艦船無線通信中數(shù)據(jù)鏈測試技術(shù)

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摘要:當前，船舶的無線通信發(fā)展對數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)提出新要求。無線通信網(wǎng)絡可以分為信源、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頻率合成系統(tǒng)。針對數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)中的網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)，本文實現(xiàn)了基于定向天線的定向通信技術(shù)，并設(shè)計了跳頻同步技術(shù)。依據(jù)數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)的協(xié)議棧模型，本文設(shè)計針對系統(tǒng)延時、編碼保密度和穩(wěn)定性的數(shù)據(jù)鏈測試技術(shù)。

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

0引言

當前隨著海洋航行活動的日益增多，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。由于船舶長期處于移動狀態(tài)，并且船舶與船舶、船舶與陸地之間相互獨立，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，由于對信息傳輸?shù)膶崟r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)格式實現(xiàn)準確、高效、實時的信息傳輸。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)鏈是重要的組成部分，并且可以實現(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)目刂浦行模唤涌诳刂铺幚砥髟谕ㄐ畔到y(tǒng)中負責數(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，需要對數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)進行實時檢測，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，并對其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進行分析。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)計了測試技術(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)進行信息傳遞，在多系統(tǒng)間的信息傳遞可以滿足即時通信需求。無線通信系統(tǒng)可以使得船舶獲取海洋航行環(huán)境、臨岸港口的實時狀態(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行。無線通信按照其原理可以分為3個部分：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處理系統(tǒng)，負責將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為離散信號及模擬信號；發(fā)送設(shè)備是接入離散信號和模擬信號，通過載波及信號方法設(shè)備將信號發(fā)出，在特定情況下需要對信號進行加密處理；接收設(shè)備是目標船舶（及港口）中負責接收信號并通過解碼、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)是與信號收發(fā)天線相連接，并且使用標準IO信號和J5信號與業(yè)務處理系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)傳輸。該系統(tǒng)中AD/DA模塊負責原始數(shù)據(jù)向模擬信號轉(zhuǎn)換，F(xiàn)PGA與鏈路DSP的功能是對模擬信號進行傅里葉變換，經(jīng)過路由DSP轉(zhuǎn)換模態(tài)，最后由控制信號和射頻信號發(fā)送至收發(fā)信道單元經(jīng)過天線向外傳輸信號。該系統(tǒng)的優(yōu)點在于：1）使用跳頻技術(shù)，可以實現(xiàn)2.4～5GHz的多頻率發(fā)射，保證了發(fā)射的高帶寬特點；2）在多系統(tǒng)的協(xié)同設(shè)計中，可以使用星形拓撲結(jié)構(gòu)，使得該系統(tǒng)具有自組織、可協(xié)調(diào)特點；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)是由多個無線節(jié)點組成的網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)，其中每個節(jié)點是自組織AdHoc節(jié)點，主要負責數(shù)據(jù)的控制、分發(fā)與實時更新[3]。當前，各國已經(jīng)在研發(fā)并裝備的數(shù)據(jù)鏈種類繁多，按照其時間發(fā)展可以分為IFDL，MADL，TINT，TCDL及LINK22。根據(jù)節(jié)點的不同可以將數(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方向上具有很強的發(fā)射增益，可以實現(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個固定設(shè)備間實現(xiàn)高抗噪實時傳播，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浴Ｄ壳巴ǔＪ褂脵C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。機械掃描天線使用機械馬達控制控制天線方向?qū)崿F(xiàn)定向通信；電掃描相控天線是在全方向雷達中通過內(nèi)部電信號控制，實現(xiàn)對特定方向的信號增強，進而實現(xiàn)定向通信。跳頻同步技術(shù)是擴頻技術(shù)的一種特殊實現(xiàn)方式，其全稱是跳變頻率變頻（FrequencyHoppingSpreadSpectrum），指的是數(shù)字信息與二進制偽碼序列相加后，高頻載波控制器動態(tài)調(diào)節(jié)輸出頻率，使發(fā)射信號頻率隨數(shù)據(jù)的二進制偽碼實時變化[5]。跳頻通信系統(tǒng)使用以下5個參數(shù)衡量：擴頻增益、跳頻速率、跳頻圖案、跳頻帶寬以及跳頻頻率集。其中擴頻增益的公式如下所示，其中W，ΔF和N分別為擴頻信號帶寬、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范圍，跳頻頻率集是指所有跳變頻率在時間上采樣點的集合。通過以上幾個參數(shù)，可以確定整個跳變同步技術(shù)的狀態(tài)。

2數(shù)據(jù)鏈設(shè)計與測試系統(tǒng)

2.1數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)設(shè)計

船舶無線通信中的數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)設(shè)計可以分為兩個部分：協(xié)議棧的設(shè)計和軟件系統(tǒng)設(shè)計。在系統(tǒng)設(shè)計過程中，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)絡協(xié)議[6]。傳統(tǒng)的網(wǎng)絡協(xié)議使用四層協(xié)議棧：物理層、鏈路層、處理層和應用層.其中物理層用于硬件適配，完成數(shù)字信號的傳輸功能；鏈路層充當路由器，完成傳輸信號在網(wǎng)絡中的尋路功能；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)計實現(xiàn)其軟件系統(tǒng)。該軟件系統(tǒng)主要實現(xiàn)3個功能：網(wǎng)絡資源控制、邏輯信道控制以及介質(zhì)接入層，每個功能需要設(shè)計單獨的接口。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)負責傳輸信號的處理。

2.2數(shù)據(jù)鏈測試技術(shù)

在依據(jù)數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)設(shè)計方法實現(xiàn)數(shù)據(jù)鏈后，需要對數(shù)據(jù)鏈的穩(wěn)定性、安全性等進行測試。當前主流的測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。當前確定的指標包括：系統(tǒng)延時、編碼保密度以及系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)特性。在檢測系統(tǒng)延時時，通過以下公式計算延時，其中Li和S分別為數(shù)據(jù)鏈長度和指數(shù)常量。為了檢測系統(tǒng)的編碼保密度，在發(fā)送端通過隨機方法選取編碼密文，在接收端使用密碼庫進行撞庫操作，將時間按照以下公式處理，作為編碼保密度的衡量標準，其中N和A分別為發(fā)送端和接收端加密等級。對于系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)特性，本文采用的方法是：在發(fā)送端選取Benchmark作為標準原始信號發(fā)送，在接收端使用數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)進行解碼，通過與Benchmark信號比對，得到系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)特定。當比例越高時，表明系統(tǒng)穩(wěn)定性越強。

3結(jié)論

本文針對船舶無線通信網(wǎng)絡，設(shè)計了數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)及數(shù)據(jù)鏈測試技術(shù)。首先根據(jù)網(wǎng)絡系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，設(shè)計了頻率合成系統(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硬件模擬了對數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)的延時、編碼保密度和穩(wěn)定性的測試技術(shù)。

參考文獻：

[1]陸捷,張爍,許利剛,等.無線通信數(shù)據(jù)鏈協(xié)議棧軟件設(shè)計與實現(xiàn)[J].中國新通信,2015,17(02):14.

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[3]冷杰,張弘.基于HDLC的無線通信模塊設(shè)計[J].控制工程,2012,19(S1):152–153,160.

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[5]宋曉勤,胡愛群.無線傳感器網(wǎng)絡中數(shù)據(jù)鏈路層和網(wǎng)絡層設(shè)計[J].電信科學,2005,(09):9–12.[6]

作者:趙新穎 單位:中南大學