基于WiFi的低空平臺應急通信系統研究

柳晶

摘 要：作為一種時興的寬帶無線通信技術，WiFi具有低成本、高覆蓋和低門檻的技術優勢，能夠靈活組網，具有廣泛的應用場景。低空平臺較其余空間平臺具有開設快捷、靈活機動的特點。文中簡要介紹了WiFi以及低空平臺的技術特點和優勢，結合WiFi的特點、關鍵技術、802.11協議族的具體參數性能和應急通信開設的需求，分析了基于WiFi的低空平臺應急通信系統的組網方式和設計方案，并給出了相關結論。

關鍵詞：WiFi；低空平臺；802.11；應急通信系統

中圖分類號：TN92 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2016）08-00-03

0 引 言

重大災害發生后，地面通信網絡容易遭受重度損壞，通信覆蓋往往在短時間內無法恢復正常。通信網絡的損壞對傳輸語音視頻的寬帶網絡通信造成消極影響[1]。目前，空中平臺中繼通信是解決特殊地形通信和應急通信的主要手段。而浮空平臺利用浮空器搭載通信設備作為空基信息平臺，具有非常大的覆蓋范圍和廣闊的應用前景。美國于2005年提出一種應用于卡特里娜颶風救援的HAPS通信方案[2]，以滿足應急通信的需求。該系統在災后重建的過程中發揮了重要作用，但是其在部署初期至少花費了兩個星期才正式投用。

本文提出的系統由低空平臺（LAP）結合系留氣球和WiFi技術組成。可以有效克服部署時間長的問題，獲得比地面系統更廣的通信覆蓋。由于WiFi具有比其他寬帶設備更加便宜以及可利用未經授權的頻譜的優點，寬帶傳輸性能好。可為救援部隊和總部之間提供有效的通信服務。

1 WiFi技術概述

1.1 技術特點和優勢

WiFi是一種由WiFi alliance（WiFi聯盟）擁有的無線網絡通信技術品牌，可通過無線將個人或公用電腦、手持終端設備組網連接，改善基于IEEE802.11系列標準的無線終端之間的互聯性。現在IEEE802.11系列標準被統稱為WiFi[3]。IEEE802.11a及IEEE802.11g標準的傳輸速率可達到54 Mb/s，而IEEE802.11n可以將傳輸速率提高到300 Mb/s，甚至達到600 Mb/s，信號的覆蓋范圍擴大到幾平方公里。與其他無線通信技術相比，WiFi具有如下幾項技術優勢[4]：

（1）覆蓋范圍較廣；

（2）建設費用低；

（3）傳輸速度快；

（4）低門檻。

據研究[5]，WiFi網絡可以同時支持六個符合H.264標準的視頻同步傳輸，可支持26路速率為12.2 Kb/s的VoIP話務鏈路。

1.2 關鍵技術分析

1.2.1 802.11協議族技術

WiFi是對802.11系列標準的改進，故其遵循的是IEEE802.11協議的運作模式，即訪問節點（AP）接入模式和點對點接入模式。

在AP接入模式中，由AP負責無線通信和有線通信之間的接入及管理?？蛻舳嗽诟采w范圍內只需連接到AP節點，無需消耗資源來尋找其它站點。該模式能夠支持1 024臺計算機同時工作，不過連接的越多，結構越復雜。

點對點的接入模式用于連接PC或便攜計算機終端，允許每個客戶端在無線網絡所覆蓋的范圍內移動并且自動建立點到點的連接，從而實現不同站點之間的直接信息交換。這種結構的工作原理類似于有線對等網的工作方式，它要求網絡中任意兩站點之間均能直接進行信息交換，每個站點既是工作站，也是服務器。

從802.11協議族的技術可以知道WiFi技術的相關參數設置以及物理層和MAC層的相關技術。物理層確立了信號的調制方式和數據傳輸的信號特征，MAC層利用CSMA/CA（Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection，CSMA/CA）協議讓用戶共享無線網絡。為了盡量減少碰撞[6]，MAC層應用分布式協調功能（Distributed Coordination Function，DCF）以及點協調功能（Point Coordination Function，PCF）。而數據發送與否采用請求發送/允許發送（RTS/CTS）協議，RTS/CTS的應用可以確保主體報文發送不發生沖突，如果發生沖突，也只丟失前一部分小的測試請求報文，且縮短了無效碰撞的時間長度。802.11協議族的具體技術參數指標如表1所列[7]。

1.2.2 網絡的成員和作用

WiFi無線連接的組成由至少一個接入點和一個或更多的客戶端構成[8]。接入點將服務集標識符（SSID）經由信號臺每100 ms分組廣播一次，該廣播信號組的長度較短，而傳輸速率較高，為1 Mb/s，故廣播動作不會對網絡性能產生太大的影響。由于規定了該廣播組的傳輸速率為1 Mb/s或更高，使得每一個用戶端都能接收到該SSID廣播分組，再者用戶擁有決定是否接入該SSID所屬的接入點的權利，并且可以設定預想接入的SSID接入點。WiFi系統不僅對客戶端開放其連接標準，同時還支持漫游，這表明系統的無線適配器有可能在性能上優于其他適配器。完整的WiFi網絡有多個網絡成員[9]，如表2所示。

如上表所示，站點負責提供鑒權以及鑒權的結束、MAC層數據傳輸和隱私設置；而分配、連接以及集成等服務由分配系統提供。

2 低空平臺特點及優勢

浮空平臺是一種新興的、基于浮空器的空基信息任務平臺，可廣泛應用于偵察、預警探測、電子干擾、通信中繼等領域[10]。按飛行或懸浮高度將浮空平臺分為高空平臺（HAPS）和低空平臺（LAP）。具體來說，與其余空間中繼通信平臺相比，低空通信平臺具有傳輸質量高、網絡容量大、覆蓋面積廣、傳輸損耗低、機動性能強、部署快速靈活的特點。

2.1 傳輸質量高，網絡容量大

利用LAP可將現有集群通信基站或超短波中轉臺升至幾百米乃至數千米高空，可有效克服山區、高樓等阻擋帶來的多徑效應、陰影效應等問題，使每個用戶終端“看到”基站，提高信號傳輸質量?？纱钶d各類寬帶通信系統，從而實現語音、視頻、數據的大容量傳輸。

2.2 覆蓋面積廣，傳輸損耗低

與地面基站相比，基于LAP的通信覆蓋面積相當于地面基站的幾十倍，并可通過多個LAP的組網進一步擴充通信覆蓋面積；與衛星通信相比，該平臺空間傳輸損耗小，減少了平臺有效載荷或地面終端用戶的發射功率，從而降低了系統成本。

2.3 機動性能強，部署快速靈活

目前，各類系留氣球經過數十年的發展，其設計、制造、使用、維護技術已較為成熟。LAP因其設計較HAPS更為小巧簡便且其部署時間短，部署環境更為廣泛，凸顯出其快速機動靈活的特點。

3 基于WiFi的低空平臺應急通信組網研究

3.1 需求分析

應急通信是為應對自然或人為突發性緊急情況，綜合利用各種通信資源，為保障緊急救援和必要通信而提供的一種暫時的、快速響應的特殊通信機制[11]。通常，自然災害或人為大規?？植酪u擊發生后，基于固定基礎設施的有線以及無線通信網絡可能遭受嚴重破壞，緩慢的重建速度與高難度遠遠不能滿足應急通信的需求。應急通信具有時間的突發性、地點的不確定性以及容量的不可預期性等特點。充分考慮上述特點，應急通信網絡和設備需要做到組網靈活、快速布設、簡單易操作，并且需要具有良好的服務質量保證。

從上述WiFi技術以及系留氣球低空平臺的特點不難看出，基于WiFi的LAP通信系統具有構建應急通信網絡的技術優勢，能夠滿足應急通信組網的要求：作為中繼站的低空平臺的開設可以在四十分鐘內完成，地面WiFi網絡的構建依托其成熟的現有設備可快速部署，不需要依賴現有的通信基礎設施；低空平臺的應用使得網絡覆蓋面積大幅提升，不需要擔心障礙物的阻擋；WiFi的保密機制比較完善，包括WEP，WPA，WPA2以及WPA+WPA2加密方式，安全性能較好；WiFi設備的商業價格比較低廉，并且維護成本低；WiFi網絡良好的可擴展性能支持用戶不斷增加，為應急救援提供更多的支持。

3.2 基于WiFi的低空平臺應急通信組網方案

基于WiFi的低空平臺應急通信系統主要包括地面子系統、空間子系統和客戶訪問子系統。地面子系統作為控制站，主要功能包括對低空平臺的遙感控制和對無線信道性能的監測，負責監測系留氣球以及用戶端的回程信道性能?？臻g子系統由系留氣球搭載WiFi設備、天線、視頻拍攝模塊和能源模塊組成?？蛻粼L問子系統主要是客戶終端設備。圖1所示為基于WiFi的低空平臺應急通信系統的組網方式。

在基礎設施受損或匱乏的情況下，用戶終端通過地面系統以及浮空平臺組成Ad Hoc網絡實現互聯，以保證完成應急指揮和協同通信。在WiFi網絡的應用中，“熱點”充當了路由器的角色，當然，有的客戶終端也能充當“熱點”。應急場景中，通常不能滿足長時間的外部供電，WiFi設備需要注意功耗的問題。地面子系統中的站點多數處于固定位置，構建網絡時選好熱點的部署位置，這樣可使無線網絡的覆蓋范圍更合理，連接效果更佳。利用無線自組織網絡可以顯著降低對通信基礎設施的依賴性，有效增強通信系統的健壯性和通信可靠性；在WiFi網絡中，若某個路由器出現故障，可選擇其他路徑完成所需途徑的連接，提高了應急通信網絡的生存能力。

4 結 語

基于WiFi的低空平臺通信系統具有數據傳輸速率快、傳輸距離遠、通信質量高、部署快速、支持終端移動且受地形和建筑物影響小的特點和優勢，在傳統通信網絡無法完成通信需求的應急場景中具有廣闊的應用前景。可以實現語音、數據、圖像以及視頻的實時傳輸，其廣闊的通信覆蓋面積對于應急部隊之間的互聯互通以及前、后方之間準確的信息傳遞和指令下達具有重要意義，為應急救援提供技術保障。

參考文獻

[1] 高健.基于WiFi的應急通信網絡組建及音視頻傳輸的實現[D].大連：大連理工大學，2011.

[2]Deaton，J.D.High altitude plateforms for emergency telecommunications[Z].EURASIP Journal on Wireless Communications and Networking.

[3] 李曉陽.WiFi技術及其應用[J].信息技術，2012（2）：196-198.

[4] 齊帥，李寶林，程巖.煤礦救援機器人研究應用現狀和需解決的問題[J].礦山機械，2012，40（6）：7-10

[5] Duran， A .F.， Leal， R.P.，Alonso， J. I.， Dimensioning method for conversational video applications in wireless convergent networks[Z].Journal on Wireless Communications and Networking，2008.

[6] 鄭娟毅，石明衛.802.11無線局域網技術及其發展[J].西安郵電學院學報，2006，11（3）：13-16.

[7] 張朗.基于WiFi的移動機器人無線應急救援系統[D].西安：西安郵電大學，2014.

[8] Jahyoung Koo，Hojung Cha.Localizing WiFi access points using signal strength[J].IEEE Communications Letters，2011，15（2）：187-189.

[9] The Institute of Electrical and Electronics Engineers.IEEE standard of 802.11 wireless LAN medium access control and physical layer specifications[S].1999.

[10] 費東年，趙攀峰.基于浮空器的新型應急通信監測系統[J].航天控制，2012，30（1）： 23-28.

[11] 陳兆海.應急通信系統[M].北京：電子工業出版社，2012：1-2.