一種基于NTN網(wǎng)絡(luò)的自組網(wǎng)系統(tǒng)在近岸通信中的應(yīng)用

文/玄緒強(qiáng) 陳庚

NTN(Node-to-Node)網(wǎng)絡(luò)是一種動(dòng)態(tài)拓?fù)涞膶?duì)等網(wǎng)絡(luò)， NTN網(wǎng)絡(luò)內(nèi)數(shù)據(jù)交換是通過(guò)多跳轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制實(shí)現(xiàn)，通過(guò)路由協(xié)議轉(zhuǎn)發(fā)決策，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)各節(jié)點(diǎn)的互聯(lián)，從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離無(wú)線通信。由于網(wǎng)絡(luò)內(nèi)節(jié)點(diǎn)的加入、退出、移動(dòng)等引起的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不規(guī)則的動(dòng)態(tài)變化，所以它也是具有無(wú)線傳輸功能的一個(gè)多跳的臨時(shí)性自愈系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化，交互路由信息，產(chǎn)生、維護(hù)和選擇路由，并根據(jù)選擇的路由轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，提供網(wǎng)絡(luò)的連通性。

在船只近岸通信中，傳統(tǒng)的基站式通信無(wú)法覆蓋廣大海域，衛(wèi)星通信又易受帶寬資源限制。而NTN網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)方式靈活。多跳臨時(shí)性的特點(diǎn)可以實(shí)現(xiàn)兩個(gè)不能直接建立通信的節(jié)點(diǎn)可以通過(guò)其他節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)多信道多頻點(diǎn)數(shù)據(jù)通信。同時(shí)，因其所有節(jié)點(diǎn)地位對(duì)等，因此不需要固定基站支持，具有網(wǎng)絡(luò)易部署、廣覆蓋、自組性、多跳、分布式的無(wú)線信道等特點(diǎn)，特別適合近岸海上通信。

1 NTN網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)

NTN網(wǎng)絡(luò)本身由一定數(shù)量的固定節(jié)點(diǎn)和移動(dòng)節(jié)點(diǎn)組成，其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)靈活。所有節(jié)點(diǎn)本身也是終端，既可以點(diǎn)對(duì)點(diǎn)，也可以點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)，且每個(gè)節(jié)點(diǎn)均地位平等，數(shù)據(jù)可通過(guò)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。同時(shí)受鏈路資源的限制，NTN網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議會(huì)根據(jù)相應(yīng)的傳輸條件而特殊定制，而其數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議在解決本地業(yè)務(wù)終端業(yè)務(wù)接入的同時(shí)，還需要協(xié)調(diào)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)其他節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)資源與信道分配、編解碼方式等問(wèn)題。對(duì)比傳統(tǒng)無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)， NTN網(wǎng)絡(luò)有以下幾點(diǎn)突出優(yōu)點(diǎn)：

圖1

1.1 支持遠(yuǎn)距離、全無(wú)線、移動(dòng)、多跳、自組網(wǎng)功能

網(wǎng)絡(luò)內(nèi)各節(jié)點(diǎn)之間可通過(guò)多跳無(wú)線傳輸?shù)姆绞綄?shí)現(xiàn)通信，以滿足特殊行業(yè)采用一般通信系統(tǒng)無(wú)線支持的應(yīng)用環(huán)境。

1.2 支持多種網(wǎng)絡(luò)接入方式

NTN網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)支持通過(guò)設(shè)置網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)不同類型網(wǎng)絡(luò)接入NTN網(wǎng)絡(luò)。完成不同類型網(wǎng)絡(luò)之間的通信。

1.3 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)魯棒性、靈活性

因?yàn)镹TN網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點(diǎn)之間地位對(duì)等，因此支持如星型、環(huán)型、線型等多種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)組網(wǎng)，同時(shí)由于其具有分布式的特點(diǎn)，網(wǎng)絡(luò)內(nèi)任意節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障并不會(huì)影響整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的通信，網(wǎng)絡(luò)在數(shù)據(jù)傳輸時(shí)會(huì)自動(dòng)避開(kāi)故障節(jié)點(diǎn)，通過(guò)其他路由與目的節(jié)點(diǎn)通信。因此NTN網(wǎng)絡(luò)能夠適應(yīng)多種復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。

1.4 傳輸帶寬大

從理論上講傳輸帶寬和距離有一定關(guān)系。如果想實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離無(wú)線傳輸，在天線增益、發(fā)射功率等硬件無(wú)法改變的情況下只能犧牲一定帶寬。而NTN網(wǎng)絡(luò)采用多跳傳輸方式，縮短了節(jié)點(diǎn)之間的傳輸距離，在一定程度上節(jié)省了無(wú)線傳輸帶寬。

2 基于NTN網(wǎng)絡(luò)的微波通信系統(tǒng)應(yīng)用

圖2

NTN自組網(wǎng)微波系統(tǒng)主要由固定站微波設(shè)備、移動(dòng)端微波設(shè)備和網(wǎng)管系統(tǒng)組成，實(shí)現(xiàn)固定站-艦艇、艦艇-艦艇間高速無(wú)線信息傳輸通道，為語(yǔ)音、數(shù)據(jù)、視頻、多媒體等各種業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的傳輸提供支撐。

由于微波設(shè)備可在無(wú)線覆蓋范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)靈活部署和快速展開(kāi)實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)組網(wǎng)、自動(dòng)路由，NTN自組網(wǎng)微波系統(tǒng)可作為海上寬帶信息傳輸?shù)墓歉晒?jié)點(diǎn)擔(dān)負(fù)系統(tǒng)干線傳輸、中繼和信息接入的任務(wù)，為固定、艦艇與艦艇之間提供無(wú)線寬帶信息傳輸通道。

2.1 設(shè)備組成及主要功能

NTN自組網(wǎng)微波設(shè)備由設(shè)備主機(jī)、天線、北斗天線、配套電纜等組成。其中設(shè)備主機(jī)內(nèi)部包含主控及協(xié)議處理單元、基帶處理單元、調(diào)制解調(diào)單元、設(shè)備功放模塊、電源模塊及天饋單元。NTN自組網(wǎng)微波設(shè)備可支持兩種場(chǎng)景下的網(wǎng)絡(luò)通信模式：海上通信工作模式、近岸通信工作模式。在海上通信工作模式下，既可以實(shí)現(xiàn)相鄰兩個(gè)微波設(shè)備之間的直接對(duì)等通信。也支持不相鄰兩個(gè)自組網(wǎng)微波設(shè)備之間經(jīng)其它便攜微波設(shè)備多跳轉(zhuǎn)發(fā)后的通信。在近岸通信工作模式下，支持NTN網(wǎng)絡(luò)微波設(shè)備通過(guò)固定站連接至陸地骨干通信網(wǎng)絡(luò)。

2.2 工作原理

NTN自組網(wǎng)微波系統(tǒng)采用TDM雙工方式，支持北斗/外接時(shí)統(tǒng)信號(hào)同步。其微波設(shè)備射頻調(diào)制單元采用雙載波、高中頻模式實(shí)現(xiàn)通道數(shù)字基帶到模擬調(diào)制解調(diào)的AD變換、射頻變頻、AGC/ALC控制功能。同時(shí)NTN網(wǎng)絡(luò)微波系統(tǒng)可自動(dòng)協(xié)商各節(jié)點(diǎn)的工作頻點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)頻率規(guī)劃，對(duì)工作頻帶內(nèi)的干擾進(jìn)行工作頻點(diǎn)切換，實(shí)現(xiàn)設(shè)備發(fā)射功控，減少系統(tǒng)內(nèi)干擾。

NTN自組網(wǎng)微波系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)用戶數(shù)據(jù)的傳輸由寬帶核心模塊通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)接口與NTN通道單元模塊連接，利用通道單元的NTN模塊實(shí)現(xiàn)。NTN通道單元內(nèi)集成了基帶處理、協(xié)議處理和實(shí)時(shí)基帶處理三個(gè)模塊，將來(lái)自寬帶核心模塊的用戶數(shù)據(jù)、NTN組網(wǎng)協(xié)議消息經(jīng)過(guò)編碼調(diào)制形成I/Q基帶數(shù)據(jù)，通道處理板高速基帶信號(hào)經(jīng)調(diào)制解調(diào)完成后，連接各自射頻前端功放，并通過(guò)射頻合路器和射頻選通濾波器送天線。

2.3 CSCI人機(jī)界面

NTN自組網(wǎng)微波系統(tǒng)的網(wǎng)管系統(tǒng)支持對(duì)網(wǎng)絡(luò)中各類資源的管理、監(jiān)控、配置，支持SNMP網(wǎng)管接口協(xié)議。系統(tǒng)內(nèi)部由主控單元模塊通過(guò)管理接口將接入系統(tǒng)的管理消息報(bào)文轉(zhuǎn)發(fā)到通道單元模塊，實(shí)現(xiàn)用戶和管理系統(tǒng)對(duì)設(shè)備的管理。在設(shè)備內(nèi)置顯控界面支持設(shè)備狀態(tài)查詢和參數(shù)配置。同時(shí)用戶可以將設(shè)備配置口與PC 的網(wǎng)口連接，通過(guò)PC端網(wǎng)頁(yè)訪問(wèn)設(shè)備的Web界面，對(duì)信道頻點(diǎn)、最大組網(wǎng)數(shù)、發(fā)射功率、業(yè)務(wù)網(wǎng)口、編碼方式對(duì)應(yīng)SNR門限值、干擾掃描等功能進(jìn)行配置。

3 結(jié)束語(yǔ)

為了提高海上近岸船只的通信保障能力，通信網(wǎng)絡(luò)必須綜合利用各種通信技術(shù)手段，包括短波通信、衛(wèi)星通信和無(wú)線自組網(wǎng)等。本文所討論的基于NTN網(wǎng)絡(luò)的自組網(wǎng)微波設(shè)備在實(shí)現(xiàn)海上基于IP的音視頻傳輸方面具有鮮明的特點(diǎn)。該系統(tǒng)不依賴預(yù)設(shè)的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施，在任何時(shí)間、地點(diǎn)按需提供網(wǎng)絡(luò)容量和覆蓋范圍，能有效支持現(xiàn)場(chǎng)通信；由于沒(méi)有中心控制點(diǎn)，可方便地?cái)U(kuò)展到需要的規(guī)模；IP 地址分配、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)、傳輸參數(shù)選擇和移動(dòng)管理都可自動(dòng)配置完成，需要最小的人為干預(yù)?？傊?，基于NTN網(wǎng)絡(luò)的無(wú)線自組網(wǎng)微波設(shè)備在提高海上船只的通信服務(wù)保障能力方面有著十分突出的現(xiàn)實(shí)意義。