王會(huì)濤， 楊若鵬， 侯劍鋒

(國(guó)防科技大學(xué)信息通信學(xué)院， 湖北 武漢 430010)

在戰(zhàn)術(shù)無(wú)線(xiàn)接入網(wǎng)作戰(zhàn)使用中，因用頻裝備種類(lèi)、品種多，造成頻率規(guī)劃復(fù)雜、頻率沖突、規(guī)劃質(zhì)量差等問(wèn)題。針對(duì)此問(wèn)題，美軍開(kāi)發(fā)了聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)管理等系統(tǒng)，但主要結(jié)合自身系統(tǒng)進(jìn)行規(guī)劃，無(wú)法直接運(yùn)用到我軍。我軍也研制了戰(zhàn)術(shù)級(jí)網(wǎng)絡(luò)的相應(yīng)規(guī)劃系統(tǒng)，主要采取人工規(guī)劃的方式，依托系統(tǒng)自動(dòng)分配頻率表，但在頻率規(guī)劃的科學(xué)性和抗干擾等方面還缺乏相應(yīng)的支撐[1]。在該領(lǐng)域，苗麗[2]針對(duì)固定基站的頻率分配問(wèn)題，采取混合信道分配和信道借用算法頻率分配方式，提出了無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)頻率資源動(dòng)態(tài)分配方法；文獻(xiàn)[3-6]作者將遺傳算法、蟻群算法、圖染色算法等用于電臺(tái)頻率規(guī)劃中,并取得了一些研究成果。但針對(duì)戰(zhàn)術(shù)無(wú)線(xiàn)接入網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)組織特性和作戰(zhàn)性能，國(guó)內(nèi)外尚無(wú)專(zhuān)門(mén)全面的研究。為此，筆者針對(duì)戰(zhàn)術(shù)無(wú)線(xiàn)接入網(wǎng)的軍事特性和作戰(zhàn)使用實(shí)際，從解決規(guī)劃的科學(xué)性、提高頻率的利用率、減少頻率間干擾等角度，對(duì)戰(zhàn)術(shù)無(wú)線(xiàn)接入網(wǎng)甚高頻(Very High Frequency，VHF)電臺(tái)頻率規(guī)劃問(wèn)題進(jìn)行研究和探索。

1 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及需求分析

1.1 接入網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

在作戰(zhàn)使用中，VHF電臺(tái)主要用于構(gòu)建以基站為中心的接入網(wǎng)絡(luò)(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“接入網(wǎng)”)和以傳統(tǒng)分組模式的專(zhuān)用網(wǎng)絡(luò)(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“專(zhuān)用網(wǎng)”)。

對(duì)于接入網(wǎng)，主要以車(chē)上的m部電臺(tái)為中心構(gòu)建，通過(guò)開(kāi)設(shè)多個(gè)接入網(wǎng)，達(dá)到覆蓋整個(gè)作戰(zhàn)地域，實(shí)現(xiàn)全網(wǎng)用戶(hù)的隨遇接入和無(wú)縫切換等功能，其網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 接入網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

1.2 接入網(wǎng)用頻需求

在戰(zhàn)術(shù)通信網(wǎng)絡(luò)中，VHF電臺(tái)的工作頻率范圍通常為30～87.975 MHz(頻段帶寬W=58 MHz)，最小頻率間隔為f1，一張?zhí)l頻率表通常需要256個(gè)頻率點(diǎn)。因此，在所有頻率點(diǎn)可用的情況下，共有頻率點(diǎn)個(gè)數(shù)為n個(gè)，可組成np1張頻率不重復(fù)的頻率表。而在實(shí)際使用中，受環(huán)境及敵干擾等情況影響，并不是所有頻率點(diǎn)都可以使用，存在禁用頻率點(diǎn)，因此用于VHF電臺(tái)組網(wǎng)的跳頻資源難以生成完全不重復(fù)的np1張頻率表。

理論分析和實(shí)踐表明[7]：對(duì)于一張256個(gè)不重復(fù)頻率點(diǎn)的跳頻表，當(dāng)同步組網(wǎng)時(shí)，因各子網(wǎng)同步跳變，理論上有k個(gè)跳頻點(diǎn)就可以組成k個(gè)跳頻網(wǎng)，但由于已建的跳頻網(wǎng)會(huì)影響預(yù)建跳頻網(wǎng)的跳頻同步概率，在實(shí)際測(cè)試中的使用效率約為70%；當(dāng)異步組網(wǎng)時(shí)，各子網(wǎng)之間頻率的沖突碰撞導(dǎo)致的子網(wǎng)組網(wǎng)效率約為30%以下。

依據(jù)上述分析，設(shè)某作戰(zhàn)地域利用VHF電臺(tái)構(gòu)建的VHF電臺(tái)網(wǎng)個(gè)數(shù)為N1。其中，接入網(wǎng)個(gè)數(shù)為N2，專(zhuān)用網(wǎng)個(gè)數(shù)為N3，則滿(mǎn)足N1=N2+N3。

對(duì)于接入網(wǎng)，為滿(mǎn)足各網(wǎng)絡(luò)之間無(wú)頻率干擾，保證各接入網(wǎng)同步工作，通常采用同步正交的方式構(gòu)建接入網(wǎng)。其所需頻率點(diǎn)個(gè)數(shù)n2=N2/0.7。

對(duì)于專(zhuān)用網(wǎng)，主要用于構(gòu)建各指揮機(jī)構(gòu)之間，以及指揮機(jī)構(gòu)與分隊(duì)之間的通信聯(lián)絡(luò)保障，對(duì)于這種模式，由于不需要各網(wǎng)絡(luò)時(shí)間一致，在實(shí)際運(yùn)用中可以采用同步或異步組網(wǎng)。當(dāng)采用同步正交跳頻組網(wǎng)時(shí)，所需頻率點(diǎn)個(gè)數(shù)n3=N3/0.7；當(dāng)采用異步正交跳頻組網(wǎng)時(shí)，所需頻率點(diǎn)個(gè)數(shù)n3=N3/0.3。

在實(shí)際使用中，受電磁環(huán)境、敵方干擾和其他用頻裝備的影響，存在部分頻率點(diǎn)不可用或不能用的情況，對(duì)于電臺(tái)頻率規(guī)劃，這些不可用頻點(diǎn)屬于禁用頻點(diǎn)，設(shè)禁用頻點(diǎn)個(gè)數(shù)為n4。

根據(jù)以上分析，可知VHF電臺(tái)網(wǎng)絡(luò)的頻點(diǎn)之間需滿(mǎn)足

(1)

按照每張頻率表256個(gè)頻率點(diǎn)計(jì)算，整個(gè)作戰(zhàn)地域接入網(wǎng)所用頻率表個(gè)數(shù)np2和專(zhuān)用網(wǎng)所用頻率表個(gè)數(shù)np3分別為

式中：「?表示向上取整。

由于接入網(wǎng)和專(zhuān)用網(wǎng)屬于不同類(lèi)型的網(wǎng)絡(luò)，在實(shí)際使用中所用頻率表不能共用，因此，

np2+np3≤np1，

(2)

考慮到作戰(zhàn)中不同作戰(zhàn)地域和作戰(zhàn)樣式下，接入網(wǎng)和專(zhuān)用網(wǎng)的數(shù)量可能會(huì)比較龐大，而對(duì)于VHF電臺(tái)，所提供的頻率點(diǎn)是固定不變的，在這種情況下，將不能滿(mǎn)足式(1)、(2)，即無(wú)法滿(mǎn)足通信保障對(duì)頻率點(diǎn)的需求。針對(duì)這種情況，通常采取空分復(fù)用的方式，以提高頻率利用率。其中，最典型的復(fù)用方式是六邊形蜂窩小區(qū)模型，如圖2所示。

圖2 六邊形蜂窩小區(qū)模型

由圖2可知：1-7號(hào)區(qū)域組成一個(gè)空分復(fù)用單元，共同使用VHF電臺(tái)np1個(gè)頻點(diǎn)?？紤]到電磁波傳播損耗會(huì)隨距離增加而增加，故假設(shè)電磁波經(jīng)過(guò)傳播距離M后，損耗至0，則在M距離外，即使采用相同的頻率點(diǎn)，也不至發(fā)生頻率互擾。

在實(shí)際頻率空分復(fù)用時(shí)，為確保作戰(zhàn)地域用頻的連續(xù)性和投入兵力的規(guī)模，通常要求投入兵力的最大作戰(zhàn)半徑r≤M。根據(jù)r和M的關(guān)系，為簡(jiǎn)化計(jì)算，可進(jìn)一步采用四邊形的空分復(fù)用方式[8]，則各區(qū)域頻點(diǎn)數(shù)為n*=n/4，最小頻率間隔f2=4f1,且n2+n3+n4≤n*。

對(duì)于接入網(wǎng)和專(zhuān)用網(wǎng)，在一個(gè)區(qū)域內(nèi)，至多有n*個(gè)頻率點(diǎn)的情況下，至少需生成2張正交的跳頻頻率表，而每張頻率表的頻點(diǎn)數(shù)為256，可同時(shí)確保各區(qū)域中所用頻率點(diǎn)不重復(fù)。筆者以單個(gè)區(qū)域?yàn)閱卧M(jìn)行頻率分配研究。

2 總體思路

2.1 主要模式

目前，對(duì)于VHF電臺(tái)頻率分配主要有2種頻率生成方式[9]：

1) 接入網(wǎng)和專(zhuān)用網(wǎng)分段生成方式。接入網(wǎng)和專(zhuān)用網(wǎng)所用頻率點(diǎn)分別覆蓋部分頻段，根據(jù)分段的情況，又可區(qū)分為單頻段和多頻段分段，如圖3、4所示。單頻段分段主要采取接入網(wǎng)和專(zhuān)用網(wǎng)連續(xù)分段的方式占用頻率帶寬。通常情況下接入網(wǎng)為單跳入網(wǎng)，專(zhuān)用網(wǎng)可以多跳入網(wǎng)，因此，在頻率分段時(shí)，將接入網(wǎng)頻點(diǎn)配置在高頻段，專(zhuān)用網(wǎng)頻點(diǎn)配置在低頻段；多頻段分段是將整個(gè)頻段分成多個(gè)部分，每部分頻段又按照先專(zhuān)用網(wǎng)后接入網(wǎng)的順序進(jìn)行頻率的指配。在分段頻率生成方式中，兩網(wǎng)的頻率相互獨(dú)立，互不交叉，但在頻率交界的位置會(huì)產(chǎn)生鄰道干擾，因此，通常兩網(wǎng)相鄰的頻率之間通常要間隔50個(gè)頻率點(diǎn)。在這種方式下，兩網(wǎng)之間無(wú)共用頻率，可采取不同的組網(wǎng)方式，組織運(yùn)用靈活，但頻段帶寬較窄，抗干擾能力弱。

圖3 頻率表單頻段生成

圖4 頻率表多頻段生成

2) 接入網(wǎng)和專(zhuān)用網(wǎng)在全頻段混合生成方式(如圖5所示)。接入網(wǎng)和專(zhuān)用網(wǎng)所用頻率點(diǎn)覆蓋了整個(gè)VHF電臺(tái)的工作頻段，這種方式具有頻段寬、抗干擾的優(yōu)點(diǎn)[10]，在此方式下，接入網(wǎng)和專(zhuān)用網(wǎng)可采取頻點(diǎn)交替的方式進(jìn)行頻率的指配。相對(duì)于分段頻率生成方式，其頻段帶寬變大，抗干擾能力增強(qiáng)，但會(huì)存在部分鄰道干擾，但兩網(wǎng)電臺(tái)配置在同一臺(tái)車(chē)的數(shù)量較少，且使用不同的頻率表和網(wǎng)號(hào)，因此，這種干擾對(duì)通信的影響相對(duì)較小。

圖5 全頻段混合生成

2.2 規(guī)劃算法

接入網(wǎng)主要以車(chē)上電臺(tái)為中心來(lái)構(gòu)建，假設(shè)車(chē)上共有m部VHF電臺(tái)，如果所有電臺(tái)都投入使用，則一輛通信車(chē)上將組織m個(gè)同步正交跳頻VHF電臺(tái)接入網(wǎng)，如果某地域共投入通信車(chē)數(shù)量為q，則N2=mq。同車(chē)多臺(tái)VHF頻率分配如圖6所示。

圖6 同車(chē)多臺(tái)VHF頻率分配

假設(shè)1#車(chē)的1#電臺(tái)的起跳頻率為f1,1=F1，則

(3)

則通信車(chē)的頻率帶寬為

(4)

由于在接入網(wǎng)模式下通信車(chē)的頻寬不能大于接入網(wǎng)所用帶寬W2，即要求通信車(chē)的頻寬與Δfm之和不能大于接入網(wǎng)模式所用帶寬，有

(5)

第i輛車(chē)上第j部電臺(tái)的頻率為

(6)

由式(4)、(5)可得

f1,m-f1,1+Δfm≤W2。

(7)

3 分析與測(cè)算

確定接入網(wǎng)的總體分配策略后，要對(duì)接入網(wǎng)所用頻率進(jìn)行具體分配。

3.1 分頻段頻率生成模式

在分頻段頻率生成模式中，接入網(wǎng)和專(zhuān)用網(wǎng)各使用頻率帶寬的一部分，兩網(wǎng)的頻率點(diǎn)各自獨(dú)立，互不干擾。下面以單頻段頻率生成為例，按照四邊形頻率空分復(fù)用的方式，分析在單頻段頻率生成模式下接入網(wǎng)的頻率分配問(wèn)題。

在這種模式下，假設(shè)專(zhuān)用網(wǎng)頻率帶寬為W3，則接入網(wǎng)頻率帶寬滿(mǎn)足W2+W3+50f2≤58，所用跳頻表的最小頻率間隔f2=4f1。

這里假設(shè)接入網(wǎng)和專(zhuān)用網(wǎng)所用頻率帶寬相等，即W2=W3,此時(shí)可得

假設(shè)通信車(chē)電臺(tái)頻率間隔為D，即Δfj-Δfj-1=D，根據(jù)式(3)-(7)可得

Δfm=Δf1+(m-1)D，

(8)

f1,M=F1+(M-1)Δf1+2×(m-1)×D，

(9)

且滿(mǎn)足

(10)

假設(shè)通信車(chē)電臺(tái)數(shù)量m=6，電臺(tái)跳頻時(shí)的最小頻率間隔f1=25 kHz。

當(dāng)D=0時(shí)，電臺(tái)頻率間隔相等，此時(shí)根據(jù)式(7)-(10)，可得

(11)

當(dāng)禁用頻點(diǎn)n4=0時(shí)，W2取最大值26.2 MHz,可得q≤43.7，即這種情況下本地域最大可規(guī)劃的通信車(chē)為43輛。但在實(shí)際運(yùn)用中，若采用相等的頻率間隔，各電臺(tái)之間會(huì)產(chǎn)生三階互調(diào)干擾，為此，接下來(lái)討論頻率間隔不相等的情況。

當(dāng)D≠0時(shí)，電臺(tái)頻率間隔不相等，此時(shí)根據(jù)式(7)-(10)，可得

(12)

2.5≤Δfj-1≤6.4；

(13)

根據(jù)式(12)、(13)，可得

0≤D≤0.747。

(14)

根據(jù)式(11)-(14),可得q和D的對(duì)應(yīng)關(guān)系，如圖7所示。當(dāng)D=0.747時(shí),可得q=25。

圖7 q和D的對(duì)應(yīng)關(guān)系

由以上分析可知：當(dāng)采用分頻段頻率生成方式進(jìn)行頻率分配時(shí)，若每輛車(chē)上電臺(tái)數(shù)量為6，電臺(tái)最小頻率間隔為25 kHz，則本區(qū)域可投入的通信車(chē)數(shù)量為25≤q≤43。

當(dāng)禁用頻點(diǎn)n4≠0時(shí),在跳頻中，頻點(diǎn)之間的頻率間隔不再連續(xù)且相等，即f2不再是固定值，使得電臺(tái)之間的頻率間隔Δfj-1有可能變成相等，就會(huì)出現(xiàn)D=0的情況，又會(huì)產(chǎn)生互調(diào)干擾。因此為避免此情況，應(yīng)保持

Δfj-Δfj-1=D≥4f1N4，

(15)

式中：N4為n4中最大連續(xù)不可用頻點(diǎn)個(gè)數(shù)。

3.2 全頻段混合頻率生成模式

在全頻段混合頻率生成模式下，接入網(wǎng)和專(zhuān)用網(wǎng)通常在全頻段范圍內(nèi)采取交替方式進(jìn)行頻率規(guī)劃，以確保兩網(wǎng)之間無(wú)頻率干擾。按照四邊形頻率空分復(fù)用的方式，所用跳頻表的最小頻率間隔變?yōu)閒2=8f1，且W2≤58，將相應(yīng)值代入式(7)-(10)中，即可得出相應(yīng)的結(jié)果，具體分析和計(jì)算過(guò)程與分頻段頻率生成模式類(lèi)似，這里不再贅述。

3.3 實(shí)例驗(yàn)證

假設(shè)某地域共投入20輛通信車(chē)，6部VHF電臺(tái)，構(gòu)建接入網(wǎng)和專(zhuān)用網(wǎng)，兩網(wǎng)采取分頻段頻率生成模式，W2=26 MHz，跳頻電臺(tái)最小頻率間隔為f1=25 kHz,D=0.5，禁用頻點(diǎn)個(gè)數(shù)n4=10，N4=3，Δf1=3 MHz。將以上參數(shù)代入式(6)-(9)、(15)，可得各通信車(chē)VHF電臺(tái)起跳頻率表號(hào)分配情況，如表1所示。

表1 各通信車(chē)VHF電臺(tái)起跳頻率表號(hào)分配

表1為采用模型方法進(jìn)行頻率分配的結(jié)果，可以看出：這種方法確保了頻譜資源的有效利用，且有效避免了同車(chē)各電臺(tái)以及各車(chē)電臺(tái)之間的各種干擾，相對(duì)于現(xiàn)役網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃軟件粗放式規(guī)劃方法，具有科學(xué)性和可操作性。

4 結(jié)論

針對(duì)戰(zhàn)術(shù)級(jí)接入網(wǎng)VHF電臺(tái)頻率規(guī)劃存在的問(wèn)題，筆者提出了接入網(wǎng)“分頻段頻率生成”和“全頻段混合生成”2種模式下頻率規(guī)劃的通用模型和算法，并進(jìn)行了實(shí)例驗(yàn)證。結(jié)果表明：模型合理，較好地解決了我軍當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃軟件中頻率利用率不高、頻點(diǎn)沖突等問(wèn)題。本文中，全頻段混合生成模式主要采取頻率交替方式進(jìn)行規(guī)劃，對(duì)于頻率分段和頻率交替2種方式共用情形下的頻率規(guī)劃，問(wèn)題更加復(fù)雜，在這種情形下如何進(jìn)行無(wú)線(xiàn)接入網(wǎng)頻率規(guī)劃，將是下一步重點(diǎn)研究方向。