陳志為，劉懷遠(yuǎn)，孫曉毓

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十研究所，陜西 西安 710068)

0 引 言

Link16(又稱聯(lián)合戰(zhàn)術(shù)信息分配系統(tǒng))戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈?zhǔn)敲儡姮F(xiàn)役的一種戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)，該系統(tǒng)基于TDMA協(xié)議，具有網(wǎng)絡(luò)容量大、保密性佳、抗干擾能力強(qiáng)的特點(diǎn)，支持陸、海、空等諸軍兵種聯(lián)合作戰(zhàn)[1]。Link16基本的周期性時(shí)間單元是時(shí)幀，一旦數(shù)據(jù)鏈開始工作，時(shí)幀就重復(fù)出現(xiàn)并周而復(fù)始。時(shí)隙是Link16網(wǎng)絡(luò)的基本時(shí)間單位，每個(gè)工作平臺(tái)在某一個(gè)時(shí)隙內(nèi)完成某一類信息的發(fā)送和接收。Link16的多個(gè)網(wǎng)絡(luò)可進(jìn)行“重疊”，在同一時(shí)隙里不同成員使用不同頻率，就可在各自網(wǎng)內(nèi)發(fā)送數(shù)據(jù)，支持時(shí)隙的重復(fù)使用[2]。

當(dāng)?shù)孛?岸基)指揮所需要與多個(gè)艦船、飛機(jī)互聯(lián)互通時(shí)，地面(岸基)指揮所通過(guò)基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)與地面基站形成一對(duì)多的網(wǎng)狀連接。所有地面基站獨(dú)立工作，通過(guò)衛(wèi)星授時(shí)保證其時(shí)間精確同步。地面(岸基)指揮所對(duì)飛機(jī)進(jìn)行空中控制或?qū)ε灤M(jìn)行水面控制時(shí)，先將信息通過(guò)基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至距離艦船、飛機(jī)較近的地面基站，再通過(guò)無(wú)線射頻將信息發(fā)送至艦船、飛機(jī)，從而完成信息的及時(shí)傳遞。地面(岸基)指揮所與艦船、飛機(jī)的聯(lián)通示意圖如圖1所示。

圖1 地面(岸基)指揮所與艦船和飛機(jī)聯(lián)通示意圖

1 站群劃分

隨著基站數(shù)量的增多，時(shí)隙資源的消耗、網(wǎng)絡(luò)成員受到了較大制約。此外，利用一個(gè)基站對(duì)多個(gè)艦船、飛機(jī)進(jìn)行控制時(shí)，由于基站時(shí)隙資源的限制，會(huì)增加信息在隊(duì)列中的積壓，信息的時(shí)效性會(huì)大打折扣。因此，我們引入站群的概念來(lái)解決以上問(wèn)題。

將2～4個(gè)位置較近、具有公共覆蓋區(qū)域的地面基站劃分為一個(gè)站群。每個(gè)地面基站分別使用不同的編號(hào)與其他成員共同組網(wǎng)，該編號(hào)在全網(wǎng)內(nèi)唯一，是網(wǎng)內(nèi)成員身份的標(biāo)識(shí)，也是網(wǎng)內(nèi)信息數(shù)據(jù)傳遞的唯一標(biāo)識(shí)。站群內(nèi)所有地面基站雖獨(dú)立工作，但不再給其分配多余的時(shí)隙資源，而是共用原先1個(gè)基站的時(shí)隙資源。站群內(nèi)的基站可以使用不同的重疊網(wǎng)絡(luò)，保證站群內(nèi)的基站在發(fā)送空中控制或水面控制信息數(shù)據(jù)時(shí)可以將對(duì)應(yīng)時(shí)隙重復(fù)使用，以實(shí)現(xiàn)同一時(shí)刻對(duì)不同的飛機(jī)、艦船進(jìn)行控制。站群內(nèi)各基站可在基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)上相互連通，在射頻網(wǎng)絡(luò)上使用衛(wèi)星授時(shí)保證時(shí)間同步，從而進(jìn)行自主組網(wǎng)。

地面基站之間在基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)上采用以太網(wǎng)傳輸協(xié)議進(jìn)行報(bào)文交互，站群內(nèi)以組播形式互相發(fā)送基站狀態(tài)報(bào)文，所有基站收集群內(nèi)其他基站的狀態(tài)，并自主計(jì)算出編號(hào)最小的地面基站作為站群中的主基站，編號(hào)次小的基站作為替補(bǔ)主基站。主基站可獲得站群內(nèi)所有基站的編號(hào)、設(shè)備狀態(tài)，具備向其他基站發(fā)送管理命令的功能。當(dāng)主基站發(fā)生故障或被摧毀時(shí)，替補(bǔ)主基站就能監(jiān)測(cè)到主基站故障或在一定時(shí)間監(jiān)測(cè)不到主基站存在，替補(bǔ)主基站就接替上任為主基站，繼續(xù)擔(dān)任向其他基站發(fā)送管理命令的職責(zé)。站群組成示意圖如圖2所示。

圖2 站群組成示意圖

從圖2可以看出，站群內(nèi)3個(gè)地面基站共用原先1個(gè)基站的時(shí)隙資源。根據(jù)站群劃分原則，一個(gè)站群可以擁有2～4個(gè)基站，就可以節(jié)約50%～75%的資源，從而將節(jié)省出的資源分配給更多的網(wǎng)絡(luò)成員。這樣一來(lái)，通過(guò)劃分站群的方式，就可使網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的成員數(shù)量增加，進(jìn)一步提高網(wǎng)絡(luò)容量。

2 資源動(dòng)態(tài)調(diào)配方法

根據(jù)上述站群的劃分方式，站群內(nèi)2～4個(gè)地面基站共用原先1個(gè)基站的時(shí)隙資源，就需要由主基站對(duì)站群的時(shí)隙資源進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)配。主基站將原先1個(gè)基站的時(shí)隙資源平均分配給群內(nèi)所有基站，保證每個(gè)基站的初始時(shí)隙資源都是整數(shù)，且盡量相等。各基站收到分配的時(shí)隙資源后，分別實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì)各自需要分配的時(shí)隙資源和實(shí)際使用的時(shí)隙資源，進(jìn)而計(jì)算出每一個(gè)基站的負(fù)載情況，并將計(jì)算結(jié)果周期上報(bào)主基站。

當(dāng)某一基站分配的時(shí)隙不足以支持其需要發(fā)送的信息時(shí)，主基站就能根據(jù)其上報(bào)的負(fù)載情況，結(jié)合站群內(nèi)其他基站的負(fù)載情況，將有空閑的資源臨時(shí)調(diào)配給需要的基站，以保證信息發(fā)送的實(shí)效性。如果站群內(nèi)的資源調(diào)配仍無(wú)法滿足發(fā)送需求，則主基站會(huì)向岸基指揮所發(fā)送資源申請(qǐng)，調(diào)配網(wǎng)內(nèi)空閑的資源供本站群使用。如主基站申請(qǐng)到新的時(shí)隙后，再將該資源分配到實(shí)際需要資源的基站，滿足其信息發(fā)送需求。站群資源動(dòng)態(tài)調(diào)配流程圖如圖3所示。

圖3 站群資源動(dòng)態(tài)調(diào)配流程圖

對(duì)于申請(qǐng)到的時(shí)隙資源，主基站也會(huì)持續(xù)對(duì)其使用情況進(jìn)行監(jiān)控。一旦發(fā)現(xiàn)站群內(nèi)部資源可以滿足群內(nèi)所有基站的使用需求，應(yīng)立即將該資源退還給岸基指揮所，以便后續(xù)其他站群繼續(xù)申請(qǐng)資源。

3 成員保障算法分析

時(shí)隙資源動(dòng)態(tài)調(diào)配解決了專用和競(jìng)爭(zhēng)使用接入方式時(shí)基站間的資源調(diào)配問(wèn)題，而當(dāng)岸基指揮所通過(guò)基站向公共覆蓋區(qū)中的飛機(jī)、艦船進(jìn)行控制時(shí)，使用重疊網(wǎng)絡(luò)方式接入。同時(shí)由于飛機(jī)、艦船具有編隊(duì)的特點(diǎn)，岸基指揮所需要對(duì)整個(gè)編隊(duì)進(jìn)行同時(shí)控制，因此應(yīng)該考慮將同一編隊(duì)放在一個(gè)基站下進(jìn)行通信保障。在進(jìn)行成員保障方案調(diào)整時(shí)，基本的原則是：

(1) 飛機(jī)、艦船應(yīng)選擇無(wú)線聯(lián)通質(zhì)量最佳或聯(lián)通質(zhì)量不小于80%的基站；

(2) 同一編隊(duì)內(nèi)的成員應(yīng)與編隊(duì)長(zhǎng)的保障基站一致；

(3) 在滿足以上條件的前提下，不同編隊(duì)盡量使用不同的基站。

根據(jù)以上3個(gè)原則，采用窮舉法列出站群對(duì)飛機(jī)、艦船的所有保障方案。當(dāng)站群中基站數(shù)量為N，保障編隊(duì)數(shù)量為M時(shí)，總共可窮舉出NM個(gè)不同的保障方案。針對(duì)每一種保障方案，分別計(jì)算其分?jǐn)?shù)。分?jǐn)?shù)的計(jì)算方法為：編隊(duì)長(zhǎng)在其無(wú)線聯(lián)通質(zhì)量最佳的基站下權(quán)重為1，非最佳但不小于80%的權(quán)重為0.9，非最佳且小于80%的權(quán)重為0；在站群中找出保障編隊(duì)最多的基站和最少的基站，并計(jì)算最大值和最小值的差值，每差1個(gè)就減去0.25。分別對(duì)每一種方案計(jì)算其最終得分，取分?jǐn)?shù)最高的方案作為成員保障的最優(yōu)方案。算法流程圖如圖4所示。

圖4 站群成員保障算法流程圖

下面給出圖4對(duì)應(yīng)算法進(jìn)行算法實(shí)現(xiàn)的具體步驟：

(1) 統(tǒng)計(jì)M個(gè)編隊(duì)長(zhǎng)在N個(gè)基站的聯(lián)通質(zhì)量，第m個(gè)編隊(duì)長(zhǎng)在第n個(gè)基站的聯(lián)通質(zhì)量為Qmn,1≤m≤M,1≤n≤N。

(2) 計(jì)算第m個(gè)編隊(duì)長(zhǎng)在第n個(gè)基站的聯(lián)通質(zhì)量Qmn對(duì)應(yīng)的權(quán)重Wmn,1≤m≤M,1≤n≤N。 (3) 依據(jù)窮舉法，計(jì)算NM種方案中每一種方案的單個(gè)基站下編隊(duì)長(zhǎng)數(shù)量最多與最少之差，第i種方案中的差值為Di,1≤i≤NM。

(4) 計(jì)算第i種方案的得分：

(1)

(5) 在所有NM種方案中找出得分最高的方案，得分為：

Pmax=max{Pi},1≤i≤NM

(2)

下面通過(guò)一個(gè)例子來(lái)說(shuō)明該算法及其結(jié)果。假設(shè)一個(gè)具有3個(gè)基站(A、B、C)的站群，需要保障4個(gè)編隊(duì)(1、2、3、4)，4個(gè)編隊(duì)長(zhǎng)在3個(gè)基站的無(wú)線聯(lián)通質(zhì)量為：

那么，結(jié)合其權(quán)重和基站差值，可通過(guò)窮舉法計(jì)算出81個(gè)方案的最終得分。其中最佳方案為：基站A保障編隊(duì)1，基站B保障編隊(duì)2，基站3保障編隊(duì)3、4，得分為3.2。得分最低方案得分0.024，平均分為1.425。因此，在使用優(yōu)化算法后，其保障能力有了明顯提升。各方案得分情況如圖5所示。

按照上述方法計(jì)算出的保障方案，能夠在保證無(wú)線聯(lián)通質(zhì)量的前提下，盡量將不同的編隊(duì)分配到不同的基站去保障，避免由于一個(gè)基站保障過(guò)多編

圖5 站群成員保障方案得分情況示意圖

隊(duì)，導(dǎo)致信息在隊(duì)列中積壓，使岸基指揮所與飛機(jī)、艦船之間交互的信息不能及時(shí)傳遞。同時(shí)，由于不同基站和編隊(duì)信息交互時(shí)使用了重疊網(wǎng)絡(luò)，信息發(fā)送采用不同頻率，在同時(shí)發(fā)送時(shí)也不會(huì)因時(shí)隙碰撞而導(dǎo)致信息丟失。因此，此算法保證了信息傳輸?shù)臅r(shí)效性和可靠性。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)劃分站群，能將獨(dú)立工作的各個(gè)基站結(jié)合在一起，通過(guò)自主協(xié)同的方式，對(duì)站群中基站進(jìn)行監(jiān)視管理。站群的資源動(dòng)態(tài)調(diào)配和成員保障方案調(diào)整，能夠自動(dòng)將站群的資源進(jìn)行合理分配，既避免了資源浪費(fèi)，又提高了信息交互效率。自主管理過(guò)程同樣可變?yōu)檩o助決策，站群將分析結(jié)果和建議的執(zhí)行指令發(fā)送給指揮員，經(jīng)人工確認(rèn)后，可以選擇同意執(zhí)行或禁止執(zhí)行，與全部由人工進(jìn)行操作相比較，本文方法提高了各項(xiàng)操作的時(shí)效性，這在瞬息萬(wàn)變的戰(zhàn)場(chǎng)中是十分重要的，同時(shí)促進(jìn)了數(shù)據(jù)鏈的實(shí)際應(yīng)用。