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(luò)結(jié)構(gòu)不同，無線自組網(wǎng)是一種節(jié)點(diǎn)對(duì)等的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信網(wǎng)絡(luò)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都可以與一個(gè)或者多個(gè)對(duì)等節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信。無線自組網(wǎng)部署方便簡(jiǎn)單，可以根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)景形成鏈型、星型以及混合型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?。通過不同節(jié)點(diǎn)的中繼傳輸，無線自組網(wǎng)可以實(shí)現(xiàn)多跳傳輸，從而實(shí)現(xiàn)更遠(yuǎn)距離的覆蓋。基于這些特點(diǎn)，無線自組網(wǎng)特別適合專網(wǎng)集群通信，在公共安全、應(yīng)急救援和垂直行業(yè)等有著廣泛的應(yīng)用市場(chǎng)。

無線自組網(wǎng)最早起源于美國(guó)軍方機(jī)構(gòu)的先進(jìn)戰(zhàn)術(shù)通信系統(tǒng)（ATCS），相關(guān)技術(shù)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(nèi)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(shù)主要應(yīng)用在窄帶無線網(wǎng)絡(luò)中，特別是隨著物聯(lián)網(wǎng)和無線傳感應(yīng)用的推廣，窄帶自組網(wǎng)技術(shù)迅速發(fā)展。物聯(lián)網(wǎng)的主流標(biāo)準(zhǔn)，如Zigbee和藍(lán)牙，都能夠很好地支持自組網(wǎng)功能。

隨著OFDM-MIMO寬帶技術(shù)的成熟，特別是Wi-Fi和LTE技術(shù)的廣泛商用，無線自組網(wǎng)技術(shù)也在向?qū)拵Щ虸P化發(fā)展。目前，國(guó)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(guān)標(biāo)準(zhǔn)，并發(fā)布了一些中間版本。國(guó)內(nèi)B-Tr unC標(biāo)準(zhǔn)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(shì)

相比傳統(tǒng)的蜂窩網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，無線自組網(wǎng)具有如下主要優(yōu)勢(shì)。

（2）非視距傳輸效果好。當(dāng)發(fā)送節(jié)點(diǎn)和接收節(jié)點(diǎn)之間存在遮擋物時(shí)，傳輸信號(hào)能夠自動(dòng)選擇最佳路徑，并最終到達(dá)無直射視距的目標(biāo)接收節(jié)點(diǎn)，這種非視距傳輸特性極大擴(kuò)展了網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍。

（3）強(qiáng)穩(wěn)健性。當(dāng)自組網(wǎng)中某個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)生故障時(shí)，信息可以由其他節(jié)點(diǎn)通過備用路徑傳輸至目標(biāo)接收節(jié)點(diǎn)，不會(huì)影響整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)轉(zhuǎn)。這種強(qiáng)穩(wěn)健性在軍用戰(zhàn)術(shù)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(luò)的必要功能之一。

（4）結(jié)構(gòu)靈活。在傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中，靜態(tài)配置的中心節(jié)點(diǎn)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(diǎn)，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的實(shí)際負(fù)載情況動(dòng)態(tài)分配路由，從而避免網(wǎng)絡(luò)的擁塞。同時(shí)，無線自組網(wǎng)也非常適合網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不斷變化的通信場(chǎng)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(dú)特優(yōu)勢(shì)。

（1）更多的資源調(diào)度維度。無線寬帶自組網(wǎng)引入了OFDMMIMO技術(shù)，將無線資源調(diào)度的維度從窄帶自組網(wǎng)的單一時(shí)間維度擴(kuò)展到了時(shí)間-頻率-空間三個(gè)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(diào)制方式相比傳統(tǒng)調(diào)制方式有著更高的頻譜利用率，而且MIMO技術(shù)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(shí)延。

（3）全I(xiàn)P化的業(yè)務(wù)。在IP化的寬帶自組織網(wǎng)絡(luò)中，語音業(yè)務(wù)、數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)等不同類型的業(yè)務(wù)都能夠統(tǒng)一為IP承載，網(wǎng)絡(luò)之間的互通更加容易實(shí)現(xiàn)，網(wǎng)絡(luò)運(yùn)維成本也會(huì)顯著降低。

針對(duì)這三座山，一是要激活民營(yíng)企業(yè)內(nèi)在潛力，融化市場(chǎng)的“冰山”。要提升產(chǎn)品核心競(jìng)爭(zhēng)力，打造區(qū)域性品牌，并借助電子商務(wù)平臺(tái)，拓展優(yōu)勢(shì)產(chǎn)品的銷售半徑；鼓勵(lì)企業(yè)“走出去”，參與發(fā)展中國(guó)家的資源開發(fā)，依托本地優(yōu)勢(shì)產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)，與有關(guān)國(guó)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(yíng)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(yíng)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(zhuǎn)型的“火山”。

3 無線寬帶自組網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)

在無線寬帶自組織網(wǎng)絡(luò)中，所有通信節(jié)點(diǎn)都是對(duì)等的，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都可以與其他節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信，網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)與傳統(tǒng)的蜂窩網(wǎng)絡(luò)完全不同。相應(yīng)地，傳統(tǒng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)中的同步技術(shù)、調(diào)度技術(shù)等不再適用，同時(shí)新的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)也帶來了新的問題，例如拓?fù)淇刂?、路由選擇、安全性等，因此需要制定新的技術(shù)方案來保障自組織網(wǎng)絡(luò)的安全運(yùn)行。

3.1 移動(dòng)環(huán)境下的拓?fù)淇刂萍夹g(shù)

無線自組網(wǎng)是一種沒有中心控制的多跳網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，即節(jié)點(diǎn)位置、節(jié)點(diǎn)間距離都對(duì)網(wǎng)絡(luò)有著十分重要的影響。特別在移動(dòng)環(huán)境下，節(jié)點(diǎn)位置和網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋵?shí)時(shí)變化。當(dāng)節(jié)點(diǎn)密度變大時(shí)，節(jié)點(diǎn)間的通信將相互干擾，節(jié)點(diǎn)的空間復(fù)用也會(huì)受到限制，進(jìn)而引起吞吐量下降和不必要的功率浪費(fèi)。

無線自組網(wǎng)拓?fù)淇刂剖侵竿ㄟ^控制網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)使得能夠達(dá)到一定的網(wǎng)絡(luò)性能，例如節(jié)點(diǎn)間可相互連通、干擾降低、吞吐量上升、端到端延遲減小等。拓?fù)淇刂瓶梢酝ㄟ^功率控制和信道分配兩種方式來實(shí)現(xiàn)，其中，功率控制通過改變傳輸距離可以影響到每個(gè)節(jié)點(diǎn)的相鄰節(jié)點(diǎn)數(shù)目、數(shù)據(jù)傳輸速率、網(wǎng)絡(luò)連通性等一系列重要參數(shù)，是實(shí)現(xiàn)拓?fù)淇刂谱钣行У氖侄?。特別對(duì)于采用OFDM-MIMO技術(shù)的寬帶自組網(wǎng)，無線資源可以在時(shí)間-頻率-空間等多個(gè)維度上進(jìn)行分配，多個(gè)節(jié)點(diǎn)可以同時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)，也可以同時(shí)接收數(shù)據(jù)，節(jié)點(diǎn)之間的相互干擾遠(yuǎn)超窄帶自組網(wǎng)，因此功率控制是一項(xiàng)非常重要的關(guān)鍵技術(shù)。

3.2 移動(dòng)環(huán)境下的路由選擇技術(shù)

在移動(dòng)環(huán)境下，由于節(jié)點(diǎn)移動(dòng)等原因?qū)е聜鬏斅窂讲粩喔淖儯瑹o線自組網(wǎng)需要不斷更新路由，因此采用自適應(yīng)路由技術(shù)非常必要。

在自適應(yīng)路由中，每個(gè)節(jié)點(diǎn)持續(xù)跟蹤其與周邊節(jié)點(diǎn)之間的連接狀況，并敏感發(fā)現(xiàn)斷鏈狀況。為了在動(dòng)態(tài)變化網(wǎng)絡(luò)中保持路由表的一致性，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都周期性地與周邊節(jié)點(diǎn)相互溝通并交換路由信息，在出現(xiàn)新的重要信息時(shí)立刻進(jìn)行路由更新。為了進(jìn)一步改善路由的自適應(yīng)性和穩(wěn)定性，自適應(yīng)路由維持多條到達(dá)每個(gè)目的節(jié)點(diǎn)的路由，以實(shí)現(xiàn)快速的錯(cuò)誤恢復(fù)和負(fù)載均衡。

圖1 自適應(yīng)路由選擇示例

3.3 復(fù)雜場(chǎng)景下的節(jié)點(diǎn)同步技術(shù)

無線自組網(wǎng)通常具有同步和異步兩種通信模式，對(duì)于較大規(guī)模的網(wǎng)絡(luò)，采用同步模式能獲得更好的系統(tǒng)性能，而且網(wǎng)絡(luò)健壯性也更高，但節(jié)點(diǎn)之間的同步是一個(gè)需要解決的關(guān)鍵問題。一般情況下，自組網(wǎng)系統(tǒng)會(huì)采用GPS或者北斗等衛(wèi)星信號(hào)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)的輔助同步，在衛(wèi)星信號(hào)的輔助下，各節(jié)點(diǎn)之間比較容易實(shí)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(hào)覆蓋不到或信號(hào)質(zhì)量不好的地方，衛(wèi)星輔助同步的性能就會(huì)被嚴(yán)重影響。在這種情況下，節(jié)點(diǎn)之間必須要通過發(fā)送同步信號(hào)，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的自同步。在網(wǎng)絡(luò)自同步的過程中，網(wǎng)絡(luò)會(huì)自主選舉一個(gè)主節(jié)點(diǎn)，主節(jié)點(diǎn)發(fā)送同步信號(hào)，其它節(jié)點(diǎn)接收同步信號(hào)，并根據(jù)同步信號(hào)確定本地的幀邊界，實(shí)現(xiàn)和主節(jié)點(diǎn)的同步。進(jìn)一步地，其他節(jié)點(diǎn)檢測(cè)到主節(jié)點(diǎn)的同步信號(hào)之后，按照本地設(shè)置的初始幀邊界向主節(jié)點(diǎn)發(fā)送發(fā)現(xiàn)信號(hào)，主節(jié)點(diǎn)在接收發(fā)現(xiàn)信號(hào)之后，測(cè)量并估計(jì)傳輸時(shí)延。主節(jié)點(diǎn)通過廣播信道將時(shí)延信息反饋給其他節(jié)點(diǎn)，其他節(jié)點(diǎn)根據(jù)時(shí)延信息來調(diào)整本地的幀邊界，實(shí)現(xiàn)與主節(jié)點(diǎn)的精細(xì)同步。

3.4 公平高效的資源調(diào)度技術(shù)

在采用同步模式的自組網(wǎng)中，資源調(diào)度一般都是采用靜態(tài)的時(shí)隙分配機(jī)制，各個(gè)節(jié)點(diǎn)輪詢時(shí)隙獲得無線資源。這種機(jī)制簡(jiǎn)單易實(shí)現(xiàn)，而且一旦網(wǎng)絡(luò)同步，系統(tǒng)穩(wěn)定性也比較高。但是隨著業(yè)務(wù)流量的增加和業(yè)務(wù)模型的多樣化，這種資源調(diào)度方法將會(huì)帶來空口資源利用率低、節(jié)點(diǎn)之間傳輸速率無法有效增加等問題。同時(shí)，也無法適用突發(fā)業(yè)務(wù)增加的情況，將導(dǎo)致資源浪費(fèi)嚴(yán)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(dòng)態(tài)調(diào)度相結(jié)合的資源調(diào)度方法。根據(jù)一般的業(yè)務(wù)模型，單個(gè)節(jié)點(diǎn)上的業(yè)務(wù)可以分為周期性的小流量業(yè)務(wù)和突發(fā)性的大流量業(yè)務(wù)兩種。周期性的業(yè)務(wù)包括一些信令在內(nèi)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(wù)所需資源采用靜態(tài)固定方式進(jìn)行分配。突發(fā)性的業(yè)務(wù)一般數(shù)據(jù)傳輸量都會(huì)比較大，不會(huì)太頻繁，但是比較突然。這種情況下，根據(jù)實(shí)際需求動(dòng)態(tài)申請(qǐng)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(duì)于采用OFDM-MIMO空口技術(shù)的寬帶自組網(wǎng)，空口資源可以通過更多的維度進(jìn)行復(fù)用。在一個(gè)時(shí)隙內(nèi)，通過分配不同的子載波，支持多個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送或者接收數(shù)據(jù)。相比原先以時(shí)隙為資源分配的基本單位，這種二維資源調(diào)度方法以時(shí)頻資源塊為基本單位，空口資源的分配會(huì)更加精細(xì)、高效。

4 無線寬帶自組網(wǎng)的應(yīng)用場(chǎng)景

如前所述，無線寬帶自組網(wǎng)具有獨(dú)特的組網(wǎng)和成本優(yōu)勢(shì)，非常適合專網(wǎng)集群通信，在公共安全、應(yīng)急救援、國(guó)防建設(shè)等領(lǐng)域，以及交通、電力和能源等行業(yè)都有著廣泛的應(yīng)用。例如位于中國(guó)西南川滇交界部的攀枝花市，地貌類型復(fù)雜多樣，具有平壩、臺(tái)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(fù)雜的地區(qū)進(jìn)行應(yīng)急通信保障，僅僅依靠衛(wèi)星動(dòng)中通、350兆PDT數(shù)字集群通信網(wǎng)絡(luò)等常規(guī)手段是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，這個(gè)時(shí)候，寬帶自組網(wǎng)的優(yōu)勢(shì)就顯現(xiàn)出來了。

4.1 公共安全

在大型群體活動(dòng)、重要會(huì)議等重大活動(dòng)中，活動(dòng)現(xiàn)場(chǎng)、外圍道路等廣大區(qū)域都需要進(jìn)行實(shí)時(shí)的多媒體通信保障，包括高清視頻監(jiān)控、視頻會(huì)議、大數(shù)據(jù)分析等。

利用無線寬帶自組網(wǎng)設(shè)備可以建設(shè)若干全向固定站點(diǎn)覆蓋活動(dòng)現(xiàn)場(chǎng)和周邊道路，固定站點(diǎn)之間通過無線傳輸進(jìn)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(dòng)或者臨時(shí)工作節(jié)點(diǎn)，通過固定節(jié)點(diǎn)接入系統(tǒng)，提供應(yīng)急多媒體保障業(yè)務(wù)。

在重大活動(dòng)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(jiǎn)單。通過采有線、無線相結(jié)合的方式，能夠?qū)崿F(xiàn)大范圍的專網(wǎng)覆蓋，且在特定區(qū)域內(nèi)支持4K高清視頻傳輸，是一種成本優(yōu)勢(shì)非常明顯的應(yīng)急通信保障方案。

圖2 重大活動(dòng)安保通信方案示例

4.2 應(yīng)急救援

在火災(zāi)、地震等救援中，災(zāi)難中心區(qū)域通常沒有網(wǎng)絡(luò)信號(hào)覆蓋，無法災(zāi)難現(xiàn)場(chǎng)的視頻圖像回傳到指揮中心，進(jìn)而影響指揮中心決策和遠(yuǎn)程指揮調(diào)度。

如圖3方案所示，災(zāi)難現(xiàn)場(chǎng)部署攝像設(shè)備和寬帶自組網(wǎng)設(shè)備，二者通過有線連接。災(zāi)難現(xiàn)場(chǎng)外圍部署無人機(jī)攜帶的自組網(wǎng)設(shè)備或地面部署的自組網(wǎng)設(shè)備作為中繼節(jié)點(diǎn)，現(xiàn)場(chǎng)自組網(wǎng)節(jié)點(diǎn)將視頻通過中繼節(jié)點(diǎn)無線傳輸?shù)綉?yīng)急通信指揮車，指揮車通過衛(wèi)星通信、4G公網(wǎng)或政務(wù)專網(wǎng)等方式將現(xiàn)場(chǎng)視頻回傳至指揮中心。

圖3 應(yīng)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(diǎn)便捷部署的優(yōu)點(diǎn)，將災(zāi)難現(xiàn)場(chǎng)視頻圖像快速傳輸至指揮車和指揮中心，為遠(yuǎn)程指揮調(diào)度提供了決策依據(jù)。四川攀枝花市公安局在實(shí)踐中，已經(jīng)建立起一套基于無線寬帶自組網(wǎng)、衛(wèi)星動(dòng)中通、無人機(jī)等通信技術(shù)結(jié)合的應(yīng)急救援通信體系，并收到了良好的效果反饋。

5 結(jié)束語

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

在向5G的演進(jìn)過程中，3GPP組織將D2D應(yīng)用列為未來無線網(wǎng)絡(luò)的主要應(yīng)用功能之一，從而將無線自組網(wǎng)技術(shù)正式地引入到蜂窩通信領(lǐng)域。隨著統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的出臺(tái)和5G物聯(lián)網(wǎng)、車輛網(wǎng)等推廣應(yīng)用，無線自組網(wǎng)技術(shù)將迎來蓬勃發(fā)展。