機動式信息系統(tǒng)組網(wǎng)通信設計技術探討

◆陳 澤 許桂明

（中國電子科技集團公司第二十八研究所 江蘇 210007）

機動式信息系統(tǒng)組網(wǎng)通信設計技術探討

◆陳 澤 許桂明

（中國電子科技集團公司第二十八研究所 江蘇 210007）

組網(wǎng)通信是構建信息系統(tǒng)的主要環(huán)節(jié)，而光通信是組網(wǎng)通信應用的主要手段。本文針對機動式信息系統(tǒng)的組網(wǎng)通信特點，提出了一種基于信道狀態(tài)和信道優(yōu)先級的通信集成框架，實現(xiàn)了以載車為節(jié)點的通信網(wǎng)絡調(diào)度接入，該方案開設簡單、高穩(wěn)定性、高抗毀性，有一定的推廣意義。

機動式信息系統(tǒng)；車載通信；組網(wǎng)通信

0 引言

機動式信息系統(tǒng)主要指由車輛、艦船、飛機等各種移動環(huán)境構成承載平臺的信息系統(tǒng)，組網(wǎng)通信是實現(xiàn)機動式信息系統(tǒng)功能運行的基礎。組網(wǎng)通信是指將各個孤立的設備進行物理連接、實現(xiàn)人與人、人與計算機、計算機與計算機之間進行信息交換的鏈路，從而達到資源共享和通信的目的。根據(jù)網(wǎng)絡數(shù)據(jù)鏈路的類型組網(wǎng)通信可分為有線組網(wǎng)通信和無線組網(wǎng)通信、有無線混合組網(wǎng)通信等類。本文主要描述車載機動式信息系統(tǒng)的組網(wǎng)通信。

車載信息系統(tǒng)主要由多輛不同類型的車載平臺組成，其組網(wǎng)通信包括系統(tǒng)內(nèi)部通信和外聯(lián)通信兩部分。內(nèi)部通信由各車艙平臺通過有線/無線路由的連接實現(xiàn)信息系統(tǒng)內(nèi)部的數(shù)據(jù)、話音、視頻等業(yè)務的傳輸和交換通信；外聯(lián)通信系統(tǒng)通信節(jié)點與外部通信網(wǎng)絡之間的互聯(lián)，由此達成系統(tǒng)與外部其它系統(tǒng)或平臺之間的資源共享和通信。

近年來，隨著機動式信息系統(tǒng)功能的日益完善，車載平臺各車載平臺之間的通信業(yè)務量也大幅增加，對通信應用的需求及要求越來越高，這大大提高了車載信息系統(tǒng)的開設難度。因此，需要構建功能完善、擴充和接入通信手段能力強的通信解決方案，既解決系統(tǒng)內(nèi)部、系統(tǒng)與外部之間的通信問題，又能夠確保快速開設系統(tǒng)及所開設系統(tǒng)的運行可靠。

1 系統(tǒng)設計特點

從用途上，機動式系統(tǒng)是主要作為固定式系統(tǒng)的備份，機動信息系統(tǒng)的組網(wǎng)通信設計應重點體現(xiàn)機動式系統(tǒng)的機動性、抗毀性、安全可靠性以及環(huán)境適應能力等方面。

2 系統(tǒng)網(wǎng)絡通信構建

車載機動式信息系統(tǒng)的組網(wǎng)通信包括系統(tǒng)內(nèi)部、系統(tǒng)與外部互聯(lián)兩部分。系統(tǒng)的主要運行平臺為功能載車平臺，系統(tǒng)內(nèi)部通信網(wǎng)絡主要指實現(xiàn)系統(tǒng)各功能載車平臺之間及載車平臺內(nèi)部各用戶之間的通信。

通常載車平臺之間的通信構建一個光纖環(huán)網(wǎng)為主、輔以有線電纜連接、超短波/微波作為備份手段，根據(jù)信道狀態(tài)和優(yōu)先級自動切換信道，構建穩(wěn)定可靠的系統(tǒng)互聯(lián)通信網(wǎng)絡。其中光傳輸通信是系統(tǒng)的主要組成部分，在光纖組網(wǎng)層面采用環(huán)網(wǎng)的組網(wǎng)方式，在網(wǎng)絡架構上采用基于VRRP(Virtual Router Redundancy Protocol，虛擬路由器冗余協(xié)議）熱備協(xié)議的雙網(wǎng)結構，當單根線路受損、甚至單艙受損時，仍然可以有效地保障其它車艙之間的數(shù)據(jù)業(yè)務的傳輸，這為大容量數(shù)據(jù)的穩(wěn)定傳輸和交換奠定了基礎［1］。

組建光環(huán)網(wǎng)主要有安全性高、速度快、維護方便、易于擴展等優(yōu)點。其中最顯著的特點在于改進傳統(tǒng)光端機對業(yè)務數(shù)據(jù)傳輸過程中的保護方式。本系統(tǒng)對以太網(wǎng)數(shù)據(jù)業(yè)務和視頻業(yè)務在傳送通道上的保護方式主要是利用SDH環(huán)網(wǎng)保護和RPR環(huán)網(wǎng)保護雙重保護機制，一是對語音和低速數(shù)據(jù)的業(yè)務級保護。對語音、低速數(shù)據(jù)等窄帶業(yè)務的保護分為設備級、網(wǎng)絡級和業(yè)務級三個層次。二是對以太網(wǎng)數(shù)據(jù)業(yè)務和視頻的業(yè)務級保護。對以太網(wǎng)數(shù)據(jù)（如無線、廣播、電源網(wǎng)管、信號、AFC、PIS、CNIS等）和視頻（CCTV、ISCS等）等寬帶業(yè)務進行了最完備的保護考慮和設計。

構建的機動式信息系統(tǒng)應充分考慮通信手段的備份，一是考慮通信指揮網(wǎng)絡的備份，以無線網(wǎng)絡作為專用的有線網(wǎng)絡的備份，二是應有不同有線通信手段之間的備份以及不同無線通信手段之間的備份，有線通信通常包括光纜、被覆線等電纜，無線通信包括衛(wèi)星“動中通”、短波、超短波、無線自組網(wǎng)等，三是充分設計好控制措施和接入方式之間的備份。其典型組成結構如圖1：

圖1 機動信息系統(tǒng)典型組成結構

2.1 有線組網(wǎng)通信系統(tǒng)實現(xiàn)

有線組網(wǎng)通信系統(tǒng)由SDH光傳輸設備、以太網(wǎng)交換機、PCM設備及路由器組成，如圖2所示，SDH光傳輸設備通過車載平臺車載平臺之間的室外光纜的連接組成有線光環(huán)網(wǎng)，為以太網(wǎng)交換機提供以太網(wǎng)傳輸業(yè)務，為PCM及路由器設備提供2M 155M、622M等通信信道。以太網(wǎng)交換機間采用三層冗余技術，PCM設備通過2M信道向各車載平臺提供話音業(yè)務的通道。

（1）SDH光傳輸設備

本系統(tǒng)選取的SDH設備是華為OSN系列產(chǎn)品，支持以太網(wǎng)二層交換功能，即在一個或多個用戶側以太網(wǎng)物理接口與一個或多個獨立的系統(tǒng)側的VC通道之間，實現(xiàn)基于以太網(wǎng)鏈路層的數(shù)據(jù)包交換，其功能塊如圖3所示：

圖2 光組網(wǎng)構成

圖3 光傳輸設備以太網(wǎng)交換功能基本模型圖

OSN系列MSTP設備具備以下以太網(wǎng)二層交換功能：

①傳輸鏈路帶寬可配置；

②保證以太網(wǎng)業(yè)務的透明性，包括以太網(wǎng)MAC幀，VLAN標記的透明傳送；

③以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀封裝采用LAPS或PPP協(xié)議或GFP協(xié)議。

④支持IEEE802.1d生成樹協(xié)議(STP)；

⑤支持多鏈路聚合以實現(xiàn)靈活的高帶寬和鏈路冗余；

⑥支持以太網(wǎng)端口流量控制；

⑦具有對10/100M/1000M數(shù)據(jù)業(yè)務的QoS支持能力；

⑧支持組播功能；

⑨支持業(yè)務分類(CoS)，具體實現(xiàn)可基于端口、MAC地址、數(shù)據(jù)幀類型、VLAN標簽等不同特征的流量分類。

本系統(tǒng)在各車載平臺內(nèi)的光傳輸設備OptiX OSN 1500和OptiX OSN 550上配置有一定數(shù)量的符合G.703協(xié)議標準的2.048Mb/s接口。2M業(yè)務電信號在發(fā)端通過2.048Mb/s接口接入OSN傳輸設備，經(jīng)映射、復用、電光轉換等進入STM-16（2.5Gb/s）群路光口，經(jīng)傳輸系統(tǒng)連接到收端OSN光傳輸設備的STM-16（2.5Gb/s）群路光口，再經(jīng)光電轉換、解復用、解映射等進入相應的2.048Mb/s接口，從而建立起了一個透明的傳輸通道，用于路由器的2M接口互聯(lián)、PCM話音業(yè)務的互傳或是專用電話數(shù)字中繼的信號傳輸。

（2）網(wǎng)絡設備

如圖4所示，系統(tǒng)內(nèi)部網(wǎng)絡業(yè)務路由主要分為兩條，業(yè)務1為主要業(yè)務，對應Vtrunk綁定了3個VC4，提供了465M的帶寬，業(yè)務2為次要業(yè)務，對應Vtrunk綁定了2個VC4，提供了310M的帶寬，車載平臺車載平臺1和車載平臺車載平臺2上多為客戶端，因此配備二層交換機；車載平臺車載平臺3和車載平臺車載平臺4上主要配備了服務器等信息處理設備，配備的交換機均為三層交換機。在車載平臺車載平臺3和車載平臺車載平臺4中，業(yè)務1交換機、業(yè)務2交換機及路由器通過區(qū)域型OSPF協(xié)議互聯(lián)，而相同業(yè)務的交換機通過Trunk方式進行互聯(lián)，并配置了虛擬路由冗余協(xié)議（VRRP），達到冗余備份網(wǎng)關的目的。VRRP是一種選擇協(xié)議，把一個虛擬路由器的責任動態(tài)分配到局域網(wǎng)上的VRRP路由器中的一臺。控制虛擬路由器IP地址的VRRP路由器稱為主路由器，負責轉發(fā)數(shù)據(jù)包到這些虛擬IP地址，一旦主路由器不可用，這種選擇過程就提供了動態(tài)的故障轉移機制，使虛擬路由器的IP地址可以作為終端主機默認的第一跳路由器。協(xié)議將兩臺匯聚交換機組成備份組，針對網(wǎng)絡中每一個虛網(wǎng)接口，備份組都擁有一個虛擬缺省網(wǎng)關地址(這個地址可以作為主交換機的虛網(wǎng)接口的IP地址)，每臺主機通過這個虛擬IP訪問其它網(wǎng)絡資源，但實際的數(shù)據(jù)處理由備份組內(nèi)主交換機執(zhí)行。如果主交換機發(fā)生了故障，通過VRRP協(xié)議，3個時間間隔（默認時間間隔為1秒）探測不到主交換機，備份交換機自動替代主交換機。由于網(wǎng)絡內(nèi)的終端配置了VRRP虛擬網(wǎng)關地址，發(fā)生故障時，虛擬交換機沒有改變，主機仍然保持連接，網(wǎng)絡將不會受到單點故障的影響，解決了網(wǎng)絡中匯聚交換機切換的問題，實現(xiàn)網(wǎng)關的冗余。任一信道故障，冗余信道自動完成接替，實現(xiàn)與外部系統(tǒng)的互連不中斷。

而路由器配備2M板卡一塊，POS板卡一塊，可通過光傳輸設備與陣地端的路由器進行互聯(lián)。

圖4 系統(tǒng)網(wǎng)絡框圖

（3）PCM設備

車載平臺內(nèi)配備多臺話機。為保障話音業(yè)務，配備PCM端機用于話音通信和錄音功能的實現(xiàn)。

圖5 PCM設備框圖

如圖5所示，虛線表示由光傳輸設備提供的2M鏈路通道，實線表示二線口話路，PCM1至PCM6為通用功能PCM端機，用于實現(xiàn)固定場地某接入節(jié)點程控向車載平臺內(nèi)話機進行放號，完成正常話音功能。 PCM7設備為“監(jiān)控錄音局端設備”。PCM1和PCM2分別各自通過1路2M口與同在陣地的PCM7相連，將需要錄音的通道的話音信號和信令，傳輸給PCM7設備。PCM7設備對話音信號和信令進行綜合處理；PCM8設備為“監(jiān)控錄音遠端設備”，其為錄音卡送出30路二線話音信號。PCM7設備通過2M口與B站點的PCM8連接，其將處理后的話音信號和信令發(fā)送給PCM8，并對PCM8設備進行控制，實現(xiàn)錄音功能。其中，在PCM8與錄音卡的連接中。錄音卡通過檢測2線口上的電壓，來決定開始和結束錄音的時間，滿足壓控錄音的要求。

上述PCM傳輸方案架設簡單，實現(xiàn)話音通信的基礎上，方便地實現(xiàn)了在車載平臺4內(nèi)對各車載平臺話機的錄音功能。

2.2 無線組網(wǎng)系統(tǒng)實現(xiàn)

機動式無線組網(wǎng)通信系統(tǒng)由衛(wèi)星“動中通”、短波電臺系統(tǒng)、超短波電臺系統(tǒng)和無線自組網(wǎng)系統(tǒng)組成。機動式系統(tǒng)內(nèi)部功能車之間通過無線自組織網(wǎng)絡進行網(wǎng)絡互聯(lián)，無線自組網(wǎng)采用的是一種不需要基站的“對等機構”移動通訊模式，系統(tǒng)內(nèi)各功能車支持在移動過程中動態(tài)組網(wǎng)，完成傳達數(shù)據(jù)、話音、圖像視頻等戰(zhàn)場信息。

機動式系統(tǒng)可通過衛(wèi)星“動中通”的方式實現(xiàn)無線通信網(wǎng)絡接入，保證與指揮機構及單兵系統(tǒng)之間的組網(wǎng)通信；通過短波電臺、超短波電臺等方式與遠方的作戰(zhàn)兵力保持話音通信。

2.3 組網(wǎng)通信的構建特點

（1）抗毀性

評價機動式系統(tǒng)的一個關鍵指標就是系統(tǒng)的抗毀性，本文所涉及抗毀性主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

①系統(tǒng)冗余設計。組網(wǎng)通信的冗余設計主要體現(xiàn)在對外互聯(lián)和內(nèi)部互聯(lián)兩個方面。對外互聯(lián)通信也采用冗余路由，可保證單個路由故障時，對外網(wǎng)絡通信的不中斷；對內(nèi)互聯(lián)，一是有線、無線之間的冗余備份，二是多個有線手段之間或多個無線手段之間的備份。

②有線通信組網(wǎng)冗余抗毀。通常各車載平臺的光傳輸設備支持SNCP以及光纖共享虛擬路徑保護的網(wǎng)絡保護，在SDH環(huán)網(wǎng)保護的基礎上進一步又支持RPR彈性分組環(huán)保護。光傳輸設備支持ITU-T RPR彈性分組環(huán)保護的Wrapping保護、Steering保護以及Wrapping+Steering保護功能。構成的通信網(wǎng)絡從網(wǎng)絡級層保證了安全穩(wěn)定可靠運行；另外，通常各車載平臺的網(wǎng)絡設備之間采用三層網(wǎng)關冗余技術，當單個車載平臺網(wǎng)絡出現(xiàn)中斷等故障時，其它車載平臺的功能不受影響。

③無線通信組網(wǎng)抗毀。各車載平臺之間采用無線自組網(wǎng)方式進行網(wǎng)絡互聯(lián)，不需要固定設備支持，各節(jié)點即各車載平臺自行組網(wǎng)，單點故障不會影響其他節(jié)點間的網(wǎng)絡通信，保證了機動式組網(wǎng)通信系統(tǒng)的抗毀能力。

④話音通信的冗余備份。各車載平臺的話音通信相互獨立，不依賴于某個車載平臺的后臺設備。

（2）可靠性

可靠性是衡量機動信息系統(tǒng)的重要指標之一，是構建組網(wǎng)通信可靠性主要依賴于通信傳輸設備的可靠性。

通常傳輸設備采用的內(nèi)嵌RPR（彈性分組環(huán)）兩纖復用段保護環(huán)的工作方式，環(huán)網(wǎng)的傳輸速率高，其中RPR環(huán)網(wǎng)組網(wǎng)依照業(yè)務的實際需求，結構組成了RPR邏輯環(huán)網(wǎng)，提高了承載業(yè)務的可靠性。當RPR處理提供的業(yè)務板發(fā)生故障時，RPR會自動啟動保護倒換，保證RPR通道內(nèi)的各種業(yè)務不受影響。

當通信鏈路發(fā)生故障中斷時，MSTP設備首先進行鏈路層的保護倒換，對各種業(yè)務沒有影響，若此時MSTP設備的保護失效，則RPR業(yè)務設備會啟動保護支持，保護RPR層面內(nèi)提供的以太網(wǎng)業(yè)務，從而實現(xiàn)對專用通信系統(tǒng)中各種業(yè)務的雙重保護，實現(xiàn)比一般MSTP方案更高級別的保護特性。

（3）便捷性

便捷性也是構建機動式信息系統(tǒng)的主要要求，通常選用的傳輸設備，要求安裝方式簡單、使用維護及管理方便，一般有比較全面、便捷的監(jiān)控操作界面。網(wǎng)絡設備、PCM等終端設備均通過傳輸設備實現(xiàn)相應功能。車載平臺通過有線通信手段互通時，一般在距離、場地等合適的情況下僅需用車載平臺間的野戰(zhàn)光纜連接，這樣可大大縮短系統(tǒng)的開設和撤收時間；通過無線手段進行車載平臺間組網(wǎng)通信時，通常以車載平臺為節(jié)點自行組網(wǎng)，由其它節(jié)點進行數(shù)據(jù)的轉發(fā)，這樣解決了傳統(tǒng)無線蜂窩網(wǎng)絡的地理局限性，能夠更加快速、便捷、高效地部署。

3 典型系統(tǒng)組成

給出一個機動式信息系統(tǒng)應用示例，其組網(wǎng)通信設計如0所示。圖6中，光纖、網(wǎng)線、被覆線等類有線通信手段可實現(xiàn)車載平臺之間的有線通信組網(wǎng)，通過連接固定接入點經(jīng)有線網(wǎng)絡與其它信息系統(tǒng)互聯(lián)；無線通信組網(wǎng)通過短波、超短波或衛(wèi)星等無線互連設備通過相應無線接入點實現(xiàn)與對端的通信。

圖6 機動式信息系統(tǒng)組網(wǎng)通信典型應用

4 結束語

為提高穩(wěn)定性、抗毀性、便捷性，本系統(tǒng)對此做了多元化、全方面、深層次的設計工作，并已成功應用于某機動系統(tǒng)，大幅度的增加了現(xiàn)有機動車輛的可靠性和架設的便捷性，有一定的推廣價值。

[1]許桂明．海軍小型機動式指揮信息系統(tǒng)設計探討[J]．現(xiàn)代電子工程，2008．

[2]凌海軍等．機動指揮通信車設備集中控制系統(tǒng)設計[J]．指揮信息系統(tǒng)與技術，2011．