寬帶自組網技術現狀和發展趨勢研究

林威

關鍵詞：無線自組網；寬帶自組網；發展趨勢

1引言

無線自組網技術起源于軍事應用需求，是從20世紀70年代美國國防部高級研究計劃局資助研究的“戰地無線分組數據網”項目中產生的一種新型網絡技術。

無線自組網是一種分布式網狀網絡[1]，與點對點或點對多點網絡不同，它是由相同地位的通信節點組成，具有無中心、多跳中繼、動態路由、抗毀性強等特點，適用于不需要事先部署但需要臨時開通一個專用網絡的場景，如應急通信、消防救援、森林消防、海上船隊通信、車隊通信、無人區通信、地下通信、活動安保等。

2國外寬帶自組網

國外典型的寬帶自組網通信系統有美國Persistent Systems公司的MPU5、美國Silvus公司的MIMO MESH、英國DTC公司的P5等。

2.1美國Persistent Systems公司的MPU5

MPU 5是世界上首個基于Android操作系統、可以安裝外部APP的智能電臺，于2017年開始在美國軍隊、警察等群體中裝配。MPU 5在2017年9月獲得了美國陸軍890萬美元合同：2017年11月，獲得美國陸軍endeavor robotics獎，獎金為1億美元；2018年4月，獲得美陸戰隊1000萬美元合同；2020年12月，獲得美陸軍N-CFT與PEO C3T的網絡現代化合同，合同金額不詳。

2.1.1MPU5的特點

（1）集成度高：集成了自組網通信、語音通信、視頻編解碼、計算機等功能，配備了3x3 MIMO，最大發射功率2Wx3，但主機體積只有38mm×67mm×117mm，重量為368.5g。

（2）性能好：網絡規模和中繼次數不限，峰值速率為150Mbps，通信距離遠。

（3）模塊化設計：使用螺絲刀即可更換功放模塊，從而改變工作頻段（L/S/C波段）。

2.1.2MPU5的組成

（1）主機：WR-5100。

（2）射頻模塊：RFIlOO，L波段；RF2100，S波段；RF4100，C波段。

（3）附件：包括線纜、手咪等。

（4）配套設備：自動跟蹤天線系統。

自動天線跟蹤系統的主要功能和性能如下：（1）與MPU5配合使用，用于地面對機載平臺的自動跟蹤；（2）專為易用性、快速裝配和便攜性而設計，2人可在15分鐘內完成組裝和部署；（3）天線增益-L波段24dBi，S波段28dBi，低C波段35dBi，高C波段36dBi; （4）波束寬度-L波段10。，S波段6。，低C波段3。，高C波段2.5。；（5）極化方式——雙極化。

2.1.3MPU5主要技術指標

（1）工作頻率：L波段1350 - 1390MHz；S波段2200 -2500MHz;C波段4435 -4980MHz。

（2）調制方式：OFDM，BPSK，QPSK，16QAM，64QAM。

（3）載波帶寬：5MHz、IOMHz、20MHz。

（4）MIMO技術：最大比合并、空時編碼、空分復用。

（5）吞吐率：TCP數據峰值150Mbps。

（6）最大發射功率：合計6W，每通道2W。

（7）最小接收機靈敏度：- 98dBm@SMHz，BPSK。

（8）最大通信距離：209km。

（9）最大峰值發射功耗：40W（3通道、每通道6W）。

（10）接收最大功耗：1.9W（3通道）。

（11）待機功耗：0.15W。

（12）天線數量：3副。

（13）外部接口：3個天線接口，1個視頻接口，1個GPS接口，1個PTT/EUD接口，1個數據接口，1個智能RoIP接口，1個電源接口。

（14）防護等級：IP68。

（15）網絡規模：不限。

（16）中繼次數：不限。

（17）工作溫度：-40C - +85℃。

2.2美國Silvus公司的MIMO MESH

Silvus公司成立于2004年，2020年5月，獲得美空軍一份不定期或不定數量交付的9.5億美元合同，為美空軍提供StreamCaster移動自組織網絡無線電系統；2020年5月，獲得美陸軍1000多套設備、390萬美元合同。

MIMO MESH有手持和車載兩種形態，分別是2x2 MIMO和4x4 MIMO，最大特點是具備波束成形。

2x2 MIMO手持臺型號是SC4200E。

4x4 MIMO機載臺型號是SC4400E，其主要參數如下。

（1）架構：4x4 MIMO，基于FPCA的軟件無線電。

（2）發射功率：1W或8W可選。

（3）發射波束成形：EIRP增加5-6dB。

（4）工作頻段：多種頻段可選，UHF 400 -450MHz， UHF-II 663 - 698MHz， 900MHz ISM 902 -928MHz，低段L 1350 - 1390MHz，擴展L 1350 -1440MHz．中段L 1452 - 1492MHz．上段L 1790 -1850MHz，廣播B 2025 - 2110MHz，聯邦S 2200 -2300MHz，S段2200 - 2500MHz，2.4CHz

ISM

2400 -2500MHz，低段C 4400 - 4700MHz等。

（5）業務速率：94Mbps。

（6）外部接口：以太網、串口、USBx2。

（7）加密：FIPS

140-2等級2。

（8）工作電壓：9-20VDC。

（9）功耗：8W-43W@ 8W發射功率，IW- 24W@1W發射功率。

（10）尺寸：133rmu×114mm x46mm（不含連接端口）。

（11）重量：1.133kg。

（12）顏色：黑色。

（13）防護等級：IP67。

（14）工作溫度：-400C - +65℃。

2.3英國DTC公司的P5

2016年，美國DTC收購了總部位于英國的Cobham的戰術通信和監視部門。2021年5月，澳大利亞Codan有限公司收購了DTC公司，收購的預付現金為8800萬美元，如果在2021年實現“某些盈利目標”，還可能額外支付1600萬美元。該公司是全球最早生產寬帶自組網產品的廠家之一，早期在全球市場占有率最高。

P5是該公司最新一代產品，具備視頻編碼器，還從P4的1發2收提升為2發4收，真正意義上實現了MIMO;載波帶寬為1.25-10.OMHz，業務帶寬為0.25 -32Mbps。

P5的主要參數如下。

（1）外部接口：射頻接口，2×TX/RX，2xRX；USB接口；電源接口；以太網接口；HD-SDI視頻接口。

（2）通信距離：非視距，典型值0.8 - 1.4km;視距>50km。

（3）工作頻段：320 - 470MHz、1.20 - 1.70GHz、1．65 -2.40CHz、1.98 -2.55CHz、4.40-5.OOCHzn

（4）發射功率：33dBm。

（5）載波帶寬：0.625、1.25、2.5、3.0、3.5、5.0、6.0、7.0、8.0、10.OMHz。

（6）業務速率：MIMO版本32Mbps，標準版本17Mbps。

（7）調制方式：BPSK/QPSK/16QAM，自適應。

（8）編碼方式：1/2 FEC，2/3 FEC，自適應。

（9）接收分集：最大比合并。

（10）接收機靈敏度：-98dBm@2.5MHz，BPSK，1/2 FEC。

（11）加密：DES，選配AES128或AES26。

（12）尺寸：135mmx89mmx35mm。

（13）重量：550g。

（14）工作電壓：8-18VDC。

（15）最大功耗：標準版本接近12W，MIMO版本接近25W（峰值40W）。

（16）工作溫度：-10C -50。C。

3國內寬帶自組網

國內典型的寬帶自組網通信系統有宸芯科技公司的CX67XX系列模組，希諾麥田公司的HEPBURN系列以及一些廠家的基于Wi-Fi的寬帶自組網設備。

3.1宸芯科技公司的CX67XX系列模組

宸芯科技有限公司是我國行業通信終端SoC芯片專業領域的龍頭企業，公司擁有自主知識產權的2C/3C/4G/5G通信協議棧，推出了多款被廣泛應用的SoC芯片，自主研發了高度成熟的軟件無線電OCAP平臺技術和產品，產品在無人機圖數傳、電力線巡檢、機器人等市場占有率高。

CX67XX系列模組基于完全自主知識產權的CX1881平臺和CX1910平臺，其特點包括自主可控；支持自組網、公網、天通、PDT等多模，同時支持雙通；功耗低、體積小、重量輕；集成H.264/H.265視頻編解碼器和語音編解碼，集成度高；最大4x4 MIMO，吞吐率>200Mbps；單跳時延為3ms。

基于CX67XX系列模組，可以建立空天地一體、公轉結合、寬窄融合的通信系統。

3.2希諾麥田公司的HEPBURN系列

希諾麥田公司是一家成立于2015年專注無線傳輸解決方案的國家高新企業，其產品具有傳輸距離遠、低延時、傳輸穩定、支持復雜環境等優點，在無人機、機器人、應急、巡檢、安防等諸多領域開始嶄露頭角。

HEPBURN系列有P40、P37、P35、P33和LITE五種形態，其基本參數為：2發2收，工作頻段1. 40 -1. 46CHz，信號帶寬4MHz、8MHz、IOMHz、14MHz、20MHz可選，發射功率對應2x10W、2x5W、2x3W、2x2W、2xIW五種，時延<5ms，吞吐率>50Mbps。

3.3基于Wi-Fi的寬帶自組網設備

這種寬帶自組網設備大多采用高通公司的Atheros Wi-Fi芯片，修改組網協議可將工作頻段降低到小于1000MHz或L波段，適用于靜止非移動、通視非遮擋、近距非遠距場景，其吞吐率> 80Mbps，特點是成本較低。

4發展趨勢

寬帶自組網技術的發展趨勢如下。

4.1寬窄融合

在軍用通信、應急通信等應用領域，窄帶話音是保底通信手段，其話音單跳覆蓋能力與PDT等對講機相當，通過多跳中繼擴大覆蓋范圍。寬窄融合是指在保證窄帶話音可靠傳輸的基礎上，還可以提供視頻和數據寬帶傳輸服務。設備最優實現方式不是寬帶自組網板卡和窄帶自組網板卡級兩塊板卡融合，而是寬窄帶自組網協議統一設計，在一個處理器內實現。

4.2使用簡單

設備無需進行工作模式、工作頻率、通信距離等參數設置，開機即通；除IP和串口數據通信功能外，還可以提供廣播語音、集群語音、定位導航、視頻回傳、視頻會議等服務；設備使用簡單，人人都會用，如普通對講機、手機或APP -樣。

4.3小型化

大部分使用場景要求設備具有小型化、低功耗的特點，但與5G的eMBB大流量（Gbps）、uRLLC低時延（10ms）和mMTC多用戶（海量）三大場景相比，自組網的場景和需求定義還不清晰，各廠家協議自定義、無統一標準，主流廠家是基于FPCA和集成收發器實現，體積和功耗都較大，因此芯片化是發展趨勢。

4.4性能增強

一些特殊應用場景下要求自組網的帶寬寬、距離遠、抗干擾能力強，采用多波束天線陣[2]，波束成形可以提高發射和接收時的天線增益，窄波束可以在空間上提高設備的抗干擾能力，但這也會導致硬件和組網協議等技術層面的復雜度增加。

4.5應用取巧

在一些特殊應用場景下，無線電波傳播損耗比較大，如在森林里電磁波傳播損耗為10_50dB。某研究者開發了一種天線延長桿及組件產品，其通過將多個內置饋線的天線延長桿拼裝成一個較長的天線延長桿，將天線安裝到桿頂部，使得天線可以伸出樹葉覆蓋區域，極大減少電磁波傳播損耗。同時，這種天線延長桿可以快速拆裝，方便攜帶。

5結束語

本文介紹了國內外寬帶自組網的技術現狀，包括國內外主要廠家的產品，并提出寬帶自組網技術的發展趨勢為寬窄融合、使用簡單、小型化、性能增強和應用取巧。