智能自组网系统关键技术

林 威

（深圳市烽云技术有限公司，广东 深圳 518055）

0 引 言

无线自组网是一种分布式网状网络，与点对点和点对多点网络不同，其由具有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1个专用网络的场景，如应急通信、消防救援、海上船队通信、车队通信、无人区通信、地下通信以及活动安保等[1]。

1 发展趋势

（1）使用简单。智能化设计，在各种应用场景下不断学习演进，通过软件无线电升级实现智能化设计，设备使用简单。

（2）宽窄融合。宽窄联合设计，窄带语音保底。在保证窄带话音可靠传输的基础上，提供视频和数据宽带传输服务。窄带话音单跳覆盖能力较强，通过多跳中继扩大覆盖范围。设备最优实现方式不再是宽带自组网板卡和窄带自组网板卡融合，而是宽窄带自组网协议统一设计，在一个处理器内实现。

（3）小型化。目前，主流厂家的产品是基于现场可编程门阵列（Field Programmable Gate Array，FPGA）和集成收发器架构，存在体积大和功耗高的问题，需要通过合理设计实现小型化和低功耗。

（4）性能增强。采用多波束天线阵列可以提高系统增益，从而提升系统的业务带宽和通信距离。与此同时，波束较窄可以提高系统的空间抗干扰能力。

2 智能自组网系统关键技术

2.1 自适应编码调制技术

自适应编码调制技术是根据无线链路信道质量自动选择合适的调制方式和编码方式，在保证信号正常接收的前提下，尽可能有效利用带宽，提高频谱利用率[2]。综合物理层的接收信噪比和媒体介入控制（Media Access Control，MAC）层的丢包率进行跨层设计，在MAC层进行调制资源调度，实现自适应编码调制。

编码调制方式的选择跟特定的信道条件也有关，例如在高斯白噪声信道中，在相同速率下使用较低阶调制方式配合较高码率的编码方式，但在频率选择性信道或频域有干扰时则相反。在设计编码调制组合时，需要匹配设备主要应用场景。与此同时，自适应编码调制也要考虑时效性问题，特别是网络规模较大时，控制信道周期较长，需要研究有突发输出传输需求时自适应编码调制的快速收敛性能。

2.2 智能选频技术

常规自组网系统一般工作在定频模式或被动式跳频模式，需要人工根据全网各个节点对本地无线电磁环境扫描的结果选择一个或多个全网共同且干扰较小的频点或频率集进行组网通信。这种方式对操作人员技术要求高，而且网络开通效率较低，可能需要操作人员到每个距离较远的站点进行本地设置设备参数。

智能选频技术是控制信道根据全网各节点对本地无线电磁环境扫描的结果自动选出干扰较小的工作频率集，实现高速跳频通信。数据信道根据每条链路的情况，选择适用于每条链路的最优频点进行通信，从而实现设备开机自动组网，提高设备在复杂电磁环境下的适应性，降低对操作人员的技术要求。

2.3 智能跳频技术

智能跳频技术即主动式跳频，根据全网各节点对本地无线电磁环境扫描的结果自动选出干扰较小的工作频率集进行高速跳频通信。工作频率集定期更新，不再干扰的频点恢复到工作频率集中，受干扰的频点从工作频率集中剔除[3]。

在自组网系统中，难点在于全网各个节点同步更新。自组网协议通过定时器实现全网同步更新工作频率集，但在更新工作频率集前可能存在误码或丢包，需要结合混合自动重传等其他技术一起使用。

2.4 子载波动态扣除技术

对于采用正交频分复用（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM）技术的宽带系统，如果某些子载波上有窄带干扰，子载波动态扣除技术将这些子载波扣除，在其余未受干扰的子载波上进行通信。如果遇到整个载波带宽受到干扰，不能进行子载波扣除，只能硬抗，则可能无法正常通信。将子载波动态扣除技术用于定频OFDM系统，全网各节点定期同步更新子载波集[4]。自组网协议通过定时器实现全网同步更新子载波集，但在更新工作频率集前可能存在误码或丢包，需要结合混合自动重传等其他技术一起使用。

2.5 载波带宽自适应技术

自组网设备一般基于FPGA和集成收发器实现。受限于板卡体积和功耗，FPGA逻辑资源不同，有些板卡支持载波带宽少，有些支持载波带宽多，这2种设备同时工作时需要自适应组网和互通业务数据。载波带宽自适应技术能够自动识别每个设备与邻近节点设备之间的最大可用载波带宽，确保每条链路工作在最大载波带宽上，实现链路级最大业务速率[5]。

2.6 网络规模自适应技术

自组网系统无中心，在设计上需要保证最大终端接入，但在实际使用中网络规模是不确定且动态变化的。目前，基于信道接入的传输策略主要有随机接入、受控接入以及混合接入。一般采用基于时隙的时分接入方式，包括固定时隙接入和动态时隙接入2种方式。时隙为物理层最小单位，由时隙组成帧，在1个时隙内完成收发[6]。根据节点时隙分配表的产生过程与拓扑结构的依赖关系，可以分为拓扑透明算法、拓扑非透明算法以及拓扑半透明协议。

网络规模自适应技术是网络规模变化时，通过动态调整固定接入时隙分配周期和动态接入时隙所占比例，最大程度上动态适应网络规模变化和复杂场景应用，实现弹性最优。

2.7 功率控制自适应技术

功率控制自适应技术是宽带自组网设备的发射端根据通信传输需求实时动态调整其发射功率，确保信号以较合适的功率到达接收端。功率控制分为全网级功率控制和链路级功率控制，全网功率控制指节点对其相邻节点都是按照相同功率发射，而链路级功率控制指节点对相邻节点按照每个节点的接收功率情况以不同功率发射。链路级功率控制性能最优，但调度最复杂。

在采用子载波动态扣除技术的宽带自组网设备中，将工作频段划分为若干个子带，分别评估各个子带的受干扰情况，与子带的平均信噪比参数一起作为频域功率分配策略的输入参数进行优化[7]。在能量受限的终端类宽带自组网设备中，还需要考虑节点间带宽、跳数等因素，选择其他路由，以最大限度保证宽带组网系统的可用性。

2.8 通信距离自适应技术

传统自组网系统都是按最大通信距离设置好最大通信距离，此方法简单，但在实际使用中节点间的实际最大通信距离可能远小于设置的最大通信距离。通信距离自适应技术则是根据在网各个节点之间的距离动态调节数据信道帧结构的空中传播保护时间，提高业务数据占发射时隙的比例，从而扩展用户可用的业务带宽。

2.9 混合自动重传技术

单独使用自动重传请求效果较差，特别是无线信道质量较差时误码率或丢包率较高，通过多次重传可能也不成功。混合自动重传技术是将自动重传请求和前向纠错编码混合使用，通过前向纠错编码降低单次传输的误码率来减少重传次数，通过自动重传请求消除跨包间的误码来保证传输可靠性[8]。目前，混合自动重传技术的实现方式有负载及优先级自适应的混合自动重传技术、业务类型自适应的混合自动重传技术以及基于多跳网络的协作自动重传技术等。

2.10 路由自适应技术

路由协议需要根据网络拓扑变化速度自适应调整网络拓扑信息的发送周期和相应信息量，并利用各条可用的传输路径实现路由自适应切换和快速收敛，从而保证业务实时可靠传输。对于其中路由选择，判据为复合链路质量等级，包括跳数、丢包率、带宽以及时延等因素[9]。

2.11 静默自适应技术

静默自适应技术包括主动静默和被动静默2种方式，其中被动静默是节点接到指挥节点的静默指令后进入静默状态（即只收不发），接到指挥节点工作指令后退出静默状态并进入工作状态。在军用通信应用场景下，静默自适应是非常必要的[10]。

3 结 论

智能自组网是无线自组网的重要发展方向，通过对智能自组网的关键技术进行探讨，包括自适应编码调制、智能选频、智能跳频、子载波动态扣除、载波带宽自适应、网络规模自适应、功率控制自适应、通信距离自适应、混合自动重传、路由自适应以及静默自适应等，对于促进自组网领域的发展具有重要意义。