短波网动态频率管理系统的状态查询设计

朱振飞 刘毅敏 吴永宏 卢冬鸣

(中国电波传播研究所，山东 青岛 266107)

引 言

短波通信新技术[1-4]的引入与研究，极大地提高了短波通信的质量与应用范围，使得未来的短波通信运用模式越来越向组网运用发展[5]．国内外在短波通信网及其频率管理机制等方面做了大量研究和实验[6-8]．新一代的短波通信网络一般采用多级分层树形结构，网络终端为机动电台，以星形结构接入各区域接入点(基站设备)，网络通常定位于应急通信体系或备用通信体系，主要特点为：覆盖区域大、基站设备硬件资源相对较少、网络终端数量庞大、终端平均业务量低、业务突发性强等．由于短波信道资源少、信道质量随电离层变化，短波通信网的频率资源管理必须以信道资源共享、动态信道资源分配与回收、实时信道资源调配等策略[9]来实现．机动终端的链路状态是短波网进行动态频率管理的重要输入信息；实时状态查询是无线网络常用的获取链路状态的有效手段，针对短波通信的特点，本文设计了快速、高效的链路状态查询机制及相关的查询调度算法和空中波形．其中波形设计结合了141B协议中的突发波形1 (Burst Waveform 1， BW1)，部分兼容目前的短波设备，可方便地应用于新规划的短波通信网．

1 状态查询机制设计

1.1 状态查询基本原理

在短波网中，全网使用一个公共的频率池{Fsys}，频率在动态指配过程中，任意一个频率fj可能同时被N个基站复用(复用：基站间地域间隔足够远，相互之间无干扰)；同时，在第n(n=1,2,…,N)个基站，该频率fj还有可能存在于In个机动终端共用的工作信道组中．最终，每个基站将获得一个子频率池{Fbase}，并管理一个用户集{Suser}．短波通信网频率分配示意图如图1所示．

图1 短波网频率分配示意图

在每个基站覆盖区内用信道fj广播查询信息，可最多同时查询∑In个机动终端．终端回复查询信息时，可分为N个独立的组回复不同的基站，每个组内的In个终端依次回复．合理的设计以{Fbase,Fuser}为基本元素的频率资源矩阵及相应的查询调度算法，可实现状态查询机制调度的最优化；合理地设计基站查询帧格式以配合电台的异步扫描工作模式，即可在物理层确保查询机制正确地执行．二者构成高效快速的链路状态查询机制．

1.2 链路状态查询流程

查询流程可分为查询调度、查询广播、查询回复、状态判定．

查询调度：确定当前查询使用的下行频率和发射查询信息的基站；选择本次各个基站要查询的终端，并确定这些终端的回复次序，调度算法的优劣决定了状态查询流程的开销时间．

查询广播：选中的基站按选定频率发送查询广播(帧格式如表1所示，见2.2节)．

查询回复：收到查询广播的机动终端解读查询信息，计算自己的回复顺序及下行信道质量．各终端按顺序在自己相应的时隙到达时，发送查询回复(帧格式如表2所示，见2.2节)．

状态判定：状态有三种：双向链路质量良好、双向链路质量下降、链路状态未知即查询后未收到回复．基站按已分配时隙检查是否收到对应机动终端的应答帧，根据情况判断链路状态并决定后续操作：

1) 若收到应答帧，且双向链路的质量都合格，则更新链路状态为正常，在本轮后续的点名查询过程中，不再查询该机动终端；

2) 若收到应答帧，但双向链路中有链路质量不合格，则更新链路状态为继续查询，本轮后续的点名查询过程中，继续用其他频率对该机动终端进行查询；

3) 若未收到应答帧，则更新链路状态为未知，本轮后续的点名查询过程中，继续对该终端进行查询．

在所有信道查询完成后，整理链路状态，对链路状态为继续查询的链路，可通过系统的动态频率管理模块为其重新指配新的频率组，并发起业务工作模式，将频率表传送至终端；对于链路状态为未知的链路，直接由频管系统删除终端在网信息，等待终端重新注册，并将相应频率组置为空闲，留待分配至新入网终端．终端在一轮查询周期后发现自己未收到查询，将判断为自己被频管系统删除出网．终端将再次主动发起入网请求，重新注册入网．

2 状态查询调度设计

2.1 状态查询调度算法

设用户数为I，可用频率个数为J，I×J维频率指配矩阵的元素为

Fassign(i，j)=kk=0,1,…,Nshare.

(1)

式中：Nshare为每个频率被共享的最大次数；k是不超过Nshare的指配序数，当k=0时表示未给用户ui指配频率fj，当k>0时表示为用户ui指配了频率fj，且其回复次序为k．由于采用了频率共享机制，因此Fassign中第i行的非零元素对应的频率集合表示对用户ui指配的业务频率组，Fassign中第j列的非零元素对应的用户集合代表共享频率fj的用户．

指配后用户使用业务频率进行建链的情况用I×J维建链状态矩阵可表示为

Llinkstate(i,j)=t，t=1,…,T/Δt,T/Δt+t.

(2)

式中：t为建链成功距今的时间刻度，在T时间内建链成功，则t=「Tlink/Δt⎤，否则超过T时间未建链成功时t=T/Δt+1,Tlink为建链距今过去的时间；T为指配有效时长； Δt为状态更新间隔，这里取T=12 h, Δt=0.5 h．

根据建链状态矩阵，可得I×J维频率质量矩阵为

(3)

查询状态矩阵设计为：

(4)

式中：i=1,2,…,I;j=1,2,…,J.

系统初始化时，Hinquiry中与Fquality非零元素对应位置元素为1，其余元素为0．设当前待查询的频率集合Fwait为一个1×J维向量：

(5)

本次查询的频率编号为

Fwait]}.

(6)

本次查询的用户集合U为一个I×1维向量：

(7)

该变量作为查询广播帧中的点名表将发送至收到查询呼叫的用户处，用户根据指配时自己获得的频率序数k可以在U中找到自己的位置，再通过自己前面有几个被查询用户，就可计算得到自己的回复顺序．第i个用户的回复次序为

c(i)=

(8)

式中nnz(*)表示求取矩阵非零元素个数．

2.2 查询帧格式设计

查询帧格式设计参考了美军标MIL-STD-188-141B[10]，帧格式基于BW1波形设计，目前已支持141B协议的电台和基站只需在上层软件做简单的修改就可实现．信息帧采用8PSK调制方式，r=1/2,k=7的卷积码编码．帧中的协议字段为3 bit长度，定义为111，表示本帧为点名查询协议数据单元(Protocol Data Unit，PDU)，以区别于已在141B协议中定义的HDL-ACK帧(high-rate data link protocol-acknowledgment，HDL协议中的确认帧，协议字段=000)及TM-PDU帧(traffic management-protocol data unit，业务管理协议帧，协议字段=001)．基站点名查询帧和终端应答帧的帧格式分别如表1、表2所示．

表1 基站点名查询帧格式

表2 终端应答帧格式

基站点名查询帧波形在原BW1波形的基础上增加了扫描引导序列，以兼容电台的异步扫描工作模式．波形由4部分组成，分别为自动增益控制保护段(tlc)、扫描引导段(scan)、同步引导段(pre)、有效数据段(data)．其中数据段由48 bit扩展到了96 bit．各字段的长度为：Ttlc=106.67 ms、Tscan=「1.3×Nchann⎤×600 ms、Tpre=240 ms、Tdata=1 920 ms．当电台分配信道数Nchann=4时，基站单次点名查询帧发送时长为Tball=5 860 ms．

终端点名应答帧与BW1波形相同，单次应答的发送时长为Tsall=1 300 ms．

3 查询代价及性能仿真

短波网在引入查询机制后，动态频率管理系统将从中获得各终端的链路状态信息，并以此为依据实施动态频率调控机制以提高终端通信质量、实现频率资源的动态回收与释放，从中获取收益；但查询过程会占用基站及机动终端的业务信道，对正常业务通信造成影响．长的状态查询间隔会降低对业务信道的影响，但同时也会造成部分信道恶化而未能及时发现，造成业务可通率指标恶化．仿真将从以上几个方面分析查询机制的收益和代价．

3.1 应用场景描述

取2011年6月份的一次短波频率预测及天波链路测试的实验数据，并从中提取出短波预测频率与不同时间间隔实测的可通率数据，如图2所示．

图2 短波预测频率不同时间段可用概率图

对于一个典型短波网部署，假定每个基站信道机数量Nequip=16；经频率复用后，每个基站分配的频率池{Fbase}中的频率数平均为30个，其中日频频率Ndchann=24、夜频频率Nnchann=12；基站容纳的最大终端数Nuser=156；每个终端在入网时分配4个信道；基站每30 min对所有终端进行一轮查询．

3.2 仿真结果

由仿真结果图3可知：单轮的状态查询时间在极低的信道可通概率下，最大可接近1 800 s；查询时间随信道可通率的升高而降低，当可通率极高时，日频/夜频条件下的查询时间都约为500 s，即8 min左右；图中日频条件下的查询时间总是大于夜频下的查询时间，这是由于日频条件下可用频率比较多，系统的频率共用度低造成的．

业务信道占用率集中在1.5%～6%之间，曲线走势基本与信道查询时间相同，日频条件下的占用率始终比夜频信道占用率低是由于夜频条件下频率资源较少造成的．若短波网中的动态频管系统设计合理，可以保证单信道可通率维持在较高的概率，则可在日间和夜间进一步延长查询业务的间隔，仅在日夜交替时段将查询业务间隔设置为30 min，以进一步降低查询带来的信道占用．

图3 查询时间/业务占用率随可通率变化图

仿真结果图4表示短波网中状态查询时间间隔对通信性能的影响．

图4 查询机制收益与间隔时间的关系

图4中，终端状态改善率定义为Rrise=(Nreg×a+Nchannge)/Ntotal，其中Nreg为查询进程执行后需要重新注册的终端数；Nchange为查询进程执行后需要更换频率组的终端数；Ntotal为总的终端数；a为权重比．由图4可以看出当查询间隔在两小时左右时，查询进程带来的终端状态改善约为10%，此时终端业务可通率基本可维持在较高的水平．随着查询时间间隔的增大，查询机制带来的收益也随之增大，但系统的终端业务可通率会有急剧的恶化．在设计短波网频管系统时，可参照上述分析，合理地规划查询进程间隔．

4 结 论

针对短波网的特点，为短波网频管系统设计了一套优化的链路状态查询机制，对链路查询方式、查询调度算法、通信协议等内容作了详细的阐述，并给出了关于状态查询机制的开销、带来的系统性能增益等仿真结果．在实际工程应用中，可参照该设计方法和仿真结果来指导、评估短波网频管系统指标的设计与优化．

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