扁平化Wave Relay 自组网技术分析*

毛建兵，姜永广，徐梦蝶

（1.中国电子科技集团公司第三十研究所，四川 成都 610041；2.空装驻成都地区某代表室，四川 成都 610000）

0 引言

无线自组网络提供了独立通信节点之间的对等组网通信，在没有任何预设基础设施的支持下，可为用户之间的通信快速自组织构建一张无线网络。无线自组网提供的无基础设施组网能力与战术通信应用的需求高度吻合，因此在战术通信中被大量采用。随着网络中心作战理念的发展，覆盖战场全要素的大规模自组织网络将是未来战术通信发展的目标[1]。

面向大规模战术自组网通信应用，美国军队主要的技术有TSM 波形[2]、Wave Relay[3]、士兵电台波形（Soldier Radio Waveform，SRW）[2]、战术目标瞄准网络技术（Tactical Targeting Network Technology，TTNT）[4]等。这些技术理论上都设计支持数百个节点组建一个分布式、可扩展的自组织网络，但其采取的核心技术体制和关键技术方法则各有特点。

Wave Relay 提供了一种可扩展的大规模移动自组网解决方案，能够快速、扁平化、自配置、高效率地将大地理范围内的各类用户设备连接起来形成网络。Wave Relay 自组网具有很强的通用性，可于战场上在L、S 或C 波段链路间快速切换使用，满足不同作战任务和场景的需求[5]。

Wave Relay 自组网技术主要应用于MPU5 手持终端设备以及无人车、无人机等小型无人系统。美国陆军综合战术网（Integrated Tactical Network，ITN）引入了Wave Relay 自组网，实现了战场应用，并将MPU5 部署于大量单兵，使得士兵成为网络的中心，构建一种规模可变的网络。基于Wave Relay 的MPU5成为美军新一代无中心自组网智能单兵电台[3]。

本文针对Wave Relay 自组网技术进行深入研究，梳理其技术特性，对其扁平的网络架构及采用的关键技术进行分析和探讨。

1 Wave Relay 网络主要技术特性

Wave Relay 支持大规模用户实现快速、不依赖基础设施地组网，可解决战场上大量用户“最后一公里”的通信需求，实现作战节点之间的密切协作信息共享通信，并为用户带来更好的实时态势感知接入能力。其主要工作特性如下：

（1）采用无中心分布式自组网设计，网络开通部署迅速。典型的情况下，网络开通时间仅需要数秒钟，节点后开机入网时间小于1 s。

（2）网络结构扁平化，节点间关系对等，没有主节点，网络无明显的层次结构，支持任意节点在网络范围内任意移动。

（3）无网络节点数量限制，无中继传输跳数限制，支持规模可变的网络应用。

（4）采用多输入多输出（Multiple-Input Multiple-Output，MIMO）多天线技术，传输带宽高达100 Mbit/s以上。

（5）工作在网络协议栈的第二层，支持网络节点之间无缝桥接IP 层通信。

（6）支持IP 数据传输，兼容互联网协议第6 版（Internet Protocol Version 6，IPv6），支持话音、H.264高清视频、图像等应用，支持多播，支持按键通话（Push To Talk，PTT）话音分组。

（7）提供服务质量（Quality of Service，QoS）保障支持，提供协议栈多个层面的区分服务保障功能，确保低时延的实时业务传输。

（8）极好的可扩展性，支持扩展实现上千个节点的组网，并保持控制开销的最小化。

（9）快速自形成和自修复能力，适应拓扑变化的全动态移动网络，具备复杂环境下的高可靠通信应用支持。

（10）高容错性，不受单点故障影响，具有网络自愈、频率分集、设备分集、路由灵敏等容错支持能力。

2 Wave Relay 网络技术分析

2.1 Wave Relay 网络架构

Wave Relay 自组网无须固定基础设施，并且也不需要全网高精度的时间同步。Wave Relay 支持分布式、无中心、全移动的用户持续高效地通信。分析表明，Wave Relay 采用了扁平无层次的平面组网结构。如图1 所示，区域范围内移动的用户节点通过高速无线链路一跳直连到周围邻近的其他用户，与远距离的用户通信则借助于其他用户节点提供的路由中继转发功能实现多跳跳转通信。

图1 Wave Relay 组网结构

Wave Relay 采用完全平面的组网结构，使得用户节点可以在网络覆盖范围内任意移动，连接到周围任意可以连接的其他用户。与分层分群网络结构相比，Wave Relay 的扩展性非常强，所有节点完全对等，实现了无主节点设计，没有动态分层或分群组网所需的复杂控制算法要求和维护开销，也避免了节点快速移动需要在子网之间或是不同网络层次之间不停切换时，出现通信网络结构频繁变化的问题，移动过程中通信的保持性、连续性和稳定性更好，且能够更好地支持网络整体抗毁自愈。

Wave Relay 具有良好的大规模扩展性，在向网络中增加新节点或是移除其中一些节点时，都可以继续保持网络通信连接不丢失，并且也不需要针对节点变化进行网络重新配置。利用灵敏的平面路由设计，Wave Relay 使得网络无论在何种拓扑结构形态下都能够保持一贯的连接。这使得Wave Relay 能够灵活根据当前任务的需要，以简单快速的方式调整改变网络的容量大小。

2.2 物理层传输技术

Wave Relay 可根据任务环境和应用的不同选择工作在L、S 或C 波段，信道带宽可配置为5 MHz、10 MHz 或20 MHz，其物理层工作采用了3×3 MIMO 多天线技术[6]，并基于正交频分复用（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM）多载波调制传输方案，支持最高64阶正交幅度调制（Quadrature Amplitude Modulation，QAM）高效传输，支持包括最大比合并（Maximal Ratio Combining，MRC）、空时分组编码（Space-Time Block Coding，STBC）以及空间复用等MIMO技术，还充分利用了无线信号的多径传播特性。MIMO 与OFDM 宽带传输技术的联合运用，使得Wave Relay 最高传输速率达到了100 Mbit/s 以上。不仅如此，通过接收处理周围无线环境中产生的多路射频反射传播信号，MIMO 技术扩展了用户在城市、地下、海上等复杂环境下的通信距离范围，并提升了网络的链路传输吞吐量和通信可靠性。这些先进技术的运用，使得Wave Relay 网络工作在城市、隧道、建筑物等环境中时能够体现出明显的性能优势。

2.3 MAC 信道接入控制技术

Wave Relay 组网媒体访问控制（Medium Access Control，MAC）层信道接入控制采用了无须精确定时同步的工作机制[5]。通常自组网采用的MAC 设计主要包括时分多址接入（Time Division Multiple Access，TDMA）类型和随机接入类型的控制协议。TDMA 协议依赖于外部或是内部的时间同步才能工作，并且全网节点要求保持完全一致精确同步。随机接入类协议不依赖于定时同步，例如IEEE 802.11提供的载波侦听多址访问/冲突避免协议（Carrier Sense Multiple Access/Collision Avoid，CSMA/CA）。

据此分析，推测Wave Relay 自组网采用了随机接入控制MAC 协议，其明显的好处在于不需要维护全网节点的时间同步，削减了网络同步开销，并且初始建网时也不需要经历漫长的全网节点时钟初始同步校正等待，加速了初始建网通信过程，从而有利于实现Wave Relay 具有鲜明特点的数秒快速初始建网和后开机节点加入网络时间小于1 s的能力。

3 Wave Relay 路由技术

3.1 基本工作机制

根据寻路机理不同，自组织网络通常采取的路由机制主要分为主动路由和被动路由。在大规模组网中，周期性的链路状态信息通告使得主动路由存在较大的路由开销，整个开销随网络节点数N的平方关系非线性增长。相关研究结果表明，典型的优化链路状态路由协议（Optimized Link State Routing，OLSR）主动路由无法支持大规模组网应用[1]。被动路由按需进行寻路，在大规模网络条件下，路由搜索所需的时间等待较长，且在节点快速移动并大量发起通信请求时，频繁的寻路和路由维护也将使得网络运行效率严重降低。

为了保障网络可扩展性，针对平面式网络结构，Wave Relay 采用了一种主被动相结合的路由设计，称之为脉冲协议（Pulse Protocol）[7-8]。网络中选举一个节点作为脉冲源节点（Pulse Source），通过该节点周期性地向全网广播发送脉冲消息（Pulse）。网络中收到Pulse 消息的每个节点，都将记录拥有路径最小路由度量值的前一发送节点，同时也将更新经过本节点后的路径度量值并转发Pulse 消息。利用反向路径跟踪机制，网络中每个节点都将获得通向脉冲源节点的最佳路径，全网节点形成以脉冲源节点为根的反向路由树。如图2 所示，全网节点通过接收并更新及转发来自脉冲源节点生成的Pulse 消息，快速构建起从各个节点向脉冲源节点传输的树状路由。

图2 Wave Relay 路由机制

当节点有数据传输需求时，该节点在收到Pulse 消息后将以一个预留分组进行响应。预留分组沿着路由树向脉冲源节点传输，路径上所经过的各个节点都将建立起面向响应发送节点的反向路由。针对数据传输的目的节点，当脉冲源节点尚不掌握指向该目的节点的路由时，脉冲源节点需要在下一次Pulse 消息发送中对其进行呼叫。目的节点收到包含呼叫的Pulse 消息后，将向脉冲源节点发送一个预留分组，进而触发建立从脉冲源节点到目的节点的路由。

网络中只有那些有数据传输需求的节点才会向脉冲源节点发送预留分组。在传输数据期间，为了维护路由，节点需要针对每个收到的Pulse 消息发送相应的预留分组响应，从而保持路由的新鲜性。因此，Wave Relay 以脉冲源节点为根的树形路由中，上行路径是以主动方式建立并维护的，而下行路径则是根据节点通信需求来建立并维护的。

受脉冲源节点周期性全网广播洪泛Pulse 消息的驱动，路由工作为网络节点提供了全网时间同步服务，这为需要全网时间同步的高层应用提供了支撑。定义Pulse 发送间隔为周期T，网络工作时间将周期性地划分为Pulse 消息广播时间T1、预留分组响应时间T2以及数据传输时间T3，如图3 所示。Pulse 消息广播和预留分组响应时间内，节点只进行路由协议交互，不发送任何业务数据。各部分时间有T=T1+T2+T3。路由运行对网络资源占用的比例为：

图3 脉冲协议路由工作周期

3.2 选路度量机制

Wave Relay 采用了媒质时间度量（Medium Time Metric，MTM）机制进行路由选路[9]。定义τ(e,p)表示通过链路e传输一个数据包p所需的信道占用时间。假设路径p由n条链路ei（1 ≤i≤n）连接构成，则路径p的路由度量值为：

基于MTM 机制，Wave Relay 路由寻路选择源节点和目的节点之间拥有最小路由度量值的路径作为最优路径。路径中链路速率越高，累计信道占用时间越小，所选路径的传输效率越高。

与无线自组网络传统路由设计通常以最小跳数度量（Minimum Hop Metric）作为路由选路的策略不同，基于MTM 进行选路有如下几方面显著的优势：

（1）优化多速率网络的传输效率。在节点支持多速率传输的网络条件下，避免选择不必要的低速链路进行传输，对高速传输节点造成阻塞。

（2）提高路径的传输带宽。路由倾向于选择更高速率的链路来建立端到端路径，因此每条路径将拥有更高的传输带宽能力。

（3）提高网络整体的吞吐量。每条业务传输路径占用的信道传输时间越小，则同样时间内网络可以保留更多的信道资源以传输其他数据。

（4）增强移动条件下路径传输的可靠性。受节点移动或干扰影响，高速链路可以通过自适应降速来保持链路不被中断，从而使得端到端路径传输的可靠性更高，路径更为健壮，抗节点移动导致中断的弹性更好。

3.3 优化机制

源节点和目的节点之间的数据流沿着脉冲源节点为根的树进行路径转发时经过的路径可能并不是两节点之间代价最小的路径。为了进一步优化选路，Wave Relay 路由给出了两种优化措施：

（1）捷径（Short-Cut）路由机制。允许节点MAC 层工作在混杂模式下，并且距离路由树传输路径一跳的节点通过侦听树上节点转发的预留分组，获得关于到达预留分组响应发送节点的反向路由信息，建立捷径路由。如图2 所示，节点B 通过侦听接收节点F 转发的来自G 的预留分组包，获得了经过F 向节点G 传输的捷径路由（路径2）。捷径路由机制缩短了沿路由树传输的端到端路径长度。

（2）无偿（Gratuitous）路由机制。节点对邻居节点的业务流发送进行监听，当节点发现经过自己到达业务流的目的节点拥有更小代价的路由时，主动向该邻居节点发送无偿通告；收到通告的邻居节点将修改业务流的传输路由，重新选择将下一跳指向通告节点。如图2 所示，节点H 监听到节点S在向节点D 传输数据（路径1），并发现经过自己可以有更小代价的路由，于是主动向节点S 发送无偿通告；收到通告后节点S 将选择H 作为下一跳向节点D 传输数据，建立新的传输路径3。

3.4 性能分析

从上述路由机制可以看出，Wave Relay 路由的性能表现在以下几个重点方面。

（1）开销控制。路由开销由Pulse 消息广播T1和预留分组响应T2时间占周期时间T的比例所决定。在大规模组网中，T1和T2时间不受节点数量、邻居关系、链路状态、节点入网退网、活跃传输数据流数量等变化的影响，网络运行中开销相对固定。与传统自组织按需距离矢量（Ad hoc On-demand Distance Vector，AODV）路由相比，Wave Relay 路由机制明显降低了开销[10]。

（2）业务传输路由等待时间。业务传输初始时需要首先建立路由。对于向脉冲源节点发送的业务流，传输无须等待路由建立；而对于向其他节点发送的业务流，脉冲源节点收到需要转发的分组后，最坏情况下需要等待在下一周期的Pulse 发送机会中对目的节点进行呼叫，因此需要等待的最长路由建立时间为T。

（3）动态拓扑下的收敛特性。受Pulse 消息以周期T进行广播洪泛的驱动，网络中各节点指向脉冲源节点的树形路由可以获得每周期T更新1 次的机会。正在进行数据传输的两个节点，通过每周期响应发送预留分组，节点之间路由路径同样也将获得每周期T更新一次的机会。因此，无论节点如何移动，或者是环境导致链路出现故障，当拓扑发生变化时，路由更新收敛的时间都将不超过T时间。路由协议工作以周期T持续不断地跟踪拓扑变化，并快速修正恢复路由。典型条件下设置T=1 s，则路由可以实现1 s 收敛。

4 Wave Relay 应用特点分析

Wave Relay 适用于大规模战术自组网通信应用，主要的应用特点分析如下：

（1）大规模组网应用支持和可扩展性。Wave Relay 采用了无层次化扁平组网结构，不需要对网络节点进行子网规划和子网间互联协调，无须维护网络特定的层次结构，具有较高的组网灵活性和可扩展性。其中，物理层利用MIMO 技术，保证大量用户组网通信可获得充足的传输带宽；链路层采用随机信道接入控制技术，不需要关联网络节点数量对信道资源、时帧结构等进行调度和规划，支持网络规模弹性可变；网络层采用的脉冲协议路由开销可控，拓扑变化响应较快，随网络用户规模增长带来的开销增加影响较小。

（2）复杂环境下节点移动组网应用支持。城市、山地等环境下，节点移动导致链路状态频繁变化。使用传统链路状态类路由或是按需类路由时，局部链路状态变化或活跃路径发生中断，都将导致路由向全网广播控制消息，对于战术网络节点动中通的适应能力较差。Wave Relay 路由机制不需要全网通告链路状态变化，节点移动不会导致路由开销的显著增加，并且选路时通过MTM 机制使得动中通网络环境下所选择的路径有更高的可靠性和健壮性。

（3）适应于军事应用通信特点。在通常的军事应用中，大多数业务数据传输与特定的指挥中枢节点存在关联，网络中大量的数据将向指挥控制节点或情报处理节点等进行回传[11]。针对这种“回传”通信模式的特点，Wave Relay 以主动机制生成并维护的树形结构优化路由能够为这些业务提供零等待的可用路由，且不需要增加明显的网络开销。不仅如此，利用优化的树形结构路由，还能为网络中广播和多播业务的传输提供高效分发支持，使数据沿着树结构路径进行全网广播扩散，减少洪泛式广播中不必要的转发动作，提高网络对于广播和多播业务的承载容量。

5 结语

战术无线自组织网络向大规模、扁平化、高动态、高带宽以及复杂环境高适应性发展是未来战术通信网络发展的重点。本文基于对Wave Relay 相关资料的收集和研究，对Wave Relay 组网技术进行了深入剖析，特别针对其采用的技术体制和路由关键技术进行了解析，并对其内在的技术机理和设计思路进行了推理分析。该研究对我军战术无线通信技术的发展具有很好的借鉴和指导意义。