戰術級無線接入網VHF電臺頻率規劃

王會濤， 楊若鵬， 侯劍鋒

(國防科技大學信息通信學院， 湖北 武漢 430010)

在戰術無線接入網作戰使用中，因用頻裝備種類、品種多，造成頻率規劃復雜、頻率沖突、規劃質量差等問題。針對此問題，美軍開發了聯合網絡管理等系統，但主要結合自身系統進行規劃，無法直接運用到我軍。我軍也研制了戰術級網絡的相應規劃系統，主要采取人工規劃的方式，依托系統自動分配頻率表，但在頻率規劃的科學性和抗干擾等方面還缺乏相應的支撐[1]。在該領域，苗麗[2]針對固定基站的頻率分配問題，采取混合信道分配和信道借用算法頻率分配方式，提出了無線通信網頻率資源動態分配方法；文獻[3-6]作者將遺傳算法、蟻群算法、圖染色算法等用于電臺頻率規劃中,并取得了一些研究成果。但針對戰術無線接入網網絡組織特性和作戰性能，國內外尚無專門全面的研究。為此，筆者針對戰術無線接入網的軍事特性和作戰使用實際，從解決規劃的科學性、提高頻率的利用率、減少頻率間干擾等角度，對戰術無線接入網甚高頻(Very High Frequency，VHF)電臺頻率規劃問題進行研究和探索。

1 拓撲結構及需求分析

1.1 接入網拓撲結構

在作戰使用中，VHF電臺主要用于構建以基站為中心的接入網絡(以下簡稱“接入網”)和以傳統分組模式的專用網絡(以下簡稱“專用網”)。

對于接入網，主要以車上的m部電臺為中心構建，通過開設多個接入網，達到覆蓋整個作戰地域，實現全網用戶的隨遇接入和無縫切換等功能，其網絡拓撲結構如圖1所示。

圖1 接入網網絡拓撲結構

1.2 接入網用頻需求

在戰術通信網絡中，VHF電臺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f1，一張跳頻頻率表通常需要256個頻率點。因此，在所有頻率點可用的情況下，共有頻率點個數為n個，可組成np1張頻率不重復的頻率表。而在實際使用中，受環境及敵干擾等情況影響，并不是所有頻率點都可以使用，存在禁用頻率點，因此用于VHF電臺組網的跳頻資源難以生成完全不重復的np1張頻率表。

理論分析和實踐表明[7]：對于一張256個不重復頻率點的跳頻表，當同步組網時，因各子網同步跳變，理論上有k個跳頻點就可以組成k個跳頻網，但由于已建的跳頻網會影響預建跳頻網的跳頻同步概率，在實際測試中的使用效率約為70%；當異步組網時，各子網之間頻率的沖突碰撞導致的子網組網效率約為30%以下。

依據上述分析，設某作戰地域利用VHF電臺構建的VHF電臺網個數為N1。其中，接入網個數為N2，專用網個數為N3，則滿足N1=N2+N3。

對于接入網，為滿足各網絡之間無頻率干擾，保證各接入網同步工作，通常采用同步正交的方式構建接入網。其所需頻率點個數n2=N2/0.7。

對于專用網，主要用于構建各指揮機構之間，以及指揮機構與分隊之間的通信聯絡保障，對于這種模式，由于不需要各網絡時間一致，在實際運用中可以采用同步或異步組網。當采用同步正交跳頻組網時，所需頻率點個數n3=N3/0.7；當采用異步正交跳頻組網時，所需頻率點個數n3=N3/0.3。

在實際使用中，受電磁環境、敵方干擾和其他用頻裝備的影響，存在部分頻率點不可用或不能用的情況，對于電臺頻率規劃，這些不可用頻點屬于禁用頻點，設禁用頻點個數為n4。

根據以上分析，可知VHF電臺網絡的頻點之間需滿足

(1)

按照每張頻率表256個頻率點計算，整個作戰地域接入網所用頻率表個數np2和專用網所用頻率表個數np3分別為

式中：「?表示向上取整。

由于接入網和專用網屬于不同類型的網絡，在實際使用中所用頻率表不能共用，因此，

np2+np3≤np1，

(2)

考慮到作戰中不同作戰地域和作戰樣式下，接入網和專用網的數量可能會比較龐大，而對于VHF電臺，所提供的頻率點是固定不變的，在這種情況下，將不能滿足式(1)、(2)，即無法滿足通信保障對頻率點的需求。針對這種情況，通常采取空分復用的方式，以提高頻率利用率。其中，最典型的復用方式是六邊形蜂窩小區模型，如圖2所示。

圖2 六邊形蜂窩小區模型

由圖2可知：1-7號區域組成一個空分復用單元，共同使用VHF電臺np1個頻點。考慮到電磁波傳播損耗會隨距離增加而增加，故假設電磁波經過傳播距離M后，損耗至0，則在M距離外，即使采用相同的頻率點，也不至發生頻率互擾。

在實際頻率空分復用時，為確保作戰地域用頻的連續性和投入兵力的規模，通常要求投入兵力的最大作戰半徑r≤M。根據r和M的關系，為簡化計算，可進一步采用四邊形的空分復用方式[8]，則各區域頻點數為n*=n/4，最小頻率間隔f2=4f1,且n2+n3+n4≤n*。

對于接入網和專用網，在一個區域內，至多有n*個頻率點的情況下，至少需生成2張正交的跳頻頻率表，而每張頻率表的頻點數為256，可同時確保各區域中所用頻率點不重復。筆者以單個區域為單元進行頻率分配研究。

2 總體思路

2.1 主要模式

目前，對于VHF電臺頻率分配主要有2種頻率生成方式[9]：

1) 接入網和專用網分段生成方式。接入網和專用網所用頻率點分別覆蓋部分頻段，根據分段的情況，又可區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和專用網連續分段的方式占用頻率帶寬。通常情況下接入網為單跳入網，專用網可以多跳入網，因此，在頻率分段時，將接入網頻點配置在高頻段，專用網頻點配置在低頻段；多頻段分段是將整個頻段分成多個部分，每部分頻段又按照先專用網后接入網的順序進行頻率的指配。在分段頻率生成方式中，兩網的頻率相互獨立，互不交叉，但在頻率交界的位置會產生鄰道干擾，因此，通常兩網相鄰的頻率之間通常要間隔50個頻率點。在這種方式下，兩網之間無共用頻率，可采取不同的組網方式，組織運用靈活，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) 接入網和專用網在全頻段混合生成方式(如圖5所示)。接入網和專用網所用頻率點覆蓋了整個VHF電臺的工作頻段，這種方式具有頻段寬、抗干擾的優點[10]，在此方式下，接入網和專用網可采取頻點交替的方式進行頻率的指配。相對于分段頻率生成方式，其頻段帶寬變大，抗干擾能力增強，但會存在部分鄰道干擾，但兩網電臺配置在同一臺車的數量較少，且使用不同的頻率表和網號，因此，這種干擾對通信的影響相對較小。

圖5 全頻段混合生成

2.2 規劃算法

接入網主要以車上電臺為中心來構建，假設車上共有m部VHF電臺，如果所有電臺都投入使用，則一輛通信車上將組織m個同步正交跳頻VHF電臺接入網，如果某地域共投入通信車數量為q，則N2=mq。同車多臺VHF頻率分配如圖6所示。

圖6 同車多臺VHF頻率分配

假設1#車的1#電臺的起跳頻率為f1,1=F1，則

(3)

則通信車的頻率帶寬為

(4)

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

(5)

第i輛車上第j部電臺的頻率為

(6)

由式(4)、(5)可得

f1,m-f1,1+Δfm≤W2。

(7)

3 分析與測算

確定接入網的總體分配策略后，要對接入網所用頻率進行具體分配。

3.1 分頻段頻率生成模式

在分頻段頻率生成模式中，接入網和專用網各使用頻率帶寬的一部分，兩網的頻率點各自獨立，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用的方式，分析在單頻段頻率生成模式下接入網的頻率分配問題。

在這種模式下，假設專用網頻率帶寬為W3，則接入網頻率帶寬滿足W2+W3+50f2≤58，所用跳頻表的最小頻率間隔f2=4f1。

這里假設接入網和專用網所用頻率帶寬相等，即W2=W3,此時可得

假設通信車電臺頻率間隔為D，即Δfj-Δfj-1=D，根據式(3)-(7)可得

Δfm=Δf1+(m-1)D，

(8)

f1,M=F1+(M-1)Δf1+2×(m-1)×D，

(9)

且滿足

(10)

假設通信車電臺數量m=6，電臺跳頻時的最小頻率間隔f1=25 kHz。

當D=0時，電臺頻率間隔相等，此時根據式(7)-(10)，可得

(11)

當禁用頻點n4=0時，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劃的通信車為43輛。但在實際運用中，若采用相等的頻率間隔，各電臺之間會產生三階互調干擾，為此，接下來討論頻率間隔不相等的情況。

當D≠0時，電臺頻率間隔不相等，此時根據式(7)-(10)，可得

(12)

2.5≤Δfj-1≤6.4；

(13)

根據式(12)、(13)，可得

0≤D≤0.747。

(14)

根據式(11)-(14),可得q和D的對應關系，如圖7所示。當D=0.747時,可得q=25。

圖7 q和D的對應關系

由以上分析可知：當采用分頻段頻率生成方式進行頻率分配時，若每輛車上電臺數量為6，電臺最小頻率間隔為25 kHz，則本區域可投入的通信車數量為25≤q≤43。

當禁用頻點n4≠0時,在跳頻中，頻點之間的頻率間隔不再連續且相等，即f2不再是固定值，使得電臺之間的頻率間隔Δfj-1有可能變成相等，就會出現D=0的情況，又會產生互調干擾。因此為避免此情況，應保持

Δfj-Δfj-1=D≥4f1N4，

(15)

式中：N4為n4中最大連續不可用頻點個數。

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，接入網和專用網通常在全頻段范圍內采取交替方式進行頻率規劃，以確保兩網之間無頻率干擾。按照四邊形頻率空分復用的方式，所用跳頻表的最小頻率間隔變為f2=8f1，且W2≤58，將相應值代入式(7)-(10)中，即可得出相應的結果，具體分析和計算過程與分頻段頻率生成模式類似，這里不再贅述。

3.3 實例驗證

假設某地域共投入20輛通信車，6部VHF電臺，構建接入網和專用網，兩網采取分頻段頻率生成模式，W2=26 MHz，跳頻電臺最小頻率間隔為f1=25 kHz,D=0.5，禁用頻點個數n4=10，N4=3，Δf1=3 MHz。將以上參數代入式(6)-(9)、(15)，可得各通信車VHF電臺起跳頻率表號分配情況，如表1所示。

表1 各通信車VHF電臺起跳頻率表號分配

表1為采用模型方法進行頻率分配的結果，可以看出：這種方法確保了頻譜資源的有效利用，且有效避免了同車各電臺以及各車電臺之間的各種干擾，相對于現役網絡規劃軟件粗放式規劃方法，具有科學性和可操作性。

4 結論

針對戰術級接入網VHF電臺頻率規劃存在的問題，筆者提出了接入網“分頻段頻率生成”和“全頻段混合生成”2種模式下頻率規劃的通用模型和算法，并進行了實例驗證。結果表明：模型合理，較好地解決了我軍當前網絡規劃軟件中頻率利用率不高、頻點沖突等問題。本文中，全頻段混合生成模式主要采取頻率交替方式進行規劃，對于頻率分段和頻率交替2種方式共用情形下的頻率規劃，問題更加復雜，在這種情形下如何進行無線接入網頻率規劃，將是下一步重點研究方向。