侯澤欣，呂衛(wèi)祥，裴 江，黃 镠

(中國船舶集團有限公司第八研究院，南京 211153)

0 引 言

數(shù)字相控陣雷達內(nèi)部使用了大量數(shù)字可編程器件，通過對其進行編程重構(gòu)可實現(xiàn)雷達的各種工作方式和多種功能。當(dāng)對其發(fā)射波形和接收匹配濾波進行合理設(shè)計時，可實現(xiàn)雷達間的信息傳輸與組網(wǎng)功能。在多功能相控陣雷達工作在通信狀態(tài)時，為保障通信數(shù)據(jù)的有效傳輸，需對網(wǎng)絡(luò)節(jié)點中相控陣雷達時間資源進行合理的分配，即通信時隙資源管理技術(shù)。一般典型的傳感器網(wǎng)絡(luò)采用TDMA時分多址技術(shù)進行通信資源的管理。

同時，數(shù)字相控陣雷達具有寬窄帶多通道處理模式，通過對寬帶通道增加寬帶調(diào)制解調(diào)技術(shù)，使得雷達通信功能實現(xiàn)寬帶、窄帶等多處理模式。寬窄帶通道多處理模式的聯(lián)合使用使得雷達系統(tǒng)可以以不同的通信傳輸速率進行雷達組網(wǎng)與通信，具備多種帶寬及速率下的通信工作模式。

雷達通信的信道狀態(tài)因復(fù)雜的氣象、電磁環(huán)境等不同而變化，并對相控陣雷達網(wǎng)絡(luò)通信數(shù)據(jù)的有效傳輸有一定影響。在信道狀態(tài)穩(wěn)定的情況下，不同的工作帶寬或不同的傳輸速率會有不同的通信傳輸質(zhì)量。因而，對于具有多種通信模式的相控陣雷達通信網(wǎng)絡(luò)亟需設(shè)計一種基于實際網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的實時動態(tài)通信資源管理方法，針對不同的信道狀態(tài)調(diào)節(jié)鏈路的通信帶寬、速率和時間片參數(shù)，對雷達的帶寬、速率等多種組合工作模式進行實時控制管理，以達到最佳的通信狀態(tài)。

1 網(wǎng)絡(luò)性能估計

相控陣雷達通信網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中信號衰落、節(jié)點移動以及突發(fā)干擾的影響會導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)內(nèi)通信鏈路中信道狀態(tài)和通信質(zhì)量的快速頻繁變化，無線信道上的數(shù)據(jù)傳輸速率及整個網(wǎng)絡(luò)的通信性能都隨之變化。因此，在通信過程中需實時地估計信道狀態(tài)及通信質(zhì)量的變化，按照性能估計結(jié)果對網(wǎng)絡(luò)通信資源進行有效管理，自適應(yīng)調(diào)節(jié)各網(wǎng)絡(luò)節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)的速率，以適應(yīng)當(dāng)前信道條件，充分利用網(wǎng)絡(luò)信道傳輸能力提高傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

1.1 信道狀態(tài)

信道是以傳輸媒質(zhì)為基礎(chǔ)的信號通路，傳輸媒質(zhì)是其主要部分，信號質(zhì)量的好壞主要取決于傳輸媒質(zhì)的特性。信道狀態(tài)主要由其振幅-頻率特性、相位-頻率特性、多徑效應(yīng)及環(huán)境噪聲影響。為了能在有限的頻譜范圍內(nèi)實現(xiàn)盡可能高質(zhì)量、大容量的通信，必須實時獲取信道的以上特性參數(shù)，對其進行計算分析，估計信道質(zhì)量。

信道環(huán)境質(zhì)量計算在網(wǎng)絡(luò)通信資源管理上有著重要的意義。在通信系統(tǒng)的實際使用中，信道狀態(tài)估計作為表征信道特性的參數(shù)對信道切換、自適應(yīng)通信速率調(diào)節(jié)、發(fā)射端功率調(diào)節(jié)等功能都起到了重要的作用。

1.2 通信質(zhì)量

通信質(zhì)量主要從通信系統(tǒng)的有效性和可靠性兩方面性能指標(biāo)來考量。有效性由傳輸速率和頻帶利用率來衡量：

(1) 碼元速率，單位時間傳送碼元的數(shù)目。

RB=1/T(B)

(2) 信息傳輸速率，單位時間內(nèi)傳遞的平均信息量或比特數(shù)。

Rb=RBlog2M(b/s)

(3) 頻帶利用率，單位帶寬內(nèi)的傳輸速率。

η=RB/B(B/Hz)

可靠性由差錯率來衡量：

(1) 誤碼率，錯誤接收碼元數(shù)在傳輸總碼元數(shù)中所占比例。

Pe=錯誤碼元數(shù)/傳輸總碼元數(shù)

(2) 丟包率，未接收的數(shù)據(jù)包數(shù)在傳輸總包數(shù)中所占比例。

Pb=未接收數(shù)據(jù)包數(shù)/傳輸總包數(shù)

通過接收網(wǎng)絡(luò)通信鏈路的傳輸誤碼率、頻帶利用率、信息傳輸速率等指標(biāo)的反饋，對通信鏈路的性能進行分析，實時估計各鏈路通信質(zhì)量。

2 通信資源多模式管理方法

多功能相控陣雷達通信網(wǎng)絡(luò)組建完成后，按照一定的時隙資源配置完成網(wǎng)絡(luò)內(nèi)數(shù)據(jù)傳輸。同時，實時計算網(wǎng)絡(luò)內(nèi)各通信鏈路的通信質(zhì)量和信道狀態(tài)，自適應(yīng)調(diào)節(jié)編隊通信資源參數(shù)，實時切換網(wǎng)絡(luò)各通信鏈路工作帶寬、控制網(wǎng)絡(luò)通信速率。當(dāng)有大容量數(shù)據(jù)緊急傳輸業(yè)務(wù)產(chǎn)生時，通過高速路由傳輸通信資源設(shè)計方法提取最優(yōu)路由，并對高速通信路由的傳輸通信資源動態(tài)編排來解決網(wǎng)絡(luò)實時信道狀態(tài)和通信質(zhì)量復(fù)雜變化導(dǎo)致業(yè)務(wù)失敗的問題。

多功能相控陣雷達組網(wǎng)通信資源多模式管理方法的實施過程及流程如圖1所示。

圖1 通信資源多模式管理方法流程

(1) 多功能雷達通信網(wǎng)絡(luò)初始化

雷達網(wǎng)絡(luò)初始化，完成多功能相控陣雷達網(wǎng)絡(luò)的組建。通信網(wǎng)絡(luò)的路由關(guān)系如圖2所示。

圖2 通信網(wǎng)絡(luò)路由示意圖

(2) 資源初始化分配

根據(jù)多功能相控陣雷達網(wǎng)絡(luò)的通信路由關(guān)系，初始化分配通信資源進行網(wǎng)絡(luò)通信。根據(jù)圖2所示網(wǎng)絡(luò)態(tài)勢，通信資源的分配結(jié)果如表1所示。

表1 網(wǎng)絡(luò)通信資源初始化分配表

(3) 通信質(zhì)量和信道狀態(tài)估計

通過對網(wǎng)絡(luò)內(nèi)各通信鏈路的通信數(shù)據(jù)傳輸效果和物理層信號反饋信息統(tǒng)計分析，實時估計網(wǎng)絡(luò)各通信鏈路的信道狀態(tài)和通信質(zhì)量，估計結(jié)果如表2所示。

表2 通信質(zhì)量及信道狀態(tài)估計表

由表2可得網(wǎng)絡(luò)內(nèi)各通信鏈路的實時通信速率、鏈路通信質(zhì)量和信道狀態(tài)的量化值。

(4) 帶寬及速率分析

對各鏈路的通信質(zhì)量、信道狀態(tài)和實時的工作帶寬、傳輸速率進行統(tǒng)計、數(shù)據(jù)分析，選擇最優(yōu)通信模式設(shè)置合適的工作帶寬和傳輸速率以達到鏈路當(dāng)前信道狀態(tài)下最優(yōu)的通信質(zhì)量。圖2所示為帶寬及速率分析后的各通信鏈路的工作模式選擇結(jié)果，共有寬帶高速、寬帶低速和窄帶3種通信工作模式。

(5) 通信資源動態(tài)分配

根據(jù)帶寬及速率分析后確定的各通信鏈路工作模式，完成網(wǎng)絡(luò)通信資源的動態(tài)分配。通信資源分配結(jié)果如表3所示，其中加粗、下劃線代表工作模式1即寬帶高速模式，加粗、無下劃線代表工作模式2即寬帶低速模式，不加粗、無下劃線代表工作模式3即窄帶模式。

(6) 高速路由傳輸資源管理

分析各鏈路的通信質(zhì)量和信道狀態(tài)，提取高速路由解決方案，并對編排的通信資源進行動態(tài)調(diào)整，具體方法如下節(jié)所述。

表3 網(wǎng)絡(luò)通信資源動態(tài)分配表

3 高速路由傳輸資源管理

高速路由傳輸通信資源管理的具體流程如圖3所示。

圖3 高速路由傳輸通信資源管理流程

(1) 高速路由需求分析

當(dāng)有大容量緊急數(shù)據(jù)需在某一鏈路中傳輸而該鏈路信道的通信狀態(tài)差、傳輸速率低時，即產(chǎn)生高速路由傳輸需求。例如，節(jié)點1急需向節(jié)點6傳輸大容量數(shù)據(jù)。

(2) 路由狀態(tài)計算

統(tǒng)計計算該通信鏈路的通信質(zhì)量和信道狀態(tài)，即鏈路兩節(jié)點間所有路由方式下的各通信鏈路的通信質(zhì)量和信道狀態(tài)。

(3) 最優(yōu)路由提取

由下式計算各路由方式的通信速率Sj、傳輸效率Pj，提取最優(yōu)路由。

其中，Sj表示第j種路由方式的通信速率，n為路由跳數(shù)，si為路由中各單鏈路的通信速率。

其中，Pj表示第j種路由方式的傳輸效率，n為路由跳數(shù)，pi為路由中各單鏈路的傳輸效率。

選取各路由方式下通信速率與傳輸效率之積max(Sj·Pj)最大的通信路徑為最優(yōu)路由。例如，節(jié)點1與節(jié)點6傳輸?shù)淖顑?yōu)路由路徑為1<->3，3<->6。

(4) 通信資源動態(tài)分配

根據(jù)提取的最優(yōu)路由信息動態(tài)分配通信資源。鏈路1～6的高速路由傳輸通信資源分配結(jié)果如表4所示。

表4 高速路由傳輸通信資源動態(tài)分配表

4 結(jié)束語

針對具備多帶寬多速率通信工作模式的多功能相控陣雷達網(wǎng)絡(luò)，本文提出一種有效的資源管理方法，通過實時地監(jiān)測鏈路通信質(zhì)量和信道狀態(tài)，實現(xiàn)多功能相控陣雷達網(wǎng)絡(luò)多模式通信的有效控制。通過對通信資源的有效管理，提高了寬帶高速率通信模式的利用率，提升了通信傳輸效率。

通過高速路由傳輸資源管理，提高了大容量緊急數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務(wù)的成功率，提升了多功能相控陣雷達通信網(wǎng)絡(luò)在復(fù)雜通信信道環(huán)境下的工作效能。但是，本文的最優(yōu)路由提取方法對路由跳數(shù)變化造成的端到端時延代價問題未進行分析，需要后續(xù)做更進一步的研究。