一种基于TDMA地面基站的自主协同方法

陈志为，刘怀远，孙晓毓

(中国电子科技集团公司第二十研究所，陕西 西安 710068)

0 引 言

Link16(又称联合战术信息分配系统)战术数据链是美军现役的一种战术数据链系统，该系统基于TDMA协议，具有网络容量大、保密性佳、抗干扰能力强的特点，支持陆、海、空等诸军兵种联合作战[1]。Link16基本的周期性时间单元是时帧，一旦数据链开始工作，时帧就重复出现并周而复始。时隙是Link16网络的基本时间单位，每个工作平台在某一个时隙内完成某一类信息的发送和接收。Link16的多个网络可进行“重叠”，在同一时隙里不同成员使用不同频率，就可在各自网内发送数据，支持时隙的重复使用[2]。

当地面(岸基)指挥所需要与多个舰船、飞机互联互通时，地面(岸基)指挥所通过基础网络与地面基站形成一对多的网状连接。所有地面基站独立工作，通过卫星授时保证其时间精确同步。地面(岸基)指挥所对飞机进行空中控制或对舰船进行水面控制时，先将信息通过基础网络发送至距离舰船、飞机较近的地面基站，再通过无线射频将信息发送至舰船、飞机，从而完成信息的及时传递。地面(岸基)指挥所与舰船、飞机的联通示意图如图1所示。

图1 地面(岸基)指挥所与舰船和飞机联通示意图

1 站群划分

随着基站数量的增多，时隙资源的消耗、网络成员受到了较大制约。此外，利用一个基站对多个舰船、飞机进行控制时，由于基站时隙资源的限制，会增加信息在队列中的积压，信息的时效性会大打折扣。因此，我们引入站群的概念来解决以上问题。

将2～4个位置较近、具有公共覆盖区域的地面基站划分为一个站群。每个地面基站分别使用不同的编号与其他成员共同组网，该编号在全网内唯一，是网内成员身份的标识，也是网内信息数据传递的唯一标识。站群内所有地面基站虽独立工作，但不再给其分配多余的时隙资源，而是共用原先1个基站的时隙资源。站群内的基站可以使用不同的重叠网络，保证站群内的基站在发送空中控制或水面控制信息数据时可以将对应时隙重复使用，以实现同一时刻对不同的飞机、舰船进行控制。站群内各基站可在基础网络上相互连通，在射频网络上使用卫星授时保证时间同步，从而进行自主组网。

地面基站之间在基础网络上采用以太网传输协议进行报文交互，站群内以组播形式互相发送基站状态报文，所有基站收集群内其他基站的状态，并自主计算出编号最小的地面基站作为站群中的主基站，编号次小的基站作为替补主基站。主基站可获得站群内所有基站的编号、设备状态，具备向其他基站发送管理命令的功能。当主基站发生故障或被摧毁时，替补主基站就能监测到主基站故障或在一定时间监测不到主基站存在，替补主基站就接替上任为主基站，继续担任向其他基站发送管理命令的职责。站群组成示意图如图2所示。

图2 站群组成示意图

从图2可以看出，站群内3个地面基站共用原先1个基站的时隙资源。根据站群划分原则，一个站群可以拥有2～4个基站，就可以节约50%～75%的资源，从而将节省出的资源分配给更多的网络成员。这样一来，通过划分站群的方式，就可使网络内的成员数量增加，进一步提高网络容量。

2 资源动态调配方法

根据上述站群的划分方式，站群内2～4个地面基站共用原先1个基站的时隙资源，就需要由主基站对站群的时隙资源进行动态调配。主基站将原先1个基站的时隙资源平均分配给群内所有基站，保证每个基站的初始时隙资源都是整数，且尽量相等。各基站收到分配的时隙资源后，分别实时统计各自需要分配的时隙资源和实际使用的时隙资源，进而计算出每一个基站的负载情况，并将计算结果周期上报主基站。

当某一基站分配的时隙不足以支持其需要发送的信息时，主基站就能根据其上报的负载情况，结合站群内其他基站的负载情况，将有空闲的资源临时调配给需要的基站，以保证信息发送的实效性。如果站群内的资源调配仍无法满足发送需求，则主基站会向岸基指挥所发送资源申请，调配网内空闲的资源供本站群使用。如主基站申请到新的时隙后，再将该资源分配到实际需要资源的基站，满足其信息发送需求。站群资源动态调配流程图如图3所示。

图3 站群资源动态调配流程图

对于申请到的时隙资源，主基站也会持续对其使用情况进行监控。一旦发现站群内部资源可以满足群内所有基站的使用需求，应立即将该资源退还给岸基指挥所，以便后续其他站群继续申请资源。

3 成员保障算法分析

时隙资源动态调配解决了专用和竞争使用接入方式时基站间的资源调配问题，而当岸基指挥所通过基站向公共覆盖区中的飞机、舰船进行控制时，使用重叠网络方式接入。同时由于飞机、舰船具有编队的特点，岸基指挥所需要对整个编队进行同时控制，因此应该考虑将同一编队放在一个基站下进行通信保障。在进行成员保障方案调整时，基本的原则是：

(1) 飞机、舰船应选择无线联通质量最佳或联通质量不小于80%的基站；

(2) 同一编队内的成员应与编队长的保障基站一致；

(3) 在满足以上条件的前提下，不同编队尽量使用不同的基站。

根据以上3个原则，采用穷举法列出站群对飞机、舰船的所有保障方案。当站群中基站数量为N，保障编队数量为M时，总共可穷举出NM个不同的保障方案。针对每一种保障方案，分别计算其分数。分数的计算方法为：编队长在其无线联通质量最佳的基站下权重为1，非最佳但不小于80%的权重为0.9，非最佳且小于80%的权重为0；在站群中找出保障编队最多的基站和最少的基站，并计算最大值和最小值的差值，每差1个就减去0.25。分别对每一种方案计算其最终得分，取分数最高的方案作为成员保障的最优方案。算法流程图如图4所示。

图4 站群成员保障算法流程图

下面给出图4对应算法进行算法实现的具体步骤：

(1) 统计M个编队长在N个基站的联通质量，第m个编队长在第n个基站的联通质量为Qmn,1≤m≤M,1≤n≤N。

(2) 计算第m个编队长在第n个基站的联通质量Qmn对应的权重Wmn,1≤m≤M,1≤n≤N。 (3) 依据穷举法，计算NM种方案中每一种方案的单个基站下编队长数量最多与最少之差，第i种方案中的差值为Di,1≤i≤NM。

(4) 计算第i种方案的得分：

(1)

(5) 在所有NM种方案中找出得分最高的方案，得分为：

Pmax=max{Pi},1≤i≤NM

(2)

下面通过一个例子来说明该算法及其结果。假设一个具有3个基站(A、B、C)的站群，需要保障4个编队(1、2、3、4)，4个编队长在3个基站的无线联通质量为：

那么，结合其权重和基站差值，可通过穷举法计算出81个方案的最终得分。其中最佳方案为：基站A保障编队1，基站B保障编队2，基站3保障编队3、4，得分为3.2。得分最低方案得分0.024，平均分为1.425。因此，在使用优化算法后，其保障能力有了明显提升。各方案得分情况如图5所示。

按照上述方法计算出的保障方案，能够在保证无线联通质量的前提下，尽量将不同的编队分配到不同的基站去保障，避免由于一个基站保障过多编

图5 站群成员保障方案得分情况示意图

队，导致信息在队列中积压，使岸基指挥所与飞机、舰船之间交互的信息不能及时传递。同时，由于不同基站和编队信息交互时使用了重叠网络，信息发送采用不同频率，在同时发送时也不会因时隙碰撞而导致信息丢失。因此，此算法保证了信息传输的时效性和可靠性。

4 结束语

通过划分站群，能将独立工作的各个基站结合在一起，通过自主协同的方式，对站群中基站进行监视管理。站群的资源动态调配和成员保障方案调整，能够自动将站群的资源进行合理分配，既避免了资源浪费，又提高了信息交互效率。自主管理过程同样可变为辅助决策，站群将分析结果和建议的执行指令发送给指挥员，经人工确认后，可以选择同意执行或禁止执行，与全部由人工进行操作相比较，本文方法提高了各项操作的时效性，这在瞬息万变的战场中是十分重要的，同时促进了数据链的实际应用。