無線IP網關設備技術方案研究

王煒發+劉學軍

【摘 要】通過對無線IP網關設備的功能和定位進行介紹，結合實際應用需求，提出了無線IP網關設備總體技術方案，并描述了各模塊的主要設計思路。同時，還提出了技術方案中需要研究的關鍵技術。

【關鍵詞】戰術互聯網 動態路由 協議轉換 分組話音

1 引言

目前，世界各軍事大國對現代化戰爭提出了新的戰術思想和戰爭策略，為滿足這些新的戰術需求，需要考慮建立一種可互操作、一體化、安全、靈活的指揮、控制、通信和計算機等基礎信息平臺。圍繞當前軍用戰術互聯網技術及軍事應用的迫切需求，針對無線網絡對多跳自組織、快速組網、機動組網、鏈路動態感知、無線網絡自適應配置、網絡動態部署與控制等需求，需突破無線自組網協議技術、無線分組話音傳輸技術、無線鏈路參數自動適配、無線子網融合技術、無線資源按需調配與接納控制等一系列關鍵技術，緊密結合IP動態路由、路由策略自適應控制等技術，設計基于IP網絡架構的無線網關設備，支持多種無線接入技術，實現無線自組網與有線網絡融合，構建強壯的戰術通信網絡，支持話音、數據和圖像等業務。

2 無線IP網關設備功能和定位

無線IP網關設備利用IP網關路由技術，將本地用戶局域網與區域內混合無線自組網，以及IP固定、移動廣域網連接成為一個整體的戰術互聯網，實現區域內的移動通信單兵、機動作戰武器單元、機動指揮所和廣域范圍的IP用戶（固定指揮所）緊密結合成一個整體的戰術機動作戰網絡。無線IP網關設備采用全IP網絡架構，話音和數據一體化設計，支持動態IP路由協議，能夠實現本地無線局域網與區域內無線自組網、（固定）廣域網絡的無縫IP連接。

在戰術機動作戰網絡內部，可同時通過多個無線IP網關設備與IP廣域網互聯。在編隊機動作戰過程中，只需保證其中某個無線IP網關設備接入IP廣域網，即可保障作戰網絡內的所有指揮作戰單元、移動用戶與固定IP廣域網的不間斷連接。當指揮陣地的轉移或某連接節點被摧毀時，會導致無線IP網關設備與IP廣域網中斷，此時移動作戰網絡內無線IP網關設備會選擇鄰近的網關設備與固定IP廣域網連接。如圖1所示，下方模擬某集團軍移動作戰網絡（Intranet），上方模擬IP廣域網（Internet）或者總部指揮網絡。無線IP網關設備與廣域網路由器（Route）連接，通過動態路由協議完成網絡互聯。

無線IP網關設備與互聯網路由器（Route）連接后，通過動態路由協議交互，可獲得上級指揮網絡的路由信息，并在移動作戰網絡內部各節點間進行路由重分布。因此，移動作戰網絡內部各節點設備可找到鄰近的網絡出口，從而獲取達到上級指揮網絡內部用戶的最優路徑。當某出口網關設備與外網路由器斷開（或無線IP網關設備失效）時，移動作戰網絡內部其他各節點會進行路由重新收斂，亦可重新獲得最佳網絡出口，從而實現移動作戰網內用戶與上級指揮網絡的無中斷連接。

3 無線IP網關設備總體設計

無線IP網關設備的協議體系可分為五層，從上至下分別是：應用層、服務層、網絡層、鏈路層、物理層。設備協議體系架構如圖2所示：

協議體系各層功能分工明確、清晰，具體如下：

（1）應用層：主要完成本地IP用戶接入，包括話音用戶、移動用戶和數據用戶等，需實現網關設備與用戶信息、身份、狀態交互；

（2）服務層：主要完成指揮調度協議、報文優先級控制、服務資源分配等功能，并為應用層提供了統一的服務接口；

（3）網絡層：主要實現自主動態路由協議、OSPF（Open Shortest Path First，開放式最短路徑優先）路由協議和標準IP接口適配等功能，同時為服務層提供了路由尋址功能，從而實現各種異構網絡的有機融合和互聯互通；

（4）鏈路層：主要包括無線CSMA（Carrier Sense Multiple Access，載波監聽多路訪問）組網、無線TDMA（Time Division Multiple Access，時分多址）組網、衛星鏈路控制以及各種傳輸設備的協議匹配等功能，完成無線IP網關設備對各種傳輸設備的綜合接入和組網控制功能，并為網絡層提供鏈路控制功能；

（5）物理層：主要實現無線IP網關設備與各種不同物理接口、不同傳輸特性的各種信道的物理連接，實現業務在不同物理媒介的傳輸。

無線IP網關設備主要由控制處理單元、IP交換平臺、信道處理單元和電源模塊四部分組成，其內部連接關系如圖3所示。無線IP網關設備使用通信處理器來運行路由協議，處理器只完成控制面的路由功能而不參與數據面的轉發，使得數據實現了線速轉發。

4 無線IP網關設備技術方案

隨著IP技術的迅速發展，眾多通信設備廠商將致力于全IP交換的產品開發，通過構建IP開放通信體系架構，可以很好地將核心網和無線網協同考慮，打造模塊化、接口統一化的全新一體化集成通信平臺。IP交換平臺為用戶提供交換功能，可以完成多端口的網絡層數據包轉換與轉發。同時，提供網絡層接入，向用戶提供高帶寬（1 000Mbps）的網絡接口。

4.1 控制處理單元技術方案

控制處理單元是無線IP網關設備的核心處理單元，也是IP業務QoS（Quality of Service，服務質量）保證的核心。其主要由處理器模塊、FPGA模塊、低速聲碼話音模塊、顯示和鍵盤模塊四部分組成。控制處理單元主要完成設備初始化、人機交互界面、設備工作參數輸入和配置、信道參數管理、路由協議、分組協議處理、數據/話音用戶接入和管理等功能，并通過PCI（外部器件互連）總線實現對交換平臺的訪問和控制。控制處理單元設計框圖如圖4所示：

無線IP網關設備控制處理單元采用MPC8548處理器模塊、PowerQUICC III e500內核，主頻高達1.5GHz，集成了PowerPC核和新一代的PowerQUICC通信處理器模塊，具有強大的網絡性能和運算處理能力。其主要性能指標如下：endprint

◆CPU：1 333MHz MPC8548（E）

◆外部總線：33MHz/32bit CPCI總線

◆內存：512MB DDR2

◆存儲：64MB NOR FLASH

◆接口：千兆以太網、RS-232串口、USB

◆1xLocal Bus接口，8位數據16位地址

◆1個I2C接口，2個GPIO接口

◆XMC接口，支持x4 PCI Express +4x serial RapidIO

◆功耗：13.5W@5V

◆工作溫度：-10℃～+50℃

◆存儲溫度：-50℃～+85℃

4.2 信道處理單元技術方案

信道處理單元主要由處理器模塊、DSP、FPGA、調制解調、K接口電路、E1接口電路和RS232接口電路組成。其主要完成信道接入和組網控制功能，包括無線CSMA組網、無線TDMA組網、衛星鏈路控制以及各種傳輸設備接口協議的匹配等功能，為網關設備提供統一的鏈路承載；同時，具備信道的鏈路狀況檢測和監測功能。信道處理單元原理框圖如圖5所示。

在物理接口方面，信道處理單元提供標準E1接口，其物理特性和電特性符合G.703標準，幀結構符合G.704標準。E1接口可通過配置，支持多種時隙分配策略，分別適用于連接不同傳輸設備，滿足話音業務交換和數據業務交換要求。其典型時隙分配方案如圖6所示。

信道處理單元提供K接口，可同時提供64k PCM話音業務接入和HDLC數據業務接入。

信道處理單元提供多路RS232串口，接口速率可配置，可接入衛星、短波、超短波電臺等信道傳輸設備。

通過信道處理單元的基帶匹配電路，可完成傳統超短波電臺基帶信號的輸入、輸出。基帶信號經調制解調后，轉換為TTL同步串行數據流，通過FPGA完成串行數據流的同步及數據提取。DSP處理器則主要完成信道編解碼和MAC層的組網控制。

4.3 結構技術方案

無線IP網關設備機箱由前面板、后面板和主體機箱三部分組成。前面板和后面板采用專業接插件與主體機箱連接，從而實現了網關設備內部單元板與外面板的有機連接。無線IP網關設備采用標準19英寸機柜安裝，前面板主要包括顯示屏、鍵盤、指示燈、電源接口、電源開關和把手等；后面板主要包括各種用戶接口、調試接口和信道接口等。

4.4 軟件技術方案

無線IP網關設備的軟件主要分為兩類：一類是嵌入式軟件，主要實現協議轉換、動態路由、指揮調度、服務、網絡管理、人機界面等功能，需實現的功能相對復雜，涉及協議比較全面，其運行平臺為嵌入式處理器MPC8548，采用主流嵌入式操作系統VxWorks6.8，涉及編程語音C/C++；另一類是各種信道接口處理軟件，主要實現編解碼、數據同步、數據采集、時序等，運行平臺為FPGA和DSP等。

無線IP網關設備嵌入式軟件采用風河公司VxWorks6.8操作系統，其具備增強系統性能、占用更小的空間和更高的硬件平臺靈活性的優勢；同時，提供多種靈活的多核架構供設計師選擇，以便客戶根據需求選用最適合的解決方案。此外，VxWorks6.8還提供了改進的操作系統原語（OS primitive）、USB支持和文件系統性能等，可以更加有效地幫助設計師提高產品軟件質量、改善產品軟件兼容性、提升產品軟件性能。對應的交叉編譯和調試環境為Wind River Workbench，其特點和優勢主要體現在以下方面：

（1）以開放的Eclipse平臺為框架；

（2）單一的全功能平臺，涉及到產品的整個開發周期；

（3）廣泛的適用性，特別適合復雜的目標系統；

（4）豐富易用的調試手段。

4.5 人機交互界面設計

無線IP網關設備的人機交互界面運行于控制處理單元，主要基于VxWorks6.8系統進行設計，為操作員提供直觀、簡易、清晰的人機交互接口，通過界面提供設備運行狀態監控、工作參數配置、軟件版本查詢、設備模式切換、信道工作狀態監控等功能。界面主要包含菜單欄、實時監控窗口和狀態欄三部分。如圖7所示。

5 結束語

本文通過研究無線IP網關設備在軍事戰術通信網絡中的定位和作用，詳細闡述了網關設備的總體設計、整機設計、單元技術方案、結構技術方案和軟件技術方案，可用于指導設備設計實施方案編寫和工程設計。

參考文獻：

[1] 謝希仁. 計算機網絡[M]. 北京： 電子工業出版社， 2003.

[2] 盧昊. 無線移動自組織網的路由技術研究[D]. 成都： 電子科技大學， 2004.

[3] 米志超，鄭少仁. 無線戰術互聯網控制器通信協議的設計與實現[J]. 解放軍理工大學學報： 自然科學版， 2000（6）： 24-29.

[4] 康宇峰. 從Tornado到Workbench——風河公司的新一代嵌入式軟件集成開發環境[J]. 單片機與嵌入式系統應用， 2005（8）： 80-83.

[5] Wind River VxWorks6.8-Loopback[EB/OL]. （2013-06-16）. http：//blog.csdn.net.

[6] 朱建明. 基于網絡處理器的IPv6路由器設計與實現[D]. 蘭州： 蘭州大學， 2007.★endprint

◆CPU：1 333MHz MPC8548（E）

◆外部總線：33MHz/32bit CPCI總線

◆內存：512MB DDR2

◆存儲：64MB NOR FLASH

◆接口：千兆以太網、RS-232串口、USB

◆1xLocal Bus接口，8位數據16位地址

◆1個I2C接口，2個GPIO接口

◆XMC接口，支持x4 PCI Express +4x serial RapidIO

◆功耗：13.5W@5V

◆工作溫度：-10℃～+50℃

◆存儲溫度：-50℃～+85℃

4.2 信道處理單元技術方案

信道處理單元主要由處理器模塊、DSP、FPGA、調制解調、K接口電路、E1接口電路和RS232接口電路組成。其主要完成信道接入和組網控制功能，包括無線CSMA組網、無線TDMA組網、衛星鏈路控制以及各種傳輸設備接口協議的匹配等功能，為網關設備提供統一的鏈路承載；同時，具備信道的鏈路狀況檢測和監測功能。信道處理單元原理框圖如圖5所示。

在物理接口方面，信道處理單元提供標準E1接口，其物理特性和電特性符合G.703標準，幀結構符合G.704標準。E1接口可通過配置，支持多種時隙分配策略，分別適用于連接不同傳輸設備，滿足話音業務交換和數據業務交換要求。其典型時隙分配方案如圖6所示。

信道處理單元提供K接口，可同時提供64k PCM話音業務接入和HDLC數據業務接入。

信道處理單元提供多路RS232串口，接口速率可配置，可接入衛星、短波、超短波電臺等信道傳輸設備。

通過信道處理單元的基帶匹配電路，可完成傳統超短波電臺基帶信號的輸入、輸出。基帶信號經調制解調后，轉換為TTL同步串行數據流，通過FPGA完成串行數據流的同步及數據提取。DSP處理器則主要完成信道編解碼和MAC層的組網控制。

4.3 結構技術方案

無線IP網關設備機箱由前面板、后面板和主體機箱三部分組成。前面板和后面板采用專業接插件與主體機箱連接，從而實現了網關設備內部單元板與外面板的有機連接。無線IP網關設備采用標準19英寸機柜安裝，前面板主要包括顯示屏、鍵盤、指示燈、電源接口、電源開關和把手等；后面板主要包括各種用戶接口、調試接口和信道接口等。

4.4 軟件技術方案

無線IP網關設備的軟件主要分為兩類：一類是嵌入式軟件，主要實現協議轉換、動態路由、指揮調度、服務、網絡管理、人機界面等功能，需實現的功能相對復雜，涉及協議比較全面，其運行平臺為嵌入式處理器MPC8548，采用主流嵌入式操作系統VxWorks6.8，涉及編程語音C/C++；另一類是各種信道接口處理軟件，主要實現編解碼、數據同步、數據采集、時序等，運行平臺為FPGA和DSP等。

無線IP網關設備嵌入式軟件采用風河公司VxWorks6.8操作系統，其具備增強系統性能、占用更小的空間和更高的硬件平臺靈活性的優勢；同時，提供多種靈活的多核架構供設計師選擇，以便客戶根據需求選用最適合的解決方案。此外，VxWorks6.8還提供了改進的操作系統原語（OS primitive）、USB支持和文件系統性能等，可以更加有效地幫助設計師提高產品軟件質量、改善產品軟件兼容性、提升產品軟件性能。對應的交叉編譯和調試環境為Wind River Workbench，其特點和優勢主要體現在以下方面：

（1）以開放的Eclipse平臺為框架；

（2）單一的全功能平臺，涉及到產品的整個開發周期；

（3）廣泛的適用性，特別適合復雜的目標系統；

（4）豐富易用的調試手段。

4.5 人機交互界面設計

無線IP網關設備的人機交互界面運行于控制處理單元，主要基于VxWorks6.8系統進行設計，為操作員提供直觀、簡易、清晰的人機交互接口，通過界面提供設備運行狀態監控、工作參數配置、軟件版本查詢、設備模式切換、信道工作狀態監控等功能。界面主要包含菜單欄、實時監控窗口和狀態欄三部分。如圖7所示。

5 結束語

本文通過研究無線IP網關設備在軍事戰術通信網絡中的定位和作用，詳細闡述了網關設備的總體設計、整機設計、單元技術方案、結構技術方案和軟件技術方案，可用于指導設備設計實施方案編寫和工程設計。

參考文獻：

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[2] 盧昊. 無線移動自組織網的路由技術研究[D]. 成都： 電子科技大學， 2004.

[3] 米志超，鄭少仁. 無線戰術互聯網控制器通信協議的設計與實現[J]. 解放軍理工大學學報： 自然科學版， 2000（6）： 24-29.

[4] 康宇峰. 從Tornado到Workbench——風河公司的新一代嵌入式軟件集成開發環境[J]. 單片機與嵌入式系統應用， 2005（8）： 80-83.

[5] Wind River VxWorks6.8-Loopback[EB/OL]. （2013-06-16）. http：//blog.csdn.net.

[6] 朱建明. 基于網絡處理器的IPv6路由器設計與實現[D]. 蘭州： 蘭州大學， 2007.★endprint

◆CPU：1 333MHz MPC8548（E）

◆外部總線：33MHz/32bit CPCI總線

◆內存：512MB DDR2

◆存儲：64MB NOR FLASH

◆接口：千兆以太網、RS-232串口、USB

◆1xLocal Bus接口，8位數據16位地址

◆1個I2C接口，2個GPIO接口

◆XMC接口，支持x4 PCI Express +4x serial RapidIO

◆功耗：13.5W@5V

◆工作溫度：-10℃～+50℃

◆存儲溫度：-50℃～+85℃

4.2 信道處理單元技術方案

信道處理單元主要由處理器模塊、DSP、FPGA、調制解調、K接口電路、E1接口電路和RS232接口電路組成。其主要完成信道接入和組網控制功能，包括無線CSMA組網、無線TDMA組網、衛星鏈路控制以及各種傳輸設備接口協議的匹配等功能，為網關設備提供統一的鏈路承載；同時，具備信道的鏈路狀況檢測和監測功能。信道處理單元原理框圖如圖5所示。

在物理接口方面，信道處理單元提供標準E1接口，其物理特性和電特性符合G.703標準，幀結構符合G.704標準。E1接口可通過配置，支持多種時隙分配策略，分別適用于連接不同傳輸設備，滿足話音業務交換和數據業務交換要求。其典型時隙分配方案如圖6所示。

信道處理單元提供K接口，可同時提供64k PCM話音業務接入和HDLC數據業務接入。

信道處理單元提供多路RS232串口，接口速率可配置，可接入衛星、短波、超短波電臺等信道傳輸設備。

通過信道處理單元的基帶匹配電路，可完成傳統超短波電臺基帶信號的輸入、輸出。基帶信號經調制解調后，轉換為TTL同步串行數據流，通過FPGA完成串行數據流的同步及數據提取。DSP處理器則主要完成信道編解碼和MAC層的組網控制。

4.3 結構技術方案

無線IP網關設備機箱由前面板、后面板和主體機箱三部分組成。前面板和后面板采用專業接插件與主體機箱連接，從而實現了網關設備內部單元板與外面板的有機連接。無線IP網關設備采用標準19英寸機柜安裝，前面板主要包括顯示屏、鍵盤、指示燈、電源接口、電源開關和把手等；后面板主要包括各種用戶接口、調試接口和信道接口等。

4.4 軟件技術方案

無線IP網關設備的軟件主要分為兩類：一類是嵌入式軟件，主要實現協議轉換、動態路由、指揮調度、服務、網絡管理、人機界面等功能，需實現的功能相對復雜，涉及協議比較全面，其運行平臺為嵌入式處理器MPC8548，采用主流嵌入式操作系統VxWorks6.8，涉及編程語音C/C++；另一類是各種信道接口處理軟件，主要實現編解碼、數據同步、數據采集、時序等，運行平臺為FPGA和DSP等。

無線IP網關設備嵌入式軟件采用風河公司VxWorks6.8操作系統，其具備增強系統性能、占用更小的空間和更高的硬件平臺靈活性的優勢；同時，提供多種靈活的多核架構供設計師選擇，以便客戶根據需求選用最適合的解決方案。此外，VxWorks6.8還提供了改進的操作系統原語（OS primitive）、USB支持和文件系統性能等，可以更加有效地幫助設計師提高產品軟件質量、改善產品軟件兼容性、提升產品軟件性能。對應的交叉編譯和調試環境為Wind River Workbench，其特點和優勢主要體現在以下方面：

（1）以開放的Eclipse平臺為框架；

（2）單一的全功能平臺，涉及到產品的整個開發周期；

（3）廣泛的適用性，特別適合復雜的目標系統；

（4）豐富易用的調試手段。

4.5 人機交互界面設計

無線IP網關設備的人機交互界面運行于控制處理單元，主要基于VxWorks6.8系統進行設計，為操作員提供直觀、簡易、清晰的人機交互接口，通過界面提供設備運行狀態監控、工作參數配置、軟件版本查詢、設備模式切換、信道工作狀態監控等功能。界面主要包含菜單欄、實時監控窗口和狀態欄三部分。如圖7所示。

5 結束語

本文通過研究無線IP網關設備在軍事戰術通信網絡中的定位和作用，詳細闡述了網關設備的總體設計、整機設計、單元技術方案、結構技術方案和軟件技術方案，可用于指導設備設計實施方案編寫和工程設計。

參考文獻：

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[2] 盧昊. 無線移動自組織網的路由技術研究[D]. 成都： 電子科技大學， 2004.

[3] 米志超，鄭少仁. 無線戰術互聯網控制器通信協議的設計與實現[J]. 解放軍理工大學學報： 自然科學版， 2000（6）： 24-29.

[4] 康宇峰. 從Tornado到Workbench——風河公司的新一代嵌入式軟件集成開發環境[J]. 單片機與嵌入式系統應用， 2005（8）： 80-83.

[5] Wind River VxWorks6.8-Loopback[EB/OL]. （2013-06-16）. http：//blog.csdn.net.

[6] 朱建明. 基于網絡處理器的IPv6路由器設計與實現[D]. 蘭州： 蘭州大學， 2007.★endprint