未入網的從臺子幀打開信道F掃描接收，因此主臺接收從臺入網請求信令的機會取決于從臺子幀內最少能收到多少次入網申請信令，設次數為m。按圖3的流程，主臺收到從臺入網之后，才會在DZ子幀發射組網信令，設能發射k次。為了提高系統綜合傳輸效率，通常DZ子幀設計得不會太長，一般k=1。從臺入網成功率為Pst：

Pst=(1-(1-Pd×Ph)m)×

(1-(1-Pd×Ph)k)×Pr×(1-Pi)。

(2)

簡化起見，式(2)認為主臺單次接收從臺的入網申請成功概率與從臺單次接收組網信令概率相同為Pd，雖然實際單個入網申請的信令長度要小于組網信令長度。Pr屬于信道范疇，取決于收發信機物理特性和發射接收環境和距離d。距離帶來的無線電傳播衰減可以取相適應的無線電傳輸模型計算。本系統給定的通信距離和實際環境，不會出現直射信號，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為[2]：

(3)

設電臺能正確解調的信號幅度要求為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為電臺發射標稱功率；PL為電波傳播損耗；βct，βcr為發射端、接收端電臺到天線的線損。

(9)

實際工程中，聯解式(1)～式(9)可以得出主臺組網成功率或從臺入網成功率，可用計算機輔助計算。

按照通用的VHF電臺性能，可以分析組網成功率與n,D的關系。電臺發射功率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)

用通用數學計算軟件計算式(10)～式(13)，做出Psc與n和D的關系如圖4所示。

圖4 組網成功率與距離、組網信令發射次數關系Fig.4 Relationship between networking success rate and distance,network signaling transmission times

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

從臺的入網成功率采用式(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當地實際情況和經驗采用不同的模型，無論如何采用實測方法最為準確。

理論上，從臺入網成功率小于主臺的組網成功率，因此在實際應用中，應通過操作規程和通信方案確定開機時間，主臺發起組網時間，未能入網的從臺某個時間之后才能發起入網申請。

按照本文組網方案，某系統在1部主臺和4部從臺的配置中，如圖2整幀設計為2 s，組網信令長度330 ms。組網時，主臺連續發射3次組網信令。4 s之內，5 km距離組網成功率實測為199/200=99.5%，10 km距離組網成功率為153/200=76.5%，都比圖4計算好，分析應為接收余量3 dB帶來的好處比較明顯。組網之后通信系統主臺的數據和指揮命令下發、從臺的狀態信息上報運行符合設計預期，滿足了系統要求。

4 結束語

本文提出的數據傳輸幀結構和組網方法特別適合上下行數據不對稱的無線數據分發系統，本文通用化設計的數據幀結構可以根據實際系統要求的上下行數據量和時延要求來確定幀結構的設計變量。

本文提出的數據傳輸幀結構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傳猝發，基于該猝發可以設計數據傳輸幀結構的各設計變量。提出的數據傳輸幀結構和組網方法不僅適合窄帶低速電臺系統，也可以應用于高速電臺作為系統傳輸設備的系統。

本文的組網設計方法可以為未來武器協同數據鏈設計提供參考，文中根據組網方法相應計算的組網成功率與系統實測驗證值比較吻合，可以成為其他類似系統的使用單位和研制單位制定組網成功率指標或進行仿真計算的參考案例。