無線多跳防空警報遙控系統(tǒng)設(shè)計

李寶亮　徐筱麟　閆仁強

摘 要：針對目前無線大區(qū)制防空警報遙控系統(tǒng)中存在的二次報警能力弱和中心發(fā)射塔無線電信號覆蓋范圍有限等問題,提出一種基于超短波數(shù)傳電臺的無線多跳防空警報遙控系統(tǒng),在該系統(tǒng)中實現(xiàn)警報控制信號多跳傳輸。給出總體設(shè)計方案和關(guān)鍵設(shè)計技術(shù),并設(shè)計了一種適合該系統(tǒng)的路由協(xié)議。基于網(wǎng)絡(luò)仿真工具OPNET構(gòu)建了該系統(tǒng)的仿真框架,對系統(tǒng)常用業(yè)務(wù)進(jìn)行建模,分析系統(tǒng)警報發(fā)放時延和警報回示時延兩個重要參數(shù),仿真結(jié)果表明該系統(tǒng)性能達(dá)到設(shè)計要求,為解決現(xiàn)有系統(tǒng)中存在的上述問題提供了一個有效的可選方案。

關(guān)鍵詞：無線多跳;防空警報遙控系統(tǒng);信道接入控制;路由協(xié)議

中圖分類號：TN911文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

文章編號：1004-373X(2009)05-036-03

Design of Wireless Multi-hop Air-Raid Siren Remote Control System

LI Baoliang,XU Xiaolin,YAN Renqiang

(Institute of Communication Engineering,PLA University of Science & Technology,Nanjing,210007,China)

Abstract：According to the weakness of secondary alarming ability and the limitation of the radio range of central transmitter tower in the present wireless large covering air-raid siren remote control system,a new wireless self-organizing air-raid siren control system based on UHF data transceiver is proposed,which transports alarming control instruction by multi-hop mode.The overall design scheme and the key design technology are introduced.A routing protocol which is suitable for the system is designed.The system network simulation framework and its common applications mode based on OPNET is deve-loped.The important parameters of alarming informing delay and alarming feedback delay are analyzed.Simulation results indicate that it reaches the design demand and it is an effective alternative for schemes which try to resolve the problems in the present systems.

Keywords：wireless multi-hop;air-raid siren remote control system;channel access control;routing protocol

0 引 言

人民防空是國防的重要組成部分,也是現(xiàn)代城市建設(shè)的重要內(nèi)容。防空警報遙控系統(tǒng)作為戰(zhàn)時指揮的“神經(jīng)”和“耳目”,是人民防空的重要一環(huán)。防空警報遙控系統(tǒng)［1］由警報控制中心和警報器組成,警報控制中心根據(jù)需要通過有線或無線的方式控制警報器發(fā)出相應(yīng)的警報音響信號通知市民,警報器的將自身狀態(tài)及時回示給警報控制中心。目前,系統(tǒng)所采用的無線控制方式多為大區(qū)制集中式控制,即警報控制中心在高處建立一個大功率的發(fā)射塔,直接與所有警報器通信。但隨著城市規(guī)模不斷擴大,城市高樓越來越多,使得警報控制中心無線電信號覆蓋整個城市越來越難［2］,需要不斷地增加中繼臺以轉(zhuǎn)發(fā)信號。而且固定警報控制中心發(fā)射塔作為大功率輻射源戰(zhàn)時易受敵方攻擊,生存能力弱,二次報警和多次報警能力得不到保證。

針對上述無線控制方式的不足,提出了一種基于超短波數(shù)傳電臺的無線多跳防空警報遙控系統(tǒng)。在該系統(tǒng)中,每個警報器節(jié)點不僅可以與警報控制中心直通,還能根據(jù)需要自動轉(zhuǎn)發(fā)警報信號。因此,中心發(fā)射臺的警報信號便能經(jīng)過多跳到達(dá)每一個警報器。這就大大降低了中心發(fā)射塔的發(fā)射功率,使其便于移動隱蔽,提高了生存能力,也解決了無線大區(qū)制方式下無線電信號覆蓋難的問題。從一跳到多跳通信方式的轉(zhuǎn)變需要該系統(tǒng)采用新的路由協(xié)議,本文設(shè)計了一種適合于系統(tǒng)業(yè)務(wù)模式和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的路由協(xié)議。

1 無線多跳防空警報遙控系統(tǒng)設(shè)計

1.1 系統(tǒng)設(shè)計目標(biāo)

防空警報遙控系統(tǒng)由警報控制中心和分布在城區(qū)的警報器構(gòu)成。出于戰(zhàn)時生存能力的考慮,系統(tǒng)要求移動警報控制中心可以在全網(wǎng)任意移動,并以較小的發(fā)射功率控制整個系統(tǒng)。系統(tǒng)要能夠自動感知節(jié)點的移動和節(jié)點數(shù)目的增減,并選擇合適的路由路徑。系統(tǒng)要有高度的健壯性,部分警報節(jié)點被破壞不能影響系統(tǒng)其他部分的正常工作。警報發(fā)放的時延不超過1 s。

1.2 系統(tǒng)模型

系統(tǒng)模型如圖1所示,警報控制中心和警報器節(jié)點均由主控模塊和信道機模塊構(gòu)成。主控模塊采用嵌入式主機系統(tǒng),即節(jié)點控制器。警報器節(jié)點控制器實現(xiàn)節(jié)點的多跳組網(wǎng)、分組路由、信道接入、數(shù)據(jù)鏈路層驅(qū)動功能,并根據(jù)警報控制信息控制警報器產(chǎn)生各種警報信號。警報控制中心主控模塊主要接收來自警報處理中心的警報分組,送至信道機并接收警報器的回示信息。信道機模塊采用超短波數(shù)傳電臺,實現(xiàn)數(shù)據(jù)和路由信息等在空中接口的傳遞。

2 系統(tǒng)實現(xiàn)關(guān)鍵技術(shù)

2.1 介質(zhì)訪問控制協(xié)議(MAC)

設(shè)計超短波自組織網(wǎng)絡(luò)的一個關(guān)鍵問題是MAC機制的設(shè)計,它協(xié)調(diào)多個用戶有效地共享有限的超短波信道資源。無線自組網(wǎng)MAC協(xié)議主要分為競爭類和資源預(yù)留類兩大類。將CSMA/CA等競爭類MAC協(xié)議用于超短波信道會出現(xiàn)物理載波偵聽失效、虛擬載波偵聽效率低、暴露終端加劇和捕獲效應(yīng)明顯等問題,并不適合在超短波信道上直接使用［3］。系統(tǒng)采用TDMA靜態(tài)分配方式,并采用一種自動分配算法,根據(jù)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)節(jié)點數(shù)目、幀時長度、時隙大小和警報器節(jié)點ID,對警報器節(jié)點時隙進(jìn)行分配,每個警報器節(jié)點將獲得一個時隙用于數(shù)據(jù)的發(fā)送。

2.2 路由協(xié)議

無線多跳防空警報遙控系統(tǒng)有以下特點：通常警報控制中心發(fā)射塔的無線電傳輸范圍大于警報器節(jié)點的傳輸范圍,造成它們之間存在單向鏈路；警報發(fā)放通常以廣播和組播為主；警報器節(jié)點數(shù)據(jù)的發(fā)送通常是以警報控制中心為目的地；系統(tǒng)對警報發(fā)放的時延非常敏感等。按需距離矢量路由AODV(Multicast Ad Hoc On-demand Vector)［4］,動態(tài)源路由協(xié)議DSR(Dynamic Source Routing)［5］協(xié)議直接應(yīng)用于該系統(tǒng)會產(chǎn)生較大的時延,因此并不適合該系統(tǒng)。以一個警報發(fā)放過程對路由協(xié)議描述如下：

(1) 警報分組發(fā)放過程。警報分組發(fā)放過程采用洪泛法［6］。當(dāng)警報控制中心有警報要發(fā)送時,廣播一個警報分組SC(Siren Control Packet)。SC分組中包括警報控制中心地址,請求ID,目的地址和警報信息。警報控制中心地址和請求ID用于惟一標(biāo)識一個SC分組。警報器節(jié)點收到警報分組后,首先根據(jù)SC分組中的警報控制中心地址和請求ID查詢“歷史SC分組列表”,若表中已存在該SC分組的記錄,則丟棄該SC分組；否則,取出該SC分組中的警報指令交由上層處理,同時轉(zhuǎn)發(fā)該SC分組。

若警報器節(jié)點可以與警報控制中心直通,則稱其為警報控制中心的臨近節(jié)點。非臨近節(jié)點的回示分組只有通過臨近節(jié)點才能到達(dá)警報控制中心。

(2) 回示路徑的建立。在各個警報器節(jié)點洪泛SC的時候,若警報控制中心能夠正確地接收警報節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)的SC分組,則證明轉(zhuǎn)發(fā)該SC分組的警報節(jié)點是鄰近節(jié)點,中心節(jié)點把收到的所有臨近節(jié)點的地址填入一個Address分組,并在發(fā)送SC分組的一個時幀后廣播出去。收到Address分組的警報器節(jié)點將Address分組中的地址與自己地址比較,若自己的地址存在于Address分組中,則該節(jié)點為一個臨近節(jié)點,構(gòu)造一個回示通知分組并廣播出去。所有臨近節(jié)點廣播的回示通知分組具有相同的警報控制中心地址和請求ID,這樣系統(tǒng)中的警報器節(jié)點僅轉(zhuǎn)發(fā)一次該分組,經(jīng)過回示通知分組在系統(tǒng)內(nèi)的洪泛,這樣所有的節(jié)點都獲得了通過臨近節(jié)點到達(dá)警報控制中心的路徑,即回示通知分組的逆路徑。如圖2所示,警報器節(jié)點B,C能夠聽到A的Address分組,B,C通過比較Address分組中的地址與其自己地址,B發(fā)現(xiàn)自己為臨近節(jié)點,B廣播一個回示通知分組,C接收到B的回示通知分組后記下該路徑并轉(zhuǎn)發(fā),D收到C的回示通知分組后并轉(zhuǎn)發(fā),D也獲得了通過臨近節(jié)點B到A的路徑,即3,2,1。回示分組按建立的回示路徑進(jìn)行單播逐跳轉(zhuǎn)發(fā)至警報控制中心。

3 系統(tǒng)仿真結(jié)果

通過網(wǎng)絡(luò)仿真工具OPNET構(gòu)建了系統(tǒng)仿真平臺。仿真將一個警報控制中心和100個警報器節(jié)點放置在20 km×20 km的范圍內(nèi),模擬一個中等城市的防空警報遙控系統(tǒng)。超短波數(shù)傳電臺信道帶寬為19 200 b/s。移動警報控制中心和警報器節(jié)點無線發(fā)射距離分別為8 km和6 km。系統(tǒng)時隙數(shù)128,考慮電臺收發(fā)轉(zhuǎn)換時間為100 ms,同步時間為25 ms,每次發(fā)射時間為75 ms,所以設(shè)定時隙長為0.2 s,每次可發(fā)送數(shù)據(jù)180 B。

根據(jù)防空警報遙控系統(tǒng)的設(shè)計目標(biāo),設(shè)計三組仿真場景,分別選取城市中三個典型的位置作為移動警報控制中心位置，分別為城市中心,次中心和城市邊緣。仿真中業(yè)務(wù)模式設(shè)置為警報控制中心廣播SC分組,各個警報器節(jié)點收到SC分組后回示分組。仿真過程中收集警報發(fā)放時延和警報回示時延兩個統(tǒng)計量,仿真結(jié)果如圖3和圖4所示。

從仿真結(jié)果可以看出,警報控制中心能夠以較小的通信范圍控制整個系統(tǒng),解決了無線大區(qū)制集中控制方式下無線電信號覆蓋難的問題。圖3表明移動警報控制中心在不同的位置時警報發(fā)放時延均在4 s以內(nèi),達(dá)到設(shè)計目標(biāo)。由圖4可以看出警報回示時延最大為120 s。防空警報遙控系統(tǒng)對回示的實時性要求并不高,20 s的時延在可以承受的范圍之內(nèi)。

4 結(jié) 語

解決無線大區(qū)制防空警報遙控系統(tǒng)中存在二次報

警能力弱和中心發(fā)射塔無線電信號覆蓋范圍有限等問題是人防建設(shè)面臨的迫切問題,本文給出了一個防空警報遙控系統(tǒng)的無線多跳控制方式設(shè)計方案,研究確定了其MAC層協(xié)議,并設(shè)計了一個適合于防空警報遙控系統(tǒng)的路由協(xié)議，為解決現(xiàn)有系統(tǒng)中存在的問題提供了一個可供選擇的方案。下一步的工作重點將是研究實現(xiàn)該設(shè)計方案。

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作者簡介 李寶亮 男,1984年出生,河南衛(wèi)輝人,碩士生。主要研究方向為無線自組網(wǎng)在民防應(yīng)急通信中的應(yīng)用。