基于动态天线调度的机载超短波通信系统设计*

王 颖

（中国电子科技集团公司第十研究所 成都 610036）

1 引言

随着对信息化战争条件下作战理论与实践的深入认识，制信息权成为决定战争胜负新的战略“制高点”，世界各国不断加大军事电子信息系统的投入［1］。提升机载超短波通信功能的通信质量和通信可靠性，是现代信息化战争领域中的一个重要研究课题［2］。

超短波天线装机后部分方向的天线增益无法满足使用需求，导致超短波通信出现信号质量差、通信中断等问题［3～4］。在不改变通信体制和机载环境受限的情况下，提升天线空域覆盖，提高通信质量是问题的关键。

2 基于天线分集的机载超短波通信功能

分集技术分为空间分集、频率分集、时间分集和极化分集等多类分集方式［5～7］。受机载超短波通信体制限制，在不改变波形体制和地面激励器软硬件的情况下，考虑机载平台对硬件开销的限制，选择双天线接收、单天线发射的空间分集方式［8～9］。

基于双天线的超短波通信框架如图1所示，采用双天线接收，利用两副安装在不同位置的天线，空域覆盖具备互补性，为接收信号提供更多副本，在信号处理中选择信号质量好的链路送至应用层。发射利用天线切换技术，根据接收链路状态信息，将接收时优选的天线反馈给射频前端，从两副天线中选择1副进行发射。该技术只需要1个放大器，降低了射频开销和节约成本，同时也可以达到两副天线相同的空间分集效果，提高传输质量和可靠性。

图1 基于双天线的超短波通信功能框图

基于双天线的超短波通信功能线程收发流程如图2所示。接收的射频信号比对和优选在信号处理中实现，选择的结果上报给资源调度中心。发射时功能向资源调度中心请求天线资源，调度中心根据上一次接收天线选择分配发射天线给链路进行发射。

图2 基于双天线的超短波通信功能线程收发流程

3 基于动态天线资源调度策略的机载超短波通信系统设计与实现

在第2节中提出了基于双天线的超短波通信功能架构，机载超短波通信系统是多链并行的通信系统，受机载平台限制，无法满足每条链路配置两副独立天线的需求；在有限的天线和射频资源下，有效的天线分配和调度策略是保证充分利用链路资源、发挥天线效能的关键。

3.1 基于动态规划的天线资源调度策略

传统的天线调度策略是根据任务规划，在飞行前规划好每个功能线程使用的天线，功能装配成功后天线不再更改。这种调度策略的好处是对硬件链路控制简单，操作性高，资源调度中心根据规划好的功能线程和天线对应方式进行资源配置［10～13］。缺点是多个功能线程并行工作时，存在资源冲突（多线程需要相同天线资源）和资源浪费（某些天线资源空闲未被使用）的情况。

图3（a）为两个并行的功能线程同时使用两副天线的资源使用示意图，采用固定天线资源调度策略时，功能线程2使用天线1发射时，功能线程1请求发射时资源冲突。

针对固定天线分配策略的问题，提出了基于动态规划的天线资源调度策略［14］。所有天线资源均在资源池中接收动态配置，依据链路状态实时分配，出现资源冲突时，根据链路的优先级，保证优先级高的链路获得最优的天线资源，并将资源池中空闲的天线分配给其他需要使用的链路。图3（b）采用动态天线分配策略，功能线程2优先级高于线程1。在功能线程2占用天线1发射时，资源调度中心分配天线2作为功能线程1发射天线。

图3 不同天线分配策略下的工作时序

在机载超短波多链通信系统中，以提升天线利用率、提高通信概率为目标，建立天线调度策略。在天线调度过程中，有3个主要考虑的因素。

1）链路状态信息

资源调度中心根据每条链路的实时状态筛选出哪些天线是正在被使用的，哪些天线是空闲的。每条链路均需要实时上报链路状态信息：当接收信道静噪被冲开，检测到有用信号时，链路上报“正在收”；当信号处理收到话音或应用层消息时，链路上报“正在发”；非以上两种情况，链路上报“未收未发”。

2）接收天线选择

每条链路均采用双天线接收，信号处理根据接收到的信号质量优选一路信号送至应用层，在信号处理选择好接收天线后，上报选择的结果给资源调度中心，便于调度中心将其空余出的天线配置给其它链路使用。

3）链路优先级

有限的天线资源下，一定存在天线资源竞争。资源调度中心需要根据链路优先级进行裁决，优先保证高优先级链路的天线资源使用；动态分配空闲资源，尽可能地满足多功能并行工作的需求。

3.2 机载超短波通信系统设计与实现

机载超短波通信链路采用半双工通信架构，为飞行员提供常规、抗干扰话音和数据业务，根据任务需求，也提供搜救话音数据和船舶自动识别信号接收等业务。

机载超短波通信系统是多链并行通信系统。单个飞机平台装备不超过4副的超短波天线，为提高链路的通信质量和可靠性，提出基于动态天线调度的机载超短波通信系统。

采用通用、可重构的硬件架构，通过动态加载的方式装配不同的功能波形，支持多链并行工作，采用开关矩阵单元实现了天线到信号处理单元间的网状路由，资源调度中心为实时检测和调度天线资源提供保障。图4为可支持4条链路并行工作的机载超短波通信系统，使用4副机载超短波天线，每条链路均可采用双天线空间分集提升通信概率，提高通信质量。

图4 机载超短波通信系统

接收时，两副天线收到的信号经过天线接口单元滤波、放大处理后，经过开关矩阵路由至不同的接收信道，接收信道完成下变频、放大、滤波及AD变换后送至信号处理完成信号解调、解扰和信号质量优先，选择质量好的一路送至应用层。

发射时，信号处理完成信号加扰、调制后，送至激励信道完成DA变换、上变频、滤波及放大，再通过开关矩阵路送至天线接口单元，经过放大、滤波后选择一副天线发射。

机载多链超短波通信系统具备以下特点：

1）受机载平台限制，天线资源有限，并行功能线程需要的天线资源数量大于机载实际天线资源数量；

2）硬件架构灵活，通过开关矩阵路由，功能线程可以使用机载超短波天线中的任意天线；

3）软件架构灵活，通过资源调度中心实时分配天线，避免天线资源的冲突和浪费。

4 基于动态规划的天线资源调度策略效能评估

针对机载超短波通信系统的使用需求和特点，为提高多链并行时天线的使用效率，并保证高优先级链路的通信稳定性。在本节中，根据第3节提出的基于动态规划的天线资源调度策略，分析了4条并行的通信链路在两种不同的天线分配策略下的通信概率性能。

结合实际工作数据，仿真时通信概率参数设定为双天线模式通信概率85%，单天线模式通信概率50%。4条链路采用接收∶发射∶空闲=5∶3∶1的占空比分配，链路1从t0时刻开始工作，链路2、3、4由［t0+3s，t0+5s］范围内的随机时刻开始工作，以保证4条链路工作状态的随机性，由于各条链路起始时间的随机性，仿真结果略有不同，但总体趋势一致。优先级设定为链路1＞链路3＞链路2＞链路4。

基于固定分配天线策略的仿真结果如图5所示。随工作时间，各链路出现资源冲突的概率升高，每条链路的通信概率均有所下降，链路2、3、4的通信概率低于50%，链路1的通信概率为68.33%。

图5 不同分配天线策略下的通信概率

图6 动态调度天线策略下的通信概率

基于动态分配天线策略的仿真结果如图8所示。优先级最高的链路1通信概率始终保持在85%，链路3的通信概率为66.74%，链路2的通信概率为51.67%，链路4的通信概率为28.86%。

由表1可以看出，基于动态调度天线策略下链路1～3的通信概率较固定天线策略提升16.67%～23.81%；由于链路4的优先级最低，两种策略下链路4的通信概率基本一致。

表1 不同分配方式的通信概率对比

5 结语

根据机载平台的实际情况及传统单天线模式通信效果差的问题，提出了基于双天线分集收发的超短波通信系统，在天线资源有限的情况下，设计了基于动态规划的天线资源调度策略，提升天线利用率。仿真结果表明基于动态天线调度的机载超短波通信系统提升了链路的通信概率，为后续机载设备的超短波通信系统设计提供参考。