数据链系统中的越区切换技术研究＊

陈 娟 熊友根 马沐春

（1.中国电子科技集团公司第二十八研究所 南京 210007）（2.南京军区空军司令部信息化处自动化站 210007）

1 引言

随着无线数据通信技术的发展，现代战争方式发生了革命性的变化。现代战争要求战场上各个作战单元之间迅速交换情报信息，共享各个作战单元掌握的所有情报，实时监视战场态势，具备相互协同能力。数据链是全球信息栅格（GIG）的重要组成部分，也是实施网络中心战的重要信息手段，是现代信息技术与战术理念相结合的产物，它将陆、海、空、天等各军兵种的指挥、控制、情报、信息系统和武器平台等紧密地链接在一起，按照统一的数据格式和通信协议，以无线信道为主对信息进行了实时、准确、自动、保密传输。数据链使作战区域内各种指挥控制系统和作战平台的计算机系统组成战术数据传输，交换和信息处理网络，为作战指挥人员和战斗人员提供有关的数据和完整的战场战术态势图，让所有作战力量实现信息共享，实时掌握战场态势，缩短决策时间，提高指挥速度和协同作战能力，增强部队的整体作战效能［1］。因此，数据链是将信息优势转化为战斗力的关键环节，是形成基于信息系统体系作战能力的有效手段，是信息化战争中必不可少的重要装备［2］。

2 数据链系统中的越区切换概念

通常，作战飞机的作战半径可达1500km，而单个数据链站点对3000m以上覆盖范围仅为200km～300km。数据链系统通过使用多个数据链站点实现对飞机作战区域的通信覆盖。为保障地面指挥所与作战飞机的连续通信，需要按作战飞机位置与通信质量选择最佳的数据链站点来承担对空通信任务。在数据链系统中，越区切换的过程如图1所示，当作战飞机在数据链站点1的通信覆盖范围时，地面指挥所使用数据链站点1与作战飞机进行通信；当作战飞机飞行至数据链站点2的通信覆盖范围时，需要将作战飞机和数据链站点1建立的数据通信关系切换到数据链站点2上，地面指挥所能够使用数据链站点2与作战飞机进行通信，这个过程就称为越区切换。

图1 越区切换过程

2.1 相关领域中的越区切换技术

蜂窝移动通信系统中，将服务区划分成若干个小区域，在各小区用小功率发射机覆盖，由若干小区构成区群，实现频率复用。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］。在蜂窝移动通信网中，越区切换保证移动用户在移动状态下实现不间断通信，同时也是为了在移动台与网络之间保持一个可以接受的通信质量，防止通信中断。特别是由网络发起的切换，其目的是为了平衡服务区内各小区的业务量，降低高用户小区的呼损率的有力措施。切换可以优化无线资源的使用，还可以及时减小移动台的功率消耗和对全局的干扰电平的限制。

目前，移动通信系统中常用的切换检测准则有：基于接收到的信号强度（RSS）的检测准则、基于载干比（CIR）的检测准则和基于距离的检测准则［4～5］。其中基于信号强度的判断方式有以下几种：

1）相对信号强度

切换判决基于从基站接收的信号平均值。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基站时发起切换。

2）有门限的相对信号强度

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发起切换。在此种方法中需要恰当地选择门限值。如果选择的门限值高于两基站的信号强度，就会出现类似相对信号强度的效果。如果选择的门限值低于此信号强度，移动台将推迟切换，直到服务基站的信号强度经过此门限值。如果选择的门限值远低于此信号强度，将会造成过大的时延。这将降低通信链路的质量甚至会导致呼叫中断。

3）有滞后的相对信号强度

移动台同样连续监测各个小区的信号强度，当某相邻小区基站的信号强度大于当前小区基站信号强度超过一个滞后范围时发起切换。这种方案可以有效地避免由于信号的起伏造成的“乒乓效应”，但是当服务基站的信号强度足够强时，它也产生不必要的切换。

4）有滞后和门限的相对信号强度

在这种方式中，当某个相邻基站的信号强度超过当前小区基站高于一个滞后范围，并且当前小区基站的信号强度低于某一个门限时发起切换。当当前基站的信号强度能够提供所需的质量要求时，使用此方式可以进一步降低不必要的切换。

5）有滞后时间的相对信号强度

在这种方式中，当某个相邻小区基站的信号强度比当前小区基站的信号强度高，而且在此后的一段时间里都保持比当前基站的信号强度高时发起切换。此方式降低了频繁的切换次数。

2.2 数据链系统中的越区切换技术

在无缝连接的数据链系统中，当飞机移动用户移动到地面站信号覆盖区域的边界，即将进入另一地面的覆盖范围时，为了使飞机与地面的通信不中断，飞机必须通过越区切换技术进行无缝通信切换，从而实现与另一地面站的通信，共享另一区域信息，接收指挥控制命令［6］。传感器、战斗平台等都在地面主控站或者指挥平台的控制下工作，当传感器或者战斗平台从一个主控站的范围内移出之前，根据越区切换算法，计算出恰当的切换时间以及目标切换站点。到达切换时刻启动越区切换，完成地面站点的切换工作。如果切换选择的时机不正确，空中平台就可能越出当前通信站点的覆盖范围，可能会丢失大量的数据，空中平台失去与指挥所的通信，从而贻误战机，对战争产生严重的影响，因此，一个可靠的越区切换算法是数据链系统稳定有效运行的关键技术。

数据链的越区切换可以借鉴相对成熟的移动通信越区切换技术［7～8］，但数据链与一般移动通信系统在通信组网方式和使用方式上都存在差异。公众移动通信网一般采用小区制，基站覆盖半径随着用户数量的增多而减小，最小只有几百米。而数据链通信采用大区制覆盖，在不同高度具有不同的覆盖半径，最大作用距离可以达到几百公里，因此相邻站点的通信覆盖区范围较大，作战飞机在一次飞行任务过程中需要切换次数相对较少。

数据链通信不同于一般移动通信，作战飞机与指控系统自始至终都通过数据链保持着指控关系，始终占用一定的信道资源，这是军用专用移动通信与一般民用通信的最大不同。数据链的应用环境的特殊性，对越区切换的鲁棒性、可靠性等提出更高的要求。同时，数据链属于军用专用通信系统，数据吞吐量有限，以轮询或者固定时分作为信道接入方式，主要用于指控平台与作战平台之间指令和态势的数字信息交换。因此，越区切换必须立足数据链的链路协议和战术要求。

受到数据链技术、组网方式和使用方式等的限制，越区切换需要的时间大于蜂窝通信切换时需要的时间，且切换过程中指挥所与作战飞机的通信中断。越区切换算法的检测部分是提高越区切换可靠性的关键所在［9］。由于数据链直接面向作战指挥，因此在设计越区切换算法时，应考虑算法不能过于复杂，避免作战飞机在飞行过程中受复杂因素的影响而导致的频繁切换。本文分别设计了三种不同的切换算法，并对三种算法的优劣进行了比较。

1）基于站点通信覆盖区的越区切换算法

站点的理论通信覆盖范围为以站点为顶点的锥形体，站点相对于作战飞机的理论通信覆盖区域为锥形体在飞机当前飞行高度的圆形横截面，高度越高通信覆盖范围越大，相邻站点的通信覆盖重叠区也越大，可以借鉴基于地理信息系统实现V／UHF通信评估的实现方法［10］。越区切换判断所依据通信覆盖信息仅仅通过理论计算是远远不够的，应通过对站点的实地考察、计算和测量获得相对更为准确的覆盖区数据，并在管理中心建立所有站点的覆盖区数据库，同时收集录入在作战飞机的日常训练中检测到的站点覆盖盲区位置信息，以此作为越区切换判断的理论依据。

（1）切换时机的选择

越区切换选择作战飞机在通信覆盖重叠区内进行，切换时间不能太早，此时作战飞机虽然在新站点的通信覆盖范围内，但很可能与新站点的通信质量较差。切换时机的选择与通信覆盖重叠区的大小息息相关，当通信覆盖重叠区足够大，可选择在通信覆盖重叠区的中间位置同时避开通信盲区的位置开始切换；若通信覆盖区相对较小，可选择在刚进入通信覆盖重叠区的位置进行切换。

（2）切换站点的选择

切换站点的选择主要基于对作战飞机飞行趋势的判断，越区切换的首要前提是作战飞机远离原通信站点。其中，飞行趋势计算方法如图2所示。

图2 飞机趋势计算方法

飞机位置为S（t），当前站点位置为A，飞机的飞行趋势为其中，S（t）、A 为二维坐标点。如果cosθ＜0，飞机朝着远离当前站点的方向飞行。如果连续5点cosθ＜－0.2（门限可调整），则可确认飞机趋向于数据链站点A。在计算飞行趋势时，还应该根据作战飞机的飞行航向、飞行速度等预估未来一段时间的飞行轨迹，评估在未来一段时间内的作战飞机相对于各站点的飞行趋势。选择最终切换站点时，综合评估作战飞机相对于站点的距离、飞行趋势和覆盖区位置等，选择最优的站点进行切换，避免因多余的切换而增加系统的负担。

2）基于站点与作战飞机通信质量的越区切换算法

在作战飞机执行任务的过程中，最直接导致切换的原因就是作战飞机与原通信站点的通信质量越来越差，这个判断依据是最直接最根本的。这种切换算法要求站点实时检测作战飞机与自身的通信质量，并将通信质量情况报告给管理中心。管理中心接收各个站点报告的通信质量信息，从而获得全局的站点与作战飞机的通信情况。

（1）切换时机的选择

管理中心动态计算滑动时间窗口内作战飞机与当前通信站点的质量变化趋势，当质量变化值低于一个门限值时，启动对这架飞机的越区切换控制。这个算法的设计关键在于滑动时间窗口值和质量门限阈值的选择。滑动时间窗口选择过大将无法评估衡量出作战飞机当前的质量变化趋势，窗口选择过小可能使判断出的质量变化趋势出现抖动，从而导致对作战飞机的频繁越区切换。质量门限阈值选择过大，当质量变化情况达到门限阈值即说明作战飞机与当前通信站点的通信质量急剧下降，这时发起切换，指挥所与作战飞机可能失去通信联系，错失了切换时机。反之，如果质量门限阈值选择过小，当质量变化情况达到门限阈值即说明作战飞机与当前通信站点的通信质量变化不大，则可能使判断出的质量变化趋势出现抖动，从而导致对作战飞机的频繁切换。

（2）切换站点的选择

由于管理中心掌握了作战飞机与所有可连通站点的通信质量信息，选择可切换站点时，可结合作战飞机相对于各站点的飞行趋势，从作战飞机趋向飞行的站点中选择通信质量最好的站点进行切换。

3）基于站点与作战飞机通信质量与站点覆盖区相结合的越区切换算法

以上分别介绍了基于站点通信覆盖区与基于站点与作战飞机通信质量的越区切换算法，两个方法各有利弊。基于站点通信覆盖区的方法存在风险，即虽然作战飞机在前方站点的通信覆盖区内，但可能因为天气、地理等方面的原因与前方站点无法通信，这时候发起切换控制将导致切换失败；基于站点与作战飞机通信质量的方法同样存在风险，如果通信状况不佳，可能使判断出的质量变化趋势出现抖动，从而导致对作战飞机的频繁切换。综合考虑两方面的因素，设计了同时结合通信质量与覆盖区的算法，根据作战飞机航向、速度计算相对于各站点的运动趋势，判断作战飞机与各站点的通信状态，同时推算下一个运动点是否在各站点的覆盖盲区中。有两种情况将触发越区切换判断，一是作战飞机远离原通信站点并将要到达通信覆盖区边界（预留一段控制距离），二是作战飞机与原通信站点持续一段时间失去通信联系或通信状况不佳。在选择切换站点时，充分考虑作战飞机与站点的通信状况、飞行趋势及覆盖盲区数据，使得选择的站点具有更高的可切换性。

3 结语

越区切换技术是数据链系统中实现指控系统对空中平台远距离、大区域、不间断地引导指挥的关键技术。本文结合数据链技术和组网方式的特点，根据现有的技术体制综合考虑了战场环境下的各种因素，以切换的成功率和对系统的通信影响最小为原则，提供了三种越区切换技术的实现方法并进行了比较分析。实际应用中，越区切换控制技术涉及的设备较多，需要相互之间高效稳定的协同配合工作，才能保证整个系统正确可靠的运行。

［1］黄鹍，李宏智.数据链集成应用体系结构［J］.指挥信息系统与技术，2011，2（5）：15－18，40.

［2］李宏智.多数据链联合网络规划［J］.指挥信息系统与技术，2013，4（2）：50－53.

［3］李莹.空地数据链系统中越区切换技术研究［D］.成都：西南交通大学，2008：13－14.

［4］Yang S R，Kao C C，Kan W C，et al.Handoff minimization through a relay station grouping algorithm with efficient radio resource scheduling policies for IEEE802.16j multihop relay networks［J］.IEEE Transactions on Vehicular Technology，2010，59（5）：2185－2197.

［5］谢显中，肖博仁，马彬，等.代价函数权值可变的速度自适应的异构无线网络垂直切换算法［J］.电子学报，2011（10）：145－156.

［6］Zhao Fang ming，Hang Juan，HE Di.Pre－emptive channel borrowing and traffic overflowing channel allocation scheme for multimedia overlay networks［J］.Journal of Shanghai Jiaotong University（Science），2011（6）：58－67.

［7］胡泊.蜂窝移动通信系统越区切换技术［J］.常州信息职业技术学院学报，2005（1）：43－45.

［8］朱琦.无线ATM网络中的快速越区切换［J］.南京邮电学院学报（自然科学版），1999（6）：20－23.

［9］梁爽，赵伟光.VHF／UHF数据链中的越区切换算法［J］.微电子学与计算机，2013（7）：2.

［10］沈健.基于地理信息系统实现通信覆盖评估［J］.中国无线电管理，2001（7）：11－13.