军用宽带无线网状网结构设计

现代电子 2005年 第2期 25 军用宽带无线网状网结构设计 翟 彤 (中国电子科技集团公司第二十八研究所 南京 210007) 【摘 要】 本文探讨了宽带无线网状网技术的概念、特点、网络结构和网 络性能，在此基础上，设计了一种适合山区丘陵环境的军用宽带无线网络体系结 构，分析了这种结构的优越性。 【关键词】 无线网状网 IEEE 802．11 多射频 机动式战场 [Abstract] This paper discusses the conception，characteristics，architecture and performance of wireless wideband mesh network，upon which， designs a military wireless wideband network architecture adapting to the mountain and breck terrainandanalyzesthe advantagesofsucharchitecture． 【Keywords】 Wireless mesh network IEEE 802．1 1 Multi-RF Mobile battlefield 1 引言 现代机动式战场环境，不仅要求提供能够传输大容量数据的通信网络信道，而且对战 场通信的机动性、适存性、随机性、整体抗毁性提出了更高的要求。以往应用无线局域网 技术构建的无线网络系统只能工作于单一的频段和模式，传输信道窄、网络须设置中心节 点 (ROOT)，组网方式不够灵活，扩展能力和抗毁性能较差。随着无线通信技术和移动终 端技术的发展，形成了新一代的无线局域网技术，即宽带无线网状网技术，它有无中心、 自发现、自组织、自愈合、自动路由和高速移动通信等特点。 本文针对现代机动式战场通信需求，应用宽带无线网状网技术，构建一种适合山区丘 陵环境的军用宽带无线网络体系结构，解决通信网络传输信道窄、链路抗毁性差和传输不 稳定的问题。 2 宽带无线网状网技术简介 宽带无线网状网技术是随着无线局域网技术的发展而日渐成熟的宽带无线通信技术， 它由一组遵循IEEE 802．11系列标准的带有多个RF收发装置的移动终端节点组成，这些节 点按照一定的管理控制和路由协议构成一个多跳的无中心网络，网络中的终端节点可 以自由移动，地位相等，兼有路由器和主机两种功能。 宽带无线网状网是由若干移动节点组成的一个独立的IP网络。 2．1 无线网状网技术性能 · 支持标准：IEEE 802．11系列 (802．1la、801．1lb、802．1lg)、蓝牙； · 传输技术：正交频分复用技术 (OFDM)、直序扩频技术(DSSS)； · 多射频技术：支持无线频段有微波2．4GHz、5GHz； · 传输速率：最高54Mbps； 维普资讯 http://www.cqvip.com 现代电子工程 2005年 第2期 · 支持高速移动通信：移动速率不大于llOKm／h。 2．2 无线网状网特点 · 多频分级网络 网络的节点有多个通信频率，用不同频率实现不同级的通信，通信容量大，扩展性好。 · 无中心对等网络 终端用户无需中心设备直接组成对等网络，网络中各个节点，均具备双重角色，既是 用户终端，同时又可以承担网络中继的功能。 · 自组组网 新的终端进入无线网时，可实时地发现、建立和维护自己的路由，同时它的存在信 息将传递至网络中其它节点。 · 多路由、自平衡 在网络阻塞和节点故障时，可自动地形成新路由，保障通信的畅通，系统整体抗毁性 强；同时存在多条通信路由时，多条路由可同时工作，处理网络负载均衡。 2．3 移动节点组成 多射频无线网状网中的每个移动节点既是移动终端又是网络链路的中继点，主要由三 部分组成： · 硬件部分：主要由多个RF信号收发处理器、CPU、内存、MiniPCI总线和天线组成； · 软件部分：包括发现协议、路由协议、管理控制协议等； · 接口协议。 3 军用宽带无线网状网体系结构设计 3．1 机动战场典型通信需求分析 典型的战场通信环境举例： 第一种情况： 作战区域在丘陵地带，机动式指挥所各指挥车沿山区公路机动到阵地，在高速行进过 程中车辆之间进行数据通信。由于受地形地貌的影响，通信节点之间存在视距阻挡的情况， 即有 “山中通、动中通”的通信需求。 第二种情况： 在一个规模较大的机动作战区域内，移动通信节点较多，通信覆盖范围广，无现成的 通信设施可利用，机动式指挥所要快速部署、各级之间通信要快速沟通，且存在移动节点 (如单兵或保障要素)随机接入的情况，各级指挥所的阵地位置是动态变化的，指挥所之 间要求提供能够传输大容量数据甚至语音和视频信息的传输通道。 上述两种典型的通信环境的共同需求是：要求构建一种宽带的、支持高速移动通信的 无线网络通信系统，该系统要求具有动态自组网功能。 由于无线网状网数据通信带宽大，多跳衰减少，网络具有无中心、多路由、自发现、 自组织、自愈合等特点，支持高速移动通信，能满足上述典型战场通信环境需求，可以应 用无线网状网组网技术来构建一种适合军用的无线网络体系结构。 3．2 网络体系结构设计 维普资讯 http://www.cqvip.com 翟 彤 军用宽带无线网状网结构设计 27 · 珍珠链状结构； 针对第一种典型应用环境，机动式指挥所各载车沿山区公路高速行进，载车之间相距 较近，网络结构设计为珍珠链状结构，在山上架设中继站，解决非视距、有遮挡的情况下 车辆之间的通信。 珍珠链状结构如图1所示，其特点是： 指挥所沿山区公路机动时，车辆在高速行进中仍可以进行数据通信，指挥车从中继站l 的无线覆盖区域可无缝漫游至中继站2的无线覆盖区域，即实现了“动中通、山中通”。 · 分级结构 针对第二种典型应用环境，在一个作战区域内，节点种类繁多，且分布地理范围较广， 网络结构设计采用分级结构，将整个网络划分为多个区域，每个区域包括若干个骨干节点， 并为一定范围内的终端节点服务。骨干节点之间距离较远或因地形原因有阻挡，考虑在地 形高处架设中继站或升空平台，使骨干节点尽量覆盖所有普通节点，同时尽量保证每个普 通节点经过一跳或多跳能够接入骨干网络。骨干节点考虑冗余设计，备份节点可立即升级 为骨干节点，或者普通节点自动调整加入相邻区域。这样，即使某个骨干节点受到干扰或 破坏，不会影响整个系统的连通性。 分级结构网络如图 2所示，将整个网络划分为三级：终端节点、地面骨干节点和空中 中继平台。其中终端节点：如单兵或各战场保障要素就近接入地面骨干节点。地面骨干节 点：如坦克、装甲车或指控通信车，车上装备了配置多射频模块的无线网状网设备，分别 负责管理和维护终端节点，以及实现地面骨干节点的互连，扩展网络覆盖范围。空中中继 维普资讯 http://www.cqvip.com 28 现代电子工程 2005年 第2期 平台：利用直升飞机等作为空中中继点，其上同样装备了配置多射频模块的无线网状网设 备，用于维护相距较远或因地貌影响受阻挡的骨干节点之间的通信，或者在地面骨干节点 失效时，充当地面骨干节点的备份，提高整个系统的可靠性和抗毁性。 这种三级立体式网络结构的特点是：通信覆盖范围广，通信节点多，组网机动灵活， 系统整体抗毁性强，传输稳定，并且克服了以往无线通信传输信道窄的问题。 图2 三级网络体系结构图 4 宽带无线网状网性能统计分析 4．1 传统无线局域网的局限性 以往应用无线局域网技术构建的网络系统，主要有以下三点局限性： · 采用单频网络，无法同时进行数据的接收和发送，多跳网络吞吐量衰减大，无法实 现大容量数据传输，通信覆盖范围小。 · 网络必须设置中心节点(ROOT)，节点之间管理控制信息占用网络链路开销大：而 且网络整体抗毁性差，一旦中心节点出现故障，整个网络瘫痪，无自组织、自愈合能力。 · 高速移动通信功能弱，动中通信不稳定。 4．2 宽带无线网状网的性能分析 宽带无线网状网的优越性之一：采用多频分级网络，网络中的节点有多个频段，因而 多跳衰减少，通信容量优于单频网络。 单频网络和多频网络性能分析如下： 图 3是单频网络和多频网络性能统计分析示意图。左边为单频网络结构，每个节点只 有一个射频模块；右边为三射频网络结构，每个节点有三个射频模块，分别实现上行、下 行 (骨干链路)通信和与终端通信。 我们利用网络测试工具，分别对单频网络和多频网络进行多跳网络性能测试，测试情 况如下：单射频网络多跳性能测试采用l1个节点 (每个节点含一个射频模块)串行连接， 节点l经过10跳到节点l1，每跳链路吞吐量衰减到1／”甚至l／2 。(n为跳数)，即5跳之 维普资讯 http://www.cqvip.com 翟 彤 军用宽带无线网状网结构设计 后，网络已损失了80％～94％的链路吞吐量。 ⋯ 旧 ■l⋯I 一一嘲 l 错 ⋯ ⋯ ⋯ ． ． WR2 l-l 一一一一囹 r= ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ． 嘲 }|I I 802．11a模块．上行链路。l信道 (⋯ ⋯ ) _ 802．11a模块， 链器，6 (，----- 圈 802 ． 11big~ ．终端节点覆盖 (1·tlI ) 图3 单频网络与多频网络示意图 三射频网络多跳性能测试同样采用11个节点 (每个节点含三个射频模块)串行连接， 节点1经过10跳到节点1l，测试结果如表1所示，在无噪音环境下网络只失去了共4％的 链路吞吐量，在实际环境中损失40％。10跳延时结果：对于32字节的包只延迟了15ms，1400 字节信息包只延迟了25ms。 表1 网络吞吐量 跳数 (Mbps) l 2 3 4 5 6 7 8 9 10 无噪音环境 23．8O 23．8O 23．7O 23．5O 23．4O 23．4O 23．3O 23．2O 23．1O 22．9O 实际环境 21．3O 2O．15 l9．15 l8．7O l7．8O l6．55 l5．2O l4．25 l3．OO l2．15 测试结果表明：多频网络在通信容量和多跳传输衰减性能方面明显优于以往的单频网络。 优越性之二：宽带无线网状网是一个无中心的网络，无需设置ROOT，网中的每个终端 可以自由移动，地位相等，网络具有自发现、自组织、自路由的功能。这种网络结构有较 好的扩展性，整体抗毁能力强，任何一个节点故障，系统会迅速建立新路由，不会影响整 个网络的连通性。 宽带无线网状网的优越性之三：支持高速移动通信，终端节点在高速移动中可从一个 无线覆盖区域无缝漫游到下一个无线覆盖区域。 5 结束语 宽带无线网状网技术是近两年发展起来的新一代无线局域网技术，这种技术已被美军 应用于机动战场环境，国内的某些项目正在对其组网技术和性能进行试验和验证，这种新 型的网络构架技术在我军综合电子信息系统中将具有良好的应用前景。 (下转第40页) 忿 维普资讯 http://www.cqvip.com 4O 现代电子工程 2005年 第2期 配置命令： ·TCP over X．25的链路状态监视配置 Debug x25 tcp l ink—status Logging x．x．x．x 参数 含义 X．X．X．X LOG服务器的IP地址 3．4 备份功能 从安全性、可靠性以及系统本身的备份特性来考虑，TCP over X．25的端口备份功能是 必需的。TCP over X．25的端口备份功能，是指当主端口故障时，能自动启用备份端口。来 自TCP的连接请求将自动转接到备份的端口上：来自备份端口的X．25连接请求将会连接到 和主端口对应的远端的IP端口上。端口的备份功能保证了在主端口故障时数据的正常传输， 使系统有了安全可靠的保证。另外在不冲突的情况下，备份端口可以象正常的端口一样使 用；一个备份端口可以作为N个主端口的备份 (N：l的方式)。 4 结束语 TCP over X．25技术简化了程序员的工作，具有可移植性，目前它已经应用于飞行情报 数据库及处理系统中，正处于试运行阶段。在以后的实际应用中可以对其灵活使用，在实 践中对其进行完善、提高。 参考文献 [1]石柏铭 等编著．计算机通信网与开放系统互连技术．人民邮电出版社．1993年4月 【作者简介】 宋加强，男 (1976-)，中国电子科技集团公司第二十八研究所助理工程师，主要从事 网络接口、数据通信等方面的研究工作。 黄建斌，男(1966一)，空军驻沪宁地区军事代表，主要从事航空管制、产品检验等方 面的研究工作。 (上接第29页) 参考文献 [1]郑相全等编著．无线自组网技术实用．清华大学出版社．2004年6月 [2]Jim Geier著．王群、李馥娟、叶清扬译．无线局域网．人民邮电出版社．2001年4月 【作者简介】 翟 彤，女(1969一)，工程师，主要从事指挥自动化系统总体设计和集成工作。 维普资讯 http://www.cqvip.com