空地数据链越区切换设计＊

林 菡 朱振宇 方 卫

（中国船舶重工集团公司第七二二研究所 武汉 430079）

1 引言

战术数据链在现代战争中发挥着极其重要的作用，数据链的建设是信息化战争发展的重要标志之一，数据链的应用水平在很大意义上决定着信息化战争的水平和能力[1]。空地数据链被称为“当代空战中枢系统”，它是链接地面的指挥控制中心、各个作战部队、空中武器平台的一种信息处理、交换和分发系统[2]。空地数据链一般采用超短波或微波信道，因此其通信距离一般为视距。飞机在执行正常任务时，会在多个基站的通信覆盖范围间来回穿梭，为保证指挥控制中心与飞机的不间断通信，就必须实时切换与飞机通信的基站，即所谓的越区切换。

本文针对空地数据链系统，在借鉴移动通信中越区切换方法的基础上，设计了三种空地数据链越区切换方法，并对各种方法进行了分析。

2 移动通信中越区切换

图1 移动通信中的越区切换

越区切换的概念最早出现在移动通信中。切换的基本概念很简单：当用户从一个小区的覆盖范围移动到另外一个小区覆盖范围时，必须在用户和新的小区之间建立新的链路连接，而必须删除和释放用户和旧的小区之间的原来的链路连接。移动台在呼叫或通话进行中，在从一个服务小区移动到另一个服务小区时需要维持呼叫或通话继续进行，就是越区切换的过程[3]。如图1所示。

越区切换最主要的问题就是越区切换准则的判定，即什么情况下实施越区切换。在目前的移动通信系统中，主要有以下几种越区切换准则：

1）射频信号强度

射频信号强度准则[4]是移动通信中最常用的切换判决准则。移动台连续监测各个小区的信号强度，当某个相邻小区基站的信号强度超过当前小区基站，并且当前小区基站的信号强度低于某一门限时，切换过程将被启动。为了防止过早地启动切换过程，可以采取加窗平均和滞后门限相结合的切换准则[5]。在这种准则里，当系统做出切换的决策前，系统将对接收到的若干信号强度采样值进行平均，只有当从当前小区接收到的平均值低于从目标小区接收到的平均值一个预先设定的滞后门限时，系统才启动切换过程。

2）载波与干扰比

尽管射频信号强度准则在实际系统中易于实现，但是它不太适用于干扰受限的系统中。这是因为其并未将系统中的载波和干扰比[6]考虑进去。载波和干扰比即载干比是指接收到的有用信号电平与所有非有用信号电平的比值，载干比是反映信号在空间传播的过程中接收端接收信号好坏的比值。由于载干比也将受到无线信道衰落和阴影的影响而有所波动，因此，为了提供准确的切换指示，还需用到加权平均和滞后门限的方法。

3）移动台和基站的相对位置[7]

由于无线信道的多变性以及移动用户所处环境的不同，在移动通信系统中完全可能出现这样一种现象，即从离用户近的基站接收到的信号质量反而不如从离用户较远的基站接收到的信号质量。因此，实际系统中经常将相对位置作为上述两种准则的一种辅助参考。

3 空地数据链越区切换设计

与移动通信中的越区切换相比，空地数据链系统在用户数量、飞机（终端）移动速度、通信覆盖半径，以及越区切换的鲁棒性和可靠性等方面存在着差异[8]，但其越区切换过程却与移动通信系统类似，因此，可以借鉴移动通信系统的越区切换过程进行空地数据链系统的越区切换设计。

3.1 基于接收质量的越区切换

空地数据链系统中，地面站点与飞机之间一般采用呼叫－应答协议[9]，即地面站点周期向飞机发送呼叫报文，飞机收到后，以应答报文的方式响应地面站点，飞机不主动向地面站点发送信息。在地空数据链系统中地面站点的建设一般要保证“无盲区”，即飞机在整个飞行过程中，要时刻保持与地面的正常通信，这就要求地面站点的通信覆盖半径必须有重叠区域，如图2所示。一般飞机在飞行过程中，有2～3个甚至更多的地面站点能接收到飞机的下行报文。站点将接收到的报文统一送控制中心处理，控制中心根据各站点报文的CRC校验结果，确定站点报文接收质量，以此作为越区切换的依据。为避免切换过于频繁，需对接收质量进行滑动平均及趋势判决。一般以10次或1分钟作为滑动平均的周期。即若当前与飞机通信外站连续10次或连续一分钟接收到的报文平均质量低于从其它外站接收到的报文质量，且当前站点与飞机通信质量的变化趋势为逐渐降低，其它站点与飞机的通信质量逐渐提高，则实施切换。

3.2 基于位置的越区切换

与移动通信中终端的随机移动不同，空地数据链系统中飞机的飞行线路一般是经过规划的[11]，因此，控制中心可以根据飞机的起飞时间判断飞机当前所处的区域，以此确定飞机位置，但该方式受外界干扰因素较多，为更精准地确定飞机位置，一般根据地面雷达监测的飞机经纬度信息或飞机下行的平台信息，利用公式精确计算飞机与各地面站点之间的距离，以此作为越区切换的依据。为避免切换过于频繁，也需采用滑动平均和基于趋势的方式。一般以连续五次接收的飞机下行的平台信息或雷达上报的飞机经纬度信息，计算出飞机与各站点的距离，若当前通信站点与飞机的平均距离大于其它站点与飞机的距离，且当前通信站点与飞机距离的变化趋势为逐渐增大，其它通信站点与飞机的通信距离逐渐减小，则实施切换。

图2 空地数据链系统示意图

3.3 接收质量和位置相结合的越区切换

虽然上述两种方法都易于实现，但在实际运用时，两种方法都存一定的缺陷。基于接收质量的越区切换，在飞机越区过程中如果出现飞机天线遮挡，导致所有站点均收不到飞机的数据信息，则在飞机越区后，由于飞机已远离当前通信站点，飞机收不到当前站点的询问报文，因此其也不会发送下行数据，导致基于接收质量的越区切换无法实施，造成飞机丢失，这是空地数据链系统所不允许的。而基于位置的越区切换，由于其未考虑接口质量，而实际通信过程中经常出现距离远的站点接收质量好，距离近的站点反而接收质量差的情况，因此会造成通信效率低等问题。为较好地解决空地数据链系统的越区切换问题，需将上述两种方法结合起来。

接收质量和位置相结合的越区方法以接收质量为主，位置信息为辅，其越区切换判决流程如图3所示。飞机起飞进入正常通信状态后，控制中心实时监控飞机的下行数据，如果能正常接收，则按照接收质量越区切换判决准则辨别飞机越区状态，否则按照基于位置的越区切换判决准则进行飞机的越区切换。

图3 越区切换判决流程

4 结语

基于接收质量和位置的越区切换方式能很好地解决空地数据链系统的越区切换问题，其切换及时、可靠，基本可实现无需人工干预的自动越区切换。但由于实际的越区组网是个庞大复杂的系统工程，在研究过程中为了研究的方便对有关问题作了简化，因此，实际操作时还需对许多细节问题进行进一步分析，这也是今后的研究方向。

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