艦船無線通信中數據鏈測試技術

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摘要:當前，船舶的無線通信發展對數據鏈系統提出新要求。無線通信網絡可以分為信源、發送設備和接收設備，在所有模塊中最核心的是信號頻率合成系統。針對數據鏈系統中的網絡拓撲結構，本文實現了基于定向天線的定向通信技術，并設計了跳頻同步技術。依據數據鏈系統的協議棧模型，本文設計針對系統延時、編碼保密度和穩定性的數據鏈測試技術。

關鍵詞：船舶系統；無線通信；數據鏈測試

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展，船舶與船舶、船舶與港口的通信日益頻繁。船舶工業的進步與通信技術的發展為船舶件的信息傳遞提供了理論保障和技術支持。由于船舶長期處于移動狀態，并且船舶與船舶、船舶與陸地之間相互獨立，因此無法使用傳統的有線通信。近年來3G、4G技術的發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，所有通信設備需要遵循特定的通信協議。在船舶通信中，由于對信息傳輸的實時性、穩定性以及保密性具有較高要求，目前采用數據鏈通信協議。該協議是以無線通信為載體，按照統一的數據格式實現準確、高效、實時的信息傳輸。在船舶的電子信息系統、作戰系統、電氣系統中，數據鏈是重要的組成部分，并且可以實現傳感器與控制系統的交互。按照無線通信中數據傳輸的過程，數據鏈可以劃分為戰術數據系統、接口控制處理器、數據鏈終端設備以及無線收發裝置。其中戰術數據系統是船舶的戰術控制中心，作為無線數據傳輸的控制中心；接口控制處理器在通信系統中負責數據的傳輸控制，在軟件層與數據層之間處理數據的編解碼；數據鏈終端設備是無線通信的數據接收單元，分布在數據鏈的兩端，用于不同船舶之間的數據收發；無線收發裝置是數據發射設備。由于無線通信存在多層協議，并且在數據傳輸過程中系統軟件層與硬件層之間始終存在數據交互，因此為了保證系統的穩定，需要對數據鏈系統進行實時檢測，保證其功能完備。本文首先分析了船舶無線通信系統中數據鏈的功能原理，并對其系統結構進行分析。最后依據數據鏈中使用的協議棧，從軟件和硬件角度設計了測試技術，保證數據鏈的功能完備性以及無線通信系統的穩定性。

1船舶無線通信數據鏈

1.1船舶無線通信系統

船舶無線通信是指利用無線電波在空間內進行信息傳遞，在多系統間的信息傳遞可以滿足即時通信需求。無線通信系統可以使得船舶獲取海洋航行環境、臨岸港口的實時狀態，并且通過雙向傳遞向其他相關設備傳遞自身航行狀態等，保證船舶的航行調度，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、發送設備以及接收設備[1]。其中信源是船舶中的信號處理系統，負責將數據轉換為離散信號及模擬信號；發送設備是接入離散信號和模擬信號，通過載波及信號方法設備將信號發出，在特定情況下需要對信號進行加密處理；接收設備是目標船舶（及港口）中負責接收信號并通過解碼、解調還原數據的設備。在該系統中，最重要的是信道頻率合成系統.該系統是與信號收發天線相連接，并且使用標準IO信號和J5信號與業務處理系統進行數據傳輸。該系統中AD/DA模塊負責原始數據向模擬信號轉換，FPGA與鏈路DSP的功能是對模擬信號進行傅里葉變換，經過路由DSP轉換模態，最后由控制信號和射頻信號發送至收發信道單元經過天線向外傳輸信號。該系統的優點在于：1）使用跳頻技術，可以實現2.4～5GHz的多頻率發射，保證了發射的高帶寬特點；2）在多系統的協同設計中，可以使用星形拓撲結構，使得該系統具有自組織、可協調特點；3）在保證性能的前提下，通過引入FPGA模塊和雙重DSP模塊，降低系統成本。

1.2數據鏈系統結構

數據鏈系統是由多個無線節點組成的網絡拓撲結構，其中每個節點是自組織AdHoc節點，主要負責數據的控制、分發與實時更新[3]。當前，各國已經在研發并裝備的數據鏈種類繁多，按照其時間發展可以分為IFDL，MADL，TINT，TCDL及LINK22。根據節點的不同可以將數據鏈裝備分為單工、半雙工和全雙工模式數據鏈系統的核心技術可以分為2個部分：基于定向天線的定向通信技術和跳頻同步技術。定向天線是指在單個方向上具有很強的發射增益，可以實現數據定向傳播的天線技術。使用基于定向天線的定向通信可以在2個固定設備間實現高抗噪實時傳播，并且可以避免其他設備的信息截取，保證了信道傳輸的保密性和安全性。目前通常使用機械掃描天線和電掃描相控天線作為數據鏈系統的定向天線。機械掃描天線使用機械馬達控制控制天線方向實現定向通信；電掃描相控天線是在全方向雷達中通過內部電信號控制，實現對特定方向的信號增強，進而實現定向通信。跳頻同步技術是擴頻技術的一種特殊實現方式，其全稱是跳變頻率變頻（FrequencyHoppingSpreadSpectrum），指的是數字信息與二進制偽碼序列相加后，高頻載波控制器動態調節輸出頻率，使發射信號頻率隨數據的二進制偽碼實時變化[5]。跳頻通信系統使用以下5個參數衡量：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。跳變頻率是指每秒內載波頻率的跳轉次數，跳轉圖案是指在載波跳變過程中呈現的規律，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，可以確定整個跳變同步技術的狀態。

2數據鏈設計與測試系統

2.1數據鏈系統設計

船舶無線通信中的數據鏈系統設計可以分為兩個部分：協議棧的設計和軟件系統設計。在系統設計過程中，首先依據協議棧類型構建數據鏈系統模型，接著使用軟件系統實現數據鏈的相關功能。數據鏈系統是用于船舶無線通信，因此該系統必然依據網絡協議[6]。傳統的網絡協議使用四層協議棧：物理層、鏈路層、處理層和應用層.其中物理層用于硬件適配，完成數字信號的傳輸功能；鏈路層充當路由器，完成傳輸信號在網絡中的尋路功能；處理層用于信息的發送端和接收端，用于數據的編解碼與載波處理；應用層用于生成和使用無線傳輸的數據。在確定了數據鏈的協議棧之后，需要設計實現其軟件系統。該軟件系統主要實現3個功能：網絡資源控制、邏輯信道控制以及介質接入層，每個功能需要設計單獨的接口。為了去除不同功能之間的耦合性，本文將數據鏈系統劃分為PowerPC系統和DSP系統，其中PowerPC系統用于控制數據鏈結構，DSP系統負責傳輸信號的處理。

2.2數據鏈測試技術

在依據數據鏈系統設計方法實現數據鏈后，需要對數據鏈的穩定性、安全性等進行測試。當前主流的測試方法均以軟件系統為基礎，使用ASIC硬件模擬仿真，得到數據鏈系統的重要指標。當前確定的指標包括：系統延時、編碼保密度以及系統穩態特性。在檢測系統延時時，通過以下公式計算延時，其中Li和S分別為數據鏈長度和指數常量。為了檢測系統的編碼保密度，在發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分別為發送端和接收端加密等級。對于系統的穩態特性，本文采用的方法是：在發送端選取Benchmark作為標準原始信號發送，在接收端使用數據鏈系統進行解碼，通過與Benchmark信號比對，得到系統穩態特定。當比例越高時，表明系統穩定性越強。

3結論

本文針對船舶無線通信網絡，設計了數據鏈系統及數據鏈測試技術。首先根據網絡系統結構，設計了頻率合成系統。并依據數據鏈系統中的四層協議棧模型，使用ASIC硬件模擬了對數據鏈系統的延時、編碼保密度和穩定性的測試技術。

參考文獻：

[1]陸捷,張爍,許利剛,等.無線通信數據鏈協議棧軟件設計與實現[J].中國新通信,2015,17(02):14.

[2]劉敏.軟件無線電技術在無人機數據鏈系統中的應用[J].科技與企業,2012,(17):113-115.

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

[4]黃高陽,黃英君,駱志剛,等.數據鏈可靠傳輸協議的設計與仿真[J].系統仿真學報,2009,21(S2):218–221,225.

[5]宋曉勤,胡愛群.無線傳感器網絡中數據鏈路層和網絡層設計[J].電信科學,2005,(09):9–12.[6]

作者:趙新穎 單位:中南大學