无线数据通信快速组网方法及组网成功率计算

樊 湖

(中国电子科技集团公司第七研究所，广东 广州 510310)

0 引言

末端火控系统内的无线数据传输系统通常是一个指挥点(主台)控制多个火力输出点(从台)和传感器观察点(从台)，主台传送指令信息或其他数据信息，同时接收从台上报状态信息。主台下发的数据量大于从台上传的数据量，主台通常要接收观察点或传感器发出的目标要素数据，这些数据量会相对比较大，要求数据传输具有一定的可调整性。

按照文献[1]分析，火控系统内的无线数据传输划为战斗协作网络范畴，属于武器协同数据链一种地面应用。在国际上，早期美军是各兵种根据系统要求开发各自的武器协同数据链，有多种波形体制。到20世纪末，美军逐步利用JTRS系列波形中的宽带网络波形统一这些波形体制。21世纪初，美军启动战术瞄准网络技术(TTNT)项目，这是一种基于IP的嵌入到JTRS中使用的高速、宽带战场网络技术，能比较快速组网和以极高的速率传递数据，使精确打击时间敏感目标成为可能，TTNT会成为未来的武器协同数据链。同样，国内各兵种根据自己火力系统特点研制了各种专用无线数据传输链路，在末端要求强抗干扰的情况下，大多是采用通信控制器加跳频电台的体系架构，数据链路层在通信控制器中。这种架构下，电台一般工作于大时隙TDMA或CSMA的多址工作方式，组网时间比较长，传输时延比较大。

针对火控系统内部无线数据组网传输，本文提出一种在电台内设计小时隙TDMA组网的新方法，指控应用直接连接电台，省去通信控制器，组网时间和数传时延大幅减少，并提出计算主台组网成功率和从台入网成功率的方法。

1 系统传输模型及TDMA数传帧结构设计

1.1 系统数据传输模型

系统传输层级模型如图1所示。

图1 系统数据传输模型Fig.1 System data transmission model

系统数据链路层包含在电台内，链路层直接控制物理硬件，可以实现TDMA的小时隙划分，实现快速组网或入网。数据在MAC子层成帧直接发送到物理硬件层发射出去，缩短传输时间。

1.2 帧结构设计

利用半双工电台构建无线数据传输网通常采用TDMA技术架构，网络帧结构设计是系统能进行正常数据传输的关键，帧结构设计要考虑电台的无线传输体制、抗干扰体制、收发转换时间和一次发射或接收能处理的最小时间间隙等电台传输特性，考虑各节点上/下行传送数据量和数据产生速率，考虑上层指控要求的传输时延。帧结构设计还需要综合考虑数传效率与组网方法，特别要考虑迟后入网的从台加入已经运行的无线网络的方法。

综合以上要素，设计的数传帧结构如图2所示。其中，要组网的电台数量为k，编号为A，B，C，…，K，其中A为主台。主台与从台的组网流程不同，但入网后主台和从台都遵循图示的数据传送运行帧结构。

图2 数据传输帧结构Fig.2 Data transmission frame structure

时隙是数据包发射的最小单位，对跳频电台来说可以是一个频率跳，x个时隙组成一个可分配帧，可分配帧是数据网中各电台可发射时间最小的划分单位。n个可分配帧组成的A台分帧(主台发射)和由m个可分配帧组成的某从台分帧(从台发射)组成组合子帧，有k-1个从台就有k-1个组合子帧，本设计中组合子帧的长度大于2倍的从台入网请求信令的发射长度。

A台子帧/维护子帧(A子帧)，由p个可分配帧组成，用于主台发射数据或发射网络维护信令。

可动态分配子帧(DZ子帧)，由q个可分配帧组成，主台或得到授权的从台能占用可动态分配子帧发射数据。本设计中可动态分配子帧长度大于主台发射TOD同步信息和组网信令的长度。

n,m,p,q,x为大于1的正整数。在特定的系统规划设计中，根据各从台的数据量和相应时间规划n,m,p,q,x的值。

各电台在自己的分帧内发射数据，在其余分帧接收数据，规定各从台在自己的分帧中没有数据时发射在网信令。

2 主台和从台的处理流程

2.1 主台流程

主台与从台的处理流程不同，主台处理流程如图3(a)所示，流程说明如下：

S10：主台在系统约定的信道F扫描接收，开启搜索波形。对跳频电台F可以是一张特定的频率表，但是如果信道F为一个定频频率，则可以大大降低系统的组网时间；

S20：主台判断是否接到主动组网命令，是则执行步骤S40，否则执行S30。主动组网命令来自面板人工操作或者上级设备的信令；

S30：主台判断搜索波形是否接收到从台的入网请求信令，是则执行步骤S40，否则执行步骤S10；

S40：主台用整帧的长度在信道F发射组网信令，组网信令包含同步信息TOD和组网时隙信息；

S50：主台和已经入网的从台按照整帧时序正常收发数据；

S60：主台判断是否收到退网命令或者静默命令，是则执行步骤S70，否则执行步骤S80。退网命令或者静默命令来自面板人工操作或者上级设备的信令；

S70：主台发射退网或静默信令，返回执行步骤S10；

S80：检查是否全部从台在网，是则执行步骤S120，否则执行步骤S90；

S90：在未入网从台组合子帧时，开启信道F的扫描接收搜索波形。在已入网从台组合子帧内正常收发数据。设计的从台组合子帧时间长度必须超过2倍从台的入网请求信令的长度，这样才能保证主台完整收到入网请求信令；

S100：判断在未入网从台组合子帧内是否收到入网请求信令，是则执行步骤S110，否则执行步骤S120；

S110：按照整帧时序分配，A子帧发射数据。连续2个整帧的DZ子帧发射组网信令，返回执行步骤S50；

S120：主台根据各电台数据量判断是否需要分配DZ子帧给某个从台，是则执行步骤S140，否则执行步骤S130。DZ子帧的设计使得系统具备一定的时隙动态调整能力,同时不影响网内其他电台的正常工作；

S130：主台在A子帧和DZ子帧发射数据，返回执行步骤S50；

S140：在A子帧发送DZ子帧占用信令，信令中包含可占用DZ子帧的从台号码；

S150：在DZ子帧接收数据，返回执行步骤S50。

2.2 从台流程

从台处理流程如图3(b)所示，流程说明如下：

(a)主台处理流程 (b)从台处理流程图3 电台处理流程Fig.3 Radio processing flow

S200：从台在预设的信道F扫描接收，开启搜索波形。信道F定义如主台；

S210：判断是否接收到上层的启动组网命令，是则执行步骤S220，否则执行步骤S230。同样上层的启动命令来源于人工面板操作或上级设备指令；

S220：在信道F整帧长度时间内不断发射入网请求信令；

S225：在信道F整帧长度时间内接收搜索接收主台发射的组网信令；

S230：判断是否在信道F的扫描接收中收到主台下发的组网信令，是则执行步骤S240，否则返回执行步骤S200；

S233：判断是否已经发射入网请求2次，是则执行步骤S236，否则返回执行步骤S220。设计从台仅发射2次入网请求，为了避免已入网电台的正常工作；

S236：向上层报告入网失败，返回执行步骤S200；

S240：在本台分帧处发射在网信令或者数据；

S250：按照整帧时序正常收发数据；

S260：从台自检是否在网，在网则执行步骤S270，否则报告上层脱网并返回执行步骤S200；

S270：从台判断是否收到主台发送的退网信令或者静默信令，是则报告上层并返回执行步骤S200，否则执行步骤S280；

S280：判断是否收到主台发送的让本机占用DZ子帧信令，是则执行步骤S300，否则执行步骤S290；

S290：在DZ子帧只收，跳转步骤S250；

S300：占用DZ子帧发射数据，跳转步骤S250。

3 组网成功率和入网成功率

组网成功率是无线数据传输系统的重要指标，这里给出组网成功率明确定义。

组网成功率是无线数据传输系统在规定的时间内从台入网的概率，规定时间的起点可以是开机时间、或者是按键输入组网命令的时间、或者进入组网状态时间，组网成功率通常是主台的指标要求。

相应的，对从台定义入网成功率。入网成功率是无线数据传输系统中从台在规定的时间内加入已经存在的无线数据传输网的概率，规定时间的起点可以是开机时间、或者是按键输入入网命令的时间、或者进入组网状态时间。

组/入网能否成功取决于下列因素：

① 组网策略的设计。理想无误码情况下，接收电台能收到1次组网信令发射的概率，设为Pd；对从台入网概率来说，主要是主台能收到从台入网请求信令的概率。取决于数据传输帧时隙的设计和规定时间内发射/接收组网信令的次数n；

② 物理层的因素。具体是接收电台收到信号的强度能达到基带输出正确信令的概率，设为Pr。由发射功率、接收灵敏度、通信距离、天线及架设方式、天气地形和调制解调方式等传输参数决定。接收端的电磁干扰也是影响接收的重要因素，设电磁干扰强度足以干扰信号正常接收的概率为Pi；

③ 对跳频电台来说，跳频同步概率也是组/入网成功率的因素之一，跳频同步概率设为Ph。成功的跳频电台设计，跳频同步所需的信号强度会远低于基带信号正确解调所需要的信号强度，因此本文认为跳频同步概率与接收机收到信号强度达到基带输出正确信令的概率不相关。

综上，设主台组网成功率为Psc，按照概率学知识 :

Psc=(1-(1-Pd×Ph)n)×Pr×(1-Pi)。

(1)

计算系统组网成功率要注意：主台组网或从台入网，n是不同的。以图3为例，主台流程中主台用一个整帧发射组网信令，可以发射n次，从台有n次接收机会。

考虑从台入网成功率，以图3为例，从台入网虽然是整帧发射入网请求信令，但已经组网的主台只在相应未入网的从台子帧打开信道F扫描接收，因此主台接收从台入网请求信令的机会取决于从台子帧内最少能收到多少次入网申请信令，设次数为m。按图3的流程，主台收到从台入网之后，才会在DZ子帧发射组网信令，设能发射k次。为了提高系统综合传输效率，通常DZ子帧设计得不会太长，一般k=1。从台入网成功率为Pst：

Pst=(1-(1-Pd×Ph)m)×

(1-(1-Pd×Ph)k)×Pr×(1-Pi)。

(2)

简化起见，式(2)认为主台单次接收从台的入网申请成功概率与从台单次接收组网信令概率相同为Pd，虽然实际单个入网申请的信令长度要小于组网信令长度。Pr属于信道范畴，取决于收发信机物理特性和发射接收环境和距离d。距离带来的无线电传播衰减可以取相适应的无线电传输模型计算。本系统给定的通信距离和实际环境，不会出现直射信号，空中传输信道可以采用瑞利衰落模型，接收信号幅度概率密度函数为[2]：

(3)

设电台能正确解调的信号幅度要求为Umin：

Umin=S+Xa，

(4)

式中，S为电台接收灵敏度值；Xa为保障接收性能的余量。

可以得出Pr：

(5)

(6)

PL=88+40lgD+20lgF-20lg(HtHr)-Kh，

(7)

式中，PL为传播衰耗，单位dB；D为收发电台天线之间的距离，单位km；F为载波频率，单位MHz；Ht,Hr分别为发射天线和接收天线高度，单位m；Kh为地形修正因子，Kh=1.667-0.109 4Δh(25 MHz﹤F﹤150 MHz)，Δh为地形高差。

接收功率Pr(dB)为：

Pr=Pt-PL-βct-βcr，

(8)

式中，Pt为电台发射标称功率；PL为电波传播损耗；βct，βcr为发射端、接收端电台到天线的线损。

(9)

实际工程中，联解式(1)～式(9)可以得出主台组网成功率或从台入网成功率，可用计算机辅助计算。

按照通用的VHF电台性能，可以分析组网成功率与n,D的关系。电台发射功率50 W，接收灵敏度-113 dBm，接收余量3 dB，线损1 dB，频率80 MHz，车辆平台天线高度2.5 m，地形高差15 m。代入上述各式得：

Umin(V)=0.707×10-6，

(10)

σ2=8.051×10-4log D×10-9，

(11)

(12)

正常的基带处理能保证Pd=1，跳频同步概率不小于95%，在不考虑干扰情况下，式(1)化为：

Psc=(1-0.05n)×Pr。

(13)

用通用数学计算软件计算式(10)～式(13)，做出Psc与n和D的关系如图4所示。

图4 组网成功率与距离、组网信令发射次数关系Fig.4 Relationship between networking success rate and distance,network signaling transmission times

由图4可以得出：① 只发射1次组网信令时，任何通信距离都不能达到95%的组网成功率；②n≥2后，曲线基本重合，即主台发射2次组网信令与发射4次入网信令几乎没有区别；③n≥2后，组网成功率取决于信号幅度不小于Umin的概率；④ 要求的5 km处组网成功率不小于95%，50%组网成功率位置大约为14 km处，也称为覆盖边缘。

从台的入网成功率采用式(2)类似计算。本方案空中传输信道采用了瑞利衰落模型，如果电台之间收发有视距直射信号可以采用莱斯衰落分布模型[2]。接收信号中值空中衰减计算可以根据当地实际情况和经验采用不同的模型，无论如何采用实测方法最为准确。

理论上，从台入网成功率小于主台的组网成功率，因此在实际应用中，应通过操作规程和通信方案确定开机时间，主台发起组网时间，未能入网的从台某个时间之后才能发起入网申请。

按照本文组网方案，某系统在1部主台和4部从台的配置中，如图2整帧设计为2 s，组网信令长度330 ms。组网时，主台连续发射3次组网信令。4 s之内，5 km距离组网成功率实测为199/200=99.5%，10 km距离组网成功率为153/200=76.5%，都比图4计算好，分析应为接收余量3 dB带来的好处比较明显。组网之后通信系统主台的数据和指挥命令下发、从台的状态信息上报运行符合设计预期，满足了系统要求。

4 结束语

本文提出的数据传输帧结构和组网方法特别适合上下行数据不对称的无线数据分发系统，本文通用化设计的数据帧结构可以根据实际系统要求的上下行数据量和时延要求来确定帧结构的设计变量。

本文提出的数据传输帧结构基于跳频电台的跳频时隙，对商用定频电台只需定义一个最小的数传猝发，基于该猝发可以设计数据传输帧结构的各设计变量。提出的数据传输帧结构和组网方法不仅适合窄带低速电台系统，也可以应用于高速电台作为系统传输设备的系统。

本文的组网设计方法可以为未来武器协同数据链设计提供参考，文中根据组网方法相应计算的组网成功率与系统实测验证值比较吻合，可以成为其他类似系统的使用单位和研制单位制定组网成功率指标或进行仿真计算的参考案例。