基于中繼通信艦艇編隊協同通信技術研究

楊衛國，孫貴東，馮 誠，王 林

(1. 中國人民解放軍91206 部隊，山東 青島 266108；2. 中國人民解放軍32801 部隊，北京 100082)

0 引 言

現代海戰以艦艇編隊為主，戰場態勢復雜多變，更加突出集陸、海、空等多軍兵種參與的聯合作戰模式[1]。特別是我國正式擁有了自己的航空母艦之后，航母編隊成為我國海軍海上作戰的重要力量編組，在未來各類海上作戰任務中將扮演極為重要的角色。信息化戰爭條件下，海上作戰空間廣闊，參戰單元多樣，指揮關系復雜，突發事件多，信息流通量大，通信作為艦艇編隊整體戰斗力生成的紐帶，其可靠性和時效性是海軍履行新世紀新階段軍隊歷史使命、打贏高技術條件下海上戰爭的重要保證。

海上編隊通信除了受到海雜波及多徑效應等自然因素影響外，由于艦艇編隊體量龐大，在海上目標明顯，極易受到敵方的靶向電磁干擾。協同通信系統通過共享節點天線，無需增加任何系統硬件，便可使系統獲得更高的空間分集增益，從而有效對抗多徑衰落，提高系統吞吐量和可靠性。其中雙向多中繼系統的協同通信，由于具有較高的頻譜利用率以及網絡吞吐量，可以更好地降低系統的中斷概率，有效對抗干擾[2]，是艦艇編隊通信網絡組網的最佳選擇。

1 系統模型

常用的通信網絡拓撲結構有三類，如圖1 所示。點對點的組網模式一般只適用于網絡中只有2 個節點的情況，顯然不符合海上艦艇編隊的通信要求；星型組網模式是目前使用較多的海上艦艇編隊通信方式，通過數據鏈將所有信息在指揮艦整合，然后由指揮艦對編隊中的其他艦艇發布命令，編隊中的所有艦艇之間均可以通過指揮艦中繼建立通信，方便管理且不會出現通信擁堵，但這種組網方式對指揮艦的信息處理能力要求較高，且網絡中任何一個節點一旦遭到干擾，通信就會中斷，抗毀傷能力較弱。最理想的組網模式應該是網型連接，網絡中的每個節點均分別與其他節點獨自建立通信，既可以實現信息的快速共享，又有極強的抗干擾能力，但對于艦艇編隊而言不便于統一管理，且極易造成通信擁堵，使作戰命令不能及時傳達，貽誤戰機。

圖1 常用通信網絡拓撲結構Fig. 1 Common communication network topology

綜上所述，對于海上艦艇編隊通信而言，可以采用常態星型連接加適時中繼通信的組網模式如圖2 所示，這種拓撲結構既便于中心節點對網絡中其他節點的集中管理，又具有較強的抗干擾性，一旦某條支路發生中斷，中心節點與終端節點、終端節點與終端節點之間可以通過中繼節點繼續建立可靠連接，確保通信暢通。

2 中繼選擇算法

假設終端節點到中心節點之間的信道質量下降到閾值 γ時則放棄點對點的傳輸路徑，終端節點與終端節點之間也沒有直傳路徑，即系統模型工作在瑞利衰落信道，由于中心節點與收信終端節點均為收信端，故將中心節點也看做終端節點，則圖2 模型簡化為圖3所示模型。

圖2 中繼通信組網模型Fig. 2 Relay communication networking model

圖3 簡化模型Fig. 3 Simplified model

1）gi和hi分別表示第一個時隙時左側終端節點和右側終端節點到中繼節點的信道系數，左右兩側終端節點分別向中繼節點發送信息m1和m2，則任一中繼節點Ri接收到的信息為：

其中：ni為 中繼節點Ri對應的均值為0；方差為1 的加性高斯白噪聲。

2）中繼節點Ri在第2 個時隙將接收到的信息進行放大處理后重新發回到兩側的終端節點，由于2 個時隙間隔較短，假設兩側信道質量不變，終端節點接收到的信息可表示為：

其中： R為 中繼節點Ri的集合；p為終端節點的發射功率，在不考慮功率分配的前提下，假設兩側終端節點的發射功率相同； ω1和 ω2為兩側終端節點對應的均值為0，方差為1 的加性高斯白噪聲；ai為由中繼節點Ri兩側的信道系數與其發射功率pi計算得到的放大系數，表示為

通過消除自干擾，可以得到中繼節點Ri兩側信道的信噪比分別為：

3）按照最大最小準則選擇中繼，系統返回中繼節點Ri兩側信道的信噪比較小值，即

隨后對所有中繼節點的 γimin值進行比較，選出其中的最大值為：

4）比 較 γmax與 閾 值 γ 的 大 小，當 γmax≥γ時，γmax對應的中繼節點參與轉發，否則系統中斷。

3 仿真分析

為了直觀展現中繼通信方式在艦艇編隊協同通信中的性能優勢，將其與星型連接和網型連接2 種組網模式進行性能對比，在同樣的信道條件下，比較系統容量、中斷概率和誤碼率3 個反映通信系統主要性能的參數。

3.1 系統容量分析

根據香農公式，信道容量可以由信噪比求得，對于中繼選擇模型，中繼節點兩側信道容量分別為：

由于此時的系統容量由信道質量較差一側決定，即

為方便研究，只考慮2 個固定終端節點之間的通信鏈路，信道參數依照文獻[3]中的數據，中繼節點數量設為4 個，通信中斷的閾值 γ設置為4 dB，所有節點的發送功率統一設為30 dB W。

圖4 中，因為中繼選擇采用最大最小原則，所以中繼選擇組網模式與網型連接組網模式的通信中斷臨界值一致，而當通信主鏈路信噪比超過閾值 γ之后，中繼選擇組網模式恢復主鏈路通信，系統容量與星型連接組網模式的系統容量一致。由圖可見，中繼組網模式在信噪比下降到2 dB 時，仍可以達到星型連接組網模式下4 dB 的信道容量，中繼選擇組網模式的系統容量雖然要比網型連接組網模式差，但網型連接的仿真結果只能存在于理論研究，實際意義不大。中繼組網模式在低信噪比情況下仍可滿足較高的通信質量，戰場適應性要比另外2 種組網模式優越[4-6]。

圖4 不同組網模式下系統容量對比Fig. 4 Comparison of system capacity

3.2 中斷概率分析

當系統傳輸速率大于瞬時信道容量時，系統發生中斷。假設系統傳輸速率為R′，對于中繼組網模型的系統，當被選中的中繼節點為R時，系統中斷概率為：

即

由于信道容量可以由信噪比求得，故將上式換算成信噪比表示，則系統傳輸速率R’可 表示為閾值 γ，上式轉化為：

同樣采用上文的信道參數，中繼節點的數量仍然定為4 個，為了更好地觀察不同組網模式中斷概率的差別，將目標傳輸速率下調為0.5 bps/Hz。讓系統的發送功率在0～30 dBW 之間變化，對系統中斷概率進行仿真。

如圖5 所示，不同組網模式下，系統的中斷概率隨著發射功率的增加逐步降低，從發射功率只有10 DBW 開始，中繼組網模式下中斷概率較星型連接就有一個數量級的提升，雖然還遠不及網型連接，但綜合考慮系統費效比以及物理實現條件，中繼組網模式都是一種較好的選擇。

圖5 不同組網模式下中斷概率對比Fig. 5 Comparison of interrupt probability

4 結 語

本文提出的艦艇編隊通信組網模式兼具易于集中管理和抗干擾的優點，并且能夠很好地規避通信擁堵，同時也不會對有限的信道資源造成浪費。通過仿真分析，直觀展現了該方法在系統信道容量和中斷概率上的優越性，特別是在低信噪比情況下仍能滿足較高的通信要求，具有較高的實戰意義。