艦船無線通信中數(shù)據(jù)鏈測(cè)試技術(shù)

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摘要:當(dāng)前，船舶的無線通信發(fā)展對(duì)數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)提出新要求。無線通信網(wǎng)絡(luò)可以分為信源、發(fā)送設(shè)備和接收設(shè)備，在所有模塊中最核心的是信號(hào)頻率合成系統(tǒng)。針對(duì)數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)中的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，本文實(shí)現(xiàn)了基于定向天線的定向通信技術(shù)，并設(shè)計(jì)了跳頻同步技術(shù)。依據(jù)數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)的協(xié)議棧模型，本文設(shè)計(jì)針對(duì)系統(tǒng)延時(shí)、編碼保密度和穩(wěn)定性的數(shù)據(jù)鏈測(cè)試技術(shù)。

關(guān)鍵詞：船舶系統(tǒng)；無線通信；數(shù)據(jù)鏈測(cè)試

0引言

當(dāng)前隨著海洋航行活動(dòng)的日益增多，以及海上軍事力量的迅速發(fā)展，船舶與船舶、船舶與港口的通信日益頻繁。船舶工業(yè)的進(jìn)步與通信技術(shù)的發(fā)展為船舶件的信息傳遞提供了理論保障和技術(shù)支持。由于船舶長(zhǎng)期處于移動(dòng)狀態(tài)，并且船舶與船舶、船舶與陸地之間相互獨(dú)立，因此無法使用傳統(tǒng)的有線通信。近年來3G、4G技術(shù)的發(fā)展為船舶間的無線通信提供了可能，船舶間的信息交互能力得到了大幅度提升。在無線通信中，所有通信設(shè)備需要遵循特定的通信協(xié)議。在船舶通信中，由于對(duì)信息傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性、穩(wěn)定性以及保密性具有較高要求，目前采用數(shù)據(jù)鏈通信協(xié)議。該協(xié)議是以無線通信為載體，按照統(tǒng)一的數(shù)據(jù)格式實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確、高效、實(shí)時(shí)的信息傳輸。在船舶的電子信息系統(tǒng)、作戰(zhàn)系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)鏈?zhǔn)侵匾慕M成部分，并且可以實(shí)現(xiàn)傳感器與控制系統(tǒng)的交互。按照無線通信中數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^程，數(shù)據(jù)鏈可以劃分為戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)系統(tǒng)、接口控制處理器、數(shù)據(jù)鏈終端設(shè)備以及無線收發(fā)裝置。其中戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)系統(tǒng)是船舶的戰(zhàn)術(shù)控制中心，作為無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)目刂浦行?；接口控制處理器在通信系統(tǒng)中負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的傳輸控制，在軟件層與數(shù)據(jù)層之間處理數(shù)據(jù)的編解碼；數(shù)據(jù)鏈終端設(shè)備是無線通信的數(shù)據(jù)接收單元，分布在數(shù)據(jù)鏈的兩端，用于不同船舶之間的數(shù)據(jù)收發(fā)；無線收發(fā)裝置是數(shù)據(jù)發(fā)射設(shè)備。由于無線通信存在多層協(xié)議，并且在數(shù)據(jù)傳輸過程中系統(tǒng)軟件層與硬件層之間始終存在數(shù)據(jù)交互，因此為了保證系統(tǒng)的穩(wěn)定，需要對(duì)數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，保證其功能完備。本文首先分析了船舶無線通信系統(tǒng)中數(shù)據(jù)鏈的功能原理，并對(duì)其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。最后依據(jù)數(shù)據(jù)鏈中使用的協(xié)議棧，從軟件和硬件角度設(shè)計(jì)了測(cè)試技術(shù)，保證數(shù)據(jù)鏈的功能完備性以及無線通信系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

1船舶無線通信數(shù)據(jù)鏈

1.1船舶無線通信系統(tǒng)

船舶無線通信是指利用無線電波在空間內(nèi)進(jìn)行信息傳遞，在多系統(tǒng)間的信息傳遞可以滿足即時(shí)通信需求。無線通信系統(tǒng)可以使得船舶獲取海洋航行環(huán)境、臨岸港口的實(shí)時(shí)狀態(tài)，并且通過雙向傳遞向其他相關(guān)設(shè)備傳遞自身航行狀態(tài)等，保證船舶的航行調(diào)度，使得海洋航行可以有序進(jìn)行。無線通信按照其原理可以分為3個(gè)部分：信源、發(fā)送設(shè)備以及接收設(shè)備[1]。其中信源是船舶中的信號(hào)處理系統(tǒng)，負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為離散信號(hào)及模擬信號(hào)；發(fā)送設(shè)備是接入離散信號(hào)和模擬信號(hào)，通過載波及信號(hào)方法設(shè)備將信號(hào)發(fā)出，在特定情況下需要對(duì)信號(hào)進(jìn)行加密處理；接收設(shè)備是目標(biāo)船舶（及港口）中負(fù)責(zé)接收信號(hào)并通過解碼、解調(diào)還原數(shù)據(jù)的設(shè)備。在該系統(tǒng)中，最重要的是信道頻率合成系統(tǒng).該系統(tǒng)是與信號(hào)收發(fā)天線相連接，并且使用標(biāo)準(zhǔn)IO信號(hào)和J5信號(hào)與業(yè)務(wù)處理系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。該系統(tǒng)中AD/DA模塊負(fù)責(zé)原始數(shù)據(jù)向模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換，F(xiàn)PGA與鏈路DSP的功能是對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行傅里葉變換，經(jīng)過路由DSP轉(zhuǎn)換模態(tài)，最后由控制信號(hào)和射頻信號(hào)發(fā)送至收發(fā)信道單元經(jīng)過天線向外傳輸信號(hào)。該系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)在于：1）使用跳頻技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)2.4～5GHz的多頻率發(fā)射，保證了發(fā)射的高帶寬特點(diǎn)；2）在多系統(tǒng)的協(xié)同設(shè)計(jì)中，可以使用星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，使得該系統(tǒng)具有自組織、可協(xié)調(diào)特點(diǎn)；3）在保證性能的前提下，通過引入FPGA模塊和雙重DSP模塊，降低系統(tǒng)成本。

1.2數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)是由多個(gè)無線節(jié)點(diǎn)組成的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其中每個(gè)節(jié)點(diǎn)是自組織AdHoc節(jié)點(diǎn)，主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的控制、分發(fā)與實(shí)時(shí)更新[3]。當(dāng)前，各國已經(jīng)在研發(fā)并裝備的數(shù)據(jù)鏈種類繁多，按照其時(shí)間發(fā)展可以分為IFDL，MADL，TINT，TCDL及LINK22。根據(jù)節(jié)點(diǎn)的不同可以將數(shù)據(jù)鏈裝備分為單工、半雙工和全雙工模式數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)的核心技術(shù)可以分為2個(gè)部分：基于定向天線的定向通信技術(shù)和跳頻同步技術(shù)。定向天線是指在單個(gè)方向上具有很強(qiáng)的發(fā)射增益，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)定向傳播的天線技術(shù)。使用基于定向天線的定向通信可以在2個(gè)固定設(shè)備間實(shí)現(xiàn)高抗噪實(shí)時(shí)傳播，并且可以避免其他設(shè)備的信息截取，保證了信道傳輸?shù)谋Ｃ苄院桶踩?。目前通常使用機(jī)械掃描天線和電掃描相控天線作為數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)的定向天線。機(jī)械掃描天線使用機(jī)械馬達(dá)控制控制天線方向?qū)崿F(xiàn)定向通信；電掃描相控天線是在全方向雷達(dá)中通過內(nèi)部電信號(hào)控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)特定方向的信號(hào)增強(qiáng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)定向通信。跳頻同步技術(shù)是擴(kuò)頻技術(shù)的一種特殊實(shí)現(xiàn)方式，其全稱是跳變頻率變頻（FrequencyHoppingSpreadSpectrum），指的是數(shù)字信息與二進(jìn)制偽碼序列相加后，高頻載波控制器動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)輸出頻率，使發(fā)射信號(hào)頻率隨數(shù)據(jù)的二進(jìn)制偽碼實(shí)時(shí)變化[5]。跳頻通信系統(tǒng)使用以下5個(gè)參數(shù)衡量：擴(kuò)頻增益、跳頻速率、跳頻圖案、跳頻帶寬以及跳頻頻率集。其中擴(kuò)頻增益的公式如下所示，其中W，ΔF和N分別為擴(kuò)頻信號(hào)帶寬、信息帶寬以及可用載波數(shù)。跳變頻率是指每秒內(nèi)載波頻率的跳轉(zhuǎn)次數(shù)，跳轉(zhuǎn)圖案是指在載波跳變過程中呈現(xiàn)的規(guī)律，跳變帶寬是指跳變頻率的波動(dòng)范圍，跳頻頻率集是指所有跳變頻率在時(shí)間上采樣點(diǎn)的集合。通過以上幾個(gè)參數(shù)，可以確定整個(gè)跳變同步技術(shù)的狀態(tài)。

2數(shù)據(jù)鏈設(shè)計(jì)與測(cè)試系統(tǒng)

2.1數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)設(shè)計(jì)

船舶無線通信中的數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)設(shè)計(jì)可以分為兩個(gè)部分：協(xié)議棧的設(shè)計(jì)和軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中，首先依據(jù)協(xié)議棧類型構(gòu)建數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)模型，接著使用軟件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)鏈的相關(guān)功能。數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)是用于船舶無線通信，因此該系統(tǒng)必然依據(jù)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議[6]。傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議使用四層協(xié)議棧：物理層、鏈路層、處理層和應(yīng)用層.其中物理層用于硬件適配，完成數(shù)字信號(hào)的傳輸功能；鏈路層充當(dāng)路由器，完成傳輸信號(hào)在網(wǎng)絡(luò)中的尋路功能；處理層用于信息的發(fā)送端和接收端，用于數(shù)據(jù)的編解碼與載波處理；應(yīng)用層用于生成和使用無線傳輸?shù)臄?shù)據(jù)。在確定了數(shù)據(jù)鏈的協(xié)議棧之后，需要設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)其軟件系統(tǒng)。該軟件系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)3個(gè)功能：網(wǎng)絡(luò)資源控制、邏輯信道控制以及介質(zhì)接入層，每個(gè)功能需要設(shè)計(jì)單獨(dú)的接口。為了去除不同功能之間的耦合性，本文將數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)劃分為PowerPC系統(tǒng)和DSP系統(tǒng)，其中PowerPC系統(tǒng)用于控制數(shù)據(jù)鏈結(jié)構(gòu)，DSP系統(tǒng)負(fù)責(zé)傳輸信號(hào)的處理。

2.2數(shù)據(jù)鏈測(cè)試技術(shù)

在依據(jù)數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)鏈后，需要對(duì)數(shù)據(jù)鏈的穩(wěn)定性、安全性等進(jìn)行測(cè)試。當(dāng)前主流的測(cè)試方法均以軟件系統(tǒng)為基礎(chǔ)，使用ASIC硬件模擬仿真，得到數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)的重要指標(biāo)。當(dāng)前確定的指標(biāo)包括：系統(tǒng)延時(shí)、編碼保密度以及系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)特性。在檢測(cè)系統(tǒng)延時(shí)時(shí)，通過以下公式計(jì)算延時(shí)，其中Li和S分別為數(shù)據(jù)鏈長(zhǎng)度和指數(shù)常量。為了檢測(cè)系統(tǒng)的編碼保密度，在發(fā)送端通過隨機(jī)方法選取編碼密文，在接收端使用密碼庫進(jìn)行撞庫操作，將時(shí)間按照以下公式處理，作為編碼保密度的衡量標(biāo)準(zhǔn)，其中N和A分別為發(fā)送端和接收端加密等級(jí)。對(duì)于系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)特性，本文采用的方法是：在發(fā)送端選取Benchmark作為標(biāo)準(zhǔn)原始信號(hào)發(fā)送，在接收端使用數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)進(jìn)行解碼，通過與Benchmark信號(hào)比對(duì)，得到系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)特定。當(dāng)比例越高時(shí)，表明系統(tǒng)穩(wěn)定性越強(qiáng)。

3結(jié)論

本文針對(duì)船舶無線通信網(wǎng)絡(luò)，設(shè)計(jì)了數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)及數(shù)據(jù)鏈測(cè)試技術(shù)。首先根據(jù)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了頻率合成系統(tǒng)。并依據(jù)數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)中的四層協(xié)議棧模型，使用ASIC硬件模擬了對(duì)數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)的延時(shí)、編碼保密度和穩(wěn)定性的測(cè)試技術(shù)。

參考文獻(xiàn)：

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作者:趙新穎 單位:中南大學(xué)