利用軟件定義無線電技術實現分散IP網絡間通信：極端災難條件下應急解決方案＊

陳佳瑋，王香懿，趙聞一，朱永卓，隋成林，孫昊昉，金 瑩

（沈陽化工大學機械與動力工程學院，遼寧 沈陽 110142）

1 項目研究背景

當前國內無線電通信技術已經普及，不僅給人們的生產生活提供便利，而且還應用于災難預測及搶險救災。但當遭受極端自然災害或外敵入侵的情況下，現有的互聯網可能會分散成多個物理分隔的子網。此外，現有的無線IP網絡技術（Wi-Fi、2.4 GHz和5 GHz）的傳輸距離有限，不能滿足物理距離較遠的互聯需求。基于上述假設，提出可在全頻段進行無線電傳輸的軟件定義無線電（Software Defined Radio，SDR）方案，以實現應急通信。近年來，商用無線通信技術雖然發展迅速，但卻缺乏與計算機設備的交互功能，導致其無法與災后殘余的部分互聯網/內聯網互通、無法實現地理覆蓋方面的互補。例如2008年汶川地震后，災區出現了大范圍的通信中斷。而現今常見無線通信技術，如手機、對講機、廣播等雖各有所長，但在穿透性能、傳播距離、時效性、穩定性等方面不能兼顧，難以實現全方位全時段的通聯。

2 可行性研究

現有的軟件無線電技術可對上述通訊短板作有益補充。根據《中華人民共和國無線電管理條例》和《業余無線電管理辦法》規定，在搶險救災期間，可突破業務無線電的頻率限定，在全頻段范圍內選擇可用通聯頻點。根據各頻段無線電傳輸情況，如表1所示，若分散型的網絡之間距離較近，可以使用UHF頻段；當分散型的網絡相距10～20 km，可以使用VHF頻段；當分散型的網絡距離過遠，可使用HF頻段。除了與相鄰的分散網絡或互聯網通聯外，利用HF頻段的無線電傳輸特點，也可以直接與遠方的非相鄰網絡或上級網絡通聯。利用本方案可以根據通聯需求或電磁干擾情況，靈活地選擇UHF、VHF、HF范圍內的頻點（RTL2832芯片配合R820T調諧芯片時支持24—1 766 MHz[1]），采用多種調制模式，靈活地與其他網絡通聯交換關鍵信息，以實現應急通信。

表1 各頻率無線電波傳輸特征

軟件無線電的全頻段通聯特性，再結合互聯網結點上的數字化SDR設備，能夠實現在全頻段快速選擇可用頻點與其他物理距離較遠的網絡通聯。如圖1所示，充分利用SDR的寬頻段、輕巧便攜、快速機動、成本較低、通信范圍較廣的優點，廣泛適用于地質災害、森林火災、洪澇災害、重大安全事故、應急出警等應急指揮條件下傳輸關鍵信息的場景。特別是戰爭期間，衛星通信網絡受限、軍用民用無線電頻點受到敵方壓制和監聽，此時更適合利用SDR的全頻段特性傳遞關鍵信息。

圖1 分散型網絡通過全頻段無線電技術互聯示意圖

本方案解決了災難或戰爭時的關鍵信息通信問題，避免了信息孤島，有助于保障極端條件下社會秩序的穩定，具有很大的現實意義和戰備價值。

3 主要原理和技術

3.1 主要原理

傳統的無線電通信模塊是用硬件電路來設計，一個通信電路只能完成一種通信功能，開發周期長、成本高，而且設計成型后無法變更功能。SDR設備將部分硬件功能交由軟件實現，具備全頻段的無線電信號的接收和發射功能[2]。軟件化可以加快通信模塊的開發速度，降低開發成本，便于調試和維護，確保了電臺的寬頻段和功能的靈活性，克服傳統無線電設備的“有限的頻譜”假設。

突發自然災害或戰爭沖突時，現有的基于IP協議的互聯網會中斷，路由協議收斂后形成了地理上分散的多個小型網絡。在這些分散網絡中，可以選擇合適的計算機節點架設SDR設備。例如選擇位于高層建筑或較高地勢的計算機，抑或是可以穩定供電的計算機，在上述節點接入SDR設備和合適的天線，并在事先約定好的頻點或使用應急廣播公布的頻點，與其他分散的小型網絡或應急通信管理中心通聯，并傳遞關鍵信息。此外，通過軟件算法，軟件無線電可實時配置相關通信功能，如改變頻點、調制模式、信號強度等，從而提供高可用性的無線通信業務。

收斂后形成的小型分散網絡同樣具有互聯的特性，屬于TCP/IP網絡，因此也可運行為互聯網或局域網設計的部分應用程序（如遠程桌面、遠程登錄、USB over network等軟件）。因此，進行緊急條件下通聯的操作者，可在殘余的小型網絡相對安全的節點，遠程操作本網絡內的SDR設備。

亦可在部分適宜架設無線電收發天線的網絡終端設備附近，預先布置SDR設備，并保證某些區域或園區的布點數，實現戰備通聯。

3.2 主要技術實現

當前基于IP通信網絡的互聯網或內聯網（Internet/Intranet），具備在整體網絡中斷后，殘余網絡可利用路由更新機制的自我組網功能。因此，可在此類網絡中，利用遠程登錄、遠程桌面等軟件，操作遠端計算機上的SDR設備，如圖2所示。

圖2 使用遠程桌面程序控制本網絡內電腦并操作其上的SDR設備

其次，利用USB over network技術[3]，也可以操作網絡內遠端計算機上基于USB接口的SDR設備，如圖3所示。上述2種技術方案可互為備份，也可依情況混合使用。

圖3 通過USBover network技術使用遠程聯網電腦上的USB設備

再次，由于RTL2832芯片的設計目標是接收部分頻點的無線電視信號（48.5—72.5 MHz、76—92 MHz、167—223 MHz、470—566 MHz、606—958 MHz），因此需要對設備進行驅動級別或電路級別的改造，收發0.15 MHz（150 kHz）—1 800 MHz的全頻率無線電信號。前期電路研究[4]和實驗表明，在RTL2832芯片預留的IQ通道接入天線和濾波電容后，可將射頻信號直接傳入主機，初步實現擴頻。

另外，發射模塊可采用2種技術方案，使用SDR接收模塊內嵌的發射電路[5]，或可利用商品化的SDR收發設備，如hack RF模塊等。

最后，由于不同的波長需要匹配不同尺寸的天線，本方案需要設計制作適用于多個無線電頻點的天線和天線調節器。根據不同頻點的傳播特性，擬采用偶極天線（DP）、八木天線（YAGI）、垂直天線（VER）等種類的天線，與SDR設備配套工作。

4 結論

本研究力求解決現代Internet/Intranet在極端災害或戰爭條件下，實體線路中斷后形成的網絡孤島間的緊急通信需求。而當前基于IP網絡的無線通訊標準的頻率較高、距離較短，不適用縣域或更廣距離上的通聯。因此，本研究引入了基于軟件定義無線電的遠程網絡通聯解決方案。

研究表明，基于計算機體系的軟件定義無線電設備，可方便地與計算機網絡聯合部署。極端災難時形成網絡孤島后，利用基于IP網絡的遠程控制軟件或USB over network技術，可遠程操作網絡孤島內的SDR設備。

軟件定義無線電設備可靈活地變換接收發射頻率、調制模式，實現各種距離下的傳輸，便捷地實現多個網絡孤島間應急通聯并傳遞重要信息。

以上表明，本研究提出的應急解決方案可適用于極端災難條件，有效地連通信息孤島，并減少人力物力的損耗，有助于保障極端條件下社會秩序的穩定，具有很高的現實意義和戰備價值。