機(jī)動式信息系統(tǒng)組網(wǎng)通信設(shè)計技術(shù)探討

◆陳 澤 許桂明

（中國電子科技集團(tuán)公司第二十八研究所 江蘇 210007）

機(jī)動式信息系統(tǒng)組網(wǎng)通信設(shè)計技術(shù)探討

◆陳 澤 許桂明

（中國電子科技集團(tuán)公司第二十八研究所 江蘇 210007）

組網(wǎng)通信是構(gòu)建信息系統(tǒng)的主要環(huán)節(jié)，而光通信是組網(wǎng)通信應(yīng)用的主要手段。本文針對機(jī)動式信息系統(tǒng)的組網(wǎng)通信特點，提出了一種基于信道狀態(tài)和信道優(yōu)先級的通信集成框架，實現(xiàn)了以載車為節(jié)點的通信網(wǎng)絡(luò)調(diào)度接入，該方案開設(shè)簡單、高穩(wěn)定性、高抗毀性，有一定的推廣意義。

機(jī)動式信息系統(tǒng)；車載通信；組網(wǎng)通信

0 引言

機(jī)動式信息系統(tǒng)主要指由車輛、艦船、飛機(jī)等各種移動環(huán)境構(gòu)成承載平臺的信息系統(tǒng)，組網(wǎng)通信是實現(xiàn)機(jī)動式信息系統(tǒng)功能運行的基礎(chǔ)。組網(wǎng)通信是指將各個孤立的設(shè)備進(jìn)行物理連接、實現(xiàn)人與人、人與計算機(jī)、計算機(jī)與計算機(jī)之間進(jìn)行信息交換的鏈路，從而達(dá)到資源共享和通信的目的。根據(jù)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)鏈路的類型組網(wǎng)通信可分為有線組網(wǎng)通信和無線組網(wǎng)通信、有無線混合組網(wǎng)通信等類。本文主要描述車載機(jī)動式信息系統(tǒng)的組網(wǎng)通信。

車載信息系統(tǒng)主要由多輛不同類型的車載平臺組成，其組網(wǎng)通信包括系統(tǒng)內(nèi)部通信和外聯(lián)通信兩部分。內(nèi)部通信由各車艙平臺通過有線/無線路由的連接實現(xiàn)信息系統(tǒng)內(nèi)部的數(shù)據(jù)、話音、視頻等業(yè)務(wù)的傳輸和交換通信；外聯(lián)通信系統(tǒng)通信節(jié)點與外部通信網(wǎng)絡(luò)之間的互聯(lián)，由此達(dá)成系統(tǒng)與外部其它系統(tǒng)或平臺之間的資源共享和通信。

近年來，隨著機(jī)動式信息系統(tǒng)功能的日益完善，車載平臺各車載平臺之間的通信業(yè)務(wù)量也大幅增加，對通信應(yīng)用的需求及要求越來越高，這大大提高了車載信息系統(tǒng)的開設(shè)難度。因此，需要構(gòu)建功能完善、擴(kuò)充和接入通信手段能力強(qiáng)的通信解決方案，既解決系統(tǒng)內(nèi)部、系統(tǒng)與外部之間的通信問題，又能夠確保快速開設(shè)系統(tǒng)及所開設(shè)系統(tǒng)的運行可靠。

1 系統(tǒng)設(shè)計特點

從用途上，機(jī)動式系統(tǒng)是主要作為固定式系統(tǒng)的備份，機(jī)動信息系統(tǒng)的組網(wǎng)通信設(shè)計應(yīng)重點體現(xiàn)機(jī)動式系統(tǒng)的機(jī)動性、抗毀性、安全可靠性以及環(huán)境適應(yīng)能力等方面。

2 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)通信構(gòu)建

車載機(jī)動式信息系統(tǒng)的組網(wǎng)通信包括系統(tǒng)內(nèi)部、系統(tǒng)與外部互聯(lián)兩部分。系統(tǒng)的主要運行平臺為功能載車平臺，系統(tǒng)內(nèi)部通信網(wǎng)絡(luò)主要指實現(xiàn)系統(tǒng)各功能載車平臺之間及載車平臺內(nèi)部各用戶之間的通信。

通常載車平臺之間的通信構(gòu)建一個光纖環(huán)網(wǎng)為主、輔以有線電纜連接、超短波/微波作為備份手段，根據(jù)信道狀態(tài)和優(yōu)先級自動切換信道，構(gòu)建穩(wěn)定可靠的系統(tǒng)互聯(lián)通信網(wǎng)絡(luò)。其中光傳輸通信是系統(tǒng)的主要組成部分，在光纖組網(wǎng)層面采用環(huán)網(wǎng)的組網(wǎng)方式，在網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)上采用基于VRRP(Virtual Router Redundancy Protocol，虛擬路由器冗余協(xié)議）熱備協(xié)議的雙網(wǎng)結(jié)構(gòu)，當(dāng)單根線路受損、甚至單艙受損時，仍然可以有效地保障其它車艙之間的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的傳輸，這為大容量數(shù)據(jù)的穩(wěn)定傳輸和交換奠定了基礎(chǔ)［1］。

組建光環(huán)網(wǎng)主要有安全性高、速度快、維護(hù)方便、易于擴(kuò)展等優(yōu)點。其中最顯著的特點在于改進(jìn)傳統(tǒng)光端機(jī)對業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)傳輸過程中的保護(hù)方式。本系統(tǒng)對以太網(wǎng)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)和視頻業(yè)務(wù)在傳送通道上的保護(hù)方式主要是利用SDH環(huán)網(wǎng)保護(hù)和RPR環(huán)網(wǎng)保護(hù)雙重保護(hù)機(jī)制，一是對語音和低速數(shù)據(jù)的業(yè)務(wù)級保護(hù)。對語音、低速數(shù)據(jù)等窄帶業(yè)務(wù)的保護(hù)分為設(shè)備級、網(wǎng)絡(luò)級和業(yè)務(wù)級三個層次。二是對以太網(wǎng)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)和視頻的業(yè)務(wù)級保護(hù)。對以太網(wǎng)數(shù)據(jù)（如無線、廣播、電源網(wǎng)管、信號、AFC、PIS、CNIS等）和視頻（CCTV、ISCS等）等寬帶業(yè)務(wù)進(jìn)行了最完備的保護(hù)考慮和設(shè)計。

構(gòu)建的機(jī)動式信息系統(tǒng)應(yīng)充分考慮通信手段的備份，一是考慮通信指揮網(wǎng)絡(luò)的備份，以無線網(wǎng)絡(luò)作為專用的有線網(wǎng)絡(luò)的備份，二是應(yīng)有不同有線通信手段之間的備份以及不同無線通信手段之間的備份，有線通信通常包括光纜、被覆線等電纜，無線通信包括衛(wèi)星“動中通”、短波、超短波、無線自組網(wǎng)等，三是充分設(shè)計好控制措施和接入方式之間的備份。其典型組成結(jié)構(gòu)如圖1：

圖1 機(jī)動信息系統(tǒng)典型組成結(jié)構(gòu)

2.1 有線組網(wǎng)通信系統(tǒng)實現(xiàn)

有線組網(wǎng)通信系統(tǒng)由SDH光傳輸設(shè)備、以太網(wǎng)交換機(jī)、PCM設(shè)備及路由器組成，如圖2所示，SDH光傳輸設(shè)備通過車載平臺車載平臺之間的室外光纜的連接組成有線光環(huán)網(wǎng)，為以太網(wǎng)交換機(jī)提供以太網(wǎng)傳輸業(yè)務(wù)，為PCM及路由器設(shè)備提供2M 155M、622M等通信信道。以太網(wǎng)交換機(jī)間采用三層冗余技術(shù)，PCM設(shè)備通過2M信道向各車載平臺提供話音業(yè)務(wù)的通道。

（1）SDH光傳輸設(shè)備

本系統(tǒng)選取的SDH設(shè)備是華為OSN系列產(chǎn)品，支持以太網(wǎng)二層交換功能，即在一個或多個用戶側(cè)以太網(wǎng)物理接口與一個或多個獨立的系統(tǒng)側(cè)的VC通道之間，實現(xiàn)基于以太網(wǎng)鏈路層的數(shù)據(jù)包交換，其功能塊如圖3所示：

圖2 光組網(wǎng)構(gòu)成

圖3 光傳輸設(shè)備以太網(wǎng)交換功能基本模型圖

OSN系列MSTP設(shè)備具備以下以太網(wǎng)二層交換功能：

①傳輸鏈路帶寬可配置；

②保證以太網(wǎng)業(yè)務(wù)的透明性，包括以太網(wǎng)MAC幀，VLAN標(biāo)記的透明傳送；

③以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀封裝采用LAPS或PPP協(xié)議或GFP協(xié)議。

④支持IEEE802.1d生成樹協(xié)議(STP)；

⑤支持多鏈路聚合以實現(xiàn)靈活的高帶寬和鏈路冗余；

⑥支持以太網(wǎng)端口流量控制；

⑦具有對10/100M/1000M數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的QoS支持能力；

⑧支持組播功能；

⑨支持業(yè)務(wù)分類(CoS)，具體實現(xiàn)可基于端口、MAC地址、數(shù)據(jù)幀類型、VLAN標(biāo)簽等不同特征的流量分類。

本系統(tǒng)在各車載平臺內(nèi)的光傳輸設(shè)備OptiX OSN 1500和OptiX OSN 550上配置有一定數(shù)量的符合G.703協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的2.048Mb/s接口。2M業(yè)務(wù)電信號在發(fā)端通過2.048Mb/s接口接入OSN傳輸設(shè)備，經(jīng)映射、復(fù)用、電光轉(zhuǎn)換等進(jìn)入STM-16（2.5Gb/s）群路光口，經(jīng)傳輸系統(tǒng)連接到收端OSN光傳輸設(shè)備的STM-16（2.5Gb/s）群路光口，再經(jīng)光電轉(zhuǎn)換、解復(fù)用、解映射等進(jìn)入相應(yīng)的2.048Mb/s接口，從而建立起了一個透明的傳輸通道，用于路由器的2M接口互聯(lián)、PCM話音業(yè)務(wù)的互傳或是專用電話數(shù)字中繼的信號傳輸。

（2）網(wǎng)絡(luò)設(shè)備

如圖4所示，系統(tǒng)內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)路由主要分為兩條，業(yè)務(wù)1為主要業(yè)務(wù)，對應(yīng)Vtrunk綁定了3個VC4，提供了465M的帶寬，業(yè)務(wù)2為次要業(yè)務(wù)，對應(yīng)Vtrunk綁定了2個VC4，提供了310M的帶寬，車載平臺車載平臺1和車載平臺車載平臺2上多為客戶端，因此配備二層交換機(jī)；車載平臺車載平臺3和車載平臺車載平臺4上主要配備了服務(wù)器等信息處理設(shè)備，配備的交換機(jī)均為三層交換機(jī)。在車載平臺車載平臺3和車載平臺車載平臺4中，業(yè)務(wù)1交換機(jī)、業(yè)務(wù)2交換機(jī)及路由器通過區(qū)域型OSPF協(xié)議互聯(lián)，而相同業(yè)務(wù)的交換機(jī)通過Trunk方式進(jìn)行互聯(lián)，并配置了虛擬路由冗余協(xié)議（VRRP），達(dá)到冗余備份網(wǎng)關(guān)的目的。VRRP是一種選擇協(xié)議，把一個虛擬路由器的責(zé)任動態(tài)分配到局域網(wǎng)上的VRRP路由器中的一臺。控制虛擬路由器IP地址的VRRP路由器稱為主路由器，負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包到這些虛擬IP地址，一旦主路由器不可用，這種選擇過程就提供了動態(tài)的故障轉(zhuǎn)移機(jī)制，使虛擬路由器的IP地址可以作為終端主機(jī)默認(rèn)的第一跳路由器。協(xié)議將兩臺匯聚交換機(jī)組成備份組，針對網(wǎng)絡(luò)中每一個虛網(wǎng)接口，備份組都擁有一個虛擬缺省網(wǎng)關(guān)地址(這個地址可以作為主交換機(jī)的虛網(wǎng)接口的IP地址)，每臺主機(jī)通過這個虛擬IP訪問其它網(wǎng)絡(luò)資源，但實際的數(shù)據(jù)處理由備份組內(nèi)主交換機(jī)執(zhí)行。如果主交換機(jī)發(fā)生了故障，通過VRRP協(xié)議，3個時間間隔（默認(rèn)時間間隔為1秒）探測不到主交換機(jī)，備份交換機(jī)自動替代主交換機(jī)。由于網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的終端配置了VRRP虛擬網(wǎng)關(guān)地址，發(fā)生故障時，虛擬交換機(jī)沒有改變，主機(jī)仍然保持連接，網(wǎng)絡(luò)將不會受到單點故障的影響，解決了網(wǎng)絡(luò)中匯聚交換機(jī)切換的問題，實現(xiàn)網(wǎng)關(guān)的冗余。任一信道故障，冗余信道自動完成接替，實現(xiàn)與外部系統(tǒng)的互連不中斷。

而路由器配備2M板卡一塊，POS板卡一塊，可通過光傳輸設(shè)備與陣地端的路由器進(jìn)行互聯(lián)。

圖4 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)框圖

（3）PCM設(shè)備

車載平臺內(nèi)配備多臺話機(jī)。為保障話音業(yè)務(wù)，配備PCM端機(jī)用于話音通信和錄音功能的實現(xiàn)。

圖5 PCM設(shè)備框圖

如圖5所示，虛線表示由光傳輸設(shè)備提供的2M鏈路通道，實線表示二線口話路，PCM1至PCM6為通用功能PCM端機(jī)，用于實現(xiàn)固定場地某接入節(jié)點程控向車載平臺內(nèi)話機(jī)進(jìn)行放號，完成正常話音功能。 PCM7設(shè)備為“監(jiān)控錄音局端設(shè)備”。PCM1和PCM2分別各自通過1路2M口與同在陣地的PCM7相連，將需要錄音的通道的話音信號和信令，傳輸給PCM7設(shè)備。PCM7設(shè)備對話音信號和信令進(jìn)行綜合處理；PCM8設(shè)備為“監(jiān)控錄音遠(yuǎn)端設(shè)備”，其為錄音卡送出30路二線話音信號。PCM7設(shè)備通過2M口與B站點的PCM8連接，其將處理后的話音信號和信令發(fā)送給PCM8，并對PCM8設(shè)備進(jìn)行控制，實現(xiàn)錄音功能。其中，在PCM8與錄音卡的連接中。錄音卡通過檢測2線口上的電壓，來決定開始和結(jié)束錄音的時間，滿足壓控錄音的要求。

上述PCM傳輸方案架設(shè)簡單，實現(xiàn)話音通信的基礎(chǔ)上，方便地實現(xiàn)了在車載平臺4內(nèi)對各車載平臺話機(jī)的錄音功能。

2.2 無線組網(wǎng)系統(tǒng)實現(xiàn)

機(jī)動式無線組網(wǎng)通信系統(tǒng)由衛(wèi)星“動中通”、短波電臺系統(tǒng)、超短波電臺系統(tǒng)和無線自組網(wǎng)系統(tǒng)組成。機(jī)動式系統(tǒng)內(nèi)部功能車之間通過無線自組織網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)，無線自組網(wǎng)采用的是一種不需要基站的“對等機(jī)構(gòu)”移動通訊模式，系統(tǒng)內(nèi)各功能車支持在移動過程中動態(tài)組網(wǎng)，完成傳達(dá)數(shù)據(jù)、話音、圖像視頻等戰(zhàn)場信息。

機(jī)動式系統(tǒng)可通過衛(wèi)星“動中通”的方式實現(xiàn)無線通信網(wǎng)絡(luò)接入，保證與指揮機(jī)構(gòu)及單兵系統(tǒng)之間的組網(wǎng)通信；通過短波電臺、超短波電臺等方式與遠(yuǎn)方的作戰(zhàn)兵力保持話音通信。

2.3 組網(wǎng)通信的構(gòu)建特點

（1）抗毀性

評價機(jī)動式系統(tǒng)的一個關(guān)鍵指標(biāo)就是系統(tǒng)的抗毀性，本文所涉及抗毀性主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

①系統(tǒng)冗余設(shè)計。組網(wǎng)通信的冗余設(shè)計主要體現(xiàn)在對外互聯(lián)和內(nèi)部互聯(lián)兩個方面。對外互聯(lián)通信也采用冗余路由，可保證單個路由故障時，對外網(wǎng)絡(luò)通信的不中斷；對內(nèi)互聯(lián)，一是有線、無線之間的冗余備份，二是多個有線手段之間或多個無線手段之間的備份。

②有線通信組網(wǎng)冗余抗毀。通常各車載平臺的光傳輸設(shè)備支持SNCP以及光纖共享虛擬路徑保護(hù)的網(wǎng)絡(luò)保護(hù)，在SDH環(huán)網(wǎng)保護(hù)的基礎(chǔ)上進(jìn)一步又支持RPR彈性分組環(huán)保護(hù)。光傳輸設(shè)備支持ITU-T RPR彈性分組環(huán)保護(hù)的Wrapping保護(hù)、Steering保護(hù)以及Wrapping+Steering保護(hù)功能。構(gòu)成的通信網(wǎng)絡(luò)從網(wǎng)絡(luò)級層保證了安全穩(wěn)定可靠運行；另外，通常各車載平臺的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備之間采用三層網(wǎng)關(guān)冗余技術(shù)，當(dāng)單個車載平臺網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)中斷等故障時，其它車載平臺的功能不受影響。

③無線通信組網(wǎng)抗毀。各車載平臺之間采用無線自組網(wǎng)方式進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)，不需要固定設(shè)備支持，各節(jié)點即各車載平臺自行組網(wǎng)，單點故障不會影響其他節(jié)點間的網(wǎng)絡(luò)通信，保證了機(jī)動式組網(wǎng)通信系統(tǒng)的抗毀能力。

④話音通信的冗余備份。各車載平臺的話音通信相互獨立，不依賴于某個車載平臺的后臺設(shè)備。

（2）可靠性

可靠性是衡量機(jī)動信息系統(tǒng)的重要指標(biāo)之一，是構(gòu)建組網(wǎng)通信可靠性主要依賴于通信傳輸設(shè)備的可靠性。

通常傳輸設(shè)備采用的內(nèi)嵌RPR（彈性分組環(huán)）兩纖復(fù)用段保護(hù)環(huán)的工作方式，環(huán)網(wǎng)的傳輸速率高，其中RPR環(huán)網(wǎng)組網(wǎng)依照業(yè)務(wù)的實際需求，結(jié)構(gòu)組成了RPR邏輯環(huán)網(wǎng)，提高了承載業(yè)務(wù)的可靠性。當(dāng)RPR處理提供的業(yè)務(wù)板發(fā)生故障時，RPR會自動啟動保護(hù)倒換，保證RPR通道內(nèi)的各種業(yè)務(wù)不受影響。

當(dāng)通信鏈路發(fā)生故障中斷時，MSTP設(shè)備首先進(jìn)行鏈路層的保護(hù)倒換，對各種業(yè)務(wù)沒有影響，若此時MSTP設(shè)備的保護(hù)失效，則RPR業(yè)務(wù)設(shè)備會啟動保護(hù)支持，保護(hù)RPR層面內(nèi)提供的以太網(wǎng)業(yè)務(wù)，從而實現(xiàn)對專用通信系統(tǒng)中各種業(yè)務(wù)的雙重保護(hù)，實現(xiàn)比一般MSTP方案更高級別的保護(hù)特性。

（3）便捷性

便捷性也是構(gòu)建機(jī)動式信息系統(tǒng)的主要要求，通常選用的傳輸設(shè)備，要求安裝方式簡單、使用維護(hù)及管理方便，一般有比較全面、便捷的監(jiān)控操作界面。網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、PCM等終端設(shè)備均通過傳輸設(shè)備實現(xiàn)相應(yīng)功能。車載平臺通過有線通信手段互通時，一般在距離、場地等合適的情況下僅需用車載平臺間的野戰(zhàn)光纜連接，這樣可大大縮短系統(tǒng)的開設(shè)和撤收時間；通過無線手段進(jìn)行車載平臺間組網(wǎng)通信時，通常以車載平臺為節(jié)點自行組網(wǎng)，由其它節(jié)點進(jìn)行數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)，這樣解決了傳統(tǒng)無線蜂窩網(wǎng)絡(luò)的地理局限性，能夠更加快速、便捷、高效地部署。

3 典型系統(tǒng)組成

給出一個機(jī)動式信息系統(tǒng)應(yīng)用示例，其組網(wǎng)通信設(shè)計如0所示。圖6中，光纖、網(wǎng)線、被覆線等類有線通信手段可實現(xiàn)車載平臺之間的有線通信組網(wǎng)，通過連接固定接入點經(jīng)有線網(wǎng)絡(luò)與其它信息系統(tǒng)互聯(lián)；無線通信組網(wǎng)通過短波、超短波或衛(wèi)星等無線互連設(shè)備通過相應(yīng)無線接入點實現(xiàn)與對端的通信。

圖6 機(jī)動式信息系統(tǒng)組網(wǎng)通信典型應(yīng)用

4 結(jié)束語

為提高穩(wěn)定性、抗毀性、便捷性，本系統(tǒng)對此做了多元化、全方面、深層次的設(shè)計工作，并已成功應(yīng)用于某機(jī)動系統(tǒng)，大幅度的增加了現(xiàn)有機(jī)動車輛的可靠性和架設(shè)的便捷性，有一定的推廣價值。

[1]許桂明．海軍小型機(jī)動式指揮信息系統(tǒng)設(shè)計探討[J]．現(xiàn)代電子工程，2008．

[2]凌海軍等．機(jī)動指揮通信車設(shè)備集中控制系統(tǒng)設(shè)計[J]．指揮信息系統(tǒng)與技術(shù)，2011．