智能自組網(wǎng)系統(tǒng)關鍵技術

林 威

（深圳市烽云技術有限公司，廣東 深圳 518055）

0 引 言

無線自組網(wǎng)是一種分布式網(wǎng)狀網(wǎng)絡，與點對點和點對多點網(wǎng)絡不同，其由具有相同地位的通信節(jié)點組成，具有無中心、多跳中繼、動態(tài)路由、抗毀性強等特點，適用于不需要事先部署但需要臨時開通1個專用網(wǎng)絡的場景，如應急通信、消防救援、海上船隊通信、車隊通信、無人區(qū)通信、地下通信以及活動安保等[1]。

1 發(fā)展趨勢

（1）使用簡單。智能化設計，在各種應用場景下不斷學習演進，通過軟件無線電升級實現(xiàn)智能化設計，設備使用簡單。

（2）寬窄融合。寬窄聯(lián)合設計，窄帶語音保底。在保證窄帶話音可靠傳輸?shù)幕A上，提供視頻和數(shù)據(jù)寬帶傳輸服務。窄帶話音單跳覆蓋能力較強，通過多跳中繼擴大覆蓋范圍。設備最優(yōu)實現(xiàn)方式不再是寬帶自組網(wǎng)板卡和窄帶自組網(wǎng)板卡融合，而是寬窄帶自組網(wǎng)協(xié)議統(tǒng)一設計，在一個處理器內(nèi)實現(xiàn)。

（3）小型化。目前，主流廠家的產(chǎn)品是基于現(xiàn)場可編程門陣列（Field Programmable Gate Array，F(xiàn)PGA）和集成收發(fā)器架構，存在體積大和功耗高的問題，需要通過合理設計實現(xiàn)小型化和低功耗。

（4）性能增強。采用多波束天線陣列可以提高系統(tǒng)增益，從而提升系統(tǒng)的業(yè)務帶寬和通信距離。與此同時，波束較窄可以提高系統(tǒng)的空間抗干擾能力。

2 智能自組網(wǎng)系統(tǒng)關鍵技術

2.1 自適應編碼調(diào)制技術

自適應編碼調(diào)制技術是根據(jù)無線鏈路信道質(zhì)量自動選擇合適的調(diào)制方式和編碼方式，在保證信號正常接收的前提下，盡可能有效利用帶寬，提高頻譜利用率[2]。綜合物理層的接收信噪比和媒體介入控制（Media Access Control，MAC）層的丟包率進行跨層設計，在MAC層進行調(diào)制資源調(diào)度，實現(xiàn)自適應編碼調(diào)制。

編碼調(diào)制方式的選擇跟特定的信道條件也有關，例如在高斯白噪聲信道中，在相同速率下使用較低階調(diào)制方式配合較高碼率的編碼方式，但在頻率選擇性信道或頻域有干擾時則相反。在設計編碼調(diào)制組合時，需要匹配設備主要應用場景。與此同時，自適應編碼調(diào)制也要考慮時效性問題，特別是網(wǎng)絡規(guī)模較大時，控制信道周期較長，需要研究有突發(fā)輸出傳輸需求時自適應編碼調(diào)制的快速收斂性能。

2.2 智能選頻技術

常規(guī)自組網(wǎng)系統(tǒng)一般工作在定頻模式或被動式跳頻模式，需要人工根據(jù)全網(wǎng)各個節(jié)點對本地無線電磁環(huán)境掃描的結果選擇一個或多個全網(wǎng)共同且干擾較小的頻點或頻率集進行組網(wǎng)通信。這種方式對操作人員技術要求高，而且網(wǎng)絡開通效率較低，可能需要操作人員到每個距離較遠的站點進行本地設置設備參數(shù)。

智能選頻技術是控制信道根據(jù)全網(wǎng)各節(jié)點對本地無線電磁環(huán)境掃描的結果自動選出干擾較小的工作頻率集，實現(xiàn)高速跳頻通信。數(shù)據(jù)信道根據(jù)每條鏈路的情況，選擇適用于每條鏈路的最優(yōu)頻點進行通信，從而實現(xiàn)設備開機自動組網(wǎng)，提高設備在復雜電磁環(huán)境下的適應性，降低對操作人員的技術要求。

2.3 智能跳頻技術

智能跳頻技術即主動式跳頻，根據(jù)全網(wǎng)各節(jié)點對本地無線電磁環(huán)境掃描的結果自動選出干擾較小的工作頻率集進行高速跳頻通信。工作頻率集定期更新，不再干擾的頻點恢復到工作頻率集中，受干擾的頻點從工作頻率集中剔除[3]。

在自組網(wǎng)系統(tǒng)中，難點在于全網(wǎng)各個節(jié)點同步更新。自組網(wǎng)協(xié)議通過定時器實現(xiàn)全網(wǎng)同步更新工作頻率集，但在更新工作頻率集前可能存在誤碼或丟包，需要結合混合自動重傳等其他技術一起使用。

2.4 子載波動態(tài)扣除技術

對于采用正交頻分復用（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM）技術的寬帶系統(tǒng)，如果某些子載波上有窄帶干擾，子載波動態(tài)扣除技術將這些子載波扣除，在其余未受干擾的子載波上進行通信。如果遇到整個載波帶寬受到干擾，不能進行子載波扣除，只能硬抗，則可能無法正常通信。將子載波動態(tài)扣除技術用于定頻OFDM系統(tǒng)，全網(wǎng)各節(jié)點定期同步更新子載波集[4]。自組網(wǎng)協(xié)議通過定時器實現(xiàn)全網(wǎng)同步更新子載波集，但在更新工作頻率集前可能存在誤碼或丟包，需要結合混合自動重傳等其他技術一起使用。

2.5 載波帶寬自適應技術

自組網(wǎng)設備一般基于FPGA和集成收發(fā)器實現(xiàn)。受限于板卡體積和功耗，F(xiàn)PGA邏輯資源不同，有些板卡支持載波帶寬少，有些支持載波帶寬多，這2種設備同時工作時需要自適應組網(wǎng)和互通業(yè)務數(shù)據(jù)。載波帶寬自適應技術能夠自動識別每個設備與鄰近節(jié)點設備之間的最大可用載波帶寬，確保每條鏈路工作在最大載波帶寬上，實現(xiàn)鏈路級最大業(yè)務速率[5]。

2.6 網(wǎng)絡規(guī)模自適應技術

自組網(wǎng)系統(tǒng)無中心，在設計上需要保證最大終端接入，但在實際使用中網(wǎng)絡規(guī)模是不確定且動態(tài)變化的。目前，基于信道接入的傳輸策略主要有隨機接入、受控接入以及混合接入。一般采用基于時隙的時分接入方式，包括固定時隙接入和動態(tài)時隙接入2種方式。時隙為物理層最小單位，由時隙組成幀，在1個時隙內(nèi)完成收發(fā)[6]。根據(jù)節(jié)點時隙分配表的產(chǎn)生過程與拓撲結構的依賴關系，可以分為拓撲透明算法、拓撲非透明算法以及拓撲半透明協(xié)議。

網(wǎng)絡規(guī)模自適應技術是網(wǎng)絡規(guī)模變化時，通過動態(tài)調(diào)整固定接入時隙分配周期和動態(tài)接入時隙所占比例，最大程度上動態(tài)適應網(wǎng)絡規(guī)模變化和復雜場景應用，實現(xiàn)彈性最優(yōu)。

2.7 功率控制自適應技術

功率控制自適應技術是寬帶自組網(wǎng)設備的發(fā)射端根據(jù)通信傳輸需求實時動態(tài)調(diào)整其發(fā)射功率，確保信號以較合適的功率到達接收端。功率控制分為全網(wǎng)級功率控制和鏈路級功率控制，全網(wǎng)功率控制指節(jié)點對其相鄰節(jié)點都是按照相同功率發(fā)射，而鏈路級功率控制指節(jié)點對相鄰節(jié)點按照每個節(jié)點的接收功率情況以不同功率發(fā)射。鏈路級功率控制性能最優(yōu)，但調(diào)度最復雜。

在采用子載波動態(tài)扣除技術的寬帶自組網(wǎng)設備中，將工作頻段劃分為若干個子帶，分別評估各個子帶的受干擾情況，與子帶的平均信噪比參數(shù)一起作為頻域功率分配策略的輸入?yún)?shù)進行優(yōu)化[7]。在能量受限的終端類寬帶自組網(wǎng)設備中，還需要考慮節(jié)點間帶寬、跳數(shù)等因素，選擇其他路由，以最大限度保證寬帶組網(wǎng)系統(tǒng)的可用性。

2.8 通信距離自適應技術

傳統(tǒng)自組網(wǎng)系統(tǒng)都是按最大通信距離設置好最大通信距離，此方法簡單，但在實際使用中節(jié)點間的實際最大通信距離可能遠小于設置的最大通信距離。通信距離自適應技術則是根據(jù)在網(wǎng)各個節(jié)點之間的距離動態(tài)調(diào)節(jié)數(shù)據(jù)信道幀結構的空中傳播保護時間，提高業(yè)務數(shù)據(jù)占發(fā)射時隙的比例，從而擴展用戶可用的業(yè)務帶寬。

2.9 混合自動重傳技術

單獨使用自動重傳請求效果較差，特別是無線信道質(zhì)量較差時誤碼率或丟包率較高，通過多次重傳可能也不成功。混合自動重傳技術是將自動重傳請求和前向糾錯編碼混合使用，通過前向糾錯編碼降低單次傳輸?shù)恼`碼率來減少重傳次數(shù)，通過自動重傳請求消除跨包間的誤碼來保證傳輸可靠性[8]。目前，混合自動重傳技術的實現(xiàn)方式有負載及優(yōu)先級自適應的混合自動重傳技術、業(yè)務類型自適應的混合自動重傳技術以及基于多跳網(wǎng)絡的協(xié)作自動重傳技術等。

2.10 路由自適應技術

路由協(xié)議需要根據(jù)網(wǎng)絡拓撲變化速度自適應調(diào)整網(wǎng)絡拓撲信息的發(fā)送周期和相應信息量，并利用各條可用的傳輸路徑實現(xiàn)路由自適應切換和快速收斂，從而保證業(yè)務實時可靠傳輸。對于其中路由選擇，判據(jù)為復合鏈路質(zhì)量等級，包括跳數(shù)、丟包率、帶寬以及時延等因素[9]。

2.11 靜默自適應技術

靜默自適應技術包括主動靜默和被動靜默2種方式，其中被動靜默是節(jié)點接到指揮節(jié)點的靜默指令后進入靜默狀態(tài)（即只收不發(fā)），接到指揮節(jié)點工作指令后退出靜默狀態(tài)并進入工作狀態(tài)。在軍用通信應用場景下，靜默自適應是非常必要的[10]。

3 結 論

智能自組網(wǎng)是無線自組網(wǎng)的重要發(fā)展方向，通過對智能自組網(wǎng)的關鍵技術進行探討，包括自適應編碼調(diào)制、智能選頻、智能跳頻、子載波動態(tài)扣除、載波帶寬自適應、網(wǎng)絡規(guī)模自適應、功率控制自適應、通信距離自適應、混合自動重傳、路由自適應以及靜默自適應等，對于促進自組網(wǎng)領域的發(fā)展具有重要意義。