低速無線通信系統組網設計

樂鑫喜

(中船重工第七二二研究所低頻電磁通信技術實驗室 武漢 430079)

低速無線通信系統組網設計

樂鑫喜

(中船重工第七二二研究所低頻電磁通信技術實驗室 武漢 430079)

本文針對某無線應急通信系統速率較低、傳輸可靠性要求高的特點,設計了一種控制信息極少的無線組網方法。該方法采用一級節點接力傳輸和二級節點中繼傳輸兩種模式,保證組網可靠性;設計兩套工作頻點實現一級節點優先的分級傳輸,保證快速收斂;通過同步信號來檢測沖突,避免產生碰撞;通過接收信噪比實時估算和比較,實現多重報文優選。

低速率; 無線通信; 無線組網

Class Number TN925

1 引言

本文所提及的低速無線應急通信系統主要用于軍事應急通信。該系統通常由數個覆蓋范圍約為300km～500km的無線通信節點,采用組網接力傳輸的方式,聯合覆蓋用戶需要覆蓋的區域。由于該系統的應用背景主要是軍事應急通信,因此必須確保每個站點均能正確、可靠地接收到指揮信息,確保戰時的應急指揮、通信與控制。因此,對傳輸可靠性、網絡健壯性要求均很高,即使在部分無線通信節點被摧毀的情況下,也要求保持系統通信暢通[1]。而且,該系統的傳輸速率較低,最低1bit/s、最高32bit/s,而傳統意義上的無線組網方法[2～8]由于網絡控制信息開銷太大,并不適用于低速率的無線通信系統組網。因此,需要設計一種適于低速率無線通信系統的組網控制方法。

2 無線通信節點的布置

該系統的無線通信節點分為三級,一級節點具備發信和收信功能,通信覆蓋范圍約為500km;二級節點具備發信和收信功能,通信覆蓋范圍約為300km;三級節點僅具備收信功能。如圖1所示,圖中A、B、C三個節點為一級節點,An為二級節點,An′為三級節點[1]。

3 系統組網設計

3.1 無線信道接入

該無線通信系統采用MSK調制方式,系統組網采用頻分復用[9]的信道接入方式。

由于系統通信速率較低,為節省組網開銷,設計了兩組頻率,一組用于一級節點發射,另一組用于二級節點發射。中繼節點僅僅通過接收頻點所屬的組別即可判斷上級發射節點是一級節點還是二級節點,無須額外的組網控制信息。

為了避免節點之間的同頻干擾,相鄰節點之間需采用不同的工作頻點。同時借鑒以太網沖突檢測的方法,利用同步信號作為沖突檢測的對象[10]:每個無線點在開始發信前,首先檢測是否有其他節點的同步信號,如果信道空閑才發送,否則等待,以免發生碰撞。同時,為了避免圖2所示的“隱蔽終端”產生的碰撞,對于覆蓋區重疊區域有其他節點的兩個無線節點,將采用不同的工作頻點發送信息。這里的“隱蔽終端”是指:當某個節點A在某個頻點發送信息時,在其覆蓋區之外的節點B將無法檢測到該信息的發送,從而有可能會同時開始發送自己的信息,此時對于同時處于A、B節點覆蓋范圍內的C節點,將會產生碰撞[10]。

3.2 路由控制方法

由于該系統各節點的位置相對固定,因此主要采用先驗式靜態路由[11]的方法。在此基礎上,為提高網絡的健壯性,采用了以下三級保障措施。

1) 一級節點接力傳輸

正常情況下,僅通過一級節點接力傳輸即可保證所有二級節點和三級節點接收到信息。

如圖3所示,一級節點A首先采用F1頻率發送信息,其覆蓋區內的所有二級節點An和三級節點An′以及下一個一級節點B均能接收到信息。然后,一級節點B采用F2頻點轉發該信息,此時其覆蓋區內的所有二級節點Bn和三級節點Bn′以及下一個一級節點C均能接收到信息。同時,上一個一級節點A也能接收到該信息,并據此判定節點B已將信息正確傳送至節點C,否則認為節點B故障并啟動其下屬二級節點中繼傳輸模式。最后,一級節點C采用F3頻點轉發信息,若B節點接收到該信息,則判定任務完成,否則認為節點C故障并啟動其下屬二級節點中繼傳輸模式。

2) 二級節點中繼傳輸

當某個一級節點出現故障或者被摧毀時,上一個一級節點將無法收到其轉發的信息,因此無須組網控制信息即可判斷其故障,并適時啟動二級節點中繼傳輸。

為了節省組網開銷,并未采用預留字段來識別是否啟動中繼傳輸,而是采用專門的格式報文信息幀,在需要時才發送,二級節點收到此類信息后才聽令啟動中繼傳輸模式。在不需要時,就不會產生額外的信息。

二級節點啟動中繼傳輸模式后,將會根據目標地址,為屬于自身后續節點的目標節點轉發報文信息。

為了保證網絡的健壯性,中繼部分采用洪泛路由算法,保證每個節點均有2～3條可達路徑。但是,傳輸至下一個一級節點后,采用一級節點優先的策略:由于通過頻率即可判斷后續一級節點是否故障,因此后續一級節點下屬的二級節點在收到上一個區域的二級節點中繼過來的報文,不會立即轉發,而是會在等待一段時間仍然未接收到C節點發送的信息時,才會轉發信息。

如圖1所示的網絡中,假設一級節點B故障,A節點由于未收到其向下轉發的信息,開始啟動中繼傳輸模式,處理流程如圖4所示。

3) 多重報文優選

如前文所述,為了網絡的健壯性,必須保證每個節點均有多條可達路徑。那么,對于目標地址而言,將可能同時或者先后收到多份報文。而且,由于誤碼率的存在,收到的報文也存在不一致的可能性。

為解決該問題,系統的多通道收信設備設計了兩個個獨立的收信通道,可以接收不同站點以不同頻點發送的報文,并且能在收取報文的同時進行實時信噪比估算。當多重報文出現不一致時,可以通過比較信噪比,自動優選信噪比最高的報文輸出為正確值,處理過程如圖5所示。

4 結語

本文通過一級節點接力傳輸和二級節點中繼傳輸兩種模式,僅需極少的組網控制信息,即可保證每個節點均有2～3條可達路徑,從而確保低速無線通信系統能可靠、正確組網。其次,直接由工作頻點判斷發射臺級別,在收到一級節點發送的報文后,相應的二級節點即可自動停止轉發,從而避免了無效的網絡容量。然后,通過檢測同步信號進行沖突檢測,避免產生碰撞;同時,為了解決“隱蔽終端”的碰撞問題,對于覆蓋區重疊區域有其他節點的兩個發射節點,采用不同的工作頻點發送信息。最后,通過接收信噪比實時估算和比較,實現多重報文優選。以上措施和方法,共同特點是不需要或者需要極少的組網控制信息,卻能保證正確、可靠組網,因此非常適于速率較低、傳輸可靠性要求高的低速無線應急通信系統,滿足戰時應急通信的要求。

[1] 樂鑫喜,呂雪峰,黃欣.一種控制低頻通信系統組網的方法[P].中國專利:201518007735.2,2015-12-02.

[2] 韋澤訓.LTE無線組網規劃和頻率應用分析[C]//四川省通信學會,2013年學術年會論文集,2013:33.

[3] 焦凱.基于藍牙技術的無線局域網系統的研究與實現[D].南京:南京理工大學,2005:5-12.

[4] 雷震洲.面向低速率應用的全球標準ZigBee[J].現代電信科技,2004(12):3-5.

[5] 劉俊.TD-SCDMA主要關鍵技術及無線組網淺析[J].廣東通信技術,2007(5):15-16.

[6] 崔佳巍,郝志安,齊忠杰,等.一種無線組網中的TDMA時隙調整協議[J].無線電通信技術,2010(5):4.

[7] 肖偉,黃永弟.Ad-hoc技術在應急行動指揮車中的應用研究[J].計算機與網絡,2013(6):69.

[8] 梁學俊.基于OFDM的無線組網技術研究[D].武漢:武漢理工大學,2004:27-37.

[9] 萬海東.軍事指揮系統中無線組網通信技術[D].南京:南京理工大學,2008:8-15.

[10] 譚雪松.基于多頻段多工作模式無線電臺的組網方法[D].成都:電子科技大學,2001:19-20.

[11] 陳印杰,張杰.艦艇編隊無線自組網建模分析研究[J].艦船科學技術,2009(4):107-108.

Networking Design of Low Speed Wireless Communication System

LE Xinxi

(Laboratory of Low-frequency Electro-magnetic Communication Technology, No.722 Research Institute, Wuhan 430079)

In this paper, a kind of wireless networking method with very little control information is designed for a wireless emergency communication system with a low rate, high transmission reliability requirements. In this method, the two transmission modes are used to ensure the reliability of the network by the transmission in turn of the 1stlevel node and the relay transmission of the 2ndlevel node. And the two sets of frequency points are designed to achieve hierarchical transmission of 1stlevel node priority, in order to ensure rapid convergence. Conflicts are detected by synchronizing signals in order to avoid collision. Through the real-time estimation and comparison of the received signal to noise ratio, the optimization of multiple message is realized.

low-rate, wireless communication, wireless net

2016年8月7日,

2016年9月13日

樂鑫喜,女,碩士,高級工程師,研究方向:通信系統設計。

TN925

10.3969/j.issn.1672-9730.2017.02.015