多波束微波系統(tǒng)組網通信能力試驗分析*

趙乾宏，崔遠峰，田兆平，孫文杰

（中國衛(wèi)星海上測控部，江蘇 江陰 214431）

0 引 言

多波束微波設備是一種全IP化的微波設備，業(yè)務接口為標準千兆網口，具有多業(yè)務支持功能，如數(shù)據、IP話音，高清視頻等，且可同時進行工作。為驗證該多波束微波設備的海上通信適應能力，通過進行多波束微波的船舶搭載試驗，測試多波束微波在海上的傳輸距離與傳輸速率、動態(tài)鄰居發(fā)現(xiàn)能力、動中通能力和海上環(huán)境適應能力等，以驗證多波束微波的海上通信能力及其對海上環(huán)境的適應能力。

1 多波束微波系統(tǒng)的技術性能和關鍵技術

1.1 多波束微波系統(tǒng)的主要技術性能

多波束微波通信系統(tǒng)利用多波束天線和移動自組網技術可滿足如下需求：隨遇接入（對架設地點敏感性低）；布設靈活（天線無需進行手動調整）；配置簡單（單節(jié)點即可自動入網）；寬帶化（使用高階調制體制進行傳輸，6～54 Mb/s）；較強的組網能力（無需通過中心節(jié)點實現(xiàn)網絡的自組織）。系統(tǒng)采用TDD/TDMA的雙工多址方式、借助可以波束快速切換的定向天線，實現(xiàn)在微波頻段（C波段4.4～5 GHz）的網絡化通信，形成視距范圍內的無中心自組織網絡[1]。該系統(tǒng)本質上是一種無中心、分布式、可快速實時組網的無線移動通信系統(tǒng)。多波束微波通信設備的主要技術性能指標如表1所示。

表1 多波束微波通信設備的主要技術性能指標

1.2 多波束微波系統(tǒng)的關鍵技術

海上移動節(jié)點在海上處于快速移動狀態(tài)，并且存在海浪顛簸的影響。相對于靜態(tài)網絡，節(jié)點快速移動會導致拓撲的快速變化，對MAC層組網、網絡維護、路由的時效性提出了較高要求。

（1）基于TDMA的MAC協(xié)議[2]

針對海浪顛簸環(huán)境或船艇運動等海上移動節(jié)點的應用環(huán)境，專門設計了支持快速拓撲變化的MAC協(xié)議。MAC協(xié)議的核心是基于TDMA的MAC層調度策略，每個節(jié)點分配不同的時隙給不同的鄰居用于數(shù)據或者控制信息的交互，基于TDMA的MAC層接入算法要求每個節(jié)點本地時鐘同步?；赥DMA的MAC層復幀結構如圖1所示。每個復幀由鄰居發(fā)現(xiàn)階段、預約階段、數(shù)據傳輸階段組成。一個鄰居發(fā)現(xiàn)階段后，緊跟N個預約階段和數(shù)據傳輸階段，每個數(shù)據傳輸階段緊跟一個預約階段，每個階段由數(shù)個時隙構成。

圖1 基于TDMA的MAC層復幀結構

利用上述的幀結構設計完成網絡建立、網絡管理、信息傳輸、遲入網等網絡功能，該通信協(xié)議主要包括了同步、鄰居發(fā)現(xiàn)和建鏈（握手1完成）、時隙管理與控制及動態(tài)時隙分配（握手2完成）、信息傳輸四個階段。各階段功能及節(jié)點所處的協(xié)議狀態(tài)如圖2所示。

（2）基于TDMA的MAC協(xié)議實現(xiàn)

①動態(tài)鄰居發(fā)現(xiàn)。鄰居發(fā)現(xiàn)階段的功能主要是發(fā)現(xiàn)和定位鄰居，同時與鄰居協(xié)商預約階段的一個時隙用于兩個節(jié)點在預約階段交互控制信息。鄰居發(fā)現(xiàn)階段由多次掃描構成。每次掃描過程中，節(jié)點依據定向天線波束覆蓋能力將360度空間分為16個扇區(qū)，并按照一定順序依次掃描16個扇區(qū)。掃描時節(jié)點發(fā)送hello包或監(jiān)聽hello包。一旦兩節(jié)點完成了hello包的交付，即通過后續(xù)握手包的交換協(xié)商預約階段的一個時隙，該預約階段的時隙將用于兩個節(jié)點在預約階段交互控制信息，如圖3所示。

②基礎時隙?；A時隙是在節(jié)點完成鄰居發(fā)現(xiàn)之后，在后邊的數(shù)據時隙中進行靈活選擇的一對時隙。基礎時隙的分配過程示意圖如圖4所示，其作用是保持兩個鄰居節(jié)點之間交互必要的控制信息和狀態(tài)更新，從而實現(xiàn)帶內控制的目的。帶內控制是指節(jié)點通過控制信息來保持時隙和數(shù)據速率通信的過程，控制信息在數(shù)據時隙分配中傳遞。但是，如果是因為另一個節(jié)點移動導致傳輸丟失，那么將建立定時器，用來重新請求或者重新發(fā)送控制信息。

圖2 協(xié)議狀態(tài)轉移

圖3 鄰居發(fā)現(xiàn)過程

圖4 基礎時隙的分配過程

（3）海上快速移動節(jié)點組網路由算法

海上快速移動節(jié)點在海上處于快速移動狀態(tài)，并且存在海浪顛簸的影響。節(jié)點快速移動會導致拓撲的快速變化，因此對路由的時效性提出了較高要求。多波束微波通信系統(tǒng)選取OLSR（Optimized Link State Routing,優(yōu)化鏈路狀態(tài)路由協(xié)議）基礎，并對其進行優(yōu)化，使用跨層技術，減小表驅動路由帶來的開銷，形成適用于多波束微波通信系統(tǒng)的基于跨層設計的OLSR路由協(xié)議。

基于跨層設計的OLSR路由協(xié)議去除針對其它類型網絡的額外功能，同時將MAC層的鄰居發(fā)現(xiàn)功能與網絡層結合起來，充分利用MAC層已經獲得的信息，省去定時發(fā)送HELLO類型數(shù)據包所產生的開銷，并節(jié)省了鄰居發(fā)現(xiàn)的時間。在尋路過程中，加入了路徑負載影響因子，防止局部負載過大，導致數(shù)據產生擁塞。改進后的協(xié)議能夠適應拓撲快速更新、端到端低時延的要求。

2 多波束微波系統(tǒng)組網試驗

2.1 波束微波通信系統(tǒng)海上組網測試

海上測試主要進行了三種機動方式進行試驗，機動方式描述如下：

（1）船載節(jié)點1與船載節(jié)點2進行同向前后編隊行駛，不斷拉遠兩節(jié)點間的通信距離，到達32 km之后再逐漸拉近兩節(jié)點間的通信距離；

（2）船載節(jié)點1與船載節(jié)點2進行同向左右編隊行駛，不斷拉遠兩節(jié)點間的通信距離，到達32 km之后再逐漸拉近兩節(jié)點間的通信距離。

（3）船載節(jié)點1保持航向不變，船載節(jié)點2進行轉向（如起錨時、長江口入海時、航道轉向等）。

這三種機動方式示意圖如圖5所示。

圖5 海上測試

2.2 岸船組網測試過程

岸船組網測試是在船載節(jié)點1和節(jié)點2?？看a頭的過程中進行的，其目的是驗證多節(jié)點之間的組網能力。實際組網拓撲圖如圖6所示。其中：節(jié)點1和節(jié)點2是船載站點，處于機動過程中；節(jié)點3為固定站點，位于岸邊高地上，與所有節(jié)點均有視距；節(jié)點4為車載站點，由于受到節(jié)點3所在高地遮擋，與節(jié)點1和節(jié)點2無視距，僅與節(jié)點3具有視距。

圖6 岸船組網拓撲

測試按照以下步驟進行：

（1）船載兩個節(jié)點（節(jié)點1和節(jié)點2）建立點對點通信鏈路，可正常通信；

（2）岸上節(jié)點3開機，與節(jié)點1、節(jié)點2組成環(huán)狀網絡，此時任意兩個節(jié)點可互聯(lián)互通，表明系統(tǒng)具備遲入網功能，支持設備的隨遇接入，進一步將其中任意的一個節(jié)點關機，三者之間仍可以進行互聯(lián)互通，進而驗證了網絡的無中心特性以及其路由中繼功能；

（3）節(jié)點4的車載站點開機接入網絡，僅與節(jié)點3存在視距，可進行車載站點與節(jié)點3的直連測試，也可通過節(jié)點3完成岸上車載站與船載站之間的互聯(lián)互通。

3 多波束微波系統(tǒng)組網試驗數(shù)據及分析

3.1 通信性能測試

針對多波束微波通信設備的多種速率，匯總設備不同速率條件下的通信性能，包括Ping包時延、丟包率、電話及視頻情況，結果如表2所示。

表2 不同傳輸速率的通信性能

以上數(shù)據是設備在視距條件下正常通信時得到的，包含固定站通信以及海上的機動通信試驗數(shù)據。各種速率的最大通信距離符合設備的設計指標，多數(shù)情況下丟包率小于0.1%；而最大時延是由于數(shù)據出錯后多次重傳引起的，但其出現(xiàn)概率低，并不影響正常使用。

3.2 接收電平測試

根據試驗環(huán)境不同，試驗環(huán)境主要分為兩類：一類是海上風浪較小（包含晴天和陰雨天），另一類是海上的大風浪天氣（存在1.5 m以上海浪）；表3給出了不同試驗環(huán)境下多波束微波通信設備設備的接收電平。

從表3可以看出，在海上大風浪條件下，接收電平的起伏波動明顯要大于其他環(huán)境，這是由于風浪變大時，船體本身隨風浪擺動，瞬間的傾斜角變大使得設備天線難以完全對準，設備不能在最佳狀態(tài)下工作。同時，不同試驗環(huán)境下設備的接收電平均滿足隨距離增加而不斷降低的趨勢。

3.3 頻點、功率調整測試

多波束微波通信設備的工作頻率范圍為4.4～5 GHz，支持在工作頻段內逐MHz的進行頻點切換。在試驗過程中每50 MHz進行一次頻點切換測試，結果均可進行正常工作，圖7給出了在4 500 MHz、4 600 MHz、4 800 MHz、5 000 MHz四個頻點正常工作時的監(jiān)控界面截圖，從圖中可以看出，設備在各個頻點能建立鄰居（Link指示燈為綠色表示正常建立鄰居），且可在右側的通信調制參數(shù)框內看到當前的通信節(jié)點、扇區(qū)、調制方式以及通信速率[3]。

表3 不同試驗環(huán)境下的設備接收電平

圖7 不同頻點的監(jiān)控界面

同時，多波束微波通信設備還支持發(fā)射功率調整，調整范圍為0～30 dB，進而滿足不同通信距離下，特別是近距離條件下的正常通信。

3.4 網絡功能測試

岸船組網測試按照網絡節(jié)點逐漸增加的方式，構建不同的網絡拓撲結構，主要測試的拓撲結構如圖8所示。

圖8 不同數(shù)量節(jié)點構建的不同網絡拓撲

船載兩個節(jié)點建立點對點通信鏈路，可正常通信，如圖8（a）所示；岸上節(jié)點3開機，與節(jié)點1、節(jié)點2組成環(huán)狀網絡，此時任意兩個節(jié)點可互聯(lián)互通，如圖8（b）所示，表明系統(tǒng)具備遲入網功能，支持設備的隨遇接入，進一步將其中任意的一個節(jié)點關機，三者之間仍可以進行互聯(lián)互通，進而驗證了網絡的無中心特性以及其路由中繼功能；節(jié)點4的車載站點開機接入網絡，僅與節(jié)點3存在視距，可進行車載站點與節(jié)點3的直連測試，也可通過節(jié)點3完成岸上車載站與船載站之間的互聯(lián)互通，如圖8（c）所示。

4 多波束微波系統(tǒng)組網試驗結論

多波束微波系統(tǒng)組網試驗采用船載、車載、固定等三種方式進行了陸地拉距、海上機動、岸船組網等三種不同類型的測試，試驗區(qū)域橫跨渤海、黃海、東海和南海等四大海域，以及長江流域，經歷了從風平浪靜到2.5～3 m大浪的海況，驗證了設備各項性能和在雨霧潮濕環(huán)境、大風浪環(huán)境下設備的通信能力。對試驗測試的各項結果進行匯總，結論如表4所示。

表4 多波束微波系統(tǒng)組網試驗總結

上述測試結論說明：

（1）寬帶多波束電臺具備一定的海上通信能力和動態(tài)組網能力，并且具有一定的海上環(huán)境適應能力和較高的數(shù)據傳輸能力，最遠傳輸距離可達32 km，傳輸速率不小于6 Mbps；

（2）寬帶多波束電臺在使用中，兩節(jié)點間需具備通視條件，在市區(qū)范圍內開展測試時，由于市內高層建筑較多，車輛運動中通信效果不理想；

（3）寬帶多波束電臺仍處于測試階段，有許多功能和性能有待進一步完善。通過本次測試，發(fā)現(xiàn)了設備存在的部分缺陷，如其天線扇區(qū)邏輯選擇存在錯誤，在船舶方位變化幅度較大時會導致通信中斷；在拉距實驗中，速度變化較快時速率自適應功能仍有待進一步完善，在海上風浪較大時，通信效果不理想等，上述這些問題有待進一步優(yōu)化改進。