無線寬帶自組網(wǎng)的關鍵技術及應用

尹合林

（攀枝花市公安局，攀枝花 617000）

1 引言

與傳統(tǒng)蜂窩網(wǎng)絡結構不同，無線自組網(wǎng)是一種節(jié)點對等的點對點通信網(wǎng)絡，每個節(jié)點都可以與一個或者多個對等節(jié)點進行通信。無線自組網(wǎng)部署方便簡單，可以根據(jù)應用場景形成鏈型、星型以及混合型網(wǎng)絡拓撲。通過不同節(jié)點的中繼傳輸，無線自組網(wǎng)可以實現(xiàn)多跳傳輸，從而實現(xiàn)更遠距離的覆蓋?；谶@些特點，無線自組網(wǎng)特別適合專網(wǎng)集群通信，在公共安全、應急救援和垂直行業(yè)等有著廣泛的應用市場。

無線自組網(wǎng)最早起源于美國軍方機構的先進戰(zhàn)術通信系統(tǒng)（ATCS），相關技術于2000年初正式推向民用和商用，此后包括摩托羅拉、諾基亞在內的眾多公司紛紛開發(fā)和推出自己的無線自組網(wǎng)產(chǎn)品。早期的無線自組網(wǎng)技術主要應用在窄帶無線網(wǎng)絡中，特別是隨著物聯(lián)網(wǎng)和無線傳感應用的推廣，窄帶自組網(wǎng)技術迅速發(fā)展。物聯(lián)網(wǎng)的主流標準，如Zigbee和藍牙，都能夠很好地支持自組網(wǎng)功能。

隨著OFDM-MIMO寬帶技術的成熟，特別是Wi-Fi和LTE技術的廣泛商用，無線自組網(wǎng)技術也在向寬帶化和IP化發(fā)展。目前，國際組織IEEE和3GPP都已經(jīng)開始著手制定無線寬帶自組網(wǎng)相關標準，并發(fā)布了一些中間版本。國內B-Tr unC標準組織也在2.0版本規(guī)范中增加了寬帶集群終端直通模式的研究。

2 無線寬帶自組網(wǎng)的優(yōu)勢

相比傳統(tǒng)的蜂窩網(wǎng)絡結構，無線自組網(wǎng)具有如下主要優(yōu)勢。

（2）非視距傳輸效果好。當發(fā)送節(jié)點和接收節(jié)點之間存在遮擋物時，傳輸信號能夠自動選擇最佳路徑，并最終到達無直射視距的目標接收節(jié)點，這種非視距傳輸特性極大擴展了網(wǎng)絡的覆蓋范圍。

（3）強穩(wěn)健性。當自組網(wǎng)中某個節(jié)點發(fā)生故障時，信息可以由其他節(jié)點通過備用路徑傳輸至目標接收節(jié)點，不會影響整個網(wǎng)絡的運轉。這種強穩(wěn)健性在軍用戰(zhàn)術通信中是非常重要的，因此自組織功能成為這類高可靠性網(wǎng)絡的必要功能之一。

（4）結構靈活。在傳統(tǒng)網(wǎng)絡中，靜態(tài)配置的中心節(jié)點容易成為系統(tǒng)性能的瓶頸。無線自組網(wǎng)則靈活配置中心節(jié)點，根據(jù)網(wǎng)絡的實際負載情況動態(tài)分配路由，從而避免網(wǎng)絡的擁塞。同時，無線自組網(wǎng)也非常適合網(wǎng)絡拓撲結構不斷變化的通信場景。

此外，相比無線窄帶自組網(wǎng)，寬帶自組網(wǎng)又具有一些獨特優(yōu)勢。

（1）更多的資源調度維度。無線寬帶自組網(wǎng)引入了OFDMMIMO技術，將無線資源調度的維度從窄帶自組網(wǎng)的單一時間維度擴展到了時間-頻率-空間三個維度，系統(tǒng)資源利用率得到了顯著提升。

（2）更高的傳輸速率。無線寬帶自組網(wǎng)的OFDM 調制方式相比傳統(tǒng)調制方式有著更高的頻譜利用率，而且MIMO技術的分集增益也能夠有效地提升信道容量，因此寬帶自組網(wǎng)能夠提供更寬的數(shù)據(jù)通道和更短的傳輸時延。

（3）全IP化的業(yè)務。在IP化的寬帶自組織網(wǎng)絡中，語音業(yè)務、數(shù)據(jù)業(yè)務等不同類型的業(yè)務都能夠統(tǒng)一為IP承載，網(wǎng)絡之間的互通更加容易實現(xiàn)，網(wǎng)絡運維成本也會顯著降低。

針對這三座山，一是要激活民營企業(yè)內在潛力，融化市場的“冰山”。要提升產(chǎn)品核心競爭力，打造區(qū)域性品牌，并借助電子商務平臺，拓展優(yōu)勢產(chǎn)品的銷售半徑；鼓勵企業(yè)“走出去”，參與發(fā)展中國家的資源開發(fā)，依托本地優(yōu)勢產(chǎn)業(yè)基礎，與有關國家合作建立境外生產(chǎn)加工基地。二是要健全融資信用保障體系，削低融資的“高山”。要通過健全民營企業(yè)融資信用保障體系，解決銀行不敢或不愿貸款給中小民營企業(yè)的問題。三是要以優(yōu)化創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)條件來跨越轉型的“火山”。

3 無線寬帶自組網(wǎng)的關鍵技術

在無線寬帶自組織網(wǎng)絡中，所有通信節(jié)點都是對等的，每個節(jié)點都可以與其他節(jié)點進行通信，網(wǎng)絡架構與傳統(tǒng)的蜂窩網(wǎng)絡完全不同。相應地，傳統(tǒng)蜂窩網(wǎng)絡中的同步技術、調度技術等不再適用，同時新的網(wǎng)絡架構也帶來了新的問題，例如拓撲控制、路由選擇、安全性等，因此需要制定新的技術方案來保障自組織網(wǎng)絡的安全運行。

3.1 移動環(huán)境下的拓撲控制技術

無線自組網(wǎng)是一種沒有中心控制的多跳網(wǎng)絡，網(wǎng)絡的拓撲結構，即節(jié)點位置、節(jié)點間距離都對網(wǎng)絡有著十分重要的影響。特別在移動環(huán)境下，節(jié)點位置和網(wǎng)絡拓撲實時變化。當節(jié)點密度變大時，節(jié)點間的通信將相互干擾，節(jié)點的空間復用也會受到限制，進而引起吞吐量下降和不必要的功率浪費。

無線自組網(wǎng)拓撲控制是指通過控制網(wǎng)絡的拓撲結構使得能夠達到一定的網(wǎng)絡性能，例如節(jié)點間可相互連通、干擾降低、吞吐量上升、端到端延遲減小等。拓撲控制可以通過功率控制和信道分配兩種方式來實現(xiàn)，其中，功率控制通過改變傳輸距離可以影響到每個節(jié)點的相鄰節(jié)點數(shù)目、數(shù)據(jù)傳輸速率、網(wǎng)絡連通性等一系列重要參數(shù)，是實現(xiàn)拓撲控制最有效的手段。特別對于采用OFDM-MIMO技術的寬帶自組網(wǎng)，無線資源可以在時間-頻率-空間等多個維度上進行分配，多個節(jié)點可以同時發(fā)送數(shù)據(jù)，也可以同時接收數(shù)據(jù)，節(jié)點之間的相互干擾遠超窄帶自組網(wǎng)，因此功率控制是一項非常重要的關鍵技術。

3.2 移動環(huán)境下的路由選擇技術

在移動環(huán)境下，由于節(jié)點移動等原因導致傳輸路徑不斷改變，無線自組網(wǎng)需要不斷更新路由，因此采用自適應路由技術非常必要。

在自適應路由中，每個節(jié)點持續(xù)跟蹤其與周邊節(jié)點之間的連接狀況，并敏感發(fā)現(xiàn)斷鏈狀況。為了在動態(tài)變化網(wǎng)絡中保持路由表的一致性，每個節(jié)點都周期性地與周邊節(jié)點相互溝通并交換路由信息，在出現(xiàn)新的重要信息時立刻進行路由更新。為了進一步改善路由的自適應性和穩(wěn)定性，自適應路由維持多條到達每個目的節(jié)點的路由，以實現(xiàn)快速的錯誤恢復和負載均衡。

圖1 自適應路由選擇示例

3.3 復雜場景下的節(jié)點同步技術

無線自組網(wǎng)通常具有同步和異步兩種通信模式，對于較大規(guī)模的網(wǎng)絡，采用同步模式能獲得更好的系統(tǒng)性能，而且網(wǎng)絡健壯性也更高，但節(jié)點之間的同步是一個需要解決的關鍵問題。一般情況下，自組網(wǎng)系統(tǒng)會采用GPS或者北斗等衛(wèi)星信號進行網(wǎng)絡的輔助同步，在衛(wèi)星信號的輔助下，各節(jié)點之間比較容易實現(xiàn)頻率和相位的同步，而且同步精度較高。

但是在諸如地下、叢林等衛(wèi)星信號覆蓋不到或信號質量不好的地方，衛(wèi)星輔助同步的性能就會被嚴重影響。在這種情況下，節(jié)點之間必須要通過發(fā)送同步信號，實現(xiàn)網(wǎng)絡的自同步。在網(wǎng)絡自同步的過程中，網(wǎng)絡會自主選舉一個主節(jié)點，主節(jié)點發(fā)送同步信號，其它節(jié)點接收同步信號，并根據(jù)同步信號確定本地的幀邊界，實現(xiàn)和主節(jié)點的同步。進一步地，其他節(jié)點檢測到主節(jié)點的同步信號之后，按照本地設置的初始幀邊界向主節(jié)點發(fā)送發(fā)現(xiàn)信號，主節(jié)點在接收發(fā)現(xiàn)信號之后，測量并估計傳輸時延。主節(jié)點通過廣播信道將時延信息反饋給其他節(jié)點，其他節(jié)點根據(jù)時延信息來調整本地的幀邊界，實現(xiàn)與主節(jié)點的精細同步。

3.4 公平高效的資源調度技術

在采用同步模式的自組網(wǎng)中，資源調度一般都是采用靜態(tài)的時隙分配機制，各個節(jié)點輪詢時隙獲得無線資源。這種機制簡單易實現(xiàn)，而且一旦網(wǎng)絡同步，系統(tǒng)穩(wěn)定性也比較高。但是隨著業(yè)務流量的增加和業(yè)務模型的多樣化，這種資源調度方法將會帶來空口資源利用率低、節(jié)點之間傳輸速率無法有效增加等問題。同時，也無法適用突發(fā)業(yè)務增加的情況，將導致資源浪費嚴重，性能顯著下降。

為解決上述問題，自組網(wǎng)可以采用靜態(tài)分配與動態(tài)調度相結合的資源調度方法。根據(jù)一般的業(yè)務模型，單個節(jié)點上的業(yè)務可以分為周期性的小流量業(yè)務和突發(fā)性的大流量業(yè)務兩種。周期性的業(yè)務包括一些信令在內的小流量數(shù)據(jù)交互，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量不大，但是比較頻繁、有規(guī)律，這些業(yè)務所需資源采用靜態(tài)固定方式進行分配。突發(fā)性的業(yè)務一般數(shù)據(jù)傳輸量都會比較大，不會太頻繁，但是比較突然。這種情況下，根據(jù)實際需求動態(tài)申請大塊連續(xù)的資源用于數(shù)據(jù)傳輸能夠提升數(shù)據(jù)傳輸?shù)男省?/p>

此外，對于采用OFDM-MIMO空口技術的寬帶自組網(wǎng)，空口資源可以通過更多的維度進行復用。在一個時隙內，通過分配不同的子載波，支持多個節(jié)點發(fā)送或者接收數(shù)據(jù)。相比原先以時隙為資源分配的基本單位，這種二維資源調度方法以時頻資源塊為基本單位，空口資源的分配會更加精細、高效。

4 無線寬帶自組網(wǎng)的應用場景

如前所述，無線寬帶自組網(wǎng)具有獨特的組網(wǎng)和成本優(yōu)勢，非常適合專網(wǎng)集群通信，在公共安全、應急救援、國防建設等領域，以及交通、電力和能源等行業(yè)都有著廣泛的應用。例如位于中國西南川滇交界部的攀枝花市，地貌類型復雜多樣，具有平壩、臺地、高丘陵、低中山、中山和山原6類地形，市域最高海拔4195.5米（鹽邊縣柏林山穿洞子），最低海拔937米（仁和區(qū)平地鎮(zhèn)師莊）。攀枝花市公安局在這樣地形復雜的地區(qū)進行應急通信保障，僅僅依靠衛(wèi)星動中通、350兆PDT數(shù)字集群通信網(wǎng)絡等常規(guī)手段是遠遠不夠的，這個時候，寬帶自組網(wǎng)的優(yōu)勢就顯現(xiàn)出來了。

4.1 公共安全

在大型群體活動、重要會議等重大活動中，活動現(xiàn)場、外圍道路等廣大區(qū)域都需要進行實時的多媒體通信保障，包括高清視頻監(jiān)控、視頻會議、大數(shù)據(jù)分析等。

利用無線寬帶自組網(wǎng)設備可以建設若干全向固定站點覆蓋活動現(xiàn)場和周邊道路，固定站點之間通過無線傳輸進行數(shù)據(jù)交換，在無光纖或光纖故障的情況下仍然可以正常工作。通過車載等方式部署一些移動或者臨時工作節(jié)點，通過固定節(jié)點接入系統(tǒng)，提供應急多媒體保障業(yè)務。

在重大活動通信保障中，無線寬帶自組網(wǎng)組網(wǎng)靈活、部署便捷、使用簡單。通過采有線、無線相結合的方式，能夠實現(xiàn)大范圍的專網(wǎng)覆蓋，且在特定區(qū)域內支持4K高清視頻傳輸，是一種成本優(yōu)勢非常明顯的應急通信保障方案。

圖2 重大活動安保通信方案示例

4.2 應急救援

在火災、地震等救援中，災難中心區(qū)域通常沒有網(wǎng)絡信號覆蓋，無法災難現(xiàn)場的視頻圖像回傳到指揮中心，進而影響指揮中心決策和遠程指揮調度。

如圖3方案所示，災難現(xiàn)場部署攝像設備和寬帶自組網(wǎng)設備，二者通過有線連接。災難現(xiàn)場外圍部署無人機攜帶的自組網(wǎng)設備或地面部署的自組網(wǎng)設備作為中繼節(jié)點，現(xiàn)場自組網(wǎng)節(jié)點將視頻通過中繼節(jié)點無線傳輸?shù)綉蓖ㄐ胖笓]車，指揮車通過衛(wèi)星通信、4G公網(wǎng)或政務專網(wǎng)等方式將現(xiàn)場視頻回傳至指揮中心。

圖3 應急救援通信方案示例

上述方案充分利用無線自組網(wǎng)節(jié)點便捷部署的優(yōu)點，將災難現(xiàn)場視頻圖像快速傳輸至指揮車和指揮中心，為遠程指揮調度提供了決策依據(jù)。四川攀枝花市公安局在實踐中，已經(jīng)建立起一套基于無線寬帶自組網(wǎng)、衛(wèi)星動中通、無人機等通信技術結合的應急救援通信體系，并收到了良好的效果反饋。

5 結束語

無線寬帶自組網(wǎng)以其部署方便、操作簡單、傳輸量高且成本低廉等優(yōu)勢，在不同領域和不同行業(yè)得到了廣泛應用，也獲得了很好的經(jīng)濟效益和社會效益。

在向5G的演進過程中，3GPP組織將D2D應用列為未來無線網(wǎng)絡的主要應用功能之一，從而將無線自組網(wǎng)技術正式地引入到蜂窩通信領域。隨著統(tǒng)一標準的出臺和5G物聯(lián)網(wǎng)、車輛網(wǎng)等推廣應用，無線自組網(wǎng)技術將迎來蓬勃發(fā)展。