一种新型的宽带无线自组网互联技术

1 引言

随着现在战争的特殊性，在信息化条件下单舰（机）基础训练和小型作战编组近岸实兵训练任务进行海上编队的网络通信中，由于应用场景和组网结构复杂多样，通信节点具有移动的随机性和突发性、业务传输的偶然性，对训练的常态化、正规化组训提出了更高要求。因此系统设计要求宽带网络连接能够根据无线链路、拓扑结构、传输路径、业务状况等进行动态调整。自组织网络能通过节点自动对网络参数进行优化和调整，以适应无线通信的动态拓扑变化，从而改善通信质量。

自组网互联技术的关键是接入控制（MAC）协议。目前传统的自组网技术的MAC协议分为两类：一类采用CSMA/CA随机接入技术实现无中心自组网，常见于小范围区域、时延抖动和带宽抖动要求较低的民用应用场景中；另一类采用有中心节点的点对多点（PMP）接入技术实现中继mesh组网。相应的主要自组网通信接入技术规范包括：

（1）基于802.1x协议Ad Hoc模式低速率短距离自组网技术；

（2）基于802.16x的Relay/mesh模式的自组网技术；

（3）基于802.1x/802.16x/LTE的bridge模式中继自组网技术。

但是，上述3种模式都不能满足高宽带、远距离、动态拓扑变化、低时延、多跳等军事宽带无线自组网的应用需求，且海上编队宽带无线通信网有着与传统自组网/中继组网截然不同的应用场景，其需要综合考虑如下因素：

（1）网络节点为对等设备；

（2）网络拓扑结构动态变化；

（3）无线链路状态复杂、且传输距离远；

（4）业务传输指标满足高带宽、低时延。

综上，针对海上编队的通信需求本文全新开发了一种具有自主知识产权的新型的宽带无线自组网互联技术，该技术主要包括下面3个关键技术：

（1）自组网互联接入技术；

（2）自适应多信道动态无线资源管理技术；

（3）自适应路由技术。

2 自组网互联接入技术

全网所有通信节点为对等设备，每个通信节点通过自同步或外部授时同步形成统一定时，每个通信节点采用统一的时隙和帧结构，都采用单/多收发器进行多信道工作。

自组网互联接入技术是在TD-LTE接入控制技术的基础上结合CSMA/CA和TDMA方式完成通信设备节点的发现、无线链路的建立、网络拓扑的维护，最终完成所有通信节点的互联接入。自组网互联接入技术在信道上分为协议控制信道和数据传输信道，在时隙上分为协议控制时隙和数据传输时隙，协议控制和数据传输使用信道和时隙时能够根据组网应用动态调整。拟采用的帧结构即为CSMA和TDMA混合帧结构，如图1所示。

图1 自组织互联接入帧结构图

上图中，S0是一个特殊子帧，所有节点工作在同一频点，采用CSMA竞争方式进行拓扑关系的建立协商和资源分配的协商等。子帧1～子帧9为数据子帧，每个子帧分配给一对节点进行通信，采用TDMA方式。时隙的分配和所采用的频率在S0时隙进行协商，通过相关的算法进行优化，以提高频谱利用率和系统吞吐量。

3 自适应多信道动态无线资源管理技术

全网所有通信节点可以采用单/多收发器进行无线信息传输，每个收发器可以工作在多信道上，为了充分利用无线频谱资源，增加整个网络的系统容量，需要充分发挥每个收发器、每个信道的资源利用率，以满足海上编队通信系统的应用需求。

自适应多信道动态无线资源管理技术是在Ad Hoc网络架构下配置多信道无线资源分配，同时结合LTE的物理层和MAC层设计，最终完成宽带无线自组网对无线资源管理的要求。

信道资源协商的过程如图2所示，信道资源协商是在S0时隙进行，由业务发送方进行申请，业务接收方接收到申请后应答，最后业务发送方进行确认，实现三次握手的功能。

图2 信道资源协商示意图

协商消息(NM)中包含可用频点、时隙、带宽请求等信息；NM_RSP中包含选择的频点、时隙、确认的带宽等信息；NM_ACK中包括选择的频点、时隙、带宽等信息。

自适应多信道动态无线资源管理技术实现了基于时分复用的各节点信道资源分配。在系统设计中，预定某一时隙上某一信道作为信标，实施全网的信道资源分配，根据节点间的频谱状况、业务需求、网络拓扑情况动态分配信道时隙资源，以支持包括实时业务在内的综合业务传输。通过时频二维资源在空间（地域覆盖）和时间上的优化分配，实现网络节点的“随遇接入”和“随时通信”。自适应多信道动态无线资源管理技术主要实现了如下功能：

（1）通信节点任意收发器能够在不同时隙工作在不同信道上；

（2）通信节点能够根据频谱资源状况自动选择匹配的时隙和信道进行通信；

（3）通信节点能够根据网络拓扑自动调整每个通信节点间使用的无线资源；

（4）通信节点能够根据业务传输需求自动调整通信节点间的无线资源。

3 自适应路由技术

当前主流的通信路由技术如下：

（1）基于网络拓扑关系的MESH路由协议，例如OLSR、DSP、AODV等；

（2）基于IP地址的L3路由协议，例如OSPF、RIP、BGP等。

这两类路由技术主要区别为：MESH路由协议多用于非IP数据业务传输，一般适用于自治系统内的组网应用；L3路由协议一般为标准有线或无线组网应用，既可以用于自治系统内，也可以用于网际互联。

然而，现有的路由协议并不能满足海上编队组网对路由的需求，本系统需要结合海上编队应用的特殊性综合考虑以下几个方面对海上编队通信的路由协议进行全新设计：

（1）路由协议开销对无线链路资源的占用；

（2）无线链路质量；

（3）路由协议能够根据无线网络拓扑结构进行动态调整；

（4）IP地址规划及网际互联功能。

本文采用具有自主知识产权的基于权值的自适应跨层协同路由技术。该路由技术要求打破传统OSI/RM (open systems interconnection / reference model)参考模型中严格分层的束缚，在层与层之间进行信息传递和共享，针对各层相关模块/协议的不同状态和要求，在整体框架内，利用层与层之间的相互依赖和影响，对网络性能进行整体优化，该技术方案的分层结构如图3所示。

图3 跨层协同协议分层

基于权值的自适应跨层协同路由技术的基本思想与原则是：充分合理利用现有各层提供的资源信息(传输功率、信道状态、调制方式、调度策略、路由等) 进行决策，以达到系统总吞吐量最大化、总传输功率最小化、QoS最优化的最终目的。基于权值的自适应跨层协同路由技术在传统网络协议栈上增加了跨层协同管理层，该实体的主要功能为：

（1）从协议层获取实时网络或链路状态信息（应用层的QoS需求信息、传输层的端到端吞吐量和延时、网络层路由表承载信息、MAC层的节点吞吐量、物理层的剩余带宽/RSSI/SNR等）；

（2）根据上述信息，协同处理网络层路由选择算法和协议，具体包括：

（3）把物理层的信道质量参数作为路由选择算法的判据；

（4）把传输层的链路使用信息作为路由选择算法的判据；

（5）把应用层对QoS的需求信息作为路由选择算法的判据。

基于权值的自适应跨层协同路由技术可以基于任意网络协议进行实现，海上编队系统拟采用基于OLSR协议实现的基于权值的自适应跨层协同路由技术，该协议选择算法将信号质量、频谱状态、物理层带宽、资源分配、QoS、跳数等加权值作为判据，选择单位业务传输权值最小的路径作为最佳路由；当上述几个参数发生变化时，重新进行协议交互和路由选择，自动更新网络路由，保障业务传输质量、系统吞吐量、端到端传输时延。

4 宽带无线自组网技术应用

目前我们研制的宽带无线自组网设备具备锚泊状态下的舰岸接入通信和海上舰艇编队组网通信两种工作模式，具备无中心自组织、自动路由和中继通信的能力，并支持根据舰艇地理位置变化动态调整网络拓扑结构和中继节点，实现与岸基有线光纤网络互联。

宽带无线自组网设备主要组网工作模式包括两种，即近岸锚泊工作模式，以岸基节点为中心覆盖舰载终端海域（岸基节点天线高度100米、舰载天线高度25米）；编队工作模式，当舰载终端超出岸基节点通信覆盖范围，水面舰艇间实现相互自组网（舰载天线高度25米）。

无线自组网设备对下各舰载终端接入组网共有3种典型组网方式，即星型组网、链型组网、星链混合组网。

（1）星型组网

当舰艇编队在岸基节点的有效通信覆盖范围内时，无线自组网设备可通过星型组网方式接入岸基节点，从而实现与导控中心互连互通。星型组网如图4所示。

图4 无线自组网系统星型组网示意图

（2）链型组网

当舰艇编队部分超出岸基节点的有效通信覆盖范围时，无线自组网设备可通过链型组网，采用舰艇中继方式接入岸基节点，从而实现与导控中心互连互通。链型组网如图5所示。

图5 无线自组网系统链型组网示意图

（3）星链混合组网

当舰艇编队完全超出岸基节点的有效通信覆盖范围时，舰艇编队可以通过自组网方式，实现舰艇间的通信。主要包括如下两种应用，其组网关系如图6所示。

图6 无线自组网系统星链混合组网示意图

① 支持相邻两个舰艇节点之间的直接对等通信；

② 支持不相邻两个舰艇节点之间通过其它舰艇节点多跳中继转发后的通信（舰艇节点间多跳自组织网络通信）。

5 结束语

本文提出的新型宽带无线自组网互联技术，已经成功的研制并应用在实际项目中。该技术的成功应用实现了部队在实兵训练中舰队组网组训中自成体系的通信网络，提高了部队在复杂电磁环境中的通信质量和综合保障能力。