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        一種新型的寬帶無線自組網(wǎng)互聯(lián)技術(shù)

        2020-04-21 09:29:30
        廣東通信技術(shù) 2020年3期
        關(guān)鍵詞:時(shí)隙編隊(duì)寬帶

        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(jī))基礎(chǔ)訓(xùn)練和小型作戰(zhàn)編組近岸實(shí)兵訓(xùn)練任務(wù)進(jìn)行海上編隊(duì)的網(wǎng)絡(luò)通信中,由于應(yīng)用場景和組網(wǎng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜多樣,通信節(jié)點(diǎn)具有移動(dòng)的隨機(jī)性和突發(fā)性、業(yè)務(wù)傳輸?shù)呐既恍裕瑢?duì)訓(xùn)練的常態(tài)化、正規(guī)化組訓(xùn)提出了更高要求。因此系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求寬帶網(wǎng)絡(luò)連接能夠根據(jù)無線鏈路、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、傳輸路徑、業(yè)務(wù)狀況等進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整。自組織網(wǎng)絡(luò)能通過節(jié)點(diǎn)自動(dòng)對(duì)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化和調(diào)整,以適應(yīng)無線通信的動(dòng)態(tài)拓?fù)渥兓瑥亩纳仆ㄐ刨|(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(jī)接入技術(shù)實(shí)現(xiàn)無中心自組網(wǎng),常見于小范圍區(qū)域、時(shí)延抖動(dòng)和帶寬抖動(dòng)要求較低的民用應(yīng)用場景中;另一類采用有中心節(jié)點(diǎn)的點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)(PMP)接入技術(shù)實(shí)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(yuǎn)距離、動(dòng)態(tài)拓?fù)渥兓?、低時(shí)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(duì)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(diǎn)為對(duì)等設(shè)備;

        (2)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)變化;

        (3)無線鏈路狀態(tài)復(fù)雜、且傳輸距離遠(yuǎn);

        (4)業(yè)務(wù)傳輸指標(biāo)滿足高帶寬、低時(shí)延。

        綜上,針對(duì)海上編隊(duì)的通信需求本文全新開發(fā)了一種具有自主知識(shí)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(gè)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(dòng)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(diǎn)為對(duì)等設(shè)備,每個(gè)通信節(jié)點(diǎn)通過自同步或外部授時(shí)同步形成統(tǒng)一定時(shí),每個(gè)通信節(jié)點(diǎn)采用統(tǒng)一的時(shí)隙和幀結(jié)構(gòu),都采用單/多收發(fā)器進(jìn)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(diǎn)的發(fā)現(xiàn)、無線鏈路的建立、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞木S護(hù),最終完成所有通信節(jié)點(diǎn)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(shí)隙上分為協(xié)議控制時(shí)隙和數(shù)據(jù)傳輸時(shí)隙,協(xié)議控制和數(shù)據(jù)傳輸使用信道和時(shí)隙時(shí)能夠根據(jù)組網(wǎng)應(yīng)用動(dòng)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(gè)特殊子幀,所有節(jié)點(diǎn)工作在同一頻點(diǎn),采用CSMA競爭方式進(jìn)行拓?fù)潢P(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(gè)子幀分配給一對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信,采用TDMA方式。時(shí)隙的分配和所采用的頻率在S0時(shí)隙進(jìn)行協(xié)商,通過相關(guān)的算法進(jìn)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(dòng)態(tài)無線資源管理技術(shù)

        全網(wǎng)所有通信節(jié)點(diǎn)可以采用單/多收發(fā)器進(jìn)行無線信息傳輸,每個(gè)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(gè)網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)容量,需要充分發(fā)揮每個(gè)收發(fā)器、每個(gè)信道的資源利用率,以滿足海上編隊(duì)通信系統(tǒng)的應(yīng)用需求。

        自適應(yīng)多信道動(dòng)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(shí)結(jié)合LTE的物理層和MAC層設(shè)計(jì),最終完成寬帶無線自組網(wǎng)對(duì)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(shí)隙進(jìn)行,由業(yè)務(wù)發(fā)送方進(jìn)行申請(qǐng),業(yè)務(wù)接收方接收到申請(qǐng)后應(yīng)答,最后業(yè)務(wù)發(fā)送方進(jìn)行確認(rèn),實(shí)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(diǎn)、時(shí)隙、帶寬請(qǐng)求等信息;NM_RSP中包含選擇的頻點(diǎn)、時(shí)隙、確認(rèn)的帶寬等信息;NM_ACK中包括選擇的頻點(diǎn)、時(shí)隙、帶寬等信息。

        自適應(yīng)多信道動(dòng)態(tài)無線資源管理技術(shù)實(shí)現(xiàn)了基于時(shí)分復(fù)用的各節(jié)點(diǎn)信道資源分配。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中,預(yù)定某一時(shí)隙上某一信道作為信標(biāo),實(shí)施全網(wǎng)的信道資源分配,根據(jù)節(jié)點(diǎn)間的頻譜狀況、業(yè)務(wù)需求、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淝闆r動(dòng)態(tài)分配信道時(shí)隙資源,以支持包括實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)在內(nèi)的綜合業(yè)務(wù)傳輸。通過時(shí)頻二維資源在空間(地域覆蓋)和時(shí)間上的優(yōu)化分配,實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的“隨遇接入”和“隨時(shí)通信”。自適應(yīng)多信道動(dòng)態(tài)無線資源管理技術(shù)主要實(shí)現(xiàn)了如下功能:

        (1)通信節(jié)點(diǎn)任意收發(fā)器能夠在不同時(shí)隙工作在不同信道上;

        (2)通信節(jié)點(diǎn)能夠根據(jù)頻譜資源狀況自動(dòng)選擇匹配的時(shí)隙和信道進(jìn)行通信;

        (3)通信節(jié)點(diǎn)能夠根據(jù)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥詣?dòng)調(diào)整每個(gè)通信節(jié)點(diǎn)間使用的無線資源;

        (4)通信節(jié)點(diǎn)能夠根據(jù)業(yè)務(wù)傳輸需求自動(dòng)調(diào)整通信節(jié)點(diǎn)間的無線資源。

        3 自適應(yīng)路由技術(shù)

        當(dāng)前主流的通信路由技術(shù)如下:

        (1)基于網(wǎng)絡(luò)拓?fù)潢P(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(biāo)準(zhǔn)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(duì)組網(wǎng)對(duì)路由的需求,本系統(tǒng)需要結(jié)合海上編隊(duì)?wèi)?yīng)用的特殊性綜合考慮以下幾個(gè)方面對(duì)海上編隊(duì)通信的路由協(xié)議進(jìn)行全新設(shè)計(jì):

        (1)路由協(xié)議開銷對(duì)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)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(shí)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(yán)格分層的束縛,在層與層之間進(jìn)行信息傳遞和共享,針對(duì)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(duì)網(wǎng)絡(luò)性能進(jìn)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(jìn)行決策,以達(dá)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。基于權(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(shí)體的主要功能為:

        (1)從協(xié)議層獲取實(shí)時(shí)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(shí)、網(wǎng)絡(luò)層路由表承載信息、MAC層的節(jié)點(diǎn)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(duì)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(jìn)行實(shí)現(xiàn),海上編隊(duì)系統(tǒng)擬采用基于OLSR協(xié)議實(shí)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(hào)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(dāng)上述幾個(gè)參數(shù)發(fā)生變化時(shí),重新進(jìn)行協(xié)議交互和路由選擇,自動(dòng)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(shí)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(duì)組網(wǎng)通信兩種工作模式,具備無中心自組織、自動(dòng)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(dòng)態(tài)調(diào)整網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和中繼節(jié)點(diǎn),實(shí)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(diǎn)為中心覆蓋艦載終端海域(岸基節(jié)點(diǎn)天線高度100米、艦載天線高度25米);編隊(duì)工作模式,當(dāng)艦載終端超出岸基節(jié)點(diǎn)通信覆蓋范圍,水面艦艇間實(shí)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(duì)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(dāng)艦艇編隊(duì)在岸基節(jié)點(diǎn)的有效通信覆蓋范圍內(nèi)時(shí),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(diǎn),從而實(shí)現(xiàn)與導(dǎo)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(dāng)艦艇編隊(duì)部分超出岸基節(jié)點(diǎn)的有效通信覆蓋范圍時(shí),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(diǎn),從而實(shí)現(xiàn)與導(dǎo)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(dāng)艦艇編隊(duì)完全超出岸基節(jié)點(diǎn)的有效通信覆蓋范圍時(shí),艦艇編隊(duì)可以通過自組網(wǎng)方式,實(shí)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(gè)艦艇節(jié)點(diǎn)之間的直接對(duì)等通信;

        ② 支持不相鄰兩個(gè)艦艇節(jié)點(diǎn)之間通過其它艦艇節(jié)點(diǎn)多跳中繼轉(zhuǎn)發(fā)后的通信(艦艇節(jié)點(diǎn)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(shí)際項(xiàng)目中。該技術(shù)的成功應(yīng)用實(shí)現(xiàn)了部隊(duì)在實(shí)兵訓(xùn)練中艦隊(duì)組網(wǎng)組訓(xùn)中自成體系的通信網(wǎng)絡(luò),提高了部隊(duì)在復(fù)雜電磁環(huán)境中的通信質(zhì)量和綜合保障能力。

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