一種新型的寬帶無線自組網(wǎng)互聯(lián)技術(shù)

1 引言

隨著現(xiàn)在戰(zhàn)爭的特殊性，在信息化條件下單艦（機）基礎(chǔ)訓練和小型作戰(zhàn)編組近岸實兵訓練任務(wù)進行海上編隊的網(wǎng)絡(luò)通信中，由于應(yīng)用場景和組網(wǎng)結(jié)構(gòu)復雜多樣，通信節(jié)點具有移動的隨機性和突發(fā)性、業(yè)務(wù)傳輸?shù)呐既恍?，對訓練的常態(tài)化、正規(guī)化組訓提出了更高要求。因此系統(tǒng)設(shè)計要求寬帶網(wǎng)絡(luò)連接能夠根據(jù)無線鏈路、拓撲結(jié)構(gòu)、傳輸路徑、業(yè)務(wù)狀況等進行動態(tài)調(diào)整。自組織網(wǎng)絡(luò)能通過節(jié)點自動對網(wǎng)絡(luò)參數(shù)進行優(yōu)化和調(diào)整，以適應(yīng)無線通信的動態(tài)拓撲變化，從而改善通信質(zhì)量。

自組網(wǎng)互聯(lián)技術(shù)的關(guān)鍵是接入控制（MAC）協(xié)議。目前傳統(tǒng)的自組網(wǎng)技術(shù)的MAC協(xié)議分為兩類：一類采用CSMA/CA隨機接入技術(shù)實現(xiàn)無中心自組網(wǎng)，常見于小范圍區(qū)域、時延抖動和帶寬抖動要求較低的民用應(yīng)用場景中；另一類采用有中心節(jié)點的點對多點（PMP）接入技術(shù)實現(xiàn)中繼mesh組網(wǎng)。相應(yīng)的主要自組網(wǎng)通信接入技術(shù)規(guī)范包括：

（1）基于802.1x協(xié)議Ad Hoc模式低速率短距離自組網(wǎng)技術(shù)；

（2）基于802.16x的Relay/mesh模式的自組網(wǎng)技術(shù)；

（3）基于802.1x/802.16x/LTE的bridge模式中繼自組網(wǎng)技術(shù)。

但是，上述3種模式都不能滿足高寬帶、遠距離、動態(tài)拓撲變化、低時延、多跳等軍事寬帶無線自組網(wǎng)的應(yīng)用需求，且海上編隊寬帶無線通信網(wǎng)有著與傳統(tǒng)自組網(wǎng)/中繼組網(wǎng)截然不同的應(yīng)用場景，其需要綜合考慮如下因素：

（1）網(wǎng)絡(luò)節(jié)點為對等設(shè)備；

（2）網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)動態(tài)變化；

（3）無線鏈路狀態(tài)復雜、且傳輸距離遠；

（4）業(yè)務(wù)傳輸指標滿足高帶寬、低時延。

綜上，針對海上編隊的通信需求本文全新開發(fā)了一種具有自主知識產(chǎn)權(quán)的新型的寬帶無線自組網(wǎng)互聯(lián)技術(shù)，該技術(shù)主要包括下面3個關(guān)鍵技術(shù)：

（1）自組網(wǎng)互聯(lián)接入技術(shù)；

（2）自適應(yīng)多信道動態(tài)無線資源管理技術(shù)；

（3）自適應(yīng)路由技術(shù)。

2 自組網(wǎng)互聯(lián)接入技術(shù)

全網(wǎng)所有通信節(jié)點為對等設(shè)備，每個通信節(jié)點通過自同步或外部授時同步形成統(tǒng)一定時，每個通信節(jié)點采用統(tǒng)一的時隙和幀結(jié)構(gòu)，都采用單/多收發(fā)器進行多信道工作。

自組網(wǎng)互聯(lián)接入技術(shù)是在TD-LTE接入控制技術(shù)的基礎(chǔ)上結(jié)合CSMA/CA和TDMA方式完成通信設(shè)備節(jié)點的發(fā)現(xiàn)、無線鏈路的建立、網(wǎng)絡(luò)拓撲的維護，最終完成所有通信節(jié)點的互聯(lián)接入。自組網(wǎng)互聯(lián)接入技術(shù)在信道上分為協(xié)議控制信道和數(shù)據(jù)傳輸信道，在時隙上分為協(xié)議控制時隙和數(shù)據(jù)傳輸時隙，協(xié)議控制和數(shù)據(jù)傳輸使用信道和時隙時能夠根據(jù)組網(wǎng)應(yīng)用動態(tài)調(diào)整。擬采用的幀結(jié)構(gòu)即為CSMA和TDMA混合幀結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

圖1 自組織互聯(lián)接入幀結(jié)構(gòu)圖

上圖中，S0是一個特殊子幀，所有節(jié)點工作在同一頻點，采用CSMA競爭方式進行拓撲關(guān)系的建立協(xié)商和資源分配的協(xié)商等。子幀1～子幀9為數(shù)據(jù)子幀，每個子幀分配給一對節(jié)點進行通信，采用TDMA方式。時隙的分配和所采用的頻率在S0時隙進行協(xié)商，通過相關(guān)的算法進行優(yōu)化，以提高頻譜利用率和系統(tǒng)吞吐量。

3 自適應(yīng)多信道動態(tài)無線資源管理技術(shù)

全網(wǎng)所有通信節(jié)點可以采用單/多收發(fā)器進行無線信息傳輸，每個收發(fā)器可以工作在多信道上，為了充分利用無線頻譜資源，增加整個網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)容量，需要充分發(fā)揮每個收發(fā)器、每個信道的資源利用率，以滿足海上編隊通信系統(tǒng)的應(yīng)用需求。

自適應(yīng)多信道動態(tài)無線資源管理技術(shù)是在Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)下配置多信道無線資源分配，同時結(jié)合LTE的物理層和MAC層設(shè)計，最終完成寬帶無線自組網(wǎng)對無線資源管理的要求。

信道資源協(xié)商的過程如圖2所示，信道資源協(xié)商是在S0時隙進行，由業(yè)務(wù)發(fā)送方進行申請，業(yè)務(wù)接收方接收到申請后應(yīng)答，最后業(yè)務(wù)發(fā)送方進行確認，實現(xiàn)三次握手的功能。

圖2 信道資源協(xié)商示意圖

協(xié)商消息(NM)中包含可用頻點、時隙、帶寬請求等信息；NM_RSP中包含選擇的頻點、時隙、確認的帶寬等信息；NM_ACK中包括選擇的頻點、時隙、帶寬等信息。

自適應(yīng)多信道動態(tài)無線資源管理技術(shù)實現(xiàn)了基于時分復用的各節(jié)點信道資源分配。在系統(tǒng)設(shè)計中，預(yù)定某一時隙上某一信道作為信標，實施全網(wǎng)的信道資源分配，根據(jù)節(jié)點間的頻譜狀況、業(yè)務(wù)需求、網(wǎng)絡(luò)拓撲情況動態(tài)分配信道時隙資源，以支持包括實時業(yè)務(wù)在內(nèi)的綜合業(yè)務(wù)傳輸。通過時頻二維資源在空間（地域覆蓋）和時間上的優(yōu)化分配，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的“隨遇接入”和“隨時通信”。自適應(yīng)多信道動態(tài)無線資源管理技術(shù)主要實現(xiàn)了如下功能：

（1）通信節(jié)點任意收發(fā)器能夠在不同時隙工作在不同信道上；

（2）通信節(jié)點能夠根據(jù)頻譜資源狀況自動選擇匹配的時隙和信道進行通信；

（3）通信節(jié)點能夠根據(jù)網(wǎng)絡(luò)拓撲自動調(diào)整每個通信節(jié)點間使用的無線資源；

（4）通信節(jié)點能夠根據(jù)業(yè)務(wù)傳輸需求自動調(diào)整通信節(jié)點間的無線資源。

3 自適應(yīng)路由技術(shù)

當前主流的通信路由技術(shù)如下：

（1）基于網(wǎng)絡(luò)拓撲關(guān)系的MESH路由協(xié)議，例如OLSR、DSP、AODV等；

（2）基于IP地址的L3路由協(xié)議，例如OSPF、RIP、BGP等。

這兩類路由技術(shù)主要區(qū)別為：MESH路由協(xié)議多用于非IP數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)傳輸，一般適用于自治系統(tǒng)內(nèi)的組網(wǎng)應(yīng)用；L3路由協(xié)議一般為標準有線或無線組網(wǎng)應(yīng)用，既可以用于自治系統(tǒng)內(nèi)，也可以用于網(wǎng)際互聯(lián)。

然而，現(xiàn)有的路由協(xié)議并不能滿足海上編隊組網(wǎng)對路由的需求，本系統(tǒng)需要結(jié)合海上編隊應(yīng)用的特殊性綜合考慮以下幾個方面對海上編隊通信的路由協(xié)議進行全新設(shè)計：

（1）路由協(xié)議開銷對無線鏈路資源的占用；

（2）無線鏈路質(zhì)量；

（3）路由協(xié)議能夠根據(jù)無線網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)進行動態(tài)調(diào)整；

（4）IP地址規(guī)劃及網(wǎng)際互聯(lián)功能。

本文采用具有自主知識產(chǎn)權(quán)的基于權(quán)值的自適應(yīng)跨層協(xié)同路由技術(shù)。該路由技術(shù)要求打破傳統(tǒng)OSI/RM (open systems interconnection / reference model)參考模型中嚴格分層的束縛，在層與層之間進行信息傳遞和共享，針對各層相關(guān)模塊/協(xié)議的不同狀態(tài)和要求，在整體框架內(nèi)，利用層與層之間的相互依賴和影響，對網(wǎng)絡(luò)性能進行整體優(yōu)化，該技術(shù)方案的分層結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 跨層協(xié)同協(xié)議分層

基于權(quán)值的自適應(yīng)跨層協(xié)同路由技術(shù)的基本思想與原則是：充分合理利用現(xiàn)有各層提供的資源信息(傳輸功率、信道狀態(tài)、調(diào)制方式、調(diào)度策略、路由等) 進行決策，以達到系統(tǒng)總吞吐量最大化、總傳輸功率最小化、QoS最優(yōu)化的最終目的?；跈?quán)值的自適應(yīng)跨層協(xié)同路由技術(shù)在傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧上增加了跨層協(xié)同管理層，該實體的主要功能為：

（1）從協(xié)議層獲取實時網(wǎng)絡(luò)或鏈路狀態(tài)信息（應(yīng)用層的QoS需求信息、傳輸層的端到端吞吐量和延時、網(wǎng)絡(luò)層路由表承載信息、MAC層的節(jié)點吞吐量、物理層的剩余帶寬/RSSI/SNR等）；

（2）根據(jù)上述信息，協(xié)同處理網(wǎng)絡(luò)層路由選擇算法和協(xié)議，具體包括：

（3）把物理層的信道質(zhì)量參數(shù)作為路由選擇算法的判據(jù)；

（4）把傳輸層的鏈路使用信息作為路由選擇算法的判據(jù)；

（5）把應(yīng)用層對QoS的需求信息作為路由選擇算法的判據(jù)。

基于權(quán)值的自適應(yīng)跨層協(xié)同路由技術(shù)可以基于任意網(wǎng)絡(luò)協(xié)議進行實現(xiàn)，海上編隊系統(tǒng)擬采用基于OLSR協(xié)議實現(xiàn)的基于權(quán)值的自適應(yīng)跨層協(xié)同路由技術(shù)，該協(xié)議選擇算法將信號質(zhì)量、頻譜狀態(tài)、物理層帶寬、資源分配、QoS、跳數(shù)等加權(quán)值作為判據(jù)，選擇單位業(yè)務(wù)傳輸權(quán)值最小的路徑作為最佳路由；當上述幾個參數(shù)發(fā)生變化時，重新進行協(xié)議交互和路由選擇，自動更新網(wǎng)絡(luò)路由，保障業(yè)務(wù)傳輸質(zhì)量、系統(tǒng)吞吐量、端到端傳輸時延。

4 寬帶無線自組網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用

目前我們研制的寬帶無線自組網(wǎng)設(shè)備具備錨泊狀態(tài)下的艦岸接入通信和海上艦艇編隊組網(wǎng)通信兩種工作模式，具備無中心自組織、自動路由和中繼通信的能力，并支持根據(jù)艦艇地理位置變化動態(tài)調(diào)整網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)和中繼節(jié)點，實現(xiàn)與岸基有線光纖網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)。

寬帶無線自組網(wǎng)設(shè)備主要組網(wǎng)工作模式包括兩種，即近岸錨泊工作模式，以岸基節(jié)點為中心覆蓋艦載終端海域（岸基節(jié)點天線高度100米、艦載天線高度25米）；編隊工作模式，當艦載終端超出岸基節(jié)點通信覆蓋范圍，水面艦艇間實現(xiàn)相互自組網(wǎng)（艦載天線高度25米）。

無線自組網(wǎng)設(shè)備對下各艦載終端接入組網(wǎng)共有3種典型組網(wǎng)方式，即星型組網(wǎng)、鏈型組網(wǎng)、星鏈混合組網(wǎng)。

（1）星型組網(wǎng)

當艦艇編隊在岸基節(jié)點的有效通信覆蓋范圍內(nèi)時，無線自組網(wǎng)設(shè)備可通過星型組網(wǎng)方式接入岸基節(jié)點，從而實現(xiàn)與導控中心互連互通。星型組網(wǎng)如圖4所示。

圖4 無線自組網(wǎng)系統(tǒng)星型組網(wǎng)示意圖

（2）鏈型組網(wǎng)

當艦艇編隊部分超出岸基節(jié)點的有效通信覆蓋范圍時，無線自組網(wǎng)設(shè)備可通過鏈型組網(wǎng)，采用艦艇中繼方式接入岸基節(jié)點，從而實現(xiàn)與導控中心互連互通。鏈型組網(wǎng)如圖5所示。

圖5 無線自組網(wǎng)系統(tǒng)鏈型組網(wǎng)示意圖

（3）星鏈混合組網(wǎng)

當艦艇編隊完全超出岸基節(jié)點的有效通信覆蓋范圍時，艦艇編隊可以通過自組網(wǎng)方式，實現(xiàn)艦艇間的通信。主要包括如下兩種應(yīng)用，其組網(wǎng)關(guān)系如圖6所示。

圖6 無線自組網(wǎng)系統(tǒng)星鏈混合組網(wǎng)示意圖

① 支持相鄰兩個艦艇節(jié)點之間的直接對等通信；

② 支持不相鄰兩個艦艇節(jié)點之間通過其它艦艇節(jié)點多跳中繼轉(zhuǎn)發(fā)后的通信（艦艇節(jié)點間多跳自組織網(wǎng)絡(luò)通信）。

5 結(jié)束語

本文提出的新型寬帶無線自組網(wǎng)互聯(lián)技術(shù)，已經(jīng)成功的研制并應(yīng)用在實際項目中。該技術(shù)的成功應(yīng)用實現(xiàn)了部隊在實兵訓練中艦隊組網(wǎng)組訓中自成體系的通信網(wǎng)絡(luò)，提高了部隊在復雜電磁環(huán)境中的通信質(zhì)量和綜合保障能力。