基于無線熱鏈的軍用寬帶無線接入技術(shù)研究

◆賈源泉 李 理 劉文平

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基于無線熱鏈的軍用寬帶無線接入技術(shù)研究

◆賈源泉 李 理 劉文平

(海軍計(jì)算技術(shù)研究所 北京 100841)

無線熱鏈?zhǔn)且环N與wifi、wimax、LTE等同源的寬帶無線接入技術(shù)，具備安全穩(wěn)定、功耗低、傳輸距離長、大容量、動中通等特點(diǎn)，能夠解決緊急時(shí)刻武器裝備與外界數(shù)據(jù)交互復(fù)雜的問題。本文提出了基于無線熱鏈的軍用寬帶無線接入設(shè)備的工作流程和網(wǎng)絡(luò)部署方案，基于其技術(shù)特點(diǎn)和模擬無線通信性能測試，展望了軍用前景。

無線熱鏈；寬帶無線接入；網(wǎng)絡(luò)部署方案；軍用前景

0 引言

隨著我國戰(zhàn)區(qū)體制初步成型，以及近年來隨著我國邊防不斷面臨的危險(xiǎn)和挑戰(zhàn)，未來建成一支由戰(zhàn)區(qū)領(lǐng)導(dǎo)的“高精尖”海陸空一體化的作戰(zhàn)部隊(duì)刻不容緩。之前海陸空裝備之間的通信協(xié)議、通信手段形態(tài)各異、各自成型，數(shù)據(jù)交互手段受限，基層部隊(duì)多數(shù)為確保安全，仍采用光盤、移動硬盤等存儲介質(zhì)交互數(shù)據(jù)，但未來的武器裝備除平時(shí)需要完成日常的訓(xùn)練任務(wù)，還要求具備快速部署、應(yīng)急行動等作戰(zhàn)能力，像戰(zhàn)斗機(jī)、水面艦船、裝甲車等空間狹小，機(jī)動性、時(shí)效性要求特別高，當(dāng)面臨如臨時(shí)變更程序、修復(fù)緊急故障等緊急情況時(shí)，必須要與外界進(jìn)行數(shù)據(jù)交互的情況下，會因其相互接口協(xié)議不一、操作流程復(fù)雜導(dǎo)致耗時(shí)耗力效率低下，嚴(yán)重制約應(yīng)急相應(yīng)能力。可見在緊急情況下，裝備現(xiàn)有的數(shù)據(jù)交互手段已滿足不了數(shù)據(jù)交互需求。

在民用領(lǐng)域，WLAN（Wireless Local Area Networks）這幾年得到了飛速發(fā)展，據(jù)權(quán)威機(jī)構(gòu)Cahners In-Stat Group統(tǒng)計(jì)，全球WLAN市場近幾年都保持25%的增長率[1]，民用WLAN無論技術(shù)還是市場上都取得了很大成功，因此可以借鑒民用WLAN發(fā)展軍用WLAN，且在軍用方面已有美國TNO物理和電子實(shí)驗(yàn)室等組織了一些試驗(yàn)[2]，但是民用WLAN存在以下問題：標(biāo)準(zhǔn)變化太快，信息安全機(jī)制不足，傳輸距離有限，功耗高電源不易攜帶，防水防震抗毀能力低，吞吐容量低等。

無線熱鏈?zhǔn)且环N與WiFi、WiMAX、LTE等技術(shù)同源[3]的軍用寬帶無線接入技術(shù)，支持點(diǎn)對點(diǎn)、點(diǎn)對多點(diǎn)以及中繼等布網(wǎng)方式，可以靈活提供多種無線傳輸距離、多種無線覆蓋范圍、多種無線傳輸帶寬和無線傳輸速率的無線網(wǎng)絡(luò)部署，滿足因?yàn)榈乩憝h(huán)境等原因難以部署網(wǎng)絡(luò)的行業(yè)需求，能為某些復(fù)雜軍用環(huán)境下的應(yīng)用效能提供技術(shù)支撐，可在戰(zhàn)斗、訓(xùn)練、演練以及維和等多種應(yīng)用樣式下，特別是在活動空間小、用戶量大、操作環(huán)境及電磁條件復(fù)雜等特殊保障要求下部署無線局域網(wǎng)。建立信源、網(wǎng)絡(luò)層、信道層三層加密防護(hù)體系進(jìn)行機(jī)密性保護(hù)，采用紅黑隔離機(jī)制以及抗重放和前向安全措施解決開放信道安全性問題[5]。采用了TDMA技術(shù)，支持更多的用戶同時(shí)接入網(wǎng)絡(luò)，解決了WiFi使用的CDMA/CD的多址方式帶來的一旦用戶比較多就會造成網(wǎng)絡(luò)容量急速下降的問題[4]。此外，無線熱鏈?zhǔn)褂昧?G（第四代移動通信技術(shù)）采用的MIMO（Multiple-Input Multiple-Output）技術(shù)，且?guī)捵罡呖蛇_(dá)40MHz，能夠大大提高系統(tǒng)容量。無線熱鏈設(shè)備天線小不宜暴露目標(biāo)，采用軍用標(biāo)準(zhǔn)防水防震抗毀，以滿足軍隊(duì)使用要求。

1 工作流程及部署

基于無線熱鏈的軍用寬帶無線接入設(shè)備（以下簡稱“無線熱鏈設(shè)備”）由無線網(wǎng)卡、無線接入點(diǎn)AP（Access Point）、數(shù)據(jù)終端、天線、軟件構(gòu)成。基于TCP/IP分層設(shè)計(jì)，其內(nèi)部處理可以分為應(yīng)用層、傳輸層、網(wǎng)絡(luò)層、鏈路層、物理層、射頻處理(如圖1)。對于天線外置的設(shè)備，通過射頻線纜與外置天線相連，通過網(wǎng)口與終端設(shè)備相連。

圖1 無線熱鏈設(shè)備模塊組成與業(yè)務(wù)流程

無線熱鏈設(shè)備的配置功能是跨越各層的獨(dú)立模塊，可以對參數(shù)進(jìn)行存儲，并對各層進(jìn)行參數(shù)配置。終端設(shè)備可以通過瀏覽器或其它專用軟件來對設(shè)備進(jìn)行配置，也可以通過終端業(yè)務(wù)軟件與無線熱鏈設(shè)備實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)交互。

對于諸如數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，如果無線熱鏈設(shè)備設(shè)置成網(wǎng)橋模式，則無線熱鏈設(shè)備會在層2（鏈路層）對數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)；如果無線熱鏈設(shè)備設(shè)置成路由器模式，則無線熱鏈設(shè)備會在層3（網(wǎng)絡(luò)層）對數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。

無線熱鏈設(shè)備提供點(diǎn)對多點(diǎn)區(qū)域覆蓋和點(diǎn)對點(diǎn)中繼兩種基本方案。結(jié)合應(yīng)用部署的需要和成本進(jìn)行綜合考慮，提出兩種解決方案，分別是分級鏈解決方案和中繼鏈解決方案。

（1）分級鏈網(wǎng)絡(luò)部署

分級鏈解決方案采用多級區(qū)域覆蓋的方式，在諸如特種行業(yè)可以實(shí)現(xiàn)指揮中心-指揮車-設(shè)備多級覆蓋，解決設(shè)備上網(wǎng)問題。此時(shí)，可以使用全向天線、扇區(qū)天線等，實(shí)現(xiàn)區(qū)域覆蓋。對于不同的應(yīng)用位置部署，還可以利用方向性天線主瓣和旁瓣來指向不同的用戶設(shè)備，實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對多點(diǎn)覆蓋的效率最大化（如圖2）。

圖2 分級網(wǎng)絡(luò)部署

（2）中繼鏈解決方案

因?yàn)檐婈?duì)中許多可以部署無線局域網(wǎng)的無線應(yīng)用覆蓋場景并不是圓形區(qū)域或分級區(qū)域，因此可以充分發(fā)揮無線熱鏈方向性天線的優(yōu)勢，采用鏈狀覆蓋的方式延長覆蓋距離。如可沿場站路線布網(wǎng)，沿軍港口岸布網(wǎng)，沿軍營內(nèi)部公路布網(wǎng)等（如圖3）。

圖3 中繼鏈解決方案拓?fù)鋱D

2 技術(shù)特點(diǎn)

（1）支持多種業(yè)務(wù)類型

無線熱鏈設(shè)備支持多種業(yè)務(wù)傳輸類型。包括點(diǎn)對點(diǎn)（如圖4），點(diǎn)對多點(diǎn)（如圖5），更支持中繼傳輸模型（如圖6），當(dāng)接入點(diǎn)AP與軍隊(duì)裝備待交互平臺有嚴(yán)重遮擋時(shí)，通過在AP與待交互平臺之間部署中繼設(shè)備，可以實(shí)現(xiàn)AP與待交互平臺之間的通連。中繼設(shè)備采用用兩套無線熱鏈設(shè)備，這兩套設(shè)備之間采用有線直連，其中一套用于與AP無線交互，另一臺用于與待交互平臺（Station）無線交互。

圖4 點(diǎn)對點(diǎn)傳輸模型

圖5 點(diǎn)對多點(diǎn)傳輸模型

圖6 中繼傳輸模型

（2）低功耗與POE供電模型

一方面，無線熱鏈設(shè)備采用小體積和低功耗設(shè)計(jì)，以最大功率發(fā)射時(shí)功耗為5到6瓦左右，便于多種形態(tài)部署。另一方面，針對在多種平臺上構(gòu)建無線熱鏈設(shè)備及其加載網(wǎng)絡(luò)的要求，無線熱鏈設(shè)備設(shè)計(jì)支持POE（以太網(wǎng)供電），可以通過網(wǎng)線通道提供24V的直流電源，從而簡化其電源設(shè)計(jì)。

（3）自動聯(lián)網(wǎng)與檢測模型

無線熱鏈設(shè)備通過Web方式或SNMP方式進(jìn)行管理。它還具有先進(jìn)的鏈路完整性檢測能力，當(dāng)其作為AP使用的時(shí)候，可以自動檢測上聯(lián)的以太網(wǎng)連接是否正常工作。AP的無線熱鏈設(shè)備可以采用AP雙備份的方式，一旦一個(gè)AP出現(xiàn)故障，可以立即啟動另一個(gè)AP，此時(shí)待加載平臺發(fā)現(xiàn)上聯(lián)線路斷線，就會自動斷開與其連接的AP，并搜尋其他可用的AP，這樣可能大大提高網(wǎng)絡(luò)連接的可靠性，并且也為及時(shí)鎖定并排除問題提供方便。

（4）大容量技術(shù)

無線熱鏈傳輸性能要求與802.11n標(biāo)準(zhǔn)一致。采用2×2MIMO天線時(shí)，20MHz帶寬時(shí)，單個(gè)AP支持的理論速率達(dá)130Mbps，40MHz帶寬時(shí)單個(gè)AP支持的理論速率達(dá)270Mbps[5]。

（5）頻率/天線可配置技術(shù)

無線熱鏈設(shè)備支持中心頻率可配置設(shè)計(jì)，中心頻率間隔為5MHz的整數(shù)倍。支持天線為2×2MIMO雙極性天線，有效地提高通信容量和抗遮擋能力，天線可根據(jù)覆蓋角度范圍進(jìn)行選配，還可以內(nèi)置到設(shè)備中，適用于不同平臺的安裝環(huán)境。

（6）動中通技術(shù)

無線熱鏈設(shè)備支持車載、艦載、機(jī)載等多種平臺形式，在天線覆蓋范圍內(nèi)，支持中速動中通能力。無線熱鏈設(shè)備支持802.11n（WiFi）模式和TDMA模式。當(dāng)選擇TDMA接入模式時(shí)，支持同時(shí)接入的用戶更多，并且可以支持更遠(yuǎn)的傳輸距離。

（7）安全防護(hù)設(shè)計(jì)

無線熱鏈設(shè)備對發(fā)送的數(shù)據(jù)根據(jù)需要可以建立三層加密防護(hù)體系進(jìn)行機(jī)密性保護(hù)，即信源加密、網(wǎng)絡(luò)層加密和信道層加密，確保交互數(shù)據(jù)的完整性，阻止非法應(yīng)用數(shù)據(jù)外放。采用紅黑隔離技術(shù)保護(hù)設(shè)備免受無線網(wǎng)絡(luò)攻擊，同時(shí)設(shè)計(jì)報(bào)文格式包括序號字段，通過序列號累加機(jī)制防止抗重放攻擊，另外無線熱鏈設(shè)備具備緊急斷鏈功能，并采用黑名單機(jī)制阻止非法用戶入侵。

3 性能分析

采用40MHz帶寬時(shí)，基于2×2MIMO雙極性天線的系統(tǒng)理論速率可達(dá)300Mbps[5]。在實(shí)際部署和業(yè)務(wù)速率分析時(shí)，需要結(jié)合背景噪聲、天線增益與朝向、線路延時(shí)、雙向可靠性開銷以及無線傳輸距離等影響。

3.1典型城市環(huán)境傳輸性能測試

采用開放便于測試的環(huán)境，下面以寫字樓與機(jī)動車較多的典型城市為例來實(shí)測并分析傳輸性能（如圖7）。

圖7 典型城市環(huán)境測試拓?fù)?/p>

在間距大于200m的兩個(gè)樓頂各部署一套無線熱鏈設(shè)備，一端設(shè)置為接入點(diǎn)（AP），另一端設(shè)置為用戶臺（Station），與兩個(gè)無線設(shè)備分別連接的兩個(gè)筆記本終端之間進(jìn)行高可靠文件傳輸，在不同帶寬和中心頻率下文件的實(shí)際傳輸速率如表1所示。

表1 不同帶寬和中心頻率下傳輸性能測試

從表1中可以分析得出表2。

表 2 性能分析表

3.2阻擋環(huán)境下的網(wǎng)絡(luò)性能分析

基于典型的城市遮擋環(huán)境進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)性能分析，部署如圖8所示。其中，A點(diǎn)位于地面行駛的車輛天窗并采用內(nèi)置天線設(shè)備，B點(diǎn)位于7層樓高的大樓樓頂，遮擋建筑為2層到9層樓高，兩點(diǎn)距離在200m之內(nèi)，考查A點(diǎn)所連筆記本接收到的3個(gè)攝像頭的視頻情況與速率情況。

圖8 典型城市環(huán)境測試拓?fù)?/p>

表3 遮擋性能分析表

武器裝備應(yīng)用環(huán)境的遮擋值應(yīng)參考上表中的無遮擋或少量遮擋，這時(shí)候數(shù)據(jù)傳輸非常流暢，且在采用帶寬40MHz的文件傳輸速率接近100MHz，完全滿足在軍隊(duì)特殊環(huán)境下的數(shù)據(jù)交互需求。

4 結(jié)語

本文針對緊急時(shí)刻武器裝備與外界數(shù)據(jù)交互復(fù)雜的問題，提出了一種基于無線熱鏈的軍用無線接入設(shè)備工作流程及網(wǎng)絡(luò)部署方案，闡述了技術(shù)特點(diǎn)，并對無線通信性能進(jìn)行了模擬測試，可以表明無線熱鏈技術(shù)軍用前景良好。獨(dú)特的布網(wǎng)優(yōu)勢和諸多特性也符合現(xiàn)代戰(zhàn)爭對軍事通信提出的新要求，無線熱鏈運(yùn)用在軍隊(duì)數(shù)據(jù)通信交互領(lǐng)域是一個(gè)很有意義且適應(yīng)軍隊(duì)當(dāng)前需求的課題，比如應(yīng)用在機(jī)載、車載裝備的應(yīng)急數(shù)據(jù)保障；部署在艦載機(jī)、指揮車上用以裝備與外界進(jìn)行數(shù)據(jù)交互；在未來演習(xí)或重大任務(wù)中，在整個(gè)指揮所、基地部署這種無線局域網(wǎng)絡(luò)，簡化數(shù)據(jù)通信交互與傳遞流程。但目前國內(nèi)寬帶無線接入技術(shù)在軍隊(duì)的應(yīng)用研究基本還是空白，有很大的研究空間。

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