基于中繼通信艦艇編隊(duì)協(xié)同通信技術(shù)研究

楊衛(wèi)國(guó)，孫貴東，馮 誠(chéng)，王 林

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

0 引 言

現(xiàn)代海戰(zhàn)以艦艇編隊(duì)為主，戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)復(fù)雜多變，更加突出集陸、海、空等多軍兵種參與的聯(lián)合作戰(zhàn)模式[1]。特別是我國(guó)正式擁有了自己的航空母艦之后，航母編隊(duì)成為我國(guó)海軍海上作戰(zhàn)的重要力量編組，在未來(lái)各類(lèi)海上作戰(zhàn)任務(wù)中將扮演極為重要的角色。信息化戰(zhàn)爭(zhēng)條件下，海上作戰(zhàn)空間廣闊，參戰(zhàn)單元多樣，指揮關(guān)系復(fù)雜，突發(fā)事件多，信息流通量大，通信作為艦艇編隊(duì)整體戰(zhàn)斗力生成的紐帶，其可靠性和時(shí)效性是海軍履行新世紀(jì)新階段軍隊(duì)歷史使命、打贏高技術(shù)條件下海上戰(zhàn)爭(zhēng)的重要保證。

海上編隊(duì)通信除了受到海雜波及多徑效應(yīng)等自然因素影響外，由于艦艇編隊(duì)體量龐大，在海上目標(biāo)明顯，極易受到敵方的靶向電磁干擾。協(xié)同通信系統(tǒng)通過(guò)共享節(jié)點(diǎn)天線，無(wú)需增加任何系統(tǒng)硬件，便可使系統(tǒng)獲得更高的空間分集增益，從而有效對(duì)抗多徑衰落，提高系統(tǒng)吞吐量和可靠性。其中雙向多中繼系統(tǒng)的協(xié)同通信，由于具有較高的頻譜利用率以及網(wǎng)絡(luò)吞吐量，可以更好地降低系統(tǒng)的中斷概率，有效對(duì)抗干擾[2]，是艦艇編隊(duì)通信網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)的最佳選擇。

1 系統(tǒng)模型

常用的通信網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有三類(lèi)，如圖1 所示。點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的組網(wǎng)模式一般只適用于網(wǎng)絡(luò)中只有2 個(gè)節(jié)點(diǎn)的情況，顯然不符合海上艦艇編隊(duì)的通信要求；星型組網(wǎng)模式是目前使用較多的海上艦艇編隊(duì)通信方式，通過(guò)數(shù)據(jù)鏈將所有信息在指揮艦整合，然后由指揮艦對(duì)編隊(duì)中的其他艦艇發(fā)布命令，編隊(duì)中的所有艦艇之間均可以通過(guò)指揮艦中繼建立通信，方便管理且不會(huì)出現(xiàn)通信擁堵，但這種組網(wǎng)方式對(duì)指揮艦的信息處理能力要求較高，且網(wǎng)絡(luò)中任何一個(gè)節(jié)點(diǎn)一旦遭到干擾，通信就會(huì)中斷，抗毀傷能力較弱。最理想的組網(wǎng)模式應(yīng)該是網(wǎng)型連接，網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)均分別與其他節(jié)點(diǎn)獨(dú)自建立通信，既可以實(shí)現(xiàn)信息的快速共享，又有極強(qiáng)的抗干擾能力，但對(duì)于艦艇編隊(duì)而言不便于統(tǒng)一管理，且極易造成通信擁堵，使作戰(zhàn)命令不能及時(shí)傳達(dá)，貽誤戰(zhàn)機(jī)。

圖1 常用通信網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig. 1 Common communication network topology

綜上所述，對(duì)于海上艦艇編隊(duì)通信而言，可以采用常態(tài)星型連接加適時(shí)中繼通信的組網(wǎng)模式如圖2 所示，這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)既便于中心節(jié)點(diǎn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)中其他節(jié)點(diǎn)的集中管理，又具有較強(qiáng)的抗干擾性，一旦某條支路發(fā)生中斷，中心節(jié)點(diǎn)與終端節(jié)點(diǎn)、終端節(jié)點(diǎn)與終端節(jié)點(diǎn)之間可以通過(guò)中繼節(jié)點(diǎn)繼續(xù)建立可靠連接，確保通信暢通。

2 中繼選擇算法

假設(shè)終端節(jié)點(diǎn)到中心節(jié)點(diǎn)之間的信道質(zhì)量下降到閾值 γ時(shí)則放棄點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的傳輸路徑，終端節(jié)點(diǎn)與終端節(jié)點(diǎn)之間也沒(méi)有直傳路徑，即系統(tǒng)模型工作在瑞利衰落信道，由于中心節(jié)點(diǎn)與收信終端節(jié)點(diǎn)均為收信端，故將中心節(jié)點(diǎn)也看做終端節(jié)點(diǎn)，則圖2 模型簡(jiǎn)化為圖3所示模型。

圖2 中繼通信組網(wǎng)模型Fig. 2 Relay communication networking model

圖3 簡(jiǎn)化模型Fig. 3 Simplified model

1）gi和hi分別表示第一個(gè)時(shí)隙時(shí)左側(cè)終端節(jié)點(diǎn)和右側(cè)終端節(jié)點(diǎn)到中繼節(jié)點(diǎn)的信道系數(shù)，左右兩側(cè)終端節(jié)點(diǎn)分別向中繼節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息m1和m2，則任一中繼節(jié)點(diǎn)Ri接收到的信息為：

其中：ni為 中繼節(jié)點(diǎn)Ri對(duì)應(yīng)的均值為0；方差為1 的加性高斯白噪聲。

2）中繼節(jié)點(diǎn)Ri在第2 個(gè)時(shí)隙將接收到的信息進(jìn)行放大處理后重新發(fā)回到兩側(cè)的終端節(jié)點(diǎn)，由于2 個(gè)時(shí)隙間隔較短，假設(shè)兩側(cè)信道質(zhì)量不變，終端節(jié)點(diǎn)接收到的信息可表示為：

其中： R為 中繼節(jié)點(diǎn)Ri的集合；p為終端節(jié)點(diǎn)的發(fā)射功率，在不考慮功率分配的前提下，假設(shè)兩側(cè)終端節(jié)點(diǎn)的發(fā)射功率相同； ω1和 ω2為兩側(cè)終端節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的均值為0，方差為1 的加性高斯白噪聲；ai為由中繼節(jié)點(diǎn)Ri兩側(cè)的信道系數(shù)與其發(fā)射功率pi計(jì)算得到的放大系數(shù)，表示為

通過(guò)消除自干擾，可以得到中繼節(jié)點(diǎn)Ri兩側(cè)信道的信噪比分別為：

3）按照最大最小準(zhǔn)則選擇中繼，系統(tǒng)返回中繼節(jié)點(diǎn)Ri兩側(cè)信道的信噪比較小值，即

隨后對(duì)所有中繼節(jié)點(diǎn)的 γimin值進(jìn)行比較，選出其中的最大值為：

4）比 較 γmax與 閾 值 γ 的 大 小，當(dāng) γmax≥γ時(shí)，γmax對(duì)應(yīng)的中繼節(jié)點(diǎn)參與轉(zhuǎn)發(fā)，否則系統(tǒng)中斷。

3 仿真分析

為了直觀展現(xiàn)中繼通信方式在艦艇編隊(duì)協(xié)同通信中的性能優(yōu)勢(shì)，將其與星型連接和網(wǎng)型連接2 種組網(wǎng)模式進(jìn)行性能對(duì)比，在同樣的信道條件下，比較系統(tǒng)容量、中斷概率和誤碼率3 個(gè)反映通信系統(tǒng)主要性能的參數(shù)。

3.1 系統(tǒng)容量分析

根據(jù)香農(nóng)公式，信道容量可以由信噪比求得，對(duì)于中繼選擇模型，中繼節(jié)點(diǎn)兩側(cè)信道容量分別為：

由于此時(shí)的系統(tǒng)容量由信道質(zhì)量較差一側(cè)決定，即

為方便研究，只考慮2 個(gè)固定終端節(jié)點(diǎn)之間的通信鏈路，信道參數(shù)依照文獻(xiàn)[3]中的數(shù)據(jù)，中繼節(jié)點(diǎn)數(shù)量設(shè)為4 個(gè)，通信中斷的閾值 γ設(shè)置為4 dB，所有節(jié)點(diǎn)的發(fā)送功率統(tǒng)一設(shè)為30 dB W。

圖4 中，因?yàn)橹欣^選擇采用最大最小原則，所以中繼選擇組網(wǎng)模式與網(wǎng)型連接組網(wǎng)模式的通信中斷臨界值一致，而當(dāng)通信主鏈路信噪比超過(guò)閾值 γ之后，中繼選擇組網(wǎng)模式恢復(fù)主鏈路通信，系統(tǒng)容量與星型連接組網(wǎng)模式的系統(tǒng)容量一致。由圖可見(jiàn)，中繼組網(wǎng)模式在信噪比下降到2 dB 時(shí)，仍可以達(dá)到星型連接組網(wǎng)模式下4 dB 的信道容量，中繼選擇組網(wǎng)模式的系統(tǒng)容量雖然要比網(wǎng)型連接組網(wǎng)模式差，但網(wǎng)型連接的仿真結(jié)果只能存在于理論研究，實(shí)際意義不大。中繼組網(wǎng)模式在低信噪比情況下仍可滿(mǎn)足較高的通信質(zhì)量，戰(zhàn)場(chǎng)適應(yīng)性要比另外2 種組網(wǎng)模式優(yōu)越[4-6]。

圖4 不同組網(wǎng)模式下系統(tǒng)容量對(duì)比Fig. 4 Comparison of system capacity

3.2 中斷概率分析

當(dāng)系統(tǒng)傳輸速率大于瞬時(shí)信道容量時(shí)，系統(tǒng)發(fā)生中斷。假設(shè)系統(tǒng)傳輸速率為R′，對(duì)于中繼組網(wǎng)模型的系統(tǒng)，當(dāng)被選中的中繼節(jié)點(diǎn)為R時(shí)，系統(tǒng)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(tǒng)傳輸速率R’可 表示為閾值 γ，上式轉(zhuǎn)化為：

同樣采用上文的信道參數(shù)，中繼節(jié)點(diǎn)的數(shù)量仍然定為4 個(gè)，為了更好地觀察不同組網(wǎng)模式中斷概率的差別，將目標(biāo)傳輸速率下調(diào)為0.5 bps/Hz。讓系統(tǒng)的發(fā)送功率在0～30 dBW 之間變化，對(duì)系統(tǒng)中斷概率進(jìn)行仿真。

如圖5 所示，不同組網(wǎng)模式下，系統(tǒng)的中斷概率隨著發(fā)射功率的增加逐步降低，從發(fā)射功率只有10 DBW 開(kāi)始，中繼組網(wǎng)模式下中斷概率較星型連接就有一個(gè)數(shù)量級(jí)的提升，雖然還遠(yuǎn)不及網(wǎng)型連接，但綜合考慮系統(tǒng)費(fèi)效比以及物理實(shí)現(xiàn)條件，中繼組網(wǎng)模式都是一種較好的選擇。

圖5 不同組網(wǎng)模式下中斷概率對(duì)比Fig. 5 Comparison of interrupt probability

4 結(jié) 語(yǔ)

本文提出的艦艇編隊(duì)通信組網(wǎng)模式兼具易于集中管理和抗干擾的優(yōu)點(diǎn)，并且能夠很好地規(guī)避通信擁堵，同時(shí)也不會(huì)對(duì)有限的信道資源造成浪費(fèi)。通過(guò)仿真分析，直觀展現(xiàn)了該方法在系統(tǒng)信道容量和中斷概率上的優(yōu)越性，特別是在低信噪比情況下仍能滿(mǎn)足較高的通信要求，具有較高的實(shí)戰(zhàn)意義。