基于動態(tài)天線調(diào)度的機(jī)載超短波通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

王 穎

（中國電子科技集團(tuán)公司第十研究所 成都 610036）

1 引言

隨著對信息化戰(zhàn)爭條件下作戰(zhàn)理論與實(shí)踐的深入認(rèn)識，制信息權(quán)成為決定戰(zhàn)爭勝負(fù)新的戰(zhàn)略“制高點(diǎn)”，世界各國不斷加大軍事電子信息系統(tǒng)的投入［1］。提升機(jī)載超短波通信功能的通信質(zhì)量和通信可靠性，是現(xiàn)代信息化戰(zhàn)爭領(lǐng)域中的一個(gè)重要研究課題［2］。

超短波天線裝機(jī)后部分方向的天線增益無法滿足使用需求，導(dǎo)致超短波通信出現(xiàn)信號質(zhì)量差、通信中斷等問題［3～4］。在不改變通信體制和機(jī)載環(huán)境受限的情況下，提升天線空域覆蓋，提高通信質(zhì)量是問題的關(guān)鍵。

2 基于天線分集的機(jī)載超短波通信功能

分集技術(shù)分為空間分集、頻率分集、時(shí)間分集和極化分集等多類分集方式［5～7］。受機(jī)載超短波通信體制限制，在不改變波形體制和地面激勵(lì)器軟硬件的情況下，考慮機(jī)載平臺對硬件開銷的限制，選擇雙天線接收、單天線發(fā)射的空間分集方式［8～9］。

基于雙天線的超短波通信框架如圖1所示，采用雙天線接收，利用兩副安裝在不同位置的天線，空域覆蓋具備互補(bǔ)性，為接收信號提供更多副本，在信號處理中選擇信號質(zhì)量好的鏈路送至應(yīng)用層。發(fā)射利用天線切換技術(shù)，根據(jù)接收鏈路狀態(tài)信息，將接收時(shí)優(yōu)選的天線反饋給射頻前端，從兩副天線中選擇1副進(jìn)行發(fā)射。該技術(shù)只需要1個(gè)放大器，降低了射頻開銷和節(jié)約成本，同時(shí)也可以達(dá)到兩副天線相同的空間分集效果，提高傳輸質(zhì)量和可靠性。

圖1 基于雙天線的超短波通信功能框圖

基于雙天線的超短波通信功能線程收發(fā)流程如圖2所示。接收的射頻信號比對和優(yōu)選在信號處理中實(shí)現(xiàn)，選擇的結(jié)果上報(bào)給資源調(diào)度中心。發(fā)射時(shí)功能向資源調(diào)度中心請求天線資源，調(diào)度中心根據(jù)上一次接收天線選擇分配發(fā)射天線給鏈路進(jìn)行發(fā)射。

圖2 基于雙天線的超短波通信功能線程收發(fā)流程

3 基于動態(tài)天線資源調(diào)度策略的機(jī)載超短波通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

在第2節(jié)中提出了基于雙天線的超短波通信功能架構(gòu)，機(jī)載超短波通信系統(tǒng)是多鏈并行的通信系統(tǒng)，受機(jī)載平臺限制，無法滿足每條鏈路配置兩副獨(dú)立天線的需求；在有限的天線和射頻資源下，有效的天線分配和調(diào)度策略是保證充分利用鏈路資源、發(fā)揮天線效能的關(guān)鍵。

3.1 基于動態(tài)規(guī)劃的天線資源調(diào)度策略

傳統(tǒng)的天線調(diào)度策略是根據(jù)任務(wù)規(guī)劃，在飛行前規(guī)劃好每個(gè)功能線程使用的天線，功能裝配成功后天線不再更改。這種調(diào)度策略的好處是對硬件鏈路控制簡單，操作性高，資源調(diào)度中心根據(jù)規(guī)劃好的功能線程和天線對應(yīng)方式進(jìn)行資源配置［10～13］。缺點(diǎn)是多個(gè)功能線程并行工作時(shí)，存在資源沖突（多線程需要相同天線資源）和資源浪費(fèi)（某些天線資源空閑未被使用）的情況。

圖3（a）為兩個(gè)并行的功能線程同時(shí)使用兩副天線的資源使用示意圖，采用固定天線資源調(diào)度策略時(shí)，功能線程2使用天線1發(fā)射時(shí)，功能線程1請求發(fā)射時(shí)資源沖突。

針對固定天線分配策略的問題，提出了基于動態(tài)規(guī)劃的天線資源調(diào)度策略［14］。所有天線資源均在資源池中接收動態(tài)配置，依據(jù)鏈路狀態(tài)實(shí)時(shí)分配，出現(xiàn)資源沖突時(shí)，根據(jù)鏈路的優(yōu)先級，保證優(yōu)先級高的鏈路獲得最優(yōu)的天線資源，并將資源池中空閑的天線分配給其他需要使用的鏈路。圖3（b）采用動態(tài)天線分配策略，功能線程2優(yōu)先級高于線程1。在功能線程2占用天線1發(fā)射時(shí)，資源調(diào)度中心分配天線2作為功能線程1發(fā)射天線。

圖3 不同天線分配策略下的工作時(shí)序

在機(jī)載超短波多鏈通信系統(tǒng)中，以提升天線利用率、提高通信概率為目標(biāo)，建立天線調(diào)度策略。在天線調(diào)度過程中，有3個(gè)主要考慮的因素。

1）鏈路狀態(tài)信息

資源調(diào)度中心根據(jù)每條鏈路的實(shí)時(shí)狀態(tài)篩選出哪些天線是正在被使用的，哪些天線是空閑的。每條鏈路均需要實(shí)時(shí)上報(bào)鏈路狀態(tài)信息：當(dāng)接收信道靜噪被沖開，檢測到有用信號時(shí)，鏈路上報(bào)“正在收”；當(dāng)信號處理收到話音或應(yīng)用層消息時(shí)，鏈路上報(bào)“正在發(fā)”；非以上兩種情況，鏈路上報(bào)“未收未發(fā)”。

2）接收天線選擇

每條鏈路均采用雙天線接收，信號處理根據(jù)接收到的信號質(zhì)量優(yōu)選一路信號送至應(yīng)用層，在信號處理選擇好接收天線后，上報(bào)選擇的結(jié)果給資源調(diào)度中心，便于調(diào)度中心將其空余出的天線配置給其它鏈路使用。

3）鏈路優(yōu)先級

有限的天線資源下，一定存在天線資源競爭。資源調(diào)度中心需要根據(jù)鏈路優(yōu)先級進(jìn)行裁決，優(yōu)先保證高優(yōu)先級鏈路的天線資源使用；動態(tài)分配空閑資源，盡可能地滿足多功能并行工作的需求。

3.2 機(jī)載超短波通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

機(jī)載超短波通信鏈路采用半雙工通信架構(gòu)，為飛行員提供常規(guī)、抗干擾話音和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，根據(jù)任務(wù)需求，也提供搜救話音數(shù)據(jù)和船舶自動識別信號接收等業(yè)務(wù)。

機(jī)載超短波通信系統(tǒng)是多鏈并行通信系統(tǒng)。單個(gè)飛機(jī)平臺裝備不超過4副的超短波天線，為提高鏈路的通信質(zhì)量和可靠性，提出基于動態(tài)天線調(diào)度的機(jī)載超短波通信系統(tǒng)。

采用通用、可重構(gòu)的硬件架構(gòu)，通過動態(tài)加載的方式裝配不同的功能波形，支持多鏈并行工作，采用開關(guān)矩陣單元實(shí)現(xiàn)了天線到信號處理單元間的網(wǎng)狀路由，資源調(diào)度中心為實(shí)時(shí)檢測和調(diào)度天線資源提供保障。圖4為可支持4條鏈路并行工作的機(jī)載超短波通信系統(tǒng)，使用4副機(jī)載超短波天線，每條鏈路均可采用雙天線空間分集提升通信概率，提高通信質(zhì)量。

圖4 機(jī)載超短波通信系統(tǒng)

接收時(shí)，兩副天線收到的信號經(jīng)過天線接口單元濾波、放大處理后，經(jīng)過開關(guān)矩陣路由至不同的接收信道，接收信道完成下變頻、放大、濾波及AD變換后送至信號處理完成信號解調(diào)、解擾和信號質(zhì)量優(yōu)先，選擇質(zhì)量好的一路送至應(yīng)用層。

發(fā)射時(shí)，信號處理完成信號加擾、調(diào)制后，送至激勵(lì)信道完成DA變換、上變頻、濾波及放大，再通過開關(guān)矩陣路送至天線接口單元，經(jīng)過放大、濾波后選擇一副天線發(fā)射。

機(jī)載多鏈超短波通信系統(tǒng)具備以下特點(diǎn)：

1）受機(jī)載平臺限制，天線資源有限，并行功能線程需要的天線資源數(shù)量大于機(jī)載實(shí)際天線資源數(shù)量；

2）硬件架構(gòu)靈活，通過開關(guān)矩陣路由，功能線程可以使用機(jī)載超短波天線中的任意天線；

3）軟件架構(gòu)靈活，通過資源調(diào)度中心實(shí)時(shí)分配天線，避免天線資源的沖突和浪費(fèi)。

4 基于動態(tài)規(guī)劃的天線資源調(diào)度策略效能評估

針對機(jī)載超短波通信系統(tǒng)的使用需求和特點(diǎn)，為提高多鏈并行時(shí)天線的使用效率，并保證高優(yōu)先級鏈路的通信穩(wěn)定性。在本節(jié)中，根據(jù)第3節(jié)提出的基于動態(tài)規(guī)劃的天線資源調(diào)度策略，分析了4條并行的通信鏈路在兩種不同的天線分配策略下的通信概率性能。

結(jié)合實(shí)際工作數(shù)據(jù)，仿真時(shí)通信概率參數(shù)設(shè)定為雙天線模式通信概率85%，單天線模式通信概率50%。4條鏈路采用接收∶發(fā)射∶空閑=5∶3∶1的占空比分配，鏈路1從t0時(shí)刻開始工作，鏈路2、3、4由［t0+3s，t0+5s］范圍內(nèi)的隨機(jī)時(shí)刻開始工作，以保證4條鏈路工作狀態(tài)的隨機(jī)性，由于各條鏈路起始時(shí)間的隨機(jī)性，仿真結(jié)果略有不同，但總體趨勢一致。優(yōu)先級設(shè)定為鏈路1＞鏈路3＞鏈路2＞鏈路4。

基于固定分配天線策略的仿真結(jié)果如圖5所示。隨工作時(shí)間，各鏈路出現(xiàn)資源沖突的概率升高，每條鏈路的通信概率均有所下降，鏈路2、3、4的通信概率低于50%，鏈路1的通信概率為68.33%。

圖5 不同分配天線策略下的通信概率

圖6 動態(tài)調(diào)度天線策略下的通信概率

基于動態(tài)分配天線策略的仿真結(jié)果如圖8所示。優(yōu)先級最高的鏈路1通信概率始終保持在85%，鏈路3的通信概率為66.74%，鏈路2的通信概率為51.67%，鏈路4的通信概率為28.86%。

由表1可以看出，基于動態(tài)調(diào)度天線策略下鏈路1～3的通信概率較固定天線策略提升16.67%～23.81%；由于鏈路4的優(yōu)先級最低，兩種策略下鏈路4的通信概率基本一致。

表1 不同分配方式的通信概率對比

5 結(jié)語

根據(jù)機(jī)載平臺的實(shí)際情況及傳統(tǒng)單天線模式通信效果差的問題，提出了基于雙天線分集收發(fā)的超短波通信系統(tǒng)，在天線資源有限的情況下，設(shè)計(jì)了基于動態(tài)規(guī)劃的天線資源調(diào)度策略，提升天線利用率。仿真結(jié)果表明基于動態(tài)天線調(diào)度的機(jī)載超短波通信系統(tǒng)提升了鏈路的通信概率，為后續(xù)機(jī)載設(shè)備的超短波通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供參考。