低速无线通信系统组网设计

乐鑫喜

(中船重工第七二二研究所低频电磁通信技术实验室 武汉 430079)

低速无线通信系统组网设计

乐鑫喜

(中船重工第七二二研究所低频电磁通信技术实验室 武汉 430079)

本文针对某无线应急通信系统速率较低、传输可靠性要求高的特点,设计了一种控制信息极少的无线组网方法。该方法采用一级节点接力传输和二级节点中继传输两种模式,保证组网可靠性;设计两套工作频点实现一级节点优先的分级传输,保证快速收敛;通过同步信号来检测冲突,避免产生碰撞;通过接收信噪比实时估算和比较,实现多重报文优选。

低速率; 无线通信; 无线组网

Class Number TN925

1 引言

本文所提及的低速无线应急通信系统主要用于军事应急通信。该系统通常由数个覆盖范围约为300km～500km的无线通信节点,采用组网接力传输的方式,联合覆盖用户需要覆盖的区域。由于该系统的应用背景主要是军事应急通信,因此必须确保每个站点均能正确、可靠地接收到指挥信息,确保战时的应急指挥、通信与控制。因此,对传输可靠性、网络健壮性要求均很高,即使在部分无线通信节点被摧毁的情况下,也要求保持系统通信畅通[1]。而且,该系统的传输速率较低,最低1bit/s、最高32bit/s,而传统意义上的无线组网方法[2～8]由于网络控制信息开销太大,并不适用于低速率的无线通信系统组网。因此,需要设计一种适于低速率无线通信系统的组网控制方法。

2 无线通信节点的布置

该系统的无线通信节点分为三级,一级节点具备发信和收信功能,通信覆盖范围约为500km;二级节点具备发信和收信功能,通信覆盖范围约为300km;三级节点仅具备收信功能。如图1所示,图中A、B、C三个节点为一级节点,An为二级节点,An′为三级节点[1]。

3 系统组网设计

3.1 无线信道接入

该无线通信系统采用MSK调制方式,系统组网采用频分复用[9]的信道接入方式。

由于系统通信速率较低,为节省组网开销,设计了两组频率,一组用于一级节点发射,另一组用于二级节点发射。中继节点仅仅通过接收频点所属的组别即可判断上级发射节点是一级节点还是二级节点,无须额外的组网控制信息。

为了避免节点之间的同频干扰,相邻节点之间需采用不同的工作频点。同时借鉴以太网冲突检测的方法,利用同步信号作为冲突检测的对象[10]:每个无线点在开始发信前,首先检测是否有其他节点的同步信号,如果信道空闲才发送,否则等待,以免发生碰撞。同时,为了避免图2所示的“隐蔽终端”产生的碰撞,对于覆盖区重叠区域有其他节点的两个无线节点,将采用不同的工作频点发送信息。这里的“隐蔽终端”是指:当某个节点A在某个频点发送信息时,在其覆盖区之外的节点B将无法检测到该信息的发送,从而有可能会同时开始发送自己的信息,此时对于同时处于A、B节点覆盖范围内的C节点,将会产生碰撞[10]。

3.2 路由控制方法

由于该系统各节点的位置相对固定,因此主要采用先验式静态路由[11]的方法。在此基础上,为提高网络的健壮性,采用了以下三级保障措施。

1) 一级节点接力传输

正常情况下,仅通过一级节点接力传输即可保证所有二级节点和三级节点接收到信息。

如图3所示,一级节点A首先采用F1频率发送信息,其覆盖区内的所有二级节点An和三级节点An′以及下一个一级节点B均能接收到信息。然后,一级节点B采用F2频点转发该信息,此时其覆盖区内的所有二级节点Bn和三级节点Bn′以及下一个一级节点C均能接收到信息。同时,上一个一级节点A也能接收到该信息,并据此判定节点B已将信息正确传送至节点C,否则认为节点B故障并启动其下属二级节点中继传输模式。最后,一级节点C采用F3频点转发信息,若B节点接收到该信息,则判定任务完成,否则认为节点C故障并启动其下属二级节点中继传输模式。

2) 二级节点中继传输

当某个一级节点出现故障或者被摧毁时,上一个一级节点将无法收到其转发的信息,因此无须组网控制信息即可判断其故障,并适时启动二级节点中继传输。

为了节省组网开销,并未采用预留字段来识别是否启动中继传输,而是采用专门的格式报文信息帧,在需要时才发送,二级节点收到此类信息后才听令启动中继传输模式。在不需要时,就不会产生额外的信息。

二级节点启动中继传输模式后,将会根据目标地址,为属于自身后续节点的目标节点转发报文信息。

为了保证网络的健壮性,中继部分采用洪泛路由算法,保证每个节点均有2～3条可达路径。但是,传输至下一个一级节点后,采用一级节点优先的策略:由于通过频率即可判断后续一级节点是否故障,因此后续一级节点下属的二级节点在收到上一个区域的二级节点中继过来的报文,不会立即转发,而是会在等待一段时间仍然未接收到C节点发送的信息时,才会转发信息。

如图1所示的网络中,假设一级节点B故障,A节点由于未收到其向下转发的信息,开始启动中继传输模式,处理流程如图4所示。

3) 多重报文优选

如前文所述,为了网络的健壮性,必须保证每个节点均有多条可达路径。那么,对于目标地址而言,将可能同时或者先后收到多份报文。而且,由于误码率的存在,收到的报文也存在不一致的可能性。

为解决该问题,系统的多通道收信设备设计了两个个独立的收信通道,可以接收不同站点以不同频点发送的报文,并且能在收取报文的同时进行实时信噪比估算。当多重报文出现不一致时,可以通过比较信噪比,自动优选信噪比最高的报文输出为正确值,处理过程如图5所示。

4 结语

本文通过一级节点接力传输和二级节点中继传输两种模式,仅需极少的组网控制信息,即可保证每个节点均有2～3条可达路径,从而确保低速无线通信系统能可靠、正确组网。其次,直接由工作频点判断发射台级别,在收到一级节点发送的报文后,相应的二级节点即可自动停止转发,从而避免了无效的网络容量。然后,通过检测同步信号进行冲突检测,避免产生碰撞;同时,为了解决“隐蔽终端”的碰撞问题,对于覆盖区重叠区域有其他节点的两个发射节点,采用不同的工作频点发送信息。最后,通过接收信噪比实时估算和比较,实现多重报文优选。以上措施和方法,共同特点是不需要或者需要极少的组网控制信息,却能保证正确、可靠组网,因此非常适于速率较低、传输可靠性要求高的低速无线应急通信系统,满足战时应急通信的要求。

[1] 乐鑫喜,吕雪峰,黄欣.一种控制低频通信系统组网的方法[P].中国专利:201518007735.2,2015-12-02.

[2] 韦泽训.LTE无线组网规划和频率应用分析[C]//四川省通信学会,2013年学术年会论文集,2013:33.

[3] 焦凯.基于蓝牙技术的无线局域网系统的研究与实现[D].南京:南京理工大学,2005:5-12.

[4] 雷震洲.面向低速率应用的全球标准ZigBee[J].现代电信科技,2004(12):3-5.

[5] 刘俊.TD-SCDMA主要关键技术及无线组网浅析[J].广东通信技术,2007(5):15-16.

[6] 崔佳巍,郝志安,齐忠杰,等.一种无线组网中的TDMA时隙调整协议[J].无线电通信技术,2010(5):4.

[7] 肖伟,黄永弟.Ad-hoc技术在应急行动指挥车中的应用研究[J].计算机与网络,2013(6):69.

[8] 梁学俊.基于OFDM的无线组网技术研究[D].武汉:武汉理工大学,2004:27-37.

[9] 万海东.军事指挥系统中无线组网通信技术[D].南京:南京理工大学,2008:8-15.

[10] 谭雪松.基于多频段多工作模式无线电台的组网方法[D].成都:电子科技大学,2001:19-20.

[11] 陈印杰,张杰.舰艇编队无线自组网建模分析研究[J].舰船科学技术,2009(4):107-108.

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

乐鑫喜,女,硕士,高级工程师,研究方向:通信系统设计。

TN925

10.3969/j.issn.1672-9730.2017.02.015