一種基于北斗的混合式無線自組網系統設計

傅軍 常揚 寧治文 韓洪祥

摘 ? 要：在林業、消防、治安反恐、軍事等領域，任務單元之間靈活、可靠的動態自組網數據傳遞，是提高一體化指揮能力和快速響應能力的關鍵所在。傳統的無線局域自組網技術易受距離、遮擋等條件限制，在大區域、有遮擋條件下的應用有一定局限性。文章基于北斗系統定位和短報文通信能力，結合無線局域自組網技術，利用北斗應用終端設備為骨干構建了分層編組邏輯網絡，有效擴大了覆蓋范圍和增強了組網可靠性。不同參數的網絡變化與修復過程的仿真表明，該系統能夠實現動態環境中網絡修復與重組，提供可靠通信保障，解決了多種場合下所需的精確、無間斷一體化指揮要求。

關鍵詞：北斗導航系統;短報文通信;自組網;混合式

北斗導航系統[1-3]是我國自主研發、自主建設、獨立運營的全球衛星導航系統，不僅具有高精度定位服務能力，還可提供短報文服務[4]。北斗三號系統短報文服務功能在出入站服務能力、覆蓋方位和數據長度上都得到了進一步增強。可滿足信息量小但突發要求高、用戶量大的通信需求，可作為應急、機動通信時的重要力量。無線局域自組網是無線通信領域的高新技術[5]，可為公共安全部門提供快速部署[6]。無線局域自組網是一種多跳、無中心、臨時系統[7-9]，可為應急救援人員現場處置險情提供可靠的數據傳輸鏈路[10-11]。北斗導航系統是一種廣域的通信系統，可實現點對點通信，解決傳統樹形指揮結構的不足，但其帶寬較小，信息傳達不夠精確、連續、快速。無線局域系統傳遞信息范圍較小，但傳達信息較精確的通信系統。因此，將北斗導航系統與無線局域系統相結合，構建合理的網絡拓撲，可將二者的缺點互補。基于北斗衛星通信上的冗余路由設計可以給復雜環境中可靠通信提供保障，能有效提高網絡吞吐量[12]。無線技術可對北斗導航應用終端設備組網進行有效補充，實現靈活組網。由于北斗導航系統設備終端收發指令受到北斗衛星導航系統服務頻度限制，不能實時將位置信息、狀態信息和指令信息進行有效收發，無線通信技術可進行很好的補充，通過基于北斗導航功能和短報文功能構建無線局域通信網，能集合指揮機或大量底層用戶機的頻度權限機會，充分發揮集群效應，實現信息的收發效率和信息實時性、準確性，并實現分級授權、靈活組網。另外，設計合理的北斗網絡拓撲結構，將網絡各單元的信息如指令信息、位置信息、狀態信息、屬性信息等實現可控共享和高速共享，使任務運行更加高效。

基于北斗導航系統的單元網絡化技術和無線局域自組網技術適合林業、消防、治安反恐、軍事等多種應用場景和多種復雜任務[13-14]。在林業領域，需要對林區情況監視，對林區工作人員目標識別、對林區各類信息收集。在消防領域，需要對固定范圍內的火情監視、傳達救援信息。在治安反恐領域，需要進行化學和生物制劑檢測、戰術誘騙、物資運輸等多種任務。這些應用需要集成傳感器、通信、移動、執行器等多種能力，便于實現群體協同工作需要。在軍事領域，任務突發性、多樣性更加需要高效的指揮網絡體系實現對任務單元的指揮協同。為了滿足上述實際需求，本文提出了一種基于北斗導航系統，結合短報文編碼技術和無線局域自組網技術，能快速組網并利用虛擬組網技術在人員和裝備地理分布之上構建的分層編組邏輯網絡，從而實現任務所需實施的精確、無間斷一體化指揮。

1 ? ?結構組成

在基于北斗傳統的組網方案中，虛擬邏輯網絡拓撲結構通常與物理網絡拓撲結構緊耦合，導致邏輯網絡拓撲的重定義十分困難。軟件定義的方式可以將虛擬邏輯網絡與物理網絡進行解耦，使虛擬網絡的重組無需考慮物理網絡拓撲結構，從而可以達到任務定義的動態組網需求。在此，需要設計軟件定義終端管理系統，方便對網絡節點進行虛擬組網。

軟件定義終端管理系統主要分為管理服務器和可編程終端設備兩個部分。管理服務器向可編程終端設備發送自定義的虛擬網絡拓撲結構信息。首先，該信息發送至北斗系統，隨后，北斗系統將該信息轉發到網絡節點的可編程終端上。可編程終端接收自定義的虛擬網絡拓撲結構，并根據信息更新該設備的分組情況，從而實現軟件定義虛擬網絡拓撲的功能。軟件定義的終端管理系統框架，直接采用軟件定義網絡的控制與轉發分離框架，設計成管理服務器和可編程的終端裝備兩部分，在指揮機上形成新的邏輯結構，完成覆蓋網的傳輸。軟件定義的終端管理系統框架結構如圖1所示。

其框架主要分管理服務器和可編程終端設備。管理服務器負責向可編程終端設備發送邏輯組網信息和相關路由信息。可編程終端設備負責接收發送的邏輯組網信息和路由信息，并根據該信息更改當前設備的路由表和所屬分組。如圖2所示，軟件定義的終端管理框架的主要流程分為以下幾個步驟：（1）指揮中心指定當前的分組策略和路由表策略，并由管理服務器發送給各個可編程終端。（2）管理服務器將信息轉發給中繼網絡節點北斗衛星，并利用北斗衛星的覆蓋范圍將信息轉發給各個網絡節點。（3）網絡節點上的可編程終端設備接收到由北斗衛星進行轉發的分組和路由報文信息。（4）根據由北斗衛星轉發的分組信息和路由信息的報文更新本地網絡節點所屬的分組和對應的路由表。

2 ? ?系統關鍵技術

2.1 ?異常環境下的組網保障機制

某些特殊環境具有高破壞性和高對抗性，SDN技術允許根據當前網絡狀態自定義調整虛擬網絡嵌入方案，達到網絡路由冗余以及網絡資源的冗余，從而保障網絡的魯棒性，保證任務順利執行。此技術可提高在不具備網絡全連通條件下，合理地配置節點的度分布，提高網絡對隨機失效和惡意攻擊的魯棒性。當網絡受到隨機故障或敵方的攻擊，損失了部分節點或通信鏈路的情況下，剩余的節點會重新構建新的網絡拓撲結構，盡可能地保持最大的連通子圖。影響整個通信網絡統魯棒性的主要因素有4個方面：節點的特性、鏈路的特性、編隊的特性、環境的特性。MOLLY-REED準則[15]是判斷網絡中是否存在巨片的準則。MOLLY-REED準則的推導出發點是：巨片存在中的一個節點j在網絡中任選一個節點i，i與j之間存在邊，即存在通信鏈路，且邊的個數應當大于2。公式如下：

圖4 ?北斗裝備系統模擬系統架構

（1）模擬場景輸入模塊，主要功能是配置模擬場景。使得能夠構建出自定義的模擬場景，用來驗證性能。其中包含網絡節點移動行為、網絡節點基本信息配置、模擬器組網策略和路由算法配置、模擬過程特殊事件等策略來提高報文設計的性能和效率。

（2）核心網絡模擬模塊，主要功能是根據輸入提供全棧式模擬。以達到對網絡環境、網絡突發事件、路由策略，組網策略的準確模擬。其中包括輸入解析、事件驅動模擬、日志輸出等方式，從而有效地提高仿真效率。

（3）模擬過程展示模塊，為了能夠更加清楚地觀察模擬行為，并檢查自身模擬行為配置是否存在錯誤，需要對模擬過程進行展示，包括模擬過程日志解析和動畫展示。

（4）模擬結果分析模塊，為了對整個模擬過程的網絡狀態進行評估，可以通過解析上述模擬模塊產生的模擬日志來獲取整個網絡模擬中最終吞吐量結果、報文丟包率等模擬數據。采用折線圖的方式反映每個時間點網絡的吞吐量和丟包率，可以實時反映出在特殊事件發生時整個網絡狀況。

3.2 ?仿真結果

采用開源軟件Echarts框架展示了仿真結果，系統中動態折線圖表示不同單元在仿真時網絡吞吐量和不同單位的傳輸成功率。與目的節點序列距離矢量（DSDV）等傳統的路由算法相比，本系統所采用的綜合的路由算法更加靈活，能夠在多變的環境中更快地發現毀壞節點，并以更快的速度重新組網，同時相較于傳統的無線組網方法，整個網絡能夠擁有更加高的吞吐和更加低的丟包率。仿真設計了3種場景：正常場景、節點孤立場景、節點毀滅場景，仿真結果如圖5—7所示。結果表明，該算法相比于DSDV傳統算法而言，能更快地恢復網絡通信，能在更短的時間內構建網絡，能較快地回復通信量，無論是在網絡吞吐和網絡丟包都更加優秀。

動畫展示頁面使用了pixi引擎[23]。動畫展示界面中每一個網絡單元[24]都繼承了pixi框架中的精靈類，通過引擎自帶的渲染器進行快速實時渲染，同屏展示千甚至萬數量級的網絡單元移動模擬，匹配上自帶的粒子效果，達到了網絡單元損壞動畫，網絡單元發包動畫等效果。為了更加方便觀察情況，頁面只顯示所關注的信息，更加方便無間斷一體化指揮[25]。動畫展示頁面如圖8所示，文本框制作的字幕模塊，主要作用是將模擬中發生的時間進行字幕式的展示，方便獲取更加精準的仿真過程信息。

4 ? ?結語

本文研究了基于北斗導航系統，結合短報文編碼技術和無線局域自組網技術，開展了混合式自組網技術研究，利用北斗應用終端設備構建分層編組邏輯網絡，通過參數控制與模擬的方式實現了網絡變化與修復過程的仿真。通過參數控制，系統可以實現對毀壞節點的發現與修復，以及在網絡拓撲結構發生變化時實現鏈路重組，維護網絡的可靠性與健壯性。仿真結果能夠實現動態環境中網絡的修復與重組，提供可靠與穩定的通信保障。解決了多種場合下所需的精確、無間斷一體化指揮要求，滿足林業、消防、警力抓捕、治安反恐、軍事等領域多種應用需求。

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Abstract：In the fields of forestry， fire fighting， public security， anti-terrorism and military affairs， flexible and reliable data transmission between task units in dynamic ad hoc networks is the key to improve integrated command capability and fast response capability. Traditional wireless local area ad hoc network technology is easily limited by distance， occlusion and other conditions， its application in large areas with occlusion has certain limitations. In this paper， based on Beidou system positioning and short message communication capabilities， combined with wireless local area ad hoc network technology， a hierarchical grouping logical network is constructed using BeiDou application terminal equipment as the system effectively enhancing the coverage and networking reliability. The simulation experiments results of network changes and process reparation with different parameters show that this system can realize network repair and reorganization in dynamic environment， provide reliable communication guarantee， and solve the requirements of precise and uninterrupted integrated command in various occasions.

Key words：Beidou navigation system; short message communication; ad hoc networks; composite