复杂环境中海上通信局部通信链路中断预测

木建一，李培正，骆曹飞，王炜皋

（中电科（宁波）海洋电子研究院有限公司，浙江 宁波 315000）

一般情况下，海洋通信环境相对于陆地存在较大差异，受到多种因素影响，如海浪阴影、海面电磁波的稀疏散射、发射接收双方的相对运动以及天气等，导致通信质量大幅度降低。其中，“日凌”干扰是春秋两季海上通信链路出现严重延迟甚至中断的主要因素，其持续时间长达10 min，有时会造成海上平台与陆地间通信故障。在海洋中，定位与通信问题常常因受到海洋因素的干扰而变得更为复杂，严重影响了海洋导航和通信。因此，预测复杂环境中海上通信链路中断具有重要意义。文献[1]提出了基于协作非正交多址的预测方法。该方法以抑制的平均信号干扰和噪声为目标，给出一种新的自适应波束赋形算法。在服从Nakagami-m 的前提下，推导出一个封闭的故障概率公式，用于对局部通信链路中断的预测；文献[2]提出了基于NSGA-II 的预测方法。该方法利用修正的NSGA-II 算法对移动通信环境下的站点进行优化，达到实现移动通信环境下的站址布局优化，从而实现通信链路中断预测。由于受限于较小的通信通道，现有的两种方案均存在通信链路易中断和通信链路中断预测时延大的问题，很难在海上通信网中推广使用。因此，研究了一种新的复杂环境中海上通信局部通信链路中断预测方法。

1 复杂环境中海上局部通信链路中断分析

在复杂海上环境中，由于移动通信节点的异质性、通信与组网的复杂性以及网络多样性等因素，现有的无线通信架构已不能满足实际应用需求，亟须构建一种适合海洋环境的无人通信平台[3]。由于海上通信链路经常处于间歇中断状态，若想保证其数据传输的有效性，就必须舍弃现有的“端对端线”式传送和验证方式，采用“逐跳式”传送方式，如图1所示。

图1 海上局部通信链路中断示意图

在实际中，海上通信链路[4]常常呈现间歇中断状态。当通信链路发生故障时，传统的“端对端线”式的传输控制和验证方式将会失去作用，采用“逐跳式”的转发机制[5-6]能够保证数据传输质量。受卫星通信固有特点的影响，卫星信号的传播有一定的延迟，通常一个站与另一个站之间的延迟约为0.5 s，而两端地面站之间的通信延迟约为1～2 s。此外，由于“日凌”干扰[7]的存在，可能出现长达10 min 的通信中断。然而，导致卫星通信失败的原因大都是普通的通信故障[8]，与平台无关。

2 基于波浪滑翔器的链路中断预测

2.1 波浪滑翔器通信链路中断预测框架构建

波浪滑翔器[9]是新一代海上无人航行器，能够搭载海、陆两种不同类型的设备。基于北斗卫星，研制了一套由主控单元、通信模块和位姿传感器等构成的波浪滑翔器通信链路中断预测框架[10-11]。具体如图2 所示。

图2 波浪滑翔器通信链路中断预测框架

由图2 可知，在海上平面基站监控中心确定目标波浪滑翔器所在位置后，基站监控中心通过波浪滑翔器在线获取海上平面基站采集的信息，并根据波浪滑翔器回传的通信链路中断回声定位信息，通过通信卫星发送给指挥中心。指挥中心经过分析后，对波浪滑翔器下达目标预测指令。以离线的方式，确定波浪滑翔器链路中断回波时间，根据计算的中断回波时间[12-13]，预测链路中断位置。

2.2 中断回波时间计算

在复杂环境中，根据动力学网络的移动路径和可视距离，结合波浪滑翔器链路[14]中断回波时间，选择合适的数据传输节点，以减少数据随机性，提高海上数据传输的可靠性。每个节点的缓冲区中，按照优先级高低依次存储数据包，同时根据节点间的来回传输决定节点的优先级。在海上平面基站的缓存中建立一个可以存储不同入网许可等级信息的中断回波报文排队，并在每个排队中根据请求加入的平台信息的中断回波时间对其进行排序，从而可以有效获取波浪滑翔器链路中断回波时间。

根据海上平面基站和指挥中心之间的海上通信指令，判断通信链路是否正常。如果通信链路正常，则节点与节点之间回波信号传输时间用Tq表示，计算公式可表示为：

式（1）中，Ts表示传输报文生存时间；Td表示报文剩余时间；L表示链路长度总和；v表示回波信号传输速度。

如果通信链路中断，则节点与节点之间中断回波信号传输时间用Ta表示，计算公式可表示为：

采用时分复用原理，分时预测不同链路中的中断情况，由此构建的波浪滑翔器链路中断回波时间计算模型T0(t)，可表示为：

式（3）中，ς(t)表示t时刻的预测节点缓冲时间；E(ε)表示缓冲区矩阵阶数ε的缓冲时间关系矩阵；ςmin、ςmax分别表示设定的中断回波时间最小和最大值。将计算的波浪滑翔器链路中断回波时间作为参量，用于链路中断位置预测过程中，能够最大程度地提升预测质量。

2.3 通信链路中断预测

在获取波浪滑翔器链路中断回波时间后，通过波浪滑翔器主控制器的主控单元分析中断回波信号所在的位置。一旦链路中断，那么波浪滑翔器接收到中断回波信号后，结合回波信号传输距离即可确定信号中断位置[15]。采用正交坐标系进行描述，中断回波信号在三维空间中在t1时刻的坐标可表示为：

式（4）中，x、y、z分别表示纵向、横向和垂向位移，对于这三个参量，计算公式为：

式（5）中，vx、vy、vz分别表示三个参量的分量[16]。

中断回波信号在三维空间中在t1时刻的传输方向，结果为：

式（6）中，θ、φ、ψ分别表示发射角度、接收角度以及偏离角度。

假设经过多次迭代所得的中断回波信号位置和传输方向分别为Ri、，其阈值分别为eR、es→，则通信链路中断预测函数用下述公式表示：

3 实验

3.1 复杂海上环境通信链路中断模拟

以基站为中心，模拟暴雨、暴风恶劣环境下通信链路中断情况，如图3 所示。

图3 复杂海上环境通信链路中断模拟

图3（a）中，丢失了发送确认数据指令、数据转发和接收失败指令；图3（b）中，丢失了数据转发、接收失败指令、再次数据转发指令。其中在暴雨恶劣环境下，在1.0～1.3 s、2.0～2.7 s 时出现了接收信号丢失情况，说明这两处通信链路中断；在暴风恶劣环境下，在2.0～2.5 s 时出现了接收信号丢失情况，说明该处通信链路中断。

3.2 预测结果分析

在暴雨、暴风恶劣环境下，分别使用基于协作非正交多址的预测方法、基于NSGA-Ⅱ的预测方法和基于波浪滑翔机的链路中断预测方法，对比分析预测结果是否精准，如图4 所示。

图4 不同方法预测结果精准度对比分析

由图4（a）可知，在暴雨恶劣环境下，1.0～2.7 s 时出现了接收信号丢失情况，说明该处通信链路中断；在暴风恶劣环境下，2.0～3.0 s 时出现了接收信号丢失情况，说明该处通信链路中断，预测结果与实际情况不一致，说明基于协作非正交多址的预测方法的预测结果不精准。

由图4（b）可知，在暴雨恶劣环境下，在1.0～1.6 s、1.9～3.0 s 时出现了接收信号丢失情况，说明这两处通信链路中断；在暴风恶劣环境下，在2.0～2.8 s、3.2～4.0 s 时出现了接收信号丢失情况，说明这两处通信链路中断，预测结果与实际情况不一致，说明基于NSGA-Ⅱ的预测方法的预测结果不精准。

由图4（c）可知，在暴雨恶劣环境下，时间为1.0～1.3 s、2.0～2.7 s 出现了接收信号丢失情况，说明这两处通信链路中断；在暴风恶劣环境下，时间为2.0～2.5 s 出现了接收信号丢失情况，说明该处通信链路中断，所提方法的预测结果与实际情况一致，说明预测结果精准。

4 结束语

海上通信受到复杂环境的影响，通信过程中容易出现大时延、高误码率及拓扑结构的动态性等。然而，通过利用海上的波浪滑翔器，可以为网络通信链路的中断提供一个可行的解决方案，即基于波浪滑翔器的链路中断预测方案。相较于传统方法，该方法能够显著提升预测精度，保证及时有效恢复海上通信，促进通信领域的进一步发展。