舰船无线通信中数据链测试技术

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摘要:当前，船舶的无线通信发展对数据链系统提出新要求。无线通信网络可以分为信源、发送设备和接收设备，在所有模块中最核心的是信号频率合成系统。针对数据链系统中的网络拓扑结构，本文实现了基于定向天线的定向通信技术，并设计了跳频同步技术。依据数据链系统的协议栈模型，本文设计针对系统延时、编码保密度和稳定性的数据链测试技术。

关键词：船舶系统；无线通信；数据链测试

0引言

当前随着海洋航行活动的日益增多，以及海上军事力量的迅速发展，船舶与船舶、船舶与港口的通信日益频繁。船舶工业的进步与通信技术的发展为船舶件的信息传递提供了理论保障和技术支持。由于船舶长期处于移动状态，并且船舶与船舶、船舶与陆地之间相互独立，因此无法使用传统的有线通信。近年来3G、4G技术的发展为船舶间的无线通信提供了可能，船舶间的信息交互能力得到了大幅度提升。在无线通信中，所有通信设备需要遵循特定的通信协议。在船舶通信中，由于对信息传输的实时性、稳定性以及保密性具有较高要求，目前采用数据链通信协议。该协议是以无线通信为载体，按照统一的数据格式实现准确、高效、实时的信息传输。在船舶的电子信息系统、作战系统、电气系统中，数据链是重要的组成部分，并且可以实现传感器与控制系统的交互。按照无线通信中数据传输的过程，数据链可以划分为战术数据系统、接口控制处理器、数据链终端设备以及无线收发装置。其中战术数据系统是船舶的战术控制中心，作为无线数据传输的控制中心；接口控制处理器在通信系统中负责数据的传输控制，在软件层与数据层之间处理数据的编解码；数据链终端设备是无线通信的数据接收单元，分布在数据链的两端，用于不同船舶之间的数据收发；无线收发装置是数据发射设备。由于无线通信存在多层协议，并且在数据传输过程中系统软件层与硬件层之间始终存在数据交互，因此为了保证系统的稳定，需要对数据链系统进行实时检测，保证其功能完备。本文首先分析了船舶无线通信系统中数据链的功能原理，并对其系统结构进行分析。最后依据数据链中使用的协议栈，从软件和硬件角度设计了测试技术，保证数据链的功能完备性以及无线通信系统的稳定性。

1船舶无线通信数据链

1.1船舶无线通信系统

船舶无线通信是指利用无线电波在空间内进行信息传递，在多系统间的信息传递可以满足即时通信需求。无线通信系统可以使得船舶获取海洋航行环境、临岸港口的实时状态，并且通过双向传递向其他相关设备传递自身航行状态等，保证船舶的航行调度，使得海洋航行可以有序进行。无线通信按照其原理可以分为3个部分：信源、发送设备以及接收设备[1]。其中信源是船舶中的信号处理系统，负责将数据转换为离散信号及模拟信号；发送设备是接入离散信号和模拟信号，通过载波及信号方法设备将信号发出，在特定情况下需要对信号进行加密处理；接收设备是目标船舶（及港口）中负责接收信号并通过解码、解调还原数据的设备。在该系统中，最重要的是信道频率合成系统.该系统是与信号收发天线相连接，并且使用标准IO信号和J5信号与业务处理系统进行数据传输。该系统中AD/DA模块负责原始数据向模拟信号转换，FPGA与链路DSP的功能是对模拟信号进行傅里叶变换，经过路由DSP转换模态，最后由控制信号和射频信号发送至收发信道单元经过天线向外传输信号。该系统的优点在于：1）使用跳频技术，可以实现2.4～5GHz的多频率发射，保证了发射的高带宽特点；2）在多系统的协同设计中，可以使用星形拓扑结构，使得该系统具有自组织、可协调特点；3）在保证性能的前提下，通过引入FPGA模块和双重DSP模块，降低系统成本。

1.2数据链系统结构

数据链系统是由多个无线节点组成的网络拓扑结构，其中每个节点是自组织AdHoc节点，主要负责数据的控制、分发与实时更新[3]。当前，各国已经在研发并装备的数据链种类繁多，按照其时间发展可以分为IFDL，MADL，TINT，TCDL及LINK22。根据节点的不同可以将数据链装备分为单工、半双工和全双工模式数据链系统的核心技术可以分为2个部分：基于定向天线的定向通信技术和跳频同步技术。定向天线是指在单个方向上具有很强的发射增益，可以实现数据定向传播的天线技术。使用基于定向天线的定向通信可以在2个固定设备间实现高抗噪实时传播，并且可以避免其他设备的信息截取，保证了信道传输的保密性和安全性。目前通常使用机械扫描天线和电扫描相控天线作为数据链系统的定向天线。机械扫描天线使用机械马达控制控制天线方向实现定向通信；电扫描相控天线是在全方向雷达中通过内部电信号控制，实现对特定方向的信号增强，进而实现定向通信。跳频同步技术是扩频技术的一种特殊实现方式，其全称是跳变频率变频（FrequencyHoppingSpreadSpectrum），指的是数字信息与二进制伪码序列相加后，高频载波控制器动态调节输出频率，使发射信号频率随数据的二进制伪码实时变化[5]。跳频通信系统使用以下5个参数衡量：扩频增益、跳频速率、跳频图案、跳频带宽以及跳频频率集。其中扩频增益的公式如下所示，其中W，ΔF和N分别为扩频信号带宽、信息带宽以及可用载波数。跳变频率是指每秒内载波频率的跳转次数，跳转图案是指在载波跳变过程中呈现的规律，跳变带宽是指跳变频率的波动范围，跳频频率集是指所有跳变频率在时间上采样点的集合。通过以上几个参数，可以确定整个跳变同步技术的状态。

2数据链设计与测试系统

2.1数据链系统设计

船舶无线通信中的数据链系统设计可以分为两个部分：协议栈的设计和软件系统设计。在系统设计过程中，首先依据协议栈类型构建数据链系统模型，接着使用软件系统实现数据链的相关功能。数据链系统是用于船舶无线通信，因此该系统必然依据网络协议[6]。传统的网络协议使用四层协议栈：物理层、链路层、处理层和应用层.其中物理层用于硬件适配，完成数字信号的传输功能；链路层充当路由器，完成传输信号在网络中的寻路功能；处理层用于信息的发送端和接收端，用于数据的编解码与载波处理；应用层用于生成和使用无线传输的数据。在确定了数据链的协议栈之后，需要设计实现其软件系统。该软件系统主要实现3个功能：网络资源控制、逻辑信道控制以及介质接入层，每个功能需要设计单独的接口。为了去除不同功能之间的耦合性，本文将数据链系统划分为PowerPC系统和DSP系统，其中PowerPC系统用于控制数据链结构，DSP系统负责传输信号的处理。

2.2数据链测试技术

在依据数据链系统设计方法实现数据链后，需要对数据链的稳定性、安全性等进行测试。当前主流的测试方法均以软件系统为基础，使用ASIC硬件模拟仿真，得到数据链系统的重要指标。当前确定的指标包括：系统延时、编码保密度以及系统稳态特性。在检测系统延时时，通过以下公式计算延时，其中Li和S分别为数据链长度和指数常量。为了检测系统的编码保密度，在发送端通过随机方法选取编码密文，在接收端使用密码库进行撞库操作，将时间按照以下公式处理，作为编码保密度的衡量标准，其中N和A分别为发送端和接收端加密等级。对于系统的稳态特性，本文采用的方法是：在发送端选取Benchmark作为标准原始信号发送，在接收端使用数据链系统进行解码，通过与Benchmark信号比对，得到系统稳态特定。当比例越高时，表明系统稳定性越强。

3结论

本文针对船舶无线通信网络，设计了数据链系统及数据链测试技术。首先根据网络系统结构，设计了频率合成系统。并依据数据链系统中的四层协议栈模型，使用ASIC硬件模拟了对数据链系统的延时、编码保密度和稳定性的测试技术。

参考文献：

[1]陆捷,张烁,许利刚,等.无线通信数据链协议栈软件设计与实现[J].中国新通信,2015,17(02):14.

[2]刘敏.软件无线电技术在无人机数据链系统中的应用[J].科技与企业,2012,(17):113-115.

[3]冷杰,张弘.基于HDLC的无线通信模块设计[J].控制工程,2012,19(S1):152–153,160.

[4]黄高阳,黄英君,骆志刚,等.数据链可靠传输协议的设计与仿真[J].系统仿真学报,2009,21(S2):218–221,225.

[5]宋晓勤,胡爱群.无线传感器网络中数据链路层和网络层设计[J].电信科学,2005,(09):9–12.[6]

作者:赵新颖 单位:中南大学