樂鑫喜

(中船重工第七二二研究所低頻電磁通信技術(shù)實(shí)驗(yàn)室 武漢 430079)

低速無線通信系統(tǒng)組網(wǎng)設(shè)計(jì)

樂鑫喜

(中船重工第七二二研究所低頻電磁通信技術(shù)實(shí)驗(yàn)室 武漢 430079)

本文針對(duì)某無線應(yīng)急通信系統(tǒng)速率較低、傳輸可靠性要求高的特點(diǎn),設(shè)計(jì)了一種控制信息極少的無線組網(wǎng)方法。該方法采用一級(jí)節(jié)點(diǎn)接力傳輸和二級(jí)節(jié)點(diǎn)中繼傳輸兩種模式,保證組網(wǎng)可靠性;設(shè)計(jì)兩套工作頻點(diǎn)實(shí)現(xiàn)一級(jí)節(jié)點(diǎn)優(yōu)先的分級(jí)傳輸,保證快速收斂;通過同步信號(hào)來檢測(cè)沖突,避免產(chǎn)生碰撞;通過接收信噪比實(shí)時(shí)估算和比較,實(shí)現(xiàn)多重報(bào)文優(yōu)選。

低速率; 無線通信; 無線組網(wǎng)

Class Number TN925

1 引言

本文所提及的低速無線應(yīng)急通信系統(tǒng)主要用于軍事應(yīng)急通信。該系統(tǒng)通常由數(shù)個(gè)覆蓋范圍約為300km～500km的無線通信節(jié)點(diǎn),采用組網(wǎng)接力傳輸?shù)姆绞?聯(lián)合覆蓋用戶需要覆蓋的區(qū)域。由于該系統(tǒng)的應(yīng)用背景主要是軍事應(yīng)急通信,因此必須確保每個(gè)站點(diǎn)均能正確、可靠地接收到指揮信息,確保戰(zhàn)時(shí)的應(yīng)急指揮、通信與控制。因此,對(duì)傳輸可靠性、網(wǎng)絡(luò)健壯性要求均很高,即使在部分無線通信節(jié)點(diǎn)被摧毀的情況下,也要求保持系統(tǒng)通信暢通[1]。而且,該系統(tǒng)的傳輸速率較低,最低1bit/s、最高32bit/s,而傳統(tǒng)意義上的無線組網(wǎng)方法[2～8]由于網(wǎng)絡(luò)控制信息開銷太大,并不適用于低速率的無線通信系統(tǒng)組網(wǎng)。因此,需要設(shè)計(jì)一種適于低速率無線通信系統(tǒng)的組網(wǎng)控制方法。

2 無線通信節(jié)點(diǎn)的布置

該系統(tǒng)的無線通信節(jié)點(diǎn)分為三級(jí),一級(jí)節(jié)點(diǎn)具備發(fā)信和收信功能,通信覆蓋范圍約為500km;二級(jí)節(jié)點(diǎn)具備發(fā)信和收信功能,通信覆蓋范圍約為300km;三級(jí)節(jié)點(diǎn)僅具備收信功能。如圖1所示,圖中A、B、C三個(gè)節(jié)點(diǎn)為一級(jí)節(jié)點(diǎn),An為二級(jí)節(jié)點(diǎn),An′為三級(jí)節(jié)點(diǎn)[1]。

3 系統(tǒng)組網(wǎng)設(shè)計(jì)

3.1 無線信道接入

該無線通信系統(tǒng)采用MSK調(diào)制方式,系統(tǒng)組網(wǎng)采用頻分復(fù)用[9]的信道接入方式。

由于系統(tǒng)通信速率較低,為節(jié)省組網(wǎng)開銷,設(shè)計(jì)了兩組頻率,一組用于一級(jí)節(jié)點(diǎn)發(fā)射,另一組用于二級(jí)節(jié)點(diǎn)發(fā)射。中繼節(jié)點(diǎn)僅僅通過接收頻點(diǎn)所屬的組別即可判斷上級(jí)發(fā)射節(jié)點(diǎn)是一級(jí)節(jié)點(diǎn)還是二級(jí)節(jié)點(diǎn),無須額外的組網(wǎng)控制信息。

為了避免節(jié)點(diǎn)之間的同頻干擾,相鄰節(jié)點(diǎn)之間需采用不同的工作頻點(diǎn)。同時(shí)借鑒以太網(wǎng)沖突檢測(cè)的方法,利用同步信號(hào)作為沖突檢測(cè)的對(duì)象[10]:每個(gè)無線點(diǎn)在開始發(fā)信前,首先檢測(cè)是否有其他節(jié)點(diǎn)的同步信號(hào),如果信道空閑才發(fā)送,否則等待,以免發(fā)生碰撞。同時(shí),為了避免圖2所示的“隱蔽終端”產(chǎn)生的碰撞,對(duì)于覆蓋區(qū)重疊區(qū)域有其他節(jié)點(diǎn)的兩個(gè)無線節(jié)點(diǎn),將采用不同的工作頻點(diǎn)發(fā)送信息。這里的“隱蔽終端”是指:當(dāng)某個(gè)節(jié)點(diǎn)A在某個(gè)頻點(diǎn)發(fā)送信息時(shí),在其覆蓋區(qū)之外的節(jié)點(diǎn)B將無法檢測(cè)到該信息的發(fā)送,從而有可能會(huì)同時(shí)開始發(fā)送自己的信息,此時(shí)對(duì)于同時(shí)處于A、B節(jié)點(diǎn)覆蓋范圍內(nèi)的C節(jié)點(diǎn),將會(huì)產(chǎn)生碰撞[10]。

3.2 路由控制方法

由于該系統(tǒng)各節(jié)點(diǎn)的位置相對(duì)固定,因此主要采用先驗(yàn)式靜態(tài)路由[11]的方法。在此基礎(chǔ)上,為提高網(wǎng)絡(luò)的健壯性,采用了以下三級(jí)保障措施。

1) 一級(jí)節(jié)點(diǎn)接力傳輸

正常情況下,僅通過一級(jí)節(jié)點(diǎn)接力傳輸即可保證所有二級(jí)節(jié)點(diǎn)和三級(jí)節(jié)點(diǎn)接收到信息。

如圖3所示,一級(jí)節(jié)點(diǎn)A首先采用F1頻率發(fā)送信息,其覆蓋區(qū)內(nèi)的所有二級(jí)節(jié)點(diǎn)An和三級(jí)節(jié)點(diǎn)An′以及下一個(gè)一級(jí)節(jié)點(diǎn)B均能接收到信息。然后,一級(jí)節(jié)點(diǎn)B采用F2頻點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)該信息,此時(shí)其覆蓋區(qū)內(nèi)的所有二級(jí)節(jié)點(diǎn)Bn和三級(jí)節(jié)點(diǎn)Bn′以及下一個(gè)一級(jí)節(jié)點(diǎn)C均能接收到信息。同時(shí),上一個(gè)一級(jí)節(jié)點(diǎn)A也能接收到該信息,并據(jù)此判定節(jié)點(diǎn)B已將信息正確傳送至節(jié)點(diǎn)C,否則認(rèn)為節(jié)點(diǎn)B故障并啟動(dòng)其下屬二級(jí)節(jié)點(diǎn)中繼傳輸模式。最后,一級(jí)節(jié)點(diǎn)C采用F3頻點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)信息,若B節(jié)點(diǎn)接收到該信息,則判定任務(wù)完成,否則認(rèn)為節(jié)點(diǎn)C故障并啟動(dòng)其下屬二級(jí)節(jié)點(diǎn)中繼傳輸模式。

2) 二級(jí)節(jié)點(diǎn)中繼傳輸

當(dāng)某個(gè)一級(jí)節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障或者被摧毀時(shí),上一個(gè)一級(jí)節(jié)點(diǎn)將無法收到其轉(zhuǎn)發(fā)的信息,因此無須組網(wǎng)控制信息即可判斷其故障,并適時(shí)啟動(dòng)二級(jí)節(jié)點(diǎn)中繼傳輸。

為了節(jié)省組網(wǎng)開銷,并未采用預(yù)留字段來識(shí)別是否啟動(dòng)中繼傳輸,而是采用專門的格式報(bào)文信息幀,在需要時(shí)才發(fā)送,二級(jí)節(jié)點(diǎn)收到此類信息后才聽令啟動(dòng)中繼傳輸模式。在不需要時(shí),就不會(huì)產(chǎn)生額外的信息。

二級(jí)節(jié)點(diǎn)啟動(dòng)中繼傳輸模式后,將會(huì)根據(jù)目標(biāo)地址,為屬于自身后續(xù)節(jié)點(diǎn)的目標(biāo)節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)報(bào)文信息。

為了保證網(wǎng)絡(luò)的健壯性,中繼部分采用洪泛路由算法,保證每個(gè)節(jié)點(diǎn)均有2～3條可達(dá)路徑。但是,傳輸至下一個(gè)一級(jí)節(jié)點(diǎn)后,采用一級(jí)節(jié)點(diǎn)優(yōu)先的策略:由于通過頻率即可判斷后續(xù)一級(jí)節(jié)點(diǎn)是否故障,因此后續(xù)一級(jí)節(jié)點(diǎn)下屬的二級(jí)節(jié)點(diǎn)在收到上一個(gè)區(qū)域的二級(jí)節(jié)點(diǎn)中繼過來的報(bào)文,不會(huì)立即轉(zhuǎn)發(fā),而是會(huì)在等待一段時(shí)間仍然未接收到C節(jié)點(diǎn)發(fā)送的信息時(shí),才會(huì)轉(zhuǎn)發(fā)信息。

如圖1所示的網(wǎng)絡(luò)中,假設(shè)一級(jí)節(jié)點(diǎn)B故障,A節(jié)點(diǎn)由于未收到其向下轉(zhuǎn)發(fā)的信息,開始啟動(dòng)中繼傳輸模式,處理流程如圖4所示。

3) 多重報(bào)文優(yōu)選

如前文所述,為了網(wǎng)絡(luò)的健壯性,必須保證每個(gè)節(jié)點(diǎn)均有多條可達(dá)路徑。那么,對(duì)于目標(biāo)地址而言,將可能同時(shí)或者先后收到多份報(bào)文。而且,由于誤碼率的存在,收到的報(bào)文也存在不一致的可能性。

為解決該問題,系統(tǒng)的多通道收信設(shè)備設(shè)計(jì)了兩個(gè)個(gè)獨(dú)立的收信通道,可以接收不同站點(diǎn)以不同頻點(diǎn)發(fā)送的報(bào)文,并且能在收取報(bào)文的同時(shí)進(jìn)行實(shí)時(shí)信噪比估算。當(dāng)多重報(bào)文出現(xiàn)不一致時(shí),可以通過比較信噪比,自動(dòng)優(yōu)選信噪比最高的報(bào)文輸出為正確值,處理過程如圖5所示。

4 結(jié)語

本文通過一級(jí)節(jié)點(diǎn)接力傳輸和二級(jí)節(jié)點(diǎn)中繼傳輸兩種模式,僅需極少的組網(wǎng)控制信息,即可保證每個(gè)節(jié)點(diǎn)均有2～3條可達(dá)路徑,從而確保低速無線通信系統(tǒng)能可靠、正確組網(wǎng)。其次,直接由工作頻點(diǎn)判斷發(fā)射臺(tái)級(jí)別,在收到一級(jí)節(jié)點(diǎn)發(fā)送的報(bào)文后,相應(yīng)的二級(jí)節(jié)點(diǎn)即可自動(dòng)停止轉(zhuǎn)發(fā),從而避免了無效的網(wǎng)絡(luò)容量。然后,通過檢測(cè)同步信號(hào)進(jìn)行沖突檢測(cè),避免產(chǎn)生碰撞;同時(shí),為了解決“隱蔽終端”的碰撞問題,對(duì)于覆蓋區(qū)重疊區(qū)域有其他節(jié)點(diǎn)的兩個(gè)發(fā)射節(jié)點(diǎn),采用不同的工作頻點(diǎn)發(fā)送信息。最后,通過接收信噪比實(shí)時(shí)估算和比較,實(shí)現(xiàn)多重報(bào)文優(yōu)選。以上措施和方法,共同特點(diǎn)是不需要或者需要極少的組網(wǎng)控制信息,卻能保證正確、可靠組網(wǎng),因此非常適于速率較低、傳輸可靠性要求高的低速無線應(yīng)急通信系統(tǒng),滿足戰(zhàn)時(shí)應(yīng)急通信的要求。

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Networking Design of Low Speed Wireless Communication System

LE Xinxi

(Laboratory of Low-frequency Electro-magnetic Communication Technology, No.722 Research Institute, Wuhan 430079)

In this paper, a kind of wireless networking method with very little control information is designed for a wireless emergency communication system with a low rate, high transmission reliability requirements. In this method, the two transmission modes are used to ensure the reliability of the network by the transmission in turn of the 1stlevel node and the relay transmission of the 2ndlevel node. And the two sets of frequency points are designed to achieve hierarchical transmission of 1stlevel node priority, in order to ensure rapid convergence. Conflicts are detected by synchronizing signals in order to avoid collision. Through the real-time estimation and comparison of the received signal to noise ratio, the optimization of multiple message is realized.

low-rate, wireless communication, wireless net

2016年8月7日,

2016年9月13日

樂鑫喜,女,碩士,高級(jí)工程師,研究方向:通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

TN925

10.3969/j.issn.1672-9730.2017.02.015