楊衛(wèi)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(xiàn)代海戰(zhàn)以艦艇編隊為主，戰(zhàn)場態(tài)勢復雜多變，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(zhàn)的重要力量編組，在未來各類海上作戰(zhàn)任務中將扮演極為重要的角色。信息化戰(zhàn)爭條件下，海上作戰(zhàn)空間廣闊，參戰(zhàn)單元多樣，指揮關系復雜，突發(fā)事件多，信息流通量大，通信作為艦艇編隊整體戰(zhàn)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(zhàn)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(xié)同通信系統(tǒng)通過共享節(jié)點天線，無需增加任何系統(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)絡吞吐量，可以更好地降低系統(tǒng)的中斷概率，有效對抗干擾[2]，是艦艇編隊通信網(wǎng)絡組網(wǎng)的最佳選擇。

1 系統(tǒng)模型

常用的通信網(wǎng)絡拓撲結(jié)構有三類，如圖1 所示。點對點的組網(wǎng)模式一般只適用于網(wǎng)絡中只有2 個節(jié)點的情況，顯然不符合海上艦艇編隊的通信要求；星型組網(wǎng)模式是目前使用較多的海上艦艇編隊通信方式，通過數(shù)據(jù)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(fā)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(xiàn)通信擁堵，但這種組網(wǎng)方式對指揮艦的信息處理能力要求較高，且網(wǎng)絡中任何一個節(jié)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(wǎng)模式應該是網(wǎng)型連接，網(wǎng)絡中的每個節(jié)點均分別與其他節(jié)點獨自建立通信，既可以實現(xiàn)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(tǒng)一管理，且極易造成通信擁堵，使作戰(zhàn)命令不能及時傳達，貽誤戰(zhàn)機。

圖1 常用通信網(wǎng)絡拓撲結(jié)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(tài)星型連接加適時中繼通信的組網(wǎng)模式如圖2 所示，這種拓撲結(jié)構既便于中心節(jié)點對網(wǎng)絡中其他節(jié)點的集中管理，又具有較強的抗干擾性，一旦某條支路發(fā)生中斷，中心節(jié)點與終端節(jié)點、終端節(jié)點與終端節(jié)點之間可以通過中繼節(jié)點繼續(xù)建立可靠連接，確保通信暢通。

2 中繼選擇算法

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

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

圖3 簡化模型Fig. 3 Simplified model

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

其中：ni為 中繼節(jié)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(jié)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(fā)回到兩側(cè)的終端節(jié)點，由于2 個時隙間隔較短，假設兩側(cè)信道質(zhì)量不變，終端節(jié)點接收到的信息可表示為：

其中： R為 中繼節(jié)點Ri的集合；p為終端節(jié)點的發(fā)射功率，在不考慮功率分配的前提下，假設兩側(cè)終端節(jié)點的發(fā)射功率相同； ω1和 ω2為兩側(cè)終端節(jié)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(jié)點Ri兩側(cè)的信道系數(shù)與其發(fā)射功率pi計算得到的放大系數(shù)，表示為

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

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

隨后對所有中繼節(jié)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(jié)點參與轉(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協(xié)同通信中的性能優(yōu)勢，將其與星型連接和網(wǎng)型連接2 種組網(wǎng)模式進行性能對比，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，對于中繼選擇模型，中繼節(jié)點兩側(cè)信道容量分別為：

由于此時的系統(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 個固定終端節(jié)點之間的通信鏈路，信道參數(shù)依照文獻[3]中的數(shù)據(jù)，中繼節(jié)點數(shù)量設為4 個，通信中斷的閾值 γ設置為4 dB，所有節(jié)點的發(fā)送功率統(tǒng)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(wǎng)模式與網(wǎng)型連接組網(wǎng)模式的通信中斷臨界值一致，而當通信主鏈路信噪比超過閾值 γ之后，中繼選擇組網(wǎng)模式恢復主鏈路通信，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，中繼組網(wǎng)模式在信噪比下降到2 dB 時，仍可以達到星型連接組網(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，實際意義不大。中繼組網(wǎng)模式在低信噪比情況下仍可滿足較高的通信質(zhì)量，戰(zhàn)場適應性要比另外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)容量對比Fig. 4 Comparison of system capacity

3.2 中斷概率分析

當系統(tǒng)傳輸速率大于瞬時信道容量時，系統(tǒng)發(fā)生中斷。假設系統(tǒng)傳輸速率為R′，對于中繼組網(wǎng)模型的系統(tǒng)，當被選中的中繼節(jié)點為R時，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)點的數(shù)量仍然定為4 個，為了更好地觀察不同組網(wǎng)模式中斷概率的差別，將目標傳輸速率下調(diào)為0.5 bps/Hz。讓系統(tǒng)的發(fā)送功率在0～30 dBW 之間變化，對系統(tǒng)中斷概率進行仿真。

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 開始，中繼組網(wǎng)模式下中斷概率較星型連接就有一個數(shù)量級的提升，雖然還遠不及網(wǎng)型連接，但綜合考慮系統(tǒng)費效比以及物理實現(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)模式下中斷概率對比Fig. 5 Comparison of interrupt probability

4 結(jié) 語

本文提出的艦艇編隊通信組網(wǎng)模式兼具易于集中管理和抗干擾的優(yōu)點，并且能夠很好地規(guī)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(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足較高的通信要求，具有較高的實戰(zhàn)意義。