利用軟件定義無線電技術(shù)實現(xiàn)分散IP網(wǎng)絡(luò)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(nèi)無線電通信技術(shù)已經(jīng)普及，不僅給人們的生產(chǎn)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(xiàn)有的互聯(lián)網(wǎng)可能會分散成多個物理分隔的子網(wǎng)。此外，現(xiàn)有的無線IP網(wǎng)絡(luò)技術(shù)（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(lián)需求?；谏鲜黾僭O(shè)，提出可在全頻段進行無線電傳輸?shù)能浖x無線電（Software Defined Radio，SDR）方案，以實現(xiàn)應急通信。近年來，商用無線通信技術(shù)雖然發(fā)展迅速，但卻缺乏與計算機設(shè)備的交互功能，導致其無法與災后殘余的部分互聯(lián)網(wǎng)/內(nèi)聯(lián)網(wǎng)互通、無法實現(xiàn)地理覆蓋方面的互補。例如2008年汶川地震后，災區(qū)出現(xiàn)了大范圍的通信中斷。而現(xiàn)今常見無線通信技術(shù)，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(wěn)定性等方面不能兼顧，難以實現(xiàn)全方位全時段的通聯(lián)。

2 可行性研究

現(xiàn)有的軟件無線電技術(shù)可對上述通訊短板作有益補充。根據(jù)《中華人民共和國無線電管理條例》和《業(yè)余無線電管理辦法》規(guī)定，在搶險救災期間，可突破業(yè)務無線電的頻率限定，在全頻段范圍內(nèi)選擇可用通聯(lián)頻點。根據(jù)各頻段無線電傳輸情況，如表1所示，若分散型的網(wǎng)絡(luò)之間距離較近，可以使用UHF頻段；當分散型的網(wǎng)絡(luò)相距10～20 km，可以使用VHF頻段；當分散型的網(wǎng)絡(luò)距離過遠，可使用HF頻段。除了與相鄰的分散網(wǎng)絡(luò)或互聯(lián)網(wǎng)通聯(lián)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(wǎng)絡(luò)或上級網(wǎng)絡(luò)通聯(lián)。利用本方案可以根據(jù)通聯(lián)需求或電磁干擾情況，靈活地選擇UHF、VHF、HF范圍內(nèi)的頻點（RTL2832芯片配合R820T調(diào)諧芯片時支持24—1 766 MHz[1]），采用多種調(diào)制模式，靈活地與其他網(wǎng)絡(luò)通聯(lián)交換關(guān)鍵信息，以實現(xiàn)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(lián)特性，再結(jié)合互聯(lián)網(wǎng)結(jié)點上的數(shù)字化SDR設(shè)備，能夠?qū)崿F(xiàn)在全頻段快速選擇可用頻點與其他物理距離較遠的網(wǎng)絡(luò)通聯(lián)。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(yōu)點，廣泛適用于地質(zhì)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(guān)鍵信息的場景。特別是戰(zhàn)爭期間，衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)受限、軍用民用無線電頻點受到敵方壓制和監(jiān)聽，此時更適合利用SDR的全頻段特性傳遞關(guān)鍵信息。

圖1 分散型網(wǎng)絡(luò)通過全頻段無線電技術(shù)互聯(lián)示意圖

本方案解決了災難或戰(zhàn)爭時的關(guān)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(wěn)定，具有很大的現(xiàn)實意義和戰(zhàn)備價值。

3 主要原理和技術(shù)

3.1 主要原理

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

突發(fā)自然災害或戰(zhàn)爭沖突時，現(xiàn)有的基于IP協(xié)議的互聯(lián)網(wǎng)會中斷，路由協(xié)議收斂后形成了地理上分散的多個小型網(wǎng)絡(luò)。在這些分散網(wǎng)絡(luò)中，可以選擇合適的計算機節(jié)點架設(shè)SDR設(shè)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(wěn)定供電的計算機，在上述節(jié)點接入SDR設(shè)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(wǎng)絡(luò)或應急通信管理中心通聯(lián)，并傳遞關(guān)鍵信息。此外，通過軟件算法，軟件無線電可實時配置相關(guān)通信功能，如改變頻點、調(diào)制模式、信號強度等，從而提供高可用性的無線通信業(yè)務。

收斂后形成的小型分散網(wǎng)絡(luò)同樣具有互聯(lián)的特性，屬于TCP/IP網(wǎng)絡(luò)，因此也可運行為互聯(lián)網(wǎng)或局域網(wǎng)設(shè)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(lián)的操作者，可在殘余的小型網(wǎng)絡(luò)相對安全的節(jié)點，遠程操作本網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的SDR設(shè)備。

亦可在部分適宜架設(shè)無線電收發(fā)天線的網(wǎng)絡(luò)終端設(shè)備附近，預先布置SDR設(shè)備，并保證某些區(qū)域或園區(qū)的布點數(shù)，實現(xiàn)戰(zhàn)備通聯(lián)。

3.2 主要技術(shù)實現(xiàn)

當前基于IP通信網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)網(wǎng)或內(nèi)聯(lián)網(wǎng)（Internet/Intranet），具備在整體網(wǎng)絡(luò)中斷后，殘余網(wǎng)絡(luò)可利用路由更新機制的自我組網(wǎng)功能。因此，可在此類網(wǎng)絡(luò)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(shè)備，如圖2所示。

圖2 使用遠程桌面程序控制本網(wǎng)絡(luò)內(nèi)電腦并操作其上的SDR設(shè)備

其次，利用USB over network技術(shù)[3]，也可以操作網(wǎng)絡(luò)內(nèi)遠端計算機上基于USB接口的SDR設(shè)備，如圖3所示。上述2種技術(shù)方案可互為備份，也可依情況混合使用。

圖3 通過USBover network技術(shù)使用遠程聯(lián)網(wǎng)電腦上的USB設(shè)備

再次，由于RTL2832芯片的設(shè)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(shè)備進行驅(qū)動級別或電路級別的改造，收發(fā)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(xiàn)擴頻。

另外，發(fā)射模塊可采用2種技術(shù)方案，使用SDR接收模塊內(nèi)嵌的發(fā)射電路[5]，或可利用商品化的SDR收發(fā)設(shè)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(shè)計制作適用于多個無線電頻點的天線和天線調(diào)節(jié)器。根據(jù)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(shè)備配套工作。

4 結(jié)論

本研究力求解決現(xiàn)代Internet/Intranet在極端災害或戰(zhàn)爭條件下，實體線路中斷后形成的網(wǎng)絡(luò)孤島間的緊急通信需求。而當前基于IP網(wǎng)絡(luò)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(lián)。因此，本研究引入了基于軟件定義無線電的遠程網(wǎng)絡(luò)通聯(lián)解決方案。

研究表明，基于計算機體系的軟件定義無線電設(shè)備，可方便地與計算機網(wǎng)絡(luò)聯(lián)合部署。極端災難時形成網(wǎng)絡(luò)孤島后，利用基于IP網(wǎng)絡(luò)的遠程控制軟件或USB over network技術(shù)，可遠程操作網(wǎng)絡(luò)孤島內(nèi)的SDR設(shè)備。

軟件定義無線電設(shè)備可靈活地變換接收發(fā)射頻率、調(diào)制模式，實現(xiàn)各種距離下的傳輸，便捷地實現(xiàn)多個網(wǎng)絡(luò)孤島間應急通聯(lián)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(wěn)定，具有很高的現(xiàn)實意義和戰(zhàn)備價值。