基于AGC动中通链路状态检测算法*

杨晋波，张峰干，陈 富，郑 浩

（火箭军工程大学，西安 710025）

0 引言

动中通是新一代的宽带移动卫星通信系统，能够在运动中提供反向速率大于512 Kb/s的宽带数据通信服务［1］。当前TCP协议主导了商业和军事网络，在动中通链路中使用TCP协议是大势所趋［2］。由于动中通工作于不断变化的环境中，其通信链路不可避免地会受到树木、桥梁、隧道及其他建筑物的阴影遮挡，为了克服阴影遮挡对TCP协议通信带来的不利影响，文献［3］从改进TCP协议的角度，研究了在阴影状态链路中使TCP快速恢复的方法，文献［4］从TCP网关设计的角度，研究了减弱动中通链路阴影状态恶化TCP性能的方法，文献［5］研究了动中通不同链路阴影状态的编码策略。以上研究都是在动中通链路状态不可知的情况下，提高动中通通信效率的方法。在动中通的动态运动中，如果能够实时的感知当前通信链路状态，则能够为TCP协议的改进及网关设计提供有效的链路状态参考信息，并能够根据链路状态为及时改变通信编码策略提供可能，从而提高动中通系统的整体通信效率。

1 动中通链路状态

为了降低动中通轮廓，减小动中通大小，动中通使用波束方向性强的天线，并工作于Ku或者Ka波段，所以可以忽略多径效应对动中通链路性能的影响［6］，动中通链路主要受到树木和建筑物的阴影遮挡影响。

阴影对链路状态的影响可以由动中通接收卫星AGC信号的变化体现出来，根据阴影大小与动中通天线波束宽度的关系，可以将阴影状态分为无阴影状态、部分阴影状态及完全遮挡状态［7-8］，它们的主波束遮挡情况如图1中A、B、C所示。

1.1 无阴影状态

动中通链路的无阴影状态可以分为两种情况：一是载体在开阔的路面上行驶；二是载体与目标卫星之间的遮挡物较小，且载体速度较快，遮挡时间很短，这种遮挡的影响可以忽略不计。在无阴影状态下，AGC信号的值由于动中通的指向误差在最大值附近轻微波动，其最大值与最小值之差不大于0.4 V且AGC信号值全部大于4 V，如图2所示。

1.2 部分阴影状态

动中通链路的部分阴影遮挡主要是由树荫遮挡和电线杆遮挡造成的，在这种情况下，AGC信号的大小无规律的变化，既有处于最大值的时间点，又有处于最小值的时间点，当信号在这种链路状态中传输时，会造成极大的误码率，其AGC信号变化状态如图3所示。

1.3 完全遮挡状态

动中通链路的完全遮挡状态主要是由建筑物遮挡、隧道遮挡和桥梁遮挡造成的，在这种情况下，AGC信号会急剧下降，动中通无法进行数据通信，其AGC信号的变化状态如图4所示。

2 动中通链路状态检测算法

根据上文的分析，动中通链路状态总共有3种，链路状态检测算法的功能就是根据AGC信号的不同变化情况，以最快的速度判断当前的动中通链路处于何种状态。

下面详细说明基于统计AGC信号变化的动中通链路状态检测算法。

1）用state变量表示动中通链路状态，state=3表示无阴影状态，state=2表示部分阴影状态，state=0表示完全遮挡状态；

2）当动中通载体初次指向目标卫星时，设定state=3；

3）采集N个AGC信号构成一维信号数组V，设定无阴影状态的AGC信号下限值为V0，完全遮挡状态的AGC信号上限值为V1，将AGC信号值分为3个区间，分别为和；

4）分别统计N个AGC信号在3个区间内的频数 G1、G2和 G3，并计算相应的频数 P1、P2和 P3，设定在无阴影状态时，P3的下限值为t1，在部分阴影状态时，P2的下限值为t2。

5）用 V（n）代替 V（n-1），并取 V（n）为下一个AGC信号值，重新执行第4步，然后按照第6步判断动中通链路状态。

6）动中通链路状态的转换图如图5所示，各个状态根据下一时刻的不同条件进行转换，如果没有达到转换的条件，则保留当前状态不变。

下面详细论述状态之间的转换条件：

条件1，当state=0转变为state=3时，动中通接收到的AGC信号会由最小值迅速恢复到最大值，为了能够快速检测到链路状态已经恢复到无阴影状态，取N个变量中最后delta个，当满足式（1）时，条件1成立。

条件2，当state=0转变为state=2时，由于AGC信号值在最大值与最小值之间无规律的变化，P3和P2同时增大，当满足式（2）时，条件2成立。

条件3，当state=2转变为state=0时，AGC信号会由无规律变化状态变为连续的最小值状态，为了快速检测到链路状态的变化，同样取N个变量中最后delta个，当满足式（3）时，条件3成立。

条件4，当state=2转变为state=3时，AGC信号会由无规律变化状态转变为持续在最大值附近轻微波动，这会导致P3增大到无阴影状态的下限值t1，或者AGC信号的最后delta个全部大于V0，当满足式（4）时，条件4成立。

条件5，当state=3转变为state=2时，AGC信号值会由在最大值附近轻微波动转变为在最大值与最小值之间无规律变化，这会导致P3减小的同时P2增大，当满足式（2）时，条件5成立。

条件6，当state=3转变为state=0时，AGC信号由在最大值附近轻微波动转变为突变到最小值，为了以更快的速度捕捉到这种变化，使用文献［9］中的方法，设定突变门限为t3，当满足式（5）时，条件6成立。

7）当判断完一次链路状态时，重新执行第5步进行下一时刻的判断，直到动中通停止工作。

3 实验测试与仿真分析

3.1 实验条件

为了检验上述算法，将实验室0.6 m反射面动中通天线安装于全顺车上，在西安地区接收亚太3S卫星信号（经度105.5°），选择包含树木、隧道、桥梁及建筑物的路面进行跑车实验，记录在不同环境中接收的卫星AGC信号，实验测试装备如图6所示，在车辆内部，信标机通过功分器与动中通相连，将接收到的卫星AGC信号通过串口传送到笔记本电脑中进行存储，其中信标机采集AGC信号的频率为20 Hz。

3.2 仿真参数设定

设定统计数据长度N=40，无阴影状态的AGC信号下限值为V0=3.5 V，完全遮挡状态的AGC信号上限值为V1=0.5 V，信号突变门限t3=3。

为了确定在部分阴影状态下P2的下限值t2。选取多个树木阴影路段的AGC信号，计算在N=40的情况下P2随时间的变化过程，计算结果如图7所示。

从图中可以看出，P2的变化区间在0.4到0.8之间，所以选取P2的下限值t2=0.4。

使用同样的方法，计算在无阴影遮挡路段下P3随时间的变化过程，得到P3的下限值t1=0.95。

3.3 仿真结果分析

在3.2部分设定的参数情况下，选取包含树木遮挡的部分阴影遮挡路段及隧道遮挡的完全遮挡路段，使用本文提出的动中通链路状态检测算法进行仿真。其中，delta的大小决定算法对完全遮挡状态及无阴影状态检测的灵敏度。图8为delta=8的仿真结果，图9为delta=15的仿真结果。

从仿真结果可以看出，算法可以准确判断当前的动中通链路状态。当delta较小时，可以快速检测到动中通从完全遮挡状态到无阴影状态的转变，但是在树木阴影遮挡的情况下，链路状态会在部分阴影遮挡和完全遮挡两种状态之间频繁转变，这对于为TCP网关设计及调整编码策略是不利的，因为这会增加TCP网关及卫星Modem的工作复杂性；当delta较大时，在树木遮挡的情况下，链路状态转变频率减少，但是不能快速检测到动中通从完全遮挡状态到无阴影状态的变化，这就不能充分利用动中通通信链路，降低了通信效率。所以在实际工程应用中，要根据实际需求选取合适的detal值。

4 结论

动中通与固定卫星通信的最大区别就是动中通处于不断变化中，所以动中通通信链路不可避免地会受到阴影遮挡及建筑物阻断，为了在动中通链路中使用TCP协议以及及时调整编码策略提高通信效率，提供实时的链路状态信息有重要意义。本文分析了动中通的3种链路状态，提出了基于AGC的动中通链路状态检测算法，通过实验测试及仿真，该算法可以准确地判断当前链路状态。在以后的研究中，可以为TCP网关及卫星Modem提供实时的链路状态，这样可以有效控制发送窗口大小及调整编码策略，提高动中通的通信效率。