短波網動態頻率管理系統的狀態查詢設計

朱振飛 劉毅敏 吳永宏 盧冬鳴

(中國電波傳播研究所，山東 青島 266107)

引 言

短波通信新技術[1-4]的引入與研究，極大地提高了短波通信的質量與應用范圍，使得未來的短波通信運用模式越來越向組網運用發展[5]．國內外在短波通信網及其頻率管理機制等方面做了大量研究和實驗[6-8]．新一代的短波通信網絡一般采用多級分層樹形結構，網絡終端為機動電臺，以星形結構接入各區域接入點(基站設備)，網絡通常定位于應急通信體系或備用通信體系，主要特點為：覆蓋區域大、基站設備硬件資源相對較少、網絡終端數量龐大、終端平均業務量低、業務突發性強等．由于短波信道資源少、信道質量隨電離層變化，短波通信網的頻率資源管理必須以信道資源共享、動態信道資源分配與回收、實時信道資源調配等策略[9]來實現．機動終端的鏈路狀態是短波網進行動態頻率管理的重要輸入信息；實時狀態查詢是無線網絡常用的獲取鏈路狀態的有效手段，針對短波通信的特點，本文設計了快速、高效的鏈路狀態查詢機制及相關的查詢調度算法和空中波形．其中波形設計結合了141B協議中的突發波形1 (Burst Waveform 1， BW1)，部分兼容目前的短波設備，可方便地應用于新規劃的短波通信網．

1 狀態查詢機制設計

1.1 狀態查詢基本原理

在短波網中，全網使用一個公共的頻率池{Fsys}，頻率在動態指配過程中，任意一個頻率fj可能同時被N個基站復用(復用：基站間地域間隔足夠遠，相互之間無干擾)；同時，在第n(n=1,2,…,N)個基站，該頻率fj還有可能存在于In個機動終端共用的工作信道組中．最終，每個基站將獲得一個子頻率池{Fbase}，并管理一個用戶集{Suser}．短波通信網頻率分配示意圖如圖1所示．

圖1 短波網頻率分配示意圖

在每個基站覆蓋區內用信道fj廣播查詢信息，可最多同時查詢∑In個機動終端．終端回復查詢信息時，可分為N個獨立的組回復不同的基站，每個組內的In個終端依次回復．合理的設計以{Fbase,Fuser}為基本元素的頻率資源矩陣及相應的查詢調度算法，可實現狀態查詢機制調度的最優化；合理地設計基站查詢幀格式以配合電臺的異步掃描工作模式，即可在物理層確保查詢機制正確地執行．二者構成高效快速的鏈路狀態查詢機制．

1.2 鏈路狀態查詢流程

查詢流程可分為查詢調度、查詢廣播、查詢回復、狀態判定．

查詢調度：確定當前查詢使用的下行頻率和發射查詢信息的基站；選擇本次各個基站要查詢的終端，并確定這些終端的回復次序，調度算法的優劣決定了狀態查詢流程的開銷時間．

查詢廣播：選中的基站按選定頻率發送查詢廣播(幀格式如表1所示，見2.2節)．

查詢回復：收到查詢廣播的機動終端解讀查詢信息，計算自己的回復順序及下行信道質量．各終端按順序在自己相應的時隙到達時，發送查詢回復(幀格式如表2所示，見2.2節)．

狀態判定：狀態有三種：雙向鏈路質量良好、雙向鏈路質量下降、鏈路狀態未知即查詢后未收到回復．基站按已分配時隙檢查是否收到對應機動終端的應答幀，根據情況判斷鏈路狀態并決定后續操作：

1) 若收到應答幀，且雙向鏈路的質量都合格，則更新鏈路狀態為正常，在本輪后續的點名查詢過程中，不再查詢該機動終端；

2) 若收到應答幀，但雙向鏈路中有鏈路質量不合格，則更新鏈路狀態為繼續查詢，本輪后續的點名查詢過程中，繼續用其他頻率對該機動終端進行查詢；

3) 若未收到應答幀，則更新鏈路狀態為未知，本輪后續的點名查詢過程中，繼續對該終端進行查詢．

在所有信道查詢完成后，整理鏈路狀態，對鏈路狀態為繼續查詢的鏈路，可通過系統的動態頻率管理模塊為其重新指配新的頻率組，并發起業務工作模式，將頻率表傳送至終端；對于鏈路狀態為未知的鏈路，直接由頻管系統刪除終端在網信息，等待終端重新注冊，并將相應頻率組置為空閑，留待分配至新入網終端．終端在一輪查詢周期后發現自己未收到查詢，將判斷為自己被頻管系統刪除出網．終端將再次主動發起入網請求，重新注冊入網．

2 狀態查詢調度設計

2.1 狀態查詢調度算法

設用戶數為I，可用頻率個數為J，I×J維頻率指配矩陣的元素為

Fassign(i，j)=kk=0,1,…,Nshare.

(1)

式中：Nshare為每個頻率被共享的最大次數；k是不超過Nshare的指配序數，當k=0時表示未給用戶ui指配頻率fj，當k>0時表示為用戶ui指配了頻率fj，且其回復次序為k．由于采用了頻率共享機制，因此Fassign中第i行的非零元素對應的頻率集合表示對用戶ui指配的業務頻率組，Fassign中第j列的非零元素對應的用戶集合代表共享頻率fj的用戶．

指配后用戶使用業務頻率進行建鏈的情況用I×J維建鏈狀態矩陣可表示為

Llinkstate(i,j)=t，t=1,…,T/Δt,T/Δt+t.

(2)

式中：t為建鏈成功距今的時間刻度，在T時間內建鏈成功，則t=「Tlink/Δt?，否則超過T時間未建鏈成功時t=T/Δt+1,Tlink為建鏈距今過去的時間；T為指配有效時長； Δt為狀態更新間隔，這里取T=12 h, Δt=0.5 h．

根據建鏈狀態矩陣，可得I×J維頻率質量矩陣為

(3)

查詢狀態矩陣設計為：

(4)

式中：i=1,2,…,I;j=1,2,…,J.

系統初始化時，Hinquiry中與Fquality非零元素對應位置元素為1，其余元素為0．設當前待查詢的頻率集合Fwait為一個1×J維向量：

(5)

本次查詢的頻率編號為

Fwait]}.

(6)

本次查詢的用戶集合U為一個I×1維向量：

(7)

該變量作為查詢廣播幀中的點名表將發送至收到查詢呼叫的用戶處，用戶根據指配時自己獲得的頻率序數k可以在U中找到自己的位置，再通過自己前面有幾個被查詢用戶，就可計算得到自己的回復順序．第i個用戶的回復次序為

c(i)=

(8)

式中nnz(*)表示求取矩陣非零元素個數．

2.2 查詢幀格式設計

查詢幀格式設計參考了美軍標MIL-STD-188-141B[10]，幀格式基于BW1波形設計，目前已支持141B協議的電臺和基站只需在上層軟件做簡單的修改就可實現．信息幀采用8PSK調制方式，r=1/2,k=7的卷積碼編碼．幀中的協議字段為3 bit長度，定義為111，表示本幀為點名查詢協議數據單元(Protocol Data Unit，PDU)，以區別于已在141B協議中定義的HDL-ACK幀(high-rate data link protocol-acknowledgment，HDL協議中的確認幀，協議字段=000)及TM-PDU幀(traffic management-protocol data unit，業務管理協議幀，協議字段=001)．基站點名查詢幀和終端應答幀的幀格式分別如表1、表2所示．

表1 基站點名查詢幀格式

表2 終端應答幀格式

基站點名查詢幀波形在原BW1波形的基礎上增加了掃描引導序列，以兼容電臺的異步掃描工作模式．波形由4部分組成，分別為自動增益控制保護段(tlc)、掃描引導段(scan)、同步引導段(pre)、有效數據段(data)．其中數據段由48 bit擴展到了96 bit．各字段的長度為：Ttlc=106.67 ms、Tscan=「1.3×Nchann?×600 ms、Tpre=240 ms、Tdata=1 920 ms．當電臺分配信道數Nchann=4時，基站單次點名查詢幀發送時長為Tball=5 860 ms．

終端點名應答幀與BW1波形相同，單次應答的發送時長為Tsall=1 300 ms．

3 查詢代價及性能仿真

短波網在引入查詢機制后，動態頻率管理系統將從中獲得各終端的鏈路狀態信息，并以此為依據實施動態頻率調控機制以提高終端通信質量、實現頻率資源的動態回收與釋放，從中獲取收益；但查詢過程會占用基站及機動終端的業務信道，對正常業務通信造成影響．長的狀態查詢間隔會降低對業務信道的影響，但同時也會造成部分信道惡化而未能及時發現，造成業務可通率指標惡化．仿真將從以上幾個方面分析查詢機制的收益和代價．

3.1 應用場景描述

取2011年6月份的一次短波頻率預測及天波鏈路測試的實驗數據，并從中提取出短波預測頻率與不同時間間隔實測的可通率數據，如圖2所示．

圖2 短波預測頻率不同時間段可用概率圖

對于一個典型短波網部署，假定每個基站信道機數量Nequip=16；經頻率復用后，每個基站分配的頻率池{Fbase}中的頻率數平均為30個，其中日頻頻率Ndchann=24、夜頻頻率Nnchann=12；基站容納的最大終端數Nuser=156；每個終端在入網時分配4個信道；基站每30 min對所有終端進行一輪查詢．

3.2 仿真結果

由仿真結果圖3可知：單輪的狀態查詢時間在極低的信道可通概率下，最大可接近1 800 s；查詢時間隨信道可通率的升高而降低，當可通率極高時，日頻/夜頻條件下的查詢時間都約為500 s，即8 min左右；圖中日頻條件下的查詢時間總是大于夜頻下的查詢時間，這是由于日頻條件下可用頻率比較多，系統的頻率共用度低造成的．

業務信道占用率集中在1.5%～6%之間，曲線走勢基本與信道查詢時間相同，日頻條件下的占用率始終比夜頻信道占用率低是由于夜頻條件下頻率資源較少造成的．若短波網中的動態頻管系統設計合理，可以保證單信道可通率維持在較高的概率，則可在日間和夜間進一步延長查詢業務的間隔，僅在日夜交替時段將查詢業務間隔設置為30 min，以進一步降低查詢帶來的信道占用．

圖3 查詢時間/業務占用率隨可通率變化圖

仿真結果圖4表示短波網中狀態查詢時間間隔對通信性能的影響．

圖4 查詢機制收益與間隔時間的關系

圖4中，終端狀態改善率定義為Rrise=(Nreg×a+Nchannge)/Ntotal，其中Nreg為查詢進程執行后需要重新注冊的終端數；Nchange為查詢進程執行后需要更換頻率組的終端數；Ntotal為總的終端數；a為權重比．由圖4可以看出當查詢間隔在兩小時左右時，查詢進程帶來的終端狀態改善約為10%，此時終端業務可通率基本可維持在較高的水平．隨著查詢時間間隔的增大，查詢機制帶來的收益也隨之增大，但系統的終端業務可通率會有急劇的惡化．在設計短波網頻管系統時，可參照上述分析，合理地規劃查詢進程間隔．

4 結 論

針對短波網的特點，為短波網頻管系統設計了一套優化的鏈路狀態查詢機制，對鏈路查詢方式、查詢調度算法、通信協議等內容作了詳細的闡述，并給出了關于狀態查詢機制的開銷、帶來的系統性能增益等仿真結果．在實際工程應用中，可參照該設計方法和仿真結果來指導、評估短波網頻管系統指標的設計與優化．

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