宽带自组网技术现状和发展趋势研究

林威

关键词：无线自组网；宽带自组网；发展趋势

1引言

无线自组网技术起源于军事应用需求，是从20世纪70年代美国国防部高级研究计划局资助研究的“战地无线分组数据网”项目中产生的一种新型网络技术。

无线自组网是一种分布式网状网络[1]，与点对点或点对多点网络不同，它是由相同地位的通信节点组成，具有无中心、多跳中继、动态路由、抗毁性强等特点，适用于不需要事先部署但需要临时开通一个专用网络的场景，如应急通信、消防救援、森林消防、海上船队通信、车队通信、无人区通信、地下通信、活动安保等。

2国外宽带自组网

国外典型的宽带自组网通信系统有美国Persistent Systems公司的MPU5、美国Silvus公司的MIMO MESH、英国DTC公司的P5等。

2.1美国Persistent Systems公司的MPU5

MPU 5是世界上首个基于Android操作系统、可以安装外部APP的智能电台，于2017年开始在美国军队、警察等群体中装配。MPU 5在2017年9月获得了美国陆军890万美元合同：2017年11月，获得美国陆军endeavor robotics奖，奖金为1亿美元；2018年4月，获得美陆战队1000万美元合同；2020年12月，获得美陆军N-CFT与PEO C3T的网络现代化合同，合同金额不详。

2.1.1MPU5的特点

（1）集成度高：集成了自组网通信、语音通信、视频编解码、计算机等功能，配备了3x3 MIMO，最大发射功率2Wx3，但主机体积只有38mm×67mm×117mm，重量为368.5g。

（2）性能好：网络规模和中继次数不限，峰值速率为150Mbps，通信距离远。

（3）模块化设计：使用螺丝刀即可更换功放模块，从而改变工作频段（L/S/C波段）。

2.1.2MPU5的组成

（1）主机：WR-5100。

（2）射频模块：RFIlOO，L波段；RF2100，S波段；RF4100，C波段。

（3）附件：包括线缆、手咪等。

（4）配套设备：自动跟踪天线系统。

自动天线跟踪系统的主要功能和性能如下：（1）与MPU5配合使用，用于地面对机载平台的自动跟踪；（2）专为易用性、快速装配和便携性而设计，2人可在15分钟内完成组装和部署；（3）天线增益-L波段24dBi，S波段28dBi，低C波段35dBi，高C波段36dBi; （4）波束宽度-L波段10。，S波段6。，低C波段3。，高C波段2.5。；（5）极化方式——双极化。

2.1.3MPU5主要技术指标

（1）工作频率：L波段1350 - 1390MHz；S波段2200 -2500MHz;C波段4435 -4980MHz。

（2）调制方式：OFDM，BPSK，QPSK，16QAM，64QAM。

（3）载波带宽：5MHz、IOMHz、20MHz。

（4）MIMO技术：最大比合并、空时编码、空分复用。

（5）吞吐率：TCP数据峰值150Mbps。

（6）最大发射功率：合计6W，每通道2W。

（7）最小接收机灵敏度：- 98dBm@SMHz，BPSK。

（8）最大通信距离：209km。

（9）最大峰值发射功耗：40W（3通道、每通道6W）。

（10）接收最大功耗：1.9W（3通道）。

（11）待机功耗：0.15W。

（12）天线数量：3副。

（13）外部接口：3个天线接口，1个视频接口，1个GPS接口，1个PTT/EUD接口，1个数据接口，1个智能RoIP接口，1個电源接口。

（14）防护等级：IP68。

（15）网络规模：不限。

（16）中继次数：不限。

（17）工作温度：-40C - +85℃。

2.2美国Silvus公司的MIMO MESH

Silvus公司成立于2004年，2020年5月，获得美空军一份不定期或不定数量交付的9.5亿美元合同，为美空军提供StreamCaster移动自组织网络无线电系统；2020年5月，获得美陆军1000多套设备、390万美元合同。

MIMO MESH有手持和车载两种形态，分别是2x2 MIMO和4x4 MIMO，最大特点是具备波束成形。

2x2 MIMO手持台型号是SC4200E。

4x4 MIMO机载台型号是SC4400E，其主要参数如下。

（1）架构：4x4 MIMO，基于FPCA的软件无线电。

（2）发射功率：1W或8W可选。

（3）发射波束成形：EIRP增加5-6dB。

（4）工作频段：多种频段可选，UHF 400 -450MHz， UHF-II 663 - 698MHz， 900MHz ISM 902 -928MHz，低段L 1350 - 1390MHz，扩展L 1350 -1440MHz．中段L 1452 - 1492MHz．上段L 1790 -1850MHz，广播B 2025 - 2110MHz，联邦S 2200 -2300MHz，S段2200 - 2500MHz，2.4CHz

ISM

2400 -2500MHz，低段C 4400 - 4700MHz等。

（5）业务速率：94Mbps。

（6）外部接口：以太网、串口、USBx2。

（7）加密：FIPS

140-2等级2。

（8）工作电压：9-20VDC。

（9）功耗：8W-43W@ 8W发射功率，IW- 24W@1W发射功率。

（10）尺寸：133rmu×114mm x46mm（不含连接端口）。

（11）重量：1.133kg。

（12）颜色：黑色。

（13）防护等级：IP67。

（14）工作温度：-400C - +65℃。

2.3英国DTC公司的P5

2016年，美国DTC收购了总部位于英国的Cobham的战术通信和监视部门。2021年5月，澳大利亚Codan有限公司收购了DTC公司，收购的预付现金为8800万美元，如果在2021年实现“某些盈利目标”，还可能额外支付1600万美元。该公司是全球最早生产宽带自组网产品的厂家之一，早期在全球市场占有率最高。

P5是该公司最新一代产品，具备视频编码器，还从P4的1发2收提升为2发4收，真正意义上实现了MIMO;载波带宽为1.25-10.OMHz，业务带宽为0.25 -32Mbps。

P5的主要参数如下。

（1）外部接口：射频接口，2×TX/RX，2xRX；USB接口；电源接口；以太网接口；HD-SDI视频接口。

（2）通信距离：非视距，典型值0.8 - 1.4km;视距>50km。

（3）工作频段：320 - 470MHz、1.20 - 1.70GHz、1．65 -2.40CHz、1.98 -2.55CHz、4.40-5.OOCHzn

（4）发射功率：33dBm。

（5）载波带宽：0.625、1.25、2.5、3.0、3.5、5.0、6.0、7.0、8.0、10.OMHz。

（6）业务速率：MIMO版本32Mbps，标准版本17Mbps。

（7）调制方式：BPSK/QPSK/16QAM，自适应。

（8）编码方式：1/2 FEC，2/3 FEC，自适应。

（9）接收分集：最大比合并。

（10）接收机灵敏度：-98dBm@2.5MHz，BPSK，1/2 FEC。

（11）加密：DES，选配AES128或AES26。

（12）尺寸：135mmx89mmx35mm。

（13）重量：550g。

（14）工作电压：8-18VDC。

（15）最大功耗：标准版本接近12W，MIMO版本接近25W（峰值40W）。

（16）工作温度：-10C -50。C。

3国内宽带自组网

国内典型的宽带自组网通信系统有宸芯科技公司的CX67XX系列模组，希诺麦田公司的HEPBURN系列以及一些厂家的基于Wi-Fi的宽带自组网设备。

3.1宸芯科技公司的CX67XX系列模组

宸芯科技有限公司是我国行业通信终端SoC芯片专业领域的龙头企业，公司拥有自主知识产权的2C/3C/4G/5G通信协议栈，推出了多款被广泛应用的SoC芯片，自主研发了高度成熟的软件无线电OCAP平台技术和产品，产品在无人机图数传、电力线巡检、机器人等市场占有率高。

CX67XX系列模组基于完全自主知识产权的CX1881平台和CX1910平台，其特点包括自主可控；支持自组网、公网、天通、PDT等多模，同时支持双通；功耗低、体积小、重量轻；集成H.264/H.265视频编解码器和语音编解码，集成度高；最大4x4 MIMO，吞吐率>200Mbps；单跳时延为3ms。

基于CX67XX系列模组，可以建立空天地一体、公转结合、宽窄融合的通信系统。

3.2希诺麦田公司的HEPBURN系列

希诺麦田公司是一家成立于2015年专注无线传输解决方案的国家高新企业，其产品具有传输距离远、低延时、传输稳定、支持复杂环境等优点，在无人机、机器人、应急、巡检、安防等诸多领域开始崭露头角。

HEPBURN系列有P40、P37、P35、P33和LITE五种形态，其基本参数为：2发2收，工作频段1. 40 -1. 46CHz，信号带宽4MHz、8MHz、IOMHz、14MHz、20MHz可选，发射功率对应2x10W、2x5W、2x3W、2x2W、2xIW五种，时延<5ms，吞吐率>50Mbps。

3.3基于Wi-Fi的宽带自组网设备

这种宽带自组网设备大多采用高通公司的Atheros Wi-Fi芯片，修改组网协议可将工作频段降低到小于1000MHz或L波段，适用于静止非移动、通视非遮挡、近距非远距场景，其吞吐率> 80Mbps，特点是成本较低。

4发展趋势

宽带自组网技术的发展趋势如下。

4.1宽窄融合

在军用通信、应急通信等应用领域，窄带话音是保底通信手段，其话音单跳覆盖能力与PDT等对讲机相当，通过多跳中继扩大覆盖范围。宽窄融合是指在保证窄带话音可靠传输的基础上，还可以提供视频和数据宽带传输服务。设备最优实现方式不是宽带自组网板卡和窄带自组网板卡级两块板卡融合，而是宽窄带自组网协议统一设计，在一个处理器内实现。

4.2使用简单

设备无需进行工作模式、工作频率、通信距离等参数设置，开机即通；除IP和串口数据通信功能外，还可以提供广播语音、集群语音、定位导航、视频回传、视频会议等服务；设备使用简单，人人都会用，如普通对讲机、手机或APP -样。

4.3小型化

大部分使用场景要求设备具有小型化、低功耗的特点，但与5G的eMBB大流量（Gbps）、uRLLC低時延（10ms）和mMTC多用户（海量）三大场景相比，自组网的场景和需求定义还不清晰，各厂家协议自定义、无统一标准，主流厂家是基于FPCA和集成收发器实现，体积和功耗都较大，因此芯片化是发展趋势。

4.4性能增强

一些特殊应用场景下要求自组网的带宽宽、距离远、抗干扰能力强，采用多波束天线阵[2]，波束成形可以提高发射和接收时的天线增益，窄波束可以在空间上提高设备的抗干扰能力，但这也会导致硬件和组网协议等技术层面的复杂度增加。

4.5应用取巧

在一些特殊应用场景下，无线电波传播损耗比较大，如在森林里电磁波传播损耗为10_50dB。某研究者开发了一种天线延长杆及组件产品，其通过将多个内置馈线的天线延长杆拼装成一个较长的天线延长杆，将天线安装到杆顶部，使得天线可以伸出树叶覆盖区域，极大减少电磁波传播损耗。同时，这种天线延长杆可以快速拆装，方便携带。

5结束语

本文介绍了国内外宽带自组网的技术现状，包括国内外主要厂家的产品，并提出宽带自组网技术的发展趋势为宽窄融合、使用简单、小型化、性能增强和应用取巧。