战术级无线接入网VHF电台频率规划

王会涛， 杨若鹏， 侯剑锋

(国防科技大学信息通信学院， 湖北 武汉 430010)

在战术无线接入网作战使用中，因用频装备种类、品种多，造成频率规划复杂、频率冲突、规划质量差等问题。针对此问题，美军开发了联合网络管理等系统，但主要结合自身系统进行规划，无法直接运用到我军。我军也研制了战术级网络的相应规划系统，主要采取人工规划的方式，依托系统自动分配频率表，但在频率规划的科学性和抗干扰等方面还缺乏相应的支撑[1]。在该领域，苗丽[2]针对固定基站的频率分配问题，采取混合信道分配和信道借用算法频率分配方式，提出了无线通信网频率资源动态分配方法；文献[3-6]作者将遗传算法、蚁群算法、图染色算法等用于电台频率规划中,并取得了一些研究成果。但针对战术无线接入网网络组织特性和作战性能，国内外尚无专门全面的研究。为此，笔者针对战术无线接入网的军事特性和作战使用实际，从解决规划的科学性、提高频率的利用率、减少频率间干扰等角度，对战术无线接入网甚高频(Very High Frequency，VHF)电台频率规划问题进行研究和探索。

1 拓扑结构及需求分析

1.1 接入网拓扑结构

在作战使用中，VHF电台主要用于构建以基站为中心的接入网络(以下简称“接入网”)和以传统分组模式的专用网络(以下简称“专用网”)。

对于接入网，主要以车上的m部电台为中心构建，通过开设多个接入网，达到覆盖整个作战地域，实现全网用户的随遇接入和无缝切换等功能，其网络拓扑结构如图1所示。

图1 接入网网络拓扑结构

1.2 接入网用频需求

在战术通信网络中，VHF电台的工作频率范围通常为30～87.975 MHz(频段带宽W=58 MHz)，最小频率间隔为f1，一张跳频频率表通常需要256个频率点。因此，在所有频率点可用的情况下，共有频率点个数为n个，可组成np1张频率不重复的频率表。而在实际使用中，受环境及敌干扰等情况影响，并不是所有频率点都可以使用，存在禁用频率点，因此用于VHF电台组网的跳频资源难以生成完全不重复的np1张频率表。

理论分析和实践表明[7]：对于一张256个不重复频率点的跳频表，当同步组网时，因各子网同步跳变，理论上有k个跳频点就可以组成k个跳频网，但由于已建的跳频网会影响预建跳频网的跳频同步概率，在实际测试中的使用效率约为70%；当异步组网时，各子网之间频率的冲突碰撞导致的子网组网效率约为30%以下。

依据上述分析，设某作战地域利用VHF电台构建的VHF电台网个数为N1。其中，接入网个数为N2，专用网个数为N3，则满足N1=N2+N3。

对于接入网，为满足各网络之间无频率干扰，保证各接入网同步工作，通常采用同步正交的方式构建接入网。其所需频率点个数n2=N2/0.7。

对于专用网，主要用于构建各指挥机构之间，以及指挥机构与分队之间的通信联络保障，对于这种模式，由于不需要各网络时间一致，在实际运用中可以采用同步或异步组网。当采用同步正交跳频组网时，所需频率点个数n3=N3/0.7；当采用异步正交跳频组网时，所需频率点个数n3=N3/0.3。

在实际使用中，受电磁环境、敌方干扰和其他用频装备的影响，存在部分频率点不可用或不能用的情况，对于电台频率规划，这些不可用频点属于禁用频点，设禁用频点个数为n4。

根据以上分析，可知VHF电台网络的频点之间需满足

(1)

按照每张频率表256个频率点计算，整个作战地域接入网所用频率表个数np2和专用网所用频率表个数np3分别为

式中：「⎤表示向上取整。

由于接入网和专用网属于不同类型的网络，在实际使用中所用频率表不能共用，因此，

np2+np3≤np1，

(2)

考虑到作战中不同作战地域和作战样式下，接入网和专用网的数量可能会比较庞大，而对于VHF电台，所提供的频率点是固定不变的，在这种情况下，将不能满足式(1)、(2)，即无法满足通信保障对频率点的需求。针对这种情况，通常采取空分复用的方式，以提高频率利用率。其中，最典型的复用方式是六边形蜂窝小区模型，如图2所示。

图2 六边形蜂窝小区模型

由图2可知：1-7号区域组成一个空分复用单元，共同使用VHF电台np1个频点。考虑到电磁波传播损耗会随距离增加而增加，故假设电磁波经过传播距离M后，损耗至0，则在M距离外，即使采用相同的频率点，也不至发生频率互扰。

在实际频率空分复用时，为确保作战地域用频的连续性和投入兵力的规模，通常要求投入兵力的最大作战半径r≤M。根据r和M的关系，为简化计算，可进一步采用四边形的空分复用方式[8]，则各区域频点数为n*=n/4，最小频率间隔f2=4f1,且n2+n3+n4≤n*。

对于接入网和专用网，在一个区域内，至多有n*个频率点的情况下，至少需生成2张正交的跳频频率表，而每张频率表的频点数为256，可同时确保各区域中所用频率点不重复。笔者以单个区域为单元进行频率分配研究。

2 总体思路

2.1 主要模式

目前，对于VHF电台频率分配主要有2种频率生成方式[9]：

1) 接入网和专用网分段生成方式。接入网和专用网所用频率点分别覆盖部分频段，根据分段的情况，又可区分为单频段和多频段分段，如图3、4所示。单频段分段主要采取接入网和专用网连续分段的方式占用频率带宽。通常情况下接入网为单跳入网，专用网可以多跳入网，因此，在频率分段时，将接入网频点配置在高频段，专用网频点配置在低频段；多频段分段是将整个频段分成多个部分，每部分频段又按照先专用网后接入网的顺序进行频率的指配。在分段频率生成方式中，两网的频率相互独立，互不交叉，但在频率交界的位置会产生邻道干扰，因此，通常两网相邻的频率之间通常要间隔50个频率点。在这种方式下，两网之间无共用频率，可采取不同的组网方式，组织运用灵活，但频段带宽较窄，抗干扰能力弱。

图3 频率表单频段生成

图4 频率表多频段生成

2) 接入网和专用网在全频段混合生成方式(如图5所示)。接入网和专用网所用频率点覆盖了整个VHF电台的工作频段，这种方式具有频段宽、抗干扰的优点[10]，在此方式下，接入网和专用网可采取频点交替的方式进行频率的指配。相对于分段频率生成方式，其频段带宽变大，抗干扰能力增强，但会存在部分邻道干扰，但两网电台配置在同一台车的数量较少，且使用不同的频率表和网号，因此，这种干扰对通信的影响相对较小。

图5 全频段混合生成

2.2 规划算法

接入网主要以车上电台为中心来构建，假设车上共有m部VHF电台，如果所有电台都投入使用，则一辆通信车上将组织m个同步正交跳频VHF电台接入网，如果某地域共投入通信车数量为q，则N2=mq。同车多台VHF频率分配如图6所示。

图6 同车多台VHF频率分配

假设1#车的1#电台的起跳频率为f1,1=F1，则

(3)

则通信车的频率带宽为

(4)

由于在接入网模式下通信车的频宽不能大于接入网所用带宽W2，即要求通信车的频宽与Δfm之和不能大于接入网模式所用带宽，有

(5)

第i辆车上第j部电台的频率为

(6)

由式(4)、(5)可得

f1,m-f1,1+Δfm≤W2。

(7)

3 分析与测算

确定接入网的总体分配策略后，要对接入网所用频率进行具体分配。

3.1 分频段频率生成模式

在分频段频率生成模式中，接入网和专用网各使用频率带宽的一部分，两网的频率点各自独立，互不干扰。下面以单频段频率生成为例，按照四边形频率空分复用的方式，分析在单频段频率生成模式下接入网的频率分配问题。

在这种模式下，假设专用网频率带宽为W3，则接入网频率带宽满足W2+W3+50f2≤58，所用跳频表的最小频率间隔f2=4f1。

这里假设接入网和专用网所用频率带宽相等，即W2=W3,此时可得

假设通信车电台频率间隔为D，即Δfj-Δfj-1=D，根据式(3)-(7)可得

Δfm=Δf1+(m-1)D，

(8)

f1,M=F1+(M-1)Δf1+2×(m-1)×D，

(9)

且满足

(10)

假设通信车电台数量m=6，电台跳频时的最小频率间隔f1=25 kHz。

当D=0时，电台频率间隔相等，此时根据式(7)-(10)，可得

(11)

当禁用频点n4=0时，W2取最大值26.2 MHz,可得q≤43.7，即这种情况下本地域最大可规划的通信车为43辆。但在实际运用中，若采用相等的频率间隔，各电台之间会产生三阶互调干扰，为此，接下来讨论频率间隔不相等的情况。

当D≠0时，电台频率间隔不相等，此时根据式(7)-(10)，可得

(12)

2.5≤Δfj-1≤6.4；

(13)

根据式(12)、(13)，可得

0≤D≤0.747。

(14)

根据式(11)-(14),可得q和D的对应关系，如图7所示。当D=0.747时,可得q=25。

图7 q和D的对应关系

由以上分析可知：当采用分频段频率生成方式进行频率分配时，若每辆车上电台数量为6，电台最小频率间隔为25 kHz，则本区域可投入的通信车数量为25≤q≤43。

当禁用频点n4≠0时,在跳频中，频点之间的频率间隔不再连续且相等，即f2不再是固定值，使得电台之间的频率间隔Δfj-1有可能变成相等，就会出现D=0的情况，又会产生互调干扰。因此为避免此情况，应保持

Δfj-Δfj-1=D≥4f1N4，

(15)

式中：N4为n4中最大连续不可用频点个数。

3.2 全频段混合频率生成模式

在全频段混合频率生成模式下，接入网和专用网通常在全频段范围内采取交替方式进行频率规划，以确保两网之间无频率干扰。按照四边形频率空分复用的方式，所用跳频表的最小频率间隔变为f2=8f1，且W2≤58，将相应值代入式(7)-(10)中，即可得出相应的结果，具体分析和计算过程与分频段频率生成模式类似，这里不再赘述。

3.3 实例验证

假设某地域共投入20辆通信车，6部VHF电台，构建接入网和专用网，两网采取分频段频率生成模式，W2=26 MHz，跳频电台最小频率间隔为f1=25 kHz,D=0.5，禁用频点个数n4=10，N4=3，Δf1=3 MHz。将以上参数代入式(6)-(9)、(15)，可得各通信车VHF电台起跳频率表号分配情况，如表1所示。

表1 各通信车VHF电台起跳频率表号分配

表1为采用模型方法进行频率分配的结果，可以看出：这种方法确保了频谱资源的有效利用，且有效避免了同车各电台以及各车电台之间的各种干扰，相对于现役网络规划软件粗放式规划方法，具有科学性和可操作性。

4 结论

针对战术级接入网VHF电台频率规划存在的问题，笔者提出了接入网“分频段频率生成”和“全频段混合生成”2种模式下频率规划的通用模型和算法，并进行了实例验证。结果表明：模型合理，较好地解决了我军当前网络规划软件中频率利用率不高、频点冲突等问题。本文中，全频段混合生成模式主要采取频率交替方式进行规划，对于频率分段和频率交替2种方式共用情形下的频率规划，问题更加复杂，在这种情形下如何进行无线接入网频率规划，将是下一步重点研究方向。