戰(zhàn)術(shù)電臺(tái)組網(wǎng)波形中的多址技術(shù)研究﹡

叢 鍵，張玉哲，張海燕

（西南通信技術(shù)研究所，四川 成都 610041）

0 引言

由于硬件處理能力的進(jìn)步使得戰(zhàn)術(shù)通信裝備在發(fā)展趨勢(shì)上，功能集成度日益提高，從信道設(shè)備演變?yōu)閭鬏斣O(shè)備，并進(jìn)一步發(fā)展為具備完整無線組網(wǎng)能力的戰(zhàn)術(shù)通信節(jié)點(diǎn)。在以美軍聯(lián)合戰(zhàn)術(shù)無線電系統(tǒng) JTRS等計(jì)劃為代表的新一代戰(zhàn)術(shù)電臺(tái)中，集成適應(yīng)多種應(yīng)用環(huán)境、支持多種頻段、信道帶寬和組網(wǎng)使用方式的多功能組網(wǎng)波形，稱為戰(zhàn)術(shù)通信技術(shù)中一個(gè)主要的發(fā)展方向。

另一方面，新型的組網(wǎng)波形技術(shù)不再同特定的戰(zhàn)術(shù)電臺(tái)平臺(tái)綁定，而作為獨(dú)立的項(xiàng)目計(jì)劃開展研發(fā)工作，其中一些重要的研究項(xiàng)目如 JTRS的寬帶組網(wǎng)波形（WNW）、士兵無線電波形（SRW）、作戰(zhàn)人員信息網(wǎng)（WIN-T）的高波段組網(wǎng)波形（HNW）、洛克韋爾科林斯公司的FlexNet波形、戰(zhàn)術(shù)目標(biāo)瞄準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)（TTNT）和哈里斯公司的自適應(yīng)寬帶組網(wǎng)波形（ANW2）等。

目前仍處于發(fā)展中的這些新型戰(zhàn)術(shù)組網(wǎng)波形，其主要特征之一就是從傳統(tǒng)波形的基帶信號(hào)處理功能，包括同步、調(diào)制解調(diào)、信道編碼等物理層技術(shù)，發(fā)展為涵蓋無線組網(wǎng)和路由、數(shù)據(jù)鏈路層、信道訪問控制、資源調(diào)度等完整功能的無線協(xié)議棧（WPS）。并且由于新一代戰(zhàn)術(shù)電臺(tái)定位于戰(zhàn)術(shù)通信系統(tǒng)中業(yè)務(wù)系統(tǒng)子網(wǎng)、有線骨干網(wǎng)與無線網(wǎng)絡(luò)的邊界節(jié)點(diǎn)，因此在戰(zhàn)術(shù)組網(wǎng)波形中集成了有無線網(wǎng)關(guān)和邊界路由器的能力，可以有效地優(yōu)化組網(wǎng)性能，并簡化戰(zhàn)術(shù)通信系統(tǒng)的裝備體系。

由于戰(zhàn)術(shù)應(yīng)用環(huán)境的特殊性，通常缺乏通信基礎(chǔ)設(shè)施的支撐，戰(zhàn)術(shù)電臺(tái)的組網(wǎng)使用方式通常需要符合無中心、自組織、自愈合的要求，同時(shí)戰(zhàn)術(shù)節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)性使得戰(zhàn)術(shù)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)具有高度動(dòng)態(tài)變化的特征。另一方面在作戰(zhàn)集結(jié)、行軍、作戰(zhàn)展開等不同應(yīng)用場景和地域環(huán)境里，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)規(guī)模和節(jié)點(diǎn)密度會(huì)具有很大的差異性，而隨著聯(lián)合作戰(zhàn)協(xié)同打擊等作戰(zhàn)模式的發(fā)展，情報(bào)偵察、指揮控制和武器控制等戰(zhàn)術(shù)業(yè)務(wù)對(duì)于時(shí)效性、帶寬流量和網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍等功能性能指標(biāo)的要求大幅提升。

戰(zhàn)術(shù)無線網(wǎng)絡(luò)中，在沒有中心控制節(jié)點(diǎn)進(jìn)行資源分配和調(diào)度的情況下，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)間根據(jù)不同的業(yè)務(wù)需求，為實(shí)現(xiàn)無線信道資源的高效率共享，針對(duì)移動(dòng)自組織網(wǎng)絡(luò)無線鏈路層的多址技術(shù)成為戰(zhàn)術(shù)通信中的重要研究方向。

文中針對(duì)戰(zhàn)術(shù)無線通信中的多址技術(shù)，首先分析了幾種重要的無線多址技術(shù)體制，并針對(duì)戰(zhàn)術(shù)電臺(tái)組網(wǎng)波形中采用混合體制的多址技術(shù)進(jìn)行了研究，提出了相應(yīng)的設(shè)計(jì)方案。

1 無線組網(wǎng)中的多址技術(shù)

1.1 載波偵聽多址接入（CSMA）

載波偵聽多址接入（CSMA）是基于概率的信道訪問控制協(xié)議，CSMA機(jī)制中，通信節(jié)點(diǎn)在發(fā)射信號(hào)前通過接收機(jī)對(duì)信道資源被其他節(jié)點(diǎn)業(yè)務(wù)的占用情況進(jìn)行檢測(cè)，并采取一定的策略實(shí)現(xiàn)多用戶對(duì)信道的共享訪問，常用策略包括:

1）1-persistent（沖突檢測(cè)CSMA/CD）:發(fā)送節(jié)點(diǎn)在準(zhǔn)備發(fā)送數(shù)據(jù)前對(duì)物理介質(zhì)的占用情況進(jìn)行檢測(cè)，并保持偵聽直到信道空閑后發(fā)送一幀數(shù)據(jù)，當(dāng)訪問信道發(fā)生沖突時(shí)，發(fā)送節(jié)點(diǎn)在嘗試重新發(fā)射前隨機(jī)回退一個(gè)時(shí)間窗，1-persistent通常用于CSMA/CD系統(tǒng)包括以太網(wǎng)；

2）P-persistent（沖突回避 CSMA/CA）:與1-persistent機(jī)制不同，當(dāng)信道空閑時(shí)，發(fā)送節(jié)點(diǎn)以P為概率決定是否發(fā)射數(shù)據(jù)，或延遲到下一個(gè)可用時(shí)間窗，P-persistent通常用于CSMA/CA系統(tǒng)包括802.11與其他一些分組無線系統(tǒng)；

在IEEE 802.11x系統(tǒng)[1]中，CSMA/CA機(jī)制通過節(jié)點(diǎn)間交互RTS/CTS分組的方式進(jìn)行了完善，以解決無線網(wǎng)絡(luò)中的隱藏終端問題。無線系統(tǒng)中空中信號(hào)格式對(duì)CSMA/CA性能有明顯影響，在理想傳播環(huán)境模型中，在網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)負(fù)載較低的條件下，結(jié)合CSMA/CA與 IEEE 802.11 RTS/CTS機(jī)制，采用直接序列擴(kuò)頻（DSSS）調(diào)制可以獲得全網(wǎng)最佳吞吐性能，相比跳頻信號(hào)（FHSS）體制在吞吐能力上有較大優(yōu)勢(shì)，但是在實(shí)際傳播環(huán)境中，兩種信號(hào)體制的性能基本相當(dāng)。

1.2 定向時(shí)分多址接入（Directional TDMA）

（1）高波段組網(wǎng)波形（HNW）

哈里斯公司為高波段網(wǎng)絡(luò)電臺(tái)（HNR）設(shè)計(jì)了HNW（v2.0/2.1/2.2/ 3.0）作為空中接口，HNW[2]的物理層支持兩種配置:基于ASIC的OFDM調(diào)制解調(diào)器、基于VHDL的單載波調(diào)制解調(diào)器，調(diào)制方式包括O-QPSK、16QAM，并分別支持兩種信道編碼速率。

HNW通過方向性天線組網(wǎng)（DNT）與時(shí)隙自動(dòng)調(diào)度實(shí)現(xiàn)頻率復(fù)用，并根據(jù)鏈路條件動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)吞吐量。在美軍的WIN-T和FCS-C計(jì)劃中均采用HNW作為戰(zhàn)術(shù)通信中無線骨干網(wǎng)的傳輸波形解決方案。

HNW與多數(shù)Adhoc組網(wǎng)波形的區(qū)別是基于窄波束方向性天線設(shè)計(jì)，因此哈里斯研發(fā)了定向TDMA協(xié)議用于調(diào)度信道，在HNW的DTDMA協(xié)議中，調(diào)度器不僅控制節(jié)點(diǎn)間鏈路訪問通信信道的時(shí)間窗口，同時(shí)還控制鏈路對(duì)應(yīng)的信號(hào)傳播方向。通過方向性天線所實(shí)現(xiàn)的空中信號(hào)在不同傳播方向上的良好隔離度，DTDMA可以同一地域、頻點(diǎn)和時(shí)間窗口上實(shí)現(xiàn)多條用戶鏈路的復(fù)用，從而有效提升組網(wǎng)波形的頻譜效率。

（2）定向組網(wǎng)波形（DNW）

DNW是2004年由波音公司（Phantom Works）主導(dǎo)開發(fā)的一種動(dòng)態(tài)、Adhoc、支持寬帶通信的Mesh網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，規(guī)劃能力和指標(biāo)優(yōu)于通用數(shù)據(jù)鏈CDL，用于為飛機(jī)、艦船和岸基站點(diǎn)等平臺(tái)之間構(gòu)建安全的、可移動(dòng)的IP通信鏈路，并提供用戶之間可靠的路由能力。

DNW 的主要技術(shù)特征包括基于全 IP、波音開發(fā)的寬帶空時(shí)分多址接入、基于電調(diào)相控陣的快速切換定向天線技術(shù)，可提供高效頻率復(fù)用能力、支持長距離高速傳輸，并滿足軍事應(yīng)用中的抗干擾和空中信號(hào)低檢測(cè)特性。

DNW的設(shè)計(jì)目的用于承載高速ISR數(shù)據(jù)、非傳統(tǒng)ISR數(shù)據(jù)（C2）及其他骨干網(wǎng)業(yè)務(wù)，可替代部分通常由衛(wèi)星承擔(dān)的任務(wù)，并達(dá)到比當(dāng)時(shí)的數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)（主要指Link-16）高3個(gè)數(shù)量級(jí)（1000倍）的吞吐能力。

1.3 按需分配多址接入（DAMA）

按需分配多址接入（DAMA，Demand Assigned Multi Access）最初是為美國政府使用而開發(fā)的一種非專利通信技術(shù)，DAMA技術(shù)基于一種假設(shè)，即不是系統(tǒng)中所有用戶都會(huì)同時(shí)訪問信道，每個(gè)用戶對(duì)通信資源具備較低或中等程度的使用要求，在資源使用特征上用戶呈現(xiàn)臨時(shí)性或偶爾占用的特征，因此可以采用按需分配的DAMA機(jī)制，為非固定占用信道的用戶分配通信資源。

DAMA對(duì)應(yīng)于固定分配多址接入（PAMA，Permanently Assigned MA），都是針對(duì)已完成多址劃分的信道資源進(jìn)行分配的方案，而不同于CDMA、TDMA、FDMA這些將通信信道（物理信道）劃分為多個(gè)邏輯信道（虛擬信道）的多址訪問/信道復(fù)用方式。

在UHF SATCOM系統(tǒng)中采用的TDMA+DAMA協(xié)議（MIL-STD-188-181B/182A/183A）中，通過將單一MILSATCOM信道劃分為幀（frame），并將幀進(jìn)一步劃分為時(shí)隙（timeslot），通過多址訪問服務(wù)的方式將時(shí)隙分發(fā)給終端用戶，實(shí)現(xiàn)多個(gè)終端共享單一信道的目標(biāo)。

為填補(bǔ)移動(dòng)用戶目標(biāo)系統(tǒng)MUOS部署完成前的空檔期，為UHF SATCOM開發(fā)的綜合波形（IW，Integrated Waveform）對(duì)傳統(tǒng)DAMA協(xié)議進(jìn)行了優(yōu)化，通過去除了協(xié)議中的服務(wù)配置和信道格式限制，IW協(xié)議大幅度提高了用戶容量，并且明顯改善了傳統(tǒng)DAMA協(xié)議中對(duì)信道資源的利用效率

在戰(zhàn)術(shù)電臺(tái)網(wǎng)絡(luò)中，由于DAMA易于建模實(shí)現(xiàn)簡便，并適合軍事應(yīng)用需求，因此在一些戰(zhàn)術(shù)電臺(tái)組網(wǎng)方案中也有應(yīng)用。哈里斯公司在開發(fā)的高波段組網(wǎng)波形（HNW）中，采用了定向TDMA（Directional TDMA）與優(yōu)化的DAMA協(xié)議構(gòu)建移動(dòng)Ad hoc戰(zhàn)術(shù)電臺(tái)網(wǎng)絡(luò)。

1.4 正交頻分多址接入（OFDMA）

正交頻分多址接入是針對(duì)OFDM體制物理層接口而設(shè)計(jì)的多址訪問方案，通過將OFDM系統(tǒng)中的子載波集合分配給不同用戶實(shí)現(xiàn)多用戶對(duì)信道資源的多址訪問，OFDMA方案的主要優(yōu)勢(shì)在于:

①OFDM體制對(duì)于多徑干擾具有更好的穩(wěn)健性和較低的實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度；②OFDMA提供的平坦衰落信道相比CDMA的rake接收方式可實(shí)現(xiàn)更高的頻譜效率；③可以在網(wǎng)內(nèi)不同節(jié)點(diǎn)對(duì)間并發(fā)多個(gè)低速數(shù) 據(jù)流；④相比TDMA方式，低數(shù)據(jù)率用戶可以采用較低的發(fā)射功率；⑤相對(duì)較低與恒定的傳輸延遲；⑥由于減少了單用戶占用的子載波數(shù)量，相對(duì)OFDM+TDMA系統(tǒng)進(jìn)一步改善了對(duì)抗衰落和干擾的能力；⑦通過在相鄰小區(qū)間采用不同的子載波交織排列圖案，可以起到干擾白化的效果；⑧易于實(shí)現(xiàn)在不同頻段上的應(yīng)用；⑨通過分布式子載波分配可以獲得頻率分集效果；⑩可以為不同用戶分配的子載波集合獨(dú)立進(jìn)行功率控制。

基于信道條件反饋信息與自適應(yīng)子載波分配方案的閉環(huán)控制機(jī)制，當(dāng)控制操作足夠及時(shí)，可以明顯改善OFDM系統(tǒng)對(duì)抗快衰落和信道間窄帶干擾的能力，從而提高系統(tǒng)頻譜效率。通過為不同用戶獨(dú)立分配子載波，可以支持用戶對(duì)QoS包括數(shù)據(jù)速率和誤碼性能的不同需求。OFDMA可以視為OFDM、TDMA、FDMA方式的組合運(yùn)用，信道資源在時(shí)頻空間（子載波/時(shí)隙）上進(jìn)行劃分，由于其良好的可伸縮性和對(duì)MIMO技術(shù)的支持能力，因此非常適合于作為寬帶無線網(wǎng)絡(luò)的多址解決方案。

2 戰(zhàn)術(shù)電臺(tái)組網(wǎng)波形的多址方案

美軍新一代的戰(zhàn)術(shù)電臺(tái)組網(wǎng)波形中，通常采用基于多種體制的混合多址方案，例如波音公司的WNW和洛克韋爾科林斯的FlexNet就采用了基于動(dòng)態(tài)TDMA+FDMA的混合多址技術(shù)，稱為正交域多址接入（ODMA），在士兵無線電波形SRW中則采用了動(dòng)態(tài)TDMA+CSMA的多址方案。

2.1 寬帶組網(wǎng)波形（WNW）

寬帶組網(wǎng)波形（WNW，Wideband Networking Waveform）在JTRS中定位于提供戰(zhàn)術(shù)邊緣無線子網(wǎng)的互連以及較低層次（營、連）的戰(zhàn)術(shù)無線骨干網(wǎng)能力，WNW 采用自適應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)用于優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)路由性能與穩(wěn)定性，針對(duì)地面車載應(yīng)用進(jìn)行了優(yōu)化，適用于不同節(jié)點(diǎn)容量的網(wǎng)絡(luò)與中等移動(dòng)速度的應(yīng)用。

JTRS WNW 項(xiàng)目的主承包商為波音公司，WNW的協(xié)議棧結(jié)構(gòu)如圖1所示，在JTRS近年的相關(guān)測(cè)試中，WNW 經(jīng)驗(yàn)證可支持的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)容量約200個(gè)，計(jì)劃實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)為1360個(gè)。根據(jù)不同應(yīng)用需求，WNW在物理層支持4類空中信號(hào)格式（SiS），分別對(duì)應(yīng)于寬帶OFDM模式、帶寬效率調(diào)制BEAM、抗干擾模式AJ、低檢測(cè)模式LPD，如表1所示。

圖1 WNW的協(xié)議棧結(jié)構(gòu)

WNW 將其無線協(xié)議棧劃分為移動(dòng)子網(wǎng)層（MI）、移動(dòng)數(shù)據(jù)鏈路層（MDL）和空中信號(hào)SiS，其中在MDL層包括了信道資源的劃分（ODMA）和調(diào)度（USAP）功能。

表1 WNW的空中信號(hào)格式

2.2 正交域多址接入（ODMA）

考慮到網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)規(guī)模容量和對(duì)高節(jié)點(diǎn)密度應(yīng)用場景的支持能力，WNW 在多址方式上采用了基于FDMA+TDMA的混合體制（如圖2所示），并定義了區(qū)域訪問節(jié)點(diǎn)（RAP）和高級(jí)節(jié)點(diǎn)（AN），以實(shí)現(xiàn)路由的匯聚抽象功能，并改善網(wǎng)絡(luò)連通性。

2.3 統(tǒng)一時(shí)隙分配協(xié)議（USAP）

統(tǒng)一時(shí)隙分配協(xié)議（USAP[3-4]，Unifying Slot Assignment Protocol）是一種分布式的動(dòng)態(tài)TDMA時(shí)隙分配協(xié)議，應(yīng)用于移動(dòng)多跳分組無線網(wǎng)絡(luò)，其時(shí)幀結(jié)構(gòu)如圖3所示。USAP協(xié)議中，發(fā)射節(jié)點(diǎn)從相鄰節(jié)點(diǎn)（兩跳范圍內(nèi)）沒有占用的“時(shí)隙池”中，利用通告和確認(rèn)的方式實(shí)現(xiàn)TDMA時(shí)隙的申請(qǐng)與分配，并解決由于失步或節(jié)點(diǎn)移動(dòng)所引起的時(shí)隙分配沖突。

圖2 WNW的多址方案

圖3 統(tǒng)一時(shí)隙分配協(xié)議的時(shí)幀結(jié)構(gòu)

USAP可以實(shí)現(xiàn)無競爭（contention-free）的TDMA調(diào)度，所有資源分配沖突都可以檢測(cè)和解決，不會(huì)產(chǎn)生“活鎖（livelock）”問題，因此 USAP可以作為不同類型動(dòng)態(tài)TDMA方案的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)。

USAP-MA是USAP協(xié)議族中的多址接入方案，針對(duì)戰(zhàn)術(shù)通信環(huán)境的需求而設(shè)計(jì)，具備以下特征:

①提供廣播、單播傳輸能力；②支持突發(fā)數(shù)據(jù)報(bào)業(yè)務(wù)、硬連接與軟連接電路；③支持高帶寬或低時(shí)延的流業(yè)務(wù)；④適用于稀疏節(jié)點(diǎn)密度或高節(jié)點(diǎn)密度的應(yīng)用場景；⑤網(wǎng)絡(luò)規(guī)模具備良好的可伸縮性，并支持大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用。

3 結(jié)語

（1）低層戰(zhàn)術(shù)骨干網(wǎng)應(yīng)用

作為戰(zhàn)術(shù)骨干網(wǎng)應(yīng)用需求[5-8]，從能力和功能性能指標(biāo)等方面主要的關(guān)注點(diǎn)包括單個(gè)網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)容量規(guī)模、網(wǎng)絡(luò)良好的連通性、網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)吞吐能力、傳輸時(shí)延等方面，基于上述因素的分析和技術(shù)體制比較，在戰(zhàn)術(shù)組網(wǎng)波形中選擇的多址技術(shù)路線及依據(jù)如下:

①FDMA + Dynamic TDMA的混合體制；②從網(wǎng)絡(luò)支持的節(jié)點(diǎn)規(guī)模能力和全網(wǎng)業(yè)務(wù)吞吐能力考慮，選擇FDMA體制；③從網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)化特征、穩(wěn)定的傳輸時(shí)延、高業(yè)務(wù)負(fù)載等因素考慮，選擇TDMA體制；④從通信資源的利用效率方面考慮，采用Dynamic TDMA體制。

（2）戰(zhàn)術(shù)末端網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用

針對(duì)戰(zhàn)術(shù)末端網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用需求，從能力和功能性能指標(biāo)等方面主要的關(guān)注點(diǎn)包括網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞撵`活性、支持C2、態(tài)勢(shì)、話音等突發(fā)業(yè)務(wù)的能力、支持ISR等具有恒定帶寬需求業(yè)務(wù)的能力。基于上述因素的分析和技術(shù)體制比較，選擇的技術(shù)路線及依據(jù)如下幾點(diǎn):

①FDMA+CSMA + Dynamic TDMA的混合體制；②CSMA體制面向全網(wǎng)低業(yè)務(wù)負(fù)載、突發(fā)性的話音、C2等業(yè)務(wù)；③Dynamic TDMA面向基于通信資源預(yù)先申請(qǐng)、分配的高帶寬業(yè)務(wù)（ISR、圖像、視頻等）；④通過 FDMA擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)的業(yè)務(wù)吞吐量和資源分配調(diào)度的靈活性。

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