自適應(yīng)的寬帶戰(zhàn)術(shù)網(wǎng)絡(luò)波形技術(shù)研究*

宋 滔，周 冰，叢 鍵

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第30研究所，四川 成都 610041)

0 引言

隨著世界各國(guó)的軍事通信系統(tǒng)的建設(shè)和發(fā)展，對(duì)信息種類的需求不再局限于語(yǔ)音、文本。大量的反應(yīng)戰(zhàn)場(chǎng)實(shí)際情況的圖片信息、實(shí)時(shí)的視頻信息、地圖及導(dǎo)航信息為指揮作戰(zhàn)提供必不可少的支撐。另外主干網(wǎng)的傳輸要求大的數(shù)據(jù)傳輸速率、用戶容量、聯(lián)網(wǎng)功能強(qiáng)、保密性好、能提供分組數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)等儲(chǔ)多需求，新型的寬帶網(wǎng)絡(luò)電臺(tái)成為發(fā)展的必然。而寬帶網(wǎng)絡(luò)波形［1］技術(shù)作為寬帶互聯(lián)業(yè)務(wù)承載實(shí)現(xiàn)的載體，是基于主干網(wǎng)的寬帶電臺(tái)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)之一。

美軍方DAPRA早在2006年就對(duì)基于骨干網(wǎng)應(yīng)用的自適應(yīng)的寬帶戰(zhàn)術(shù)電臺(tái)系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。成功演示了通過(guò)陸地骨干網(wǎng)和空中骨干網(wǎng)之間的切換來(lái)實(shí)現(xiàn)互連互通的能力。該系統(tǒng)既提供了高數(shù)據(jù)速率，也可以自適應(yīng)的調(diào)整網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浼安ㄐ嗡俾蕘?lái)確保較大范圍的通信［2］。

1 寬帶網(wǎng)絡(luò)波形技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

寬帶網(wǎng)絡(luò)波形在美軍中的地位日趨重要。其在DAPRA基于骨干網(wǎng)的寬帶戰(zhàn)術(shù)電臺(tái)系統(tǒng)中的應(yīng)用就是一個(gè)很好的例子。寬帶網(wǎng)絡(luò)波形能夠?qū)W(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)提供框架支撐。提供不同種類網(wǎng)絡(luò)電臺(tái)的無(wú)縫連接，提供實(shí)時(shí)的戰(zhàn)術(shù)語(yǔ)音，視頻以及態(tài)勢(shì)感知信息以及部隊(duì)指令及戰(zhàn)術(shù)任務(wù)安排等信息的安全傳輸。每個(gè)網(wǎng)絡(luò)中心結(jié)點(diǎn)可以作為陸地戰(zhàn)術(shù)骨干網(wǎng)的車載、空中中繼節(jié)點(diǎn)。通過(guò)中繼節(jié)點(diǎn)可以確保視距范圍及超視距范圍的通信。

圖1 美軍電臺(tái)骨干網(wǎng)系統(tǒng)的應(yīng)用框Fig.1 Application diagram of American Military Radio backbone network system

圖1是電臺(tái)骨干網(wǎng)系統(tǒng)的應(yīng)用。其網(wǎng)絡(luò)中心節(jié)點(diǎn)波形采用基于OFDM的波形體制，地對(duì)空鏈路通信距離超過(guò)62 km。采用了14個(gè)中心電臺(tái)網(wǎng)絡(luò)節(jié)并且分布在100 km×100 km范圍內(nèi)。

通過(guò)對(duì)美軍電臺(tái)骨干網(wǎng)系統(tǒng)的調(diào)研，寬帶網(wǎng)絡(luò)的波形［3－4］的發(fā)展趨勢(shì)總結(jié)如下:

1)高帶寬、高速率、高吞吐量。

2)波形具備自適應(yīng)的能力。自適應(yīng)能力包括波形速率自適應(yīng)能力及網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)能力。既能夠根據(jù)地形地勢(shì)的改變，自適應(yīng)的調(diào)整波形速率以確保端到端的最大通信距離。

3)提升波形的抗干擾能力。

4)提升波形的動(dòng)中通能力。

2 寬帶網(wǎng)絡(luò)波形物理層技術(shù)

2.1 波形實(shí)現(xiàn)平臺(tái)

波形實(shí)現(xiàn)平臺(tái)采用紅黑隔離設(shè)計(jì)(見(jiàn)圖2)。黑邊FPGA實(shí)現(xiàn)數(shù)字上下變頻以及基于OFDM的調(diào)制解調(diào)。黑邊DSP實(shí)現(xiàn)MAC(媒體接入控制)層和數(shù)據(jù)鏈路層(LLC)。MANET在紅邊GPP上實(shí)現(xiàn)。在紅邊和黑邊之間保留加密卡的位置。用戶數(shù)據(jù)以及數(shù)據(jù)收集引擎通過(guò)以太網(wǎng)集線器接入紅邊。

每個(gè)節(jié)點(diǎn)根據(jù)GPS進(jìn)行全網(wǎng)同步。當(dāng)GPS不起作用時(shí)，采用電臺(tái)晶振時(shí)鐘，并通過(guò)自同步法進(jìn)行同步。

圖2 波形實(shí)現(xiàn)平臺(tái)框Fig.2 Waveform realization platform diagram

2.2 速率自適應(yīng)的寬帶波形建模及仿真

系統(tǒng)具有自適應(yīng)的調(diào)節(jié)速率的能力，在所有的鄰居節(jié)點(diǎn)之間維系最高的數(shù)據(jù)速率，ADR(自適應(yīng)速率調(diào)整模塊)通過(guò)實(shí)時(shí)的調(diào)整節(jié)點(diǎn)到節(jié)點(diǎn)間的速率來(lái)達(dá)到最大的吞吐量以及最大的通信范圍。自適速率調(diào)整算法利用接收節(jié)點(diǎn)的接收端信噪比以及鏈路包質(zhì)量的閉環(huán)控制方式，從而選擇不同的波形號(hào)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)波形速率的調(diào)整。其中QPSK、16QAM映射用來(lái)傳業(yè)務(wù)，walsh擴(kuò)頻用來(lái)傳信令以及鄰居協(xié)議［5］。其波形定義如表1和表2所示(以10 MHz帶寬為例)。

表1 波形參數(shù)Table 1 Waveform parameter table

表2 仿真波形的具體參數(shù)Table 2 Waveform simulation parameter

仿真驗(yàn)證采用SUI信道型及ITU信道模型，下面給出其中3種信道模型的具體參數(shù)以及仿真信道模型參數(shù)如表3、表4、表5所列，圖3給出在信道模型下的性能仿真。可見(jiàn)，信道時(shí)延比較小的情況下，性能與白噪聲性能相當(dāng)。但是當(dāng)時(shí)延比較大的情況下，性能略有惡化(SUI5信道下性能比SUI1信道下性能稍差)。

表3 信道模型參數(shù)Table 3 Channel parameter table

SUI1模型代表樹(shù)木稀疏的平坦開(kāi)闊地。

SUI5模型代表樹(shù)木茂密的山地。

ITU4為步行信道模型。

圖3 10MHz帶寬波形在信道模型下的性能Fig.3 10MHz performance simulation results

2.3 峰均比抑制技術(shù)

OFDM技術(shù)體制最突出的問(wèn)題就是峰均比高，功放利用率低。解決此問(wèn)題最常用的方法是削波與濾波技術(shù)(ICF)。但是ICF技術(shù)需要多次迭代才能達(dá)到要求的峰均比門限值。對(duì)于ICF中的濾波處理，本文采用在一定的EVM的限制條件下最小化當(dāng)前符號(hào)的PAPR的方法來(lái)替代濾波處理，該算法將代替經(jīng)典ICF技術(shù)中的矩形窗濾波器。PAR最小化模型可以由凸優(yōu)化中的二階錐問(wèn)題(SOCP，Second－Order Cone Program)進(jìn)行表示:

接下來(lái)基于對(duì)QPSK的總體性能進(jìn)行仿真，圖4給出了原始 OFDM信號(hào)，采用 ICF方法(分別為1次、8次、16次迭代)，IPM和ICF－IPM方法(1～3次迭代)進(jìn)行峰均比抑制處理后的信號(hào)的CCDF曲線圖如圖4所示。

圖4 OFDM系統(tǒng)PAPR的CCDF曲線Fig.4 PAPR CCDF curve of OFDM system

由圖4可以看出，3種方法均能較大幅度的降低PAPR。但是在概率為10－3處，當(dāng) PAPR降低到4.0 dB時(shí)，ICF需要進(jìn)行16次迭代，IPM需要3次迭代，而ICF－IPM只需要1次限幅和2次IPM迭代。因而，ICF－IPM算法在降低OFDM信號(hào)峰均比上有較好的性能。

原始OFDM信號(hào)采用3種方法進(jìn)行峰均比抑制后在高斯白噪聲信道下的誤碼性能如圖5所示。

圖5 PAPR抑制算法對(duì)誤碼性能的影響Fig.5 Effect of PAPR arithmetic on BER performance

采用ICF(16次迭代)，IPM(3次迭代)，RCFIPM(1次限幅，3次迭代)3種方法進(jìn)行峰均比處理后的OFDM信號(hào)的RMS－EVM分別為－7.89 dB，－8.00 dB，－8.23 dB。這也反映了采用ICF－IPM方法限幅的OFDM信號(hào)失真較小。

3 MAC(媒體接入控制層)協(xié)議

寬帶網(wǎng)絡(luò)波形采用統(tǒng)一時(shí)隙分配協(xié)議USAP，它是寬帶數(shù)據(jù)(網(wǎng)絡(luò))電臺(tái)針對(duì)Ad－Hoc網(wǎng)絡(luò)，屬于MAC層的動(dòng)態(tài)自組網(wǎng)的分布式TDMA時(shí)隙和信道分配協(xié)議。

USAP將時(shí)隙分配機(jī)制和高層協(xié)議區(qū)分開(kāi)來(lái)，并且設(shè)計(jì)了一種通過(guò)選擇時(shí)隙和協(xié)調(diào)不同層之間的交互作用的通用協(xié)議，適用于不同高層在鄰居間選擇時(shí)隙，由于USAP的這種性能可以通過(guò)不同高層協(xié)議聯(lián)系起來(lái)，因此稱為是統(tǒng)一的。每個(gè)節(jié)點(diǎn)都有一定的通信距離，處于其范圍之內(nèi)的節(jié)點(diǎn)被稱為鄰居節(jié)點(diǎn)。USAP時(shí)隙分配的關(guān)鍵在于鄰節(jié)點(diǎn)控制信息的交互和更新，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都可以通過(guò)本地時(shí)隙分配信息表知道本節(jié)點(diǎn)所在鄰域內(nèi)的時(shí)隙分配情況。

圖6 統(tǒng)一時(shí)隙分配協(xié)議幀結(jié)構(gòu)Fig.6 USAP frame structure

USAP幀結(jié)構(gòu)由N幀組成一個(gè)幀循環(huán)，每幀劃分為M個(gè)時(shí)隙。這里N和M都是固定值。每幀的第一個(gè)時(shí)隙分配給一個(gè)固定的節(jié)點(diǎn)用于發(fā)送控制分組。通過(guò)節(jié)點(diǎn)之間控制分組的交互，每個(gè)節(jié)點(diǎn)接收到一個(gè)新的控制分組包時(shí)都會(huì)對(duì)本地的時(shí)隙分配信息進(jìn)行更新，并在下一個(gè)幀循環(huán)中對(duì)應(yīng)的控制時(shí)隙發(fā)送更新后的控制分組包，這樣將本地時(shí)隙分配信息發(fā)送至兩跳范圍內(nèi)鄰節(jié)點(diǎn)，而本節(jié)點(diǎn)也知道兩跳范圍內(nèi)鄰節(jié)點(diǎn)的時(shí)隙占用情況，所以一個(gè)幀循環(huán)內(nèi)每個(gè)節(jié)點(diǎn)都知道一幀中沒(méi)有分配的時(shí)隙和可以分配給自己的時(shí)隙。

至于寬帶網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)電臺(tái)，十分需要一種匹配的MAC層數(shù)據(jù)鏈路機(jī)制，在USAP的基礎(chǔ)上，MDL(移動(dòng)數(shù)據(jù)鏈路)被提出來(lái)以應(yīng)對(duì)有限的信道資源、挑戰(zhàn)性的吞吐量和數(shù)據(jù)延遲要求以及變化的鏈路環(huán)境［6］。

MDL層調(diào)整物理層的傳輸模式和功率，以便在變化的鏈路條件下提供健壯的通信，這些參數(shù)需要根據(jù)鏈路條件的變化進(jìn)行調(diào)整，以響應(yīng)物理層提供的信噪比，誤碼率在內(nèi)的度量指標(biāo)的變化，信噪比和誤碼率采用開(kāi)環(huán)與閉環(huán)調(diào)合過(guò)程進(jìn)行濾波與歸一化處理。經(jīng)過(guò)濾波與調(diào)合的SNR和SER驅(qū)動(dòng)一個(gè)狀態(tài)機(jī)來(lái)控制狀態(tài)的轉(zhuǎn)移。以達(dá)到鏈路自適應(yīng)的目的。

4 具備自適應(yīng)能力的網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議

為了改進(jìn)路由發(fā)現(xiàn)和維護(hù)的響應(yīng)時(shí)間，OLSR協(xié)議部署在邏輯鏈路層。為了更好的滿足網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)的需求，需要對(duì)RFC362OLSR協(xié)議進(jìn)行修改。

與自適應(yīng)相關(guān)的OLSR的路由判決規(guī)則如下:

(1)發(fā)送門限

檢測(cè)發(fā)送數(shù)據(jù)隊(duì)列中數(shù)據(jù)包是否堆積，來(lái)判斷是否選擇新的路由。如果接收的數(shù)據(jù)包來(lái)自低帶寬(和中繼節(jié)點(diǎn)發(fā)送帶寬相比)，不需要改變路由，如果來(lái)自高帶寬(和中繼節(jié)點(diǎn)發(fā)送帶寬相比)，將會(huì)開(kāi)始堆積，需要考慮新的路由。

(2)數(shù)據(jù)流暫停

如果MPR接收的數(shù)據(jù)包超過(guò)門限，即使發(fā)送帶寬足夠，對(duì)數(shù)據(jù)傳輸也可能是一個(gè)瓶頸。所以如果超過(guò)門限，將會(huì)通知其它節(jié)點(diǎn)，MPR數(shù)據(jù)流暫停。選擇MPR作為一下跳路由的節(jié)點(diǎn)需要重新選擇下一跳路由。

(3)路由帶寬

通過(guò)查看第1＆2跳的波形ID，路由帶寬為最小的波形ID，確定最小的波形ID是否限制總吞吐量，成為瓶頸。如果新路由的波形ID小于以的波形ID，需要返回原來(lái)的路由。

5 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)DAPRA(美國(guó)國(guó)防部先進(jìn)計(jì)劃研究局)基于骨干網(wǎng)的寬帶網(wǎng)絡(luò)電臺(tái)演示驗(yàn)證系統(tǒng)的研究，分析了寬帶網(wǎng)絡(luò)波形技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。并根據(jù)軍用戰(zhàn)術(shù)電臺(tái)的應(yīng)用需求，提出了基于OFDM(正交頻分多址)的寬帶物理層解決方案，同時(shí)具有根據(jù)不同的通信環(huán)境來(lái)變換速率的自適應(yīng)能力。通過(guò)信道模型下的仿真驗(yàn)證，該波形在典型的地形環(huán)境下均具備良好的性能。

MAC采用多跳自組網(wǎng)的USAP協(xié)議，分析了原理和實(shí)現(xiàn)方案，在協(xié)議本身基礎(chǔ)上結(jié)合更完善的MDL(移動(dòng)數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議)來(lái)實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)自組網(wǎng)TDMA時(shí)隙分配，更有利于軍用的寬帶戰(zhàn)術(shù)電臺(tái)的應(yīng)用。

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