復雜環境中海上通信局部通信鏈路中斷預測

木建一，李培正，駱曹飛，王煒皋

（中電科（寧波）海洋電子研究院有限公司，浙江 寧波 315000）

一般情況下，海洋通信環境相對于陸地存在較大差異，受到多種因素影響，如海浪陰影、海面電磁波的稀疏散射、發射接收雙方的相對運動以及天氣等，導致通信質量大幅度降低。其中，“日凌”干擾是春秋兩季海上通信鏈路出現嚴重延遲甚至中斷的主要因素，其持續時間長達10 min，有時會造成海上平臺與陸地間通信故障。在海洋中，定位與通信問題常常因受到海洋因素的干擾而變得更為復雜，嚴重影響了海洋導航和通信。因此，預測復雜環境中海上通信鏈路中斷具有重要意義。文獻[1]提出了基于協作非正交多址的預測方法。該方法以抑制的平均信號干擾和噪聲為目標，給出一種新的自適應波束賦形算法。在服從Nakagami-m 的前提下，推導出一個封閉的故障概率公式，用于對局部通信鏈路中斷的預測；文獻[2]提出了基于NSGA-II 的預測方法。該方法利用修正的NSGA-II 算法對移動通信環境下的站點進行優化，達到實現移動通信環境下的站址布局優化，從而實現通信鏈路中斷預測。由于受限于較小的通信通道，現有的兩種方案均存在通信鏈路易中斷和通信鏈路中斷預測時延大的問題，很難在海上通信網中推廣使用。因此，研究了一種新的復雜環境中海上通信局部通信鏈路中斷預測方法。

1 復雜環境中海上局部通信鏈路中斷分析

在復雜海上環境中，由于移動通信節點的異質性、通信與組網的復雜性以及網絡多樣性等因素，現有的無線通信架構已不能滿足實際應用需求，亟須構建一種適合海洋環境的無人通信平臺[3]。由于海上通信鏈路經常處于間歇中斷狀態，若想保證其數據傳輸的有效性，就必須舍棄現有的“端對端線”式傳送和驗證方式，采用“逐跳式”傳送方式，如圖1所示。

圖1 海上局部通信鏈路中斷示意圖

在實際中，海上通信鏈路[4]常常呈現間歇中斷狀態。當通信鏈路發生故障時，傳統的“端對端線”式的傳輸控制和驗證方式將會失去作用，采用“逐跳式”的轉發機制[5-6]能夠保證數據傳輸質量。受衛星通信固有特點的影響，衛星信號的傳播有一定的延遲，通常一個站與另一個站之間的延遲約為0.5 s，而兩端地面站之間的通信延遲約為1～2 s。此外，由于“日凌”干擾[7]的存在，可能出現長達10 min 的通信中斷。然而，導致衛星通信失敗的原因大都是普通的通信故障[8]，與平臺無關。

2 基于波浪滑翔器的鏈路中斷預測

2.1 波浪滑翔器通信鏈路中斷預測框架構建

波浪滑翔器[9]是新一代海上無人航行器，能夠搭載海、陸兩種不同類型的設備。基于北斗衛星，研制了一套由主控單元、通信模塊和位姿傳感器等構成的波浪滑翔器通信鏈路中斷預測框架[10-11]。具體如圖2 所示。

圖2 波浪滑翔器通信鏈路中斷預測框架

由圖2 可知，在海上平面基站監控中心確定目標波浪滑翔器所在位置后，基站監控中心通過波浪滑翔器在線獲取海上平面基站采集的信息，并根據波浪滑翔器回傳的通信鏈路中斷回聲定位信息，通過通信衛星發送給指揮中心。指揮中心經過分析后，對波浪滑翔器下達目標預測指令。以離線的方式，確定波浪滑翔器鏈路中斷回波時間，根據計算的中斷回波時間[12-13]，預測鏈路中斷位置。

2.2 中斷回波時間計算

在復雜環境中，根據動力學網絡的移動路徑和可視距離，結合波浪滑翔器鏈路[14]中斷回波時間，選擇合適的數據傳輸節點，以減少數據隨機性，提高海上數據傳輸的可靠性。每個節點的緩沖區中，按照優先級高低依次存儲數據包，同時根據節點間的來回傳輸決定節點的優先級。在海上平面基站的緩存中建立一個可以存儲不同入網許可等級信息的中斷回波報文排隊，并在每個排隊中根據請求加入的平臺信息的中斷回波時間對其進行排序，從而可以有效獲取波浪滑翔器鏈路中斷回波時間。

根據海上平面基站和指揮中心之間的海上通信指令，判斷通信鏈路是否正常。如果通信鏈路正常，則節點與節點之間回波信號傳輸時間用Tq表示，計算公式可表示為：

式（1）中，Ts表示傳輸報文生存時間；Td表示報文剩余時間；L表示鏈路長度總和；v表示回波信號傳輸速度。

如果通信鏈路中斷，則節點與節點之間中斷回波信號傳輸時間用Ta表示，計算公式可表示為：

采用時分復用原理，分時預測不同鏈路中的中斷情況，由此構建的波浪滑翔器鏈路中斷回波時間計算模型T0(t)，可表示為：

式（3）中，?(t)表示t時刻的預測節點緩沖時間；E(ε)表示緩沖區矩陣階數ε的緩沖時間關系矩陣；?min、?max分別表示設定的中斷回波時間最小和最大值。將計算的波浪滑翔器鏈路中斷回波時間作為參量，用于鏈路中斷位置預測過程中，能夠最大程度地提升預測質量。

2.3 通信鏈路中斷預測

在獲取波浪滑翔器鏈路中斷回波時間后，通過波浪滑翔器主控制器的主控單元分析中斷回波信號所在的位置。一旦鏈路中斷，那么波浪滑翔器接收到中斷回波信號后，結合回波信號傳輸距離即可確定信號中斷位置[15]。采用正交坐標系進行描述，中斷回波信號在三維空間中在t1時刻的坐標可表示為：

式（4）中，x、y、z分別表示縱向、橫向和垂向位移，對于這三個參量，計算公式為：

式（5）中，vx、vy、vz分別表示三個參量的分量[16]。

中斷回波信號在三維空間中在t1時刻的傳輸方向，結果為：

式（6）中，θ、φ、ψ分別表示發射角度、接收角度以及偏離角度。

假設經過多次迭代所得的中斷回波信號位置和傳輸方向分別為Ri、，其閾值分別為eR、es→，則通信鏈路中斷預測函數用下述公式表示：

3 實驗

3.1 復雜海上環境通信鏈路中斷模擬

以基站為中心，模擬暴雨、暴風惡劣環境下通信鏈路中斷情況，如圖3 所示。

圖3 復雜海上環境通信鏈路中斷模擬

圖3（a）中，丟失了發送確認數據指令、數據轉發和接收失敗指令；圖3（b）中，丟失了數據轉發、接收失敗指令、再次數據轉發指令。其中在暴雨惡劣環境下，在1.0～1.3 s、2.0～2.7 s 時出現了接收信號丟失情況，說明這兩處通信鏈路中斷；在暴風惡劣環境下，在2.0～2.5 s 時出現了接收信號丟失情況，說明該處通信鏈路中斷。

3.2 預測結果分析

在暴雨、暴風惡劣環境下，分別使用基于協作非正交多址的預測方法、基于NSGA-Ⅱ的預測方法和基于波浪滑翔機的鏈路中斷預測方法，對比分析預測結果是否精準，如圖4 所示。

圖4 不同方法預測結果精準度對比分析

由圖4（a）可知，在暴雨惡劣環境下，1.0～2.7 s 時出現了接收信號丟失情況，說明該處通信鏈路中斷；在暴風惡劣環境下，2.0～3.0 s 時出現了接收信號丟失情況，說明該處通信鏈路中斷，預測結果與實際情況不一致，說明基于協作非正交多址的預測方法的預測結果不精準。

由圖4（b）可知，在暴雨惡劣環境下，在1.0～1.6 s、1.9～3.0 s 時出現了接收信號丟失情況，說明這兩處通信鏈路中斷；在暴風惡劣環境下，在2.0～2.8 s、3.2～4.0 s 時出現了接收信號丟失情況，說明這兩處通信鏈路中斷，預測結果與實際情況不一致，說明基于NSGA-Ⅱ的預測方法的預測結果不精準。

由圖4（c）可知，在暴雨惡劣環境下，時間為1.0～1.3 s、2.0～2.7 s 出現了接收信號丟失情況，說明這兩處通信鏈路中斷；在暴風惡劣環境下，時間為2.0～2.5 s 出現了接收信號丟失情況，說明該處通信鏈路中斷，所提方法的預測結果與實際情況一致，說明預測結果精準。

4 結束語

海上通信受到復雜環境的影響，通信過程中容易出現大時延、高誤碼率及拓撲結構的動態性等。然而，通過利用海上的波浪滑翔器，可以為網絡通信鏈路的中斷提供一個可行的解決方案，即基于波浪滑翔器的鏈路中斷預測方案。相較于傳統方法，該方法能夠顯著提升預測精度，保證及時有效恢復海上通信，促進通信領域的進一步發展。