基于WiFi的低空平臺(tái)應(yīng)急通信系統(tǒng)研究

柳晶

摘 要：作為一種時(shí)興的寬帶無(wú)線通信技術(shù)，WiFi具有低成本、高覆蓋和低門檻的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，能夠靈活組網(wǎng)，具有廣泛的應(yīng)用場(chǎng)景。低空平臺(tái)較其余空間平臺(tái)具有開設(shè)快捷、靈活機(jī)動(dòng)的特點(diǎn)。文中簡(jiǎn)要介紹了WiFi以及低空平臺(tái)的技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)，結(jié)合WiFi的特點(diǎn)、關(guān)鍵技術(shù)、802.11協(xié)議族的具體參數(shù)性能和應(yīng)急通信開設(shè)的需求，分析了基于WiFi的低空平臺(tái)應(yīng)急通信系統(tǒng)的組網(wǎng)方式和設(shè)計(jì)方案，并給出了相關(guān)結(jié)論。

關(guān)鍵詞：WiFi；低空平臺(tái)；802.11；應(yīng)急通信系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：TN92 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2016）08-00-03

0 引 言

重大災(zāi)害發(fā)生后，地面通信網(wǎng)絡(luò)容易遭受重度損壞，通信覆蓋往往在短時(shí)間內(nèi)無(wú)法恢復(fù)正常。通信網(wǎng)絡(luò)的損壞對(duì)傳輸語(yǔ)音視頻的寬帶網(wǎng)絡(luò)通信造成消極影響[1]。目前，空中平臺(tái)中繼通信是解決特殊地形通信和應(yīng)急通信的主要手段。而浮空平臺(tái)利用浮空器搭載通信設(shè)備作為空基信息平臺(tái)，具有非常大的覆蓋范圍和廣闊的應(yīng)用前景。美國(guó)于2005年提出一種應(yīng)用于卡特里娜颶風(fēng)救援的HAPS通信方案[2]，以滿足應(yīng)急通信的需求。該系統(tǒng)在災(zāi)后重建的過(guò)程中發(fā)揮了重要作用，但是其在部署初期至少花費(fèi)了兩個(gè)星期才正式投用。

本文提出的系統(tǒng)由低空平臺(tái)（LAP）結(jié)合系留氣球和WiFi技術(shù)組成?？梢杂行Э朔渴饡r(shí)間長(zhǎng)的問(wèn)題，獲得比地面系統(tǒng)更廣的通信覆蓋。由于WiFi具有比其他寬帶設(shè)備更加便宜以及可利用未經(jīng)授權(quán)的頻譜的優(yōu)點(diǎn)，寬帶傳輸性能好。可為救援部隊(duì)和總部之間提供有效的通信服務(wù)。

1 WiFi技術(shù)概述

1.1 技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)

WiFi是一種由WiFi alliance（WiFi聯(lián)盟）擁有的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)品牌，可通過(guò)無(wú)線將個(gè)人或公用電腦、手持終端設(shè)備組網(wǎng)連接，改善基于IEEE802.11系列標(biāo)準(zhǔn)的無(wú)線終端之間的互聯(lián)性?，F(xiàn)在IEEE802.11系列標(biāo)準(zhǔn)被統(tǒng)稱為WiFi[3]。IEEE802.11a及IEEE802.11g標(biāo)準(zhǔn)的傳輸速率可達(dá)到54 Mb/s，而IEEE802.11n可以將傳輸速率提高到300 Mb/s，甚至達(dá)到600 Mb/s，信號(hào)的覆蓋范圍擴(kuò)大到幾平方公里。與其他無(wú)線通信技術(shù)相比，WiFi具有如下幾項(xiàng)技術(shù)優(yōu)勢(shì)[4]：

（1）覆蓋范圍較廣；

（2）建設(shè)費(fèi)用低；

（3）傳輸速度快；

（4）低門檻。

據(jù)研究[5]，WiFi網(wǎng)絡(luò)可以同時(shí)支持六個(gè)符合H.264標(biāo)準(zhǔn)的視頻同步傳輸，可支持26路速率為12.2 Kb/s的VoIP話務(wù)鏈路。

1.2 關(guān)鍵技術(shù)分析

1.2.1 802.11協(xié)議族技術(shù)

WiFi是對(duì)802.11系列標(biāo)準(zhǔn)的改進(jìn)，故其遵循的是IEEE802.11協(xié)議的運(yùn)作模式，即訪問(wèn)節(jié)點(diǎn)（AP）接入模式和點(diǎn)對(duì)點(diǎn)接入模式。

在AP接入模式中，由AP負(fù)責(zé)無(wú)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(nèi)只需連接到AP節(jié)點(diǎn)，無(wú)需消耗資源來(lái)尋找其它站點(diǎn)。該模式能夠支持1 024臺(tái)計(jì)算機(jī)同時(shí)工作，不過(guò)連接的越多，結(jié)構(gòu)越復(fù)雜。

點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的接入模式用于連接PC或便攜計(jì)算機(jī)終端，允許每個(gè)客戶端在無(wú)線網(wǎng)絡(luò)所覆蓋的范圍內(nèi)移動(dòng)并且自動(dòng)建立點(diǎn)到點(diǎn)的連接，從而實(shí)現(xiàn)不同站點(diǎn)之間的直接信息交換。這種結(jié)構(gòu)的工作原理類似于有線對(duì)等網(wǎng)的工作方式，它要求網(wǎng)絡(luò)中任意兩站點(diǎn)之間均能直接進(jìn)行信息交換，每個(gè)站點(diǎn)既是工作站，也是服務(wù)器。

從802.11協(xié)議族的技術(shù)可以知道WiFi技術(shù)的相關(guān)參數(shù)設(shè)置以及物理層和MAC層的相關(guān)技術(shù)。物理層確立了信號(hào)的調(diào)制方式和數(shù)據(jù)傳輸?shù)男盘?hào)特征，MAC層利用CSMA/CA（Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection，CSMA/CA）協(xié)議讓用戶共享無(wú)線網(wǎng)絡(luò)。為了盡量減少碰撞[6]，MAC層應(yīng)用分布式協(xié)調(diào)功能（Distributed Coordination Function，DCF）以及點(diǎn)協(xié)調(diào)功能（Point Coordination Function，PCF）。而數(shù)據(jù)發(fā)送與否采用請(qǐng)求發(fā)送/允許發(fā)送（RTS/CTS）協(xié)議，RTS/CTS的應(yīng)用可以確保主體報(bào)文發(fā)送不發(fā)生沖突，如果發(fā)生沖突，也只丟失前一部分小的測(cè)試請(qǐng)求報(bào)文，且縮短了無(wú)效碰撞的時(shí)間長(zhǎng)度。802.11協(xié)議族的具體技術(shù)參數(shù)指標(biāo)如表1所列[7]。

1.2.2 網(wǎng)絡(luò)的成員和作用

WiFi無(wú)線連接的組成由至少一個(gè)接入點(diǎn)和一個(gè)或更多的客戶端構(gòu)成[8]。接入點(diǎn)將服務(wù)集標(biāo)識(shí)符（SSID）經(jīng)由信號(hào)臺(tái)每100 ms分組廣播一次，該廣播信號(hào)組的長(zhǎng)度較短，而傳輸速率較高，為1 Mb/s，故廣播動(dòng)作不會(huì)對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能產(chǎn)生太大的影響。由于規(guī)定了該廣播組的傳輸速率為1 Mb/s或更高，使得每一個(gè)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(diǎn)的權(quán)利，并且可以設(shè)定預(yù)想接入的SSID接入點(diǎn)。WiFi系統(tǒng)不僅對(duì)客戶端開放其連接標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)還支持漫游，這表明系統(tǒng)的無(wú)線適配器有可能在性能上優(yōu)于其他適配器。完整的WiFi網(wǎng)絡(luò)有多個(gè)網(wǎng)絡(luò)成員[9]，如表2所示。

如上表所示，站點(diǎn)負(fù)責(zé)提供鑒權(quán)以及鑒權(quán)的結(jié)束、MAC層數(shù)據(jù)傳輸和隱私設(shè)置；而分配、連接以及集成等服務(wù)由分配系統(tǒng)提供。

2 低空平臺(tái)特點(diǎn)及優(yōu)勢(shì)

浮空平臺(tái)是一種新興的、基于浮空器的空基信息任務(wù)平臺(tái)，可廣泛應(yīng)用于偵察、預(yù)警探測(cè)、電子干擾、通信中繼等領(lǐng)域[10]。按飛行或懸浮高度將浮空平臺(tái)分為高空平臺(tái)（HAPS）和低空平臺(tái)（LAP）。具體來(lái)說(shuō)，與其余空間中繼通信平臺(tái)相比，低空通信平臺(tái)具有傳輸質(zhì)量高、網(wǎng)絡(luò)容量大、覆蓋面積廣、傳輸損耗低、機(jī)動(dòng)性能強(qiáng)、部署快速靈活的特點(diǎn)。

2.1 傳輸質(zhì)量高，網(wǎng)絡(luò)容量大

利用LAP可將現(xiàn)有集群通信基站或超短波中轉(zhuǎn)臺(tái)升至幾百米乃至數(shù)千米高空，可有效克服山區(qū)、高樓等阻擋帶來(lái)的多徑效應(yīng)、陰影效應(yīng)等問(wèn)題，使每個(gè)用戶終端“看到”基站，提高信號(hào)傳輸質(zhì)量?？纱钶d各類寬帶通信系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音、視頻、數(shù)據(jù)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(dāng)于地面基站的幾十倍，并可通過(guò)多個(gè)LAP的組網(wǎng)進(jìn)一步擴(kuò)充通信覆蓋面積；與衛(wèi)星通信相比，該平臺(tái)空間傳輸損耗小，減少了平臺(tái)有效載荷或地面終端用戶的發(fā)射功率，從而降低了系統(tǒng)成本。

2.3 機(jī)動(dòng)性能強(qiáng)，部署快速靈活

目前，各類系留氣球經(jīng)過(guò)數(shù)十年的發(fā)展，其設(shè)計(jì)、制造、使用、維護(hù)技術(shù)已較為成熟。LAP因其設(shè)計(jì)較HAPS更為小巧簡(jiǎn)便且其部署時(shí)間短，部署環(huán)境更為廣泛，凸顯出其快速機(jī)動(dòng)靈活的特點(diǎn)。

3 基于WiFi的低空平臺(tái)應(yīng)急通信組網(wǎng)研究

3.1 需求分析

應(yīng)急通信是為應(yīng)對(duì)自然或人為突發(fā)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(shí)的、快速響應(yīng)的特殊通信機(jī)制[11]。通常，自然災(zāi)害或人為大規(guī)?？植酪u擊發(fā)生后，基于固定基礎(chǔ)設(shè)施的有線以及無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)可能遭受嚴(yán)重破壞，緩慢的重建速度與高難度遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足應(yīng)急通信的需求。應(yīng)急通信具有時(shí)間的突發(fā)性、地點(diǎn)的不確定性以及容量的不可預(yù)期性等特點(diǎn)。充分考慮上述特點(diǎn)，應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)和設(shè)備需要做到組網(wǎng)靈活、快速布設(shè)、簡(jiǎn)單易操作，并且需要具有良好的服務(wù)質(zhì)量保證。

從上述WiFi技術(shù)以及系留氣球低空平臺(tái)的特點(diǎn)不難看出，基于WiFi的LAP通信系統(tǒng)具有構(gòu)建應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，能夠滿足應(yīng)急通信組網(wǎng)的要求：作為中繼站的低空平臺(tái)的開設(shè)可以在四十分鐘內(nèi)完成，地面WiFi網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建依托其成熟的現(xiàn)有設(shè)備可快速部署，不需要依賴現(xiàn)有的通信基礎(chǔ)設(shè)施；低空平臺(tái)的應(yīng)用使得網(wǎng)絡(luò)覆蓋面積大幅提升，不需要擔(dān)心障礙物的阻擋；WiFi的保密機(jī)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(shè)備的商業(yè)價(jià)格比較低廉，并且維護(hù)成本低；WiFi網(wǎng)絡(luò)良好的可擴(kuò)展性能支持用戶不斷增加，為應(yīng)急救援提供更多的支持。

3.2 基于WiFi的低空平臺(tái)應(yīng)急通信組網(wǎng)方案

基于WiFi的低空平臺(tái)應(yīng)急通信系統(tǒng)主要包括地面子系統(tǒng)、空間子系統(tǒng)和客戶訪問(wèn)子系統(tǒng)。地面子系統(tǒng)作為控制站，主要功能包括對(duì)低空平臺(tái)的遙感控制和對(duì)無(wú)線信道性能的監(jiān)測(cè)，負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)系留氣球以及用戶端的回程信道性能。空間子系統(tǒng)由系留氣球搭載WiFi設(shè)備、天線、視頻拍攝模塊和能源模塊組成?？蛻粼L問(wèn)子系統(tǒng)主要是客戶終端設(shè)備。圖1所示為基于WiFi的低空平臺(tái)應(yīng)急通信系統(tǒng)的組網(wǎng)方式。

在基礎(chǔ)設(shè)施受損或匱乏的情況下，用戶終端通過(guò)地面系統(tǒng)以及浮空平臺(tái)組成Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)互聯(lián)，以保證完成應(yīng)急指揮和協(xié)同通信。在WiFi網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用中，“熱點(diǎn)”充當(dāng)了路由器的角色，當(dāng)然，有的客戶終端也能充當(dāng)“熱點(diǎn)”。應(yīng)急場(chǎng)景中，通常不能滿足長(zhǎng)時(shí)間的外部供電，WiFi設(shè)備需要注意功耗的問(wèn)題。地面子系統(tǒng)中的站點(diǎn)多數(shù)處于固定位置，構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)時(shí)選好熱點(diǎn)的部署位置，這樣可使無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍更合理，連接效果更佳。利用無(wú)線自組織網(wǎng)絡(luò)可以顯著降低對(duì)通信基礎(chǔ)設(shè)施的依賴性，有效增強(qiáng)通信系統(tǒng)的健壯性和通信可靠性；在WiFi網(wǎng)絡(luò)中，若某個(gè)路由器出現(xiàn)故障，可選擇其他路徑完成所需途徑的連接，提高了應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)的生存能力。

4 結(jié) 語(yǔ)

基于WiFi的低空平臺(tái)通信系統(tǒng)具有數(shù)據(jù)傳輸速率快、傳輸距離遠(yuǎn)、通信質(zhì)量高、部署快速、支持終端移動(dòng)且受地形和建筑物影響小的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)，在傳統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)無(wú)法完成通信需求的應(yīng)急場(chǎng)景中具有廣闊的應(yīng)用前景。可以實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音、數(shù)據(jù)、圖像以及視頻的實(shí)時(shí)傳輸，其廣闊的通信覆蓋面積對(duì)于應(yīng)急部隊(duì)之間的互聯(lián)互通以及前、后方之間準(zhǔn)確的信息傳遞和指令下達(dá)具有重要意義，為應(yīng)急救援提供技術(shù)保障。

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