叢 鍵，張玉哲，張海燕

（西南通信技術研究所，四川 成都 610041）

0 引言

由于硬件處理能力的進步使得戰(zhàn)術通信裝備在發(fā)展趨勢上，功能集成度日益提高，從信道設備演變?yōu)閭鬏斣O備，并進一步發(fā)展為具備完整無線組網(wǎng)能力的戰(zhàn)術通信節(jié)點。在以美軍聯(lián)合戰(zhàn)術無線電系統(tǒng) JTRS等計劃為代表的新一代戰(zhàn)術電臺中，集成適應多種應用環(huán)境、支持多種頻段、信道帶寬和組網(wǎng)使用方式的多功能組網(wǎng)波形，稱為戰(zhàn)術通信技術中一個主要的發(fā)展方向。

另一方面，新型的組網(wǎng)波形技術不再同特定的戰(zhàn)術電臺平臺綁定，而作為獨立的項目計劃開展研發(fā)工作，其中一些重要的研究項目如 JTRS的寬帶組網(wǎng)波形（WNW）、士兵無線電波形（SRW）、作戰(zhàn)人員信息網(wǎng)（WIN-T）的高波段組網(wǎng)波形（HNW）、洛克韋爾科林斯公司的FlexNet波形、戰(zhàn)術目標瞄準網(wǎng)絡技術（TTNT）和哈里斯公司的自適應寬帶組網(wǎng)波形（ANW2）等。

目前仍處于發(fā)展中的這些新型戰(zhàn)術組網(wǎng)波形，其主要特征之一就是從傳統(tǒng)波形的基帶信號處理功能，包括同步、調制解調、信道編碼等物理層技術，發(fā)展為涵蓋無線組網(wǎng)和路由、數(shù)據(jù)鏈路層、信道訪問控制、資源調度等完整功能的無線協(xié)議棧（WPS）。并且由于新一代戰(zhàn)術電臺定位于戰(zhàn)術通信系統(tǒng)中業(yè)務系統(tǒng)子網(wǎng)、有線骨干網(wǎng)與無線網(wǎng)絡的邊界節(jié)點，因此在戰(zhàn)術組網(wǎng)波形中集成了有無線網(wǎng)關和邊界路由器的能力，可以有效地優(yōu)化組網(wǎng)性能，并簡化戰(zhàn)術通信系統(tǒng)的裝備體系。

由于戰(zhàn)術應用環(huán)境的特殊性，通常缺乏通信基礎設施的支撐，戰(zhàn)術電臺的組網(wǎng)使用方式通常需要符合無中心、自組織、自愈合的要求，同時戰(zhàn)術節(jié)點的移動性使得戰(zhàn)術網(wǎng)絡拓撲結構具有高度動態(tài)變化的特征。另一方面在作戰(zhàn)集結、行軍、作戰(zhàn)展開等不同應用場景和地域環(huán)境里，網(wǎng)絡節(jié)點規(guī)模和節(jié)點密度會具有很大的差異性，而隨著聯(lián)合作戰(zhàn)協(xié)同打擊等作戰(zhàn)模式的發(fā)展，情報偵察、指揮控制和武器控制等戰(zhàn)術業(yè)務對于時效性、帶寬流量和網(wǎng)絡覆蓋范圍等功能性能指標的要求大幅提升。

戰(zhàn)術無線網(wǎng)絡中，在沒有中心控制節(jié)點進行資源分配和調度的情況下，網(wǎng)絡節(jié)點間根據(jù)不同的業(yè)務需求，為實現(xiàn)無線信道資源的高效率共享，針對移動自組織網(wǎng)絡無線鏈路層的多址技術成為戰(zhàn)術通信中的重要研究方向。

文中針對戰(zhàn)術無線通信中的多址技術，首先分析了幾種重要的無線多址技術體制，并針對戰(zhàn)術電臺組網(wǎng)波形中采用混合體制的多址技術進行了研究，提出了相應的設計方案。

1 無線組網(wǎng)中的多址技術

1.1 載波偵聽多址接入（CSMA）

載波偵聽多址接入（CSMA）是基于概率的信道訪問控制協(xié)議，CSMA機制中，通信節(jié)點在發(fā)射信號前通過接收機對信道資源被其他節(jié)點業(yè)務的占用情況進行檢測，并采取一定的策略實現(xiàn)多用戶對信道的共享訪問，常用策略包括:

1）1-persistent（沖突檢測CSMA/CD）:發(fā)送節(jié)點在準備發(fā)送數(shù)據(jù)前對物理介質的占用情況進行檢測，并保持偵聽直到信道空閑后發(fā)送一幀數(shù)據(jù)，當訪問信道發(fā)生沖突時，發(fā)送節(jié)點在嘗試重新發(fā)射前隨機回退一個時間窗，1-persistent通常用于CSMA/CD系統(tǒng)包括以太網(wǎng)；

2）P-persistent（沖突回避 CSMA/CA）:與1-persistent機制不同，當信道空閑時，發(fā)送節(jié)點以P為概率決定是否發(fā)射數(shù)據(jù)，或延遲到下一個可用時間窗，P-persistent通常用于CSMA/CA系統(tǒng)包括802.11與其他一些分組無線系統(tǒng)；

在IEEE 802.11x系統(tǒng)[1]中，CSMA/CA機制通過節(jié)點間交互RTS/CTS分組的方式進行了完善，以解決無線網(wǎng)絡中的隱藏終端問題。無線系統(tǒng)中空中信號格式對CSMA/CA性能有明顯影響，在理想傳播環(huán)境模型中，在網(wǎng)絡業(yè)務負載較低的條件下，結合CSMA/CA與 IEEE 802.11 RTS/CTS機制，采用直接序列擴頻（DSSS）調制可以獲得全網(wǎng)最佳吞吐性能，相比跳頻信號（FHSS）體制在吞吐能力上有較大優(yōu)勢，但是在實際傳播環(huán)境中，兩種信號體制的性能基本相當。

1.2 定向時分多址接入（Directional TDMA）

（1）高波段組網(wǎng)波形（HNW）

哈里斯公司為高波段網(wǎng)絡電臺（HNR）設計了HNW（v2.0/2.1/2.2/ 3.0）作為空中接口，HNW[2]的物理層支持兩種配置:基于ASIC的OFDM調制解調器、基于VHDL的單載波調制解調器，調制方式包括O-QPSK、16QAM，并分別支持兩種信道編碼速率。

HNW通過方向性天線組網(wǎng)（DNT）與時隙自動調度實現(xiàn)頻率復用，并根據(jù)鏈路條件動態(tài)調節(jié)吞吐量。在美軍的WIN-T和FCS-C計劃中均采用HNW作為戰(zhàn)術通信中無線骨干網(wǎng)的傳輸波形解決方案。

HNW與多數(shù)Adhoc組網(wǎng)波形的區(qū)別是基于窄波束方向性天線設計，因此哈里斯研發(fā)了定向TDMA協(xié)議用于調度信道，在HNW的DTDMA協(xié)議中，調度器不僅控制節(jié)點間鏈路訪問通信信道的時間窗口，同時還控制鏈路對應的信號傳播方向。通過方向性天線所實現(xiàn)的空中信號在不同傳播方向上的良好隔離度，DTDMA可以同一地域、頻點和時間窗口上實現(xiàn)多條用戶鏈路的復用，從而有效提升組網(wǎng)波形的頻譜效率。

（2）定向組網(wǎng)波形（DNW）

DNW是2004年由波音公司（Phantom Works）主導開發(fā)的一種動態(tài)、Adhoc、支持寬帶通信的Mesh網(wǎng)絡技術，規(guī)劃能力和指標優(yōu)于通用數(shù)據(jù)鏈CDL，用于為飛機、艦船和岸基站點等平臺之間構建安全的、可移動的IP通信鏈路，并提供用戶之間可靠的路由能力。

DNW 的主要技術特征包括基于全 IP、波音開發(fā)的寬帶空時分多址接入、基于電調相控陣的快速切換定向天線技術，可提供高效頻率復用能力、支持長距離高速傳輸，并滿足軍事應用中的抗干擾和空中信號低檢測特性。

DNW的設計目的用于承載高速ISR數(shù)據(jù)、非傳統(tǒng)ISR數(shù)據(jù)（C2）及其他骨干網(wǎng)業(yè)務，可替代部分通常由衛(wèi)星承擔的任務，并達到比當時的數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)（主要指Link-16）高3個數(shù)量級（1000倍）的吞吐能力。

1.3 按需分配多址接入（DAMA）

按需分配多址接入（DAMA，Demand Assigned Multi Access）最初是為美國政府使用而開發(fā)的一種非專利通信技術，DAMA技術基于一種假設，即不是系統(tǒng)中所有用戶都會同時訪問信道，每個用戶對通信資源具備較低或中等程度的使用要求，在資源使用特征上用戶呈現(xiàn)臨時性或偶爾占用的特征，因此可以采用按需分配的DAMA機制，為非固定占用信道的用戶分配通信資源。

DAMA對應于固定分配多址接入（PAMA，Permanently Assigned MA），都是針對已完成多址劃分的信道資源進行分配的方案，而不同于CDMA、TDMA、FDMA這些將通信信道（物理信道）劃分為多個邏輯信道（虛擬信道）的多址訪問/信道復用方式。

在UHF SATCOM系統(tǒng)中采用的TDMA+DAMA協(xié)議（MIL-STD-188-181B/182A/183A）中，通過將單一MILSATCOM信道劃分為幀（frame），并將幀進一步劃分為時隙（timeslot），通過多址訪問服務的方式將時隙分發(fā)給終端用戶，實現(xiàn)多個終端共享單一信道的目標。

為填補移動用戶目標系統(tǒng)MUOS部署完成前的空檔期，為UHF SATCOM開發(fā)的綜合波形（IW，Integrated Waveform）對傳統(tǒng)DAMA協(xié)議進行了優(yōu)化，通過去除了協(xié)議中的服務配置和信道格式限制，IW協(xié)議大幅度提高了用戶容量，并且明顯改善了傳統(tǒng)DAMA協(xié)議中對信道資源的利用效率

在戰(zhàn)術電臺網(wǎng)絡中，由于DAMA易于建模實現(xiàn)簡便，并適合軍事應用需求，因此在一些戰(zhàn)術電臺組網(wǎng)方案中也有應用。哈里斯公司在開發(fā)的高波段組網(wǎng)波形（HNW）中，采用了定向TDMA（Directional TDMA）與優(yōu)化的DAMA協(xié)議構建移動Ad hoc戰(zhàn)術電臺網(wǎng)絡。

1.4 正交頻分多址接入（OFDMA）

正交頻分多址接入是針對OFDM體制物理層接口而設計的多址訪問方案，通過將OFDM系統(tǒng)中的子載波集合分配給不同用戶實現(xiàn)多用戶對信道資源的多址訪問，OFDMA方案的主要優(yōu)勢在于:

①OFDM體制對于多徑干擾具有更好的穩(wěn)健性和較低的實現(xiàn)復雜度；②OFDMA提供的平坦衰落信道相比CDMA的rake接收方式可實現(xiàn)更高的頻譜效率；③可以在網(wǎng)內不同節(jié)點對間并發(fā)多個低速數(shù) 據(jù)流；④相比TDMA方式，低數(shù)據(jù)率用戶可以采用較低的發(fā)射功率；⑤相對較低與恒定的傳輸延遲；⑥由于減少了單用戶占用的子載波數(shù)量，相對OFDM+TDMA系統(tǒng)進一步改善了對抗衰落和干擾的能力；⑦通過在相鄰小區(qū)間采用不同的子載波交織排列圖案，可以起到干擾白化的效果；⑧易于實現(xiàn)在不同頻段上的應用；⑨通過分布式子載波分配可以獲得頻率分集效果；⑩可以為不同用戶分配的子載波集合獨立進行功率控制。

基于信道條件反饋信息與自適應子載波分配方案的閉環(huán)控制機制，當控制操作足夠及時，可以明顯改善OFDM系統(tǒng)對抗快衰落和信道間窄帶干擾的能力，從而提高系統(tǒng)頻譜效率。通過為不同用戶獨立分配子載波，可以支持用戶對QoS包括數(shù)據(jù)速率和誤碼性能的不同需求。OFDMA可以視為OFDM、TDMA、FDMA方式的組合運用，信道資源在時頻空間（子載波/時隙）上進行劃分，由于其良好的可伸縮性和對MIMO技術的支持能力，因此非常適合于作為寬帶無線網(wǎng)絡的多址解決方案。

2 戰(zhàn)術電臺組網(wǎng)波形的多址方案

美軍新一代的戰(zhàn)術電臺組網(wǎng)波形中，通常采用基于多種體制的混合多址方案，例如波音公司的WNW和洛克韋爾科林斯的FlexNet就采用了基于動態(tài)TDMA+FDMA的混合多址技術，稱為正交域多址接入（ODMA），在士兵無線電波形SRW中則采用了動態(tài)TDMA+CSMA的多址方案。

2.1 寬帶組網(wǎng)波形（WNW）

寬帶組網(wǎng)波形（WNW，Wideband Networking Waveform）在JTRS中定位于提供戰(zhàn)術邊緣無線子網(wǎng)的互連以及較低層次（營、連）的戰(zhàn)術無線骨干網(wǎng)能力，WNW 采用自適應的網(wǎng)絡架構用于優(yōu)化網(wǎng)絡路由性能與穩(wěn)定性，針對地面車載應用進行了優(yōu)化，適用于不同節(jié)點容量的網(wǎng)絡與中等移動速度的應用。

JTRS WNW 項目的主承包商為波音公司，WNW的協(xié)議棧結構如圖1所示，在JTRS近年的相關測試中，WNW 經(jīng)驗證可支持的網(wǎng)絡節(jié)點容量約200個，計劃實現(xiàn)的目標為1360個。根據(jù)不同應用需求，WNW在物理層支持4類空中信號格式（SiS），分別對應于寬帶OFDM模式、帶寬效率調制BEAM、抗干擾模式AJ、低檢測模式LPD，如表1所示。

圖1 WNW的協(xié)議棧結構

WNW 將其無線協(xié)議棧劃分為移動子網(wǎng)層（MI）、移動數(shù)據(jù)鏈路層（MDL）和空中信號SiS，其中在MDL層包括了信道資源的劃分（ODMA）和調度（USAP）功能。

表1 WNW的空中信號格式

2.2 正交域多址接入（ODMA）

考慮到網(wǎng)絡節(jié)點規(guī)模容量和對高節(jié)點密度應用場景的支持能力，WNW 在多址方式上采用了基于FDMA+TDMA的混合體制（如圖2所示），并定義了區(qū)域訪問節(jié)點（RAP）和高級節(jié)點（AN），以實現(xiàn)路由的匯聚抽象功能，并改善網(wǎng)絡連通性。

2.3 統(tǒng)一時隙分配協(xié)議（USAP）

統(tǒng)一時隙分配協(xié)議（USAP[3-4]，Unifying Slot Assignment Protocol）是一種分布式的動態(tài)TDMA時隙分配協(xié)議，應用于移動多跳分組無線網(wǎng)絡，其時幀結構如圖3所示。USAP協(xié)議中，發(fā)射節(jié)點從相鄰節(jié)點（兩跳范圍內）沒有占用的“時隙池”中，利用通告和確認的方式實現(xiàn)TDMA時隙的申請與分配，并解決由于失步或節(jié)點移動所引起的時隙分配沖突。

圖2 WNW的多址方案

圖3 統(tǒng)一時隙分配協(xié)議的時幀結構

USAP可以實現(xiàn)無競爭（contention-free）的TDMA調度，所有資源分配沖突都可以檢測和解決，不會產(chǎn)生“活鎖（livelock）”問題，因此 USAP可以作為不同類型動態(tài)TDMA方案的設計基礎。

USAP-MA是USAP協(xié)議族中的多址接入方案，針對戰(zhàn)術通信環(huán)境的需求而設計，具備以下特征:

①提供廣播、單播傳輸能力；②支持突發(fā)數(shù)據(jù)報業(yè)務、硬連接與軟連接電路；③支持高帶寬或低時延的流業(yè)務；④適用于稀疏節(jié)點密度或高節(jié)點密度的應用場景；⑤網(wǎng)絡規(guī)模具備良好的可伸縮性，并支持大規(guī)模網(wǎng)絡應用。

3 結語

（1）低層戰(zhàn)術骨干網(wǎng)應用

作為戰(zhàn)術骨干網(wǎng)應用需求[5-8]，從能力和功能性能指標等方面主要的關注點包括單個網(wǎng)絡的節(jié)點容量規(guī)模、網(wǎng)絡良好的連通性、網(wǎng)絡業(yè)務吞吐能力、傳輸時延等方面，基于上述因素的分析和技術體制比較，在戰(zhàn)術組網(wǎng)波形中選擇的多址技術路線及依據(jù)如下:

①FDMA + Dynamic TDMA的混合體制；②從網(wǎng)絡支持的節(jié)點規(guī)模能力和全網(wǎng)業(yè)務吞吐能力考慮，選擇FDMA體制；③從網(wǎng)絡的結構化特征、穩(wěn)定的傳輸時延、高業(yè)務負載等因素考慮，選擇TDMA體制；④從通信資源的利用效率方面考慮，采用Dynamic TDMA體制。

（2）戰(zhàn)術末端網(wǎng)絡應用

針對戰(zhàn)術末端網(wǎng)絡的應用需求，從能力和功能性能指標等方面主要的關注點包括網(wǎng)絡拓撲的靈活性、支持C2、態(tài)勢、話音等突發(fā)業(yè)務的能力、支持ISR等具有恒定帶寬需求業(yè)務的能力?；谏鲜鲆蛩氐姆治龊图夹g體制比較，選擇的技術路線及依據(jù)如下幾點:

①FDMA+CSMA + Dynamic TDMA的混合體制；②CSMA體制面向全網(wǎng)低業(yè)務負載、突發(fā)性的話音、C2等業(yè)務；③Dynamic TDMA面向基于通信資源預先申請、分配的高帶寬業(yè)務（ISR、圖像、視頻等）；④通過 FDMA擴展網(wǎng)絡的業(yè)務吞吐量和資源分配調度的靈活性。

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