基于IEEE802.11s協(xié)議的彈載組網(wǎng)終端

馮 欣，朱廣華，解 煜，唐 強(qiáng)

(西安機(jī)電信息技術(shù)研究所，陜西 西安 710065)

0 引言

隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展，巡飛類彈藥的應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大，要求其能夠在更加廣闊的區(qū)域內(nèi)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)傳輸大數(shù)據(jù)量情報(bào)信息,并協(xié)同完成作戰(zhàn)任務(wù)。為適應(yīng)這一需求，智能化的巡飛彈藥由單一作戰(zhàn)單元向集群化發(fā)展。與多枚巡飛彈單獨(dú)作戰(zhàn)相比，網(wǎng)絡(luò)化協(xié)同作戰(zhàn)將大幅度增加其協(xié)調(diào)控制區(qū)域，增強(qiáng)作戰(zhàn)靈活性[1]。彈載終端是建立彈群無線網(wǎng)絡(luò)的主要設(shè)備，是實(shí)現(xiàn)平臺(tái)與彈群以及指控中心雙向信息交換的信息化裝備，是建立集群化彈藥的信息基礎(chǔ)，是實(shí)現(xiàn)彈與彈之間雙向信息交換的核心技術(shù)。通過小型化彈載自組網(wǎng)終端，可以建立彈群內(nèi)各節(jié)點(diǎn)之間實(shí)時(shí)、可靠的雙向通信與網(wǎng)絡(luò)化信息交互鏈路，完成彈間無線鏈路的建立、入網(wǎng)/退網(wǎng)等協(xié)議處理、集群內(nèi)信息中繼、圖像等信息參數(shù)的交互以及指令交互等功能，從而實(shí)現(xiàn)將集群內(nèi)各枚導(dǎo)彈所獲得的戰(zhàn)場信息實(shí)現(xiàn)資源共享、信息融合以及決策算法等協(xié)同處理。

國內(nèi)目前在彈群組網(wǎng)技術(shù)方面，主要還是通過TDMA或FDMA技術(shù),以地面設(shè)備為中心，實(shí)現(xiàn)彈與彈之間信息的交互。這種組網(wǎng)方式，不僅支持的彈藥集群規(guī)模較小，而且彈與彈之間需要依托地面交換設(shè)備進(jìn)行通信，無法為彈藥集群提供動(dòng)態(tài)、靈活、高效的彈間自組織網(wǎng)絡(luò)。針對(duì)該問題，本文提出了一種基于IEEE802.11s協(xié)議的彈載組網(wǎng)終端，并通過實(shí)物進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室的組網(wǎng)傳輸驗(yàn)證。

1 無線Mesh網(wǎng)絡(luò)

無線Mesh網(wǎng)絡(luò)，即無線網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò),它是一種多跳(multi-hop)網(wǎng)絡(luò)，是一種與傳統(tǒng)無線網(wǎng)絡(luò)完全不同的新型無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。在無線Mesh網(wǎng)絡(luò)中，任何無線設(shè)備節(jié)點(diǎn)都可以同時(shí)作為接入點(diǎn)(access point，AP)和路由器，網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)都可以發(fā)送和接收信號(hào)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都可以與一個(gè)或者多個(gè)對(duì)等節(jié)點(diǎn)進(jìn)行直接通信。通過呈網(wǎng)狀分布的無線接入點(diǎn)之間的互相協(xié)作，網(wǎng)絡(luò)的每個(gè)節(jié)點(diǎn)都可以以多跳的形式，從源節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)形成多條冗余的通信路徑，具有高帶寬和高頻譜效率優(yōu)勢。

無線Mesh網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是面向基于IP接入的新型無線移動(dòng)通信技術(shù)，適合區(qū)域環(huán)境覆蓋和寬帶高速無線接入。無線Mesh網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)都具有路由轉(zhuǎn)發(fā)功能，當(dāng)最近的節(jié)點(diǎn)由于流量過大而導(dǎo)致?lián)砣麜r(shí)，數(shù)據(jù)可以自動(dòng)重新路由到一個(gè)通信流量較小的鄰近節(jié)點(diǎn)進(jìn)行傳輸。以此類推，數(shù)據(jù)包還可以根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的情況，繼續(xù)路由到與之最近的下一個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行傳輸，直到到達(dá)最終目的地為止。因此，無線Mesh網(wǎng)絡(luò)是一種動(dòng)態(tài)自組織、自管理、自維護(hù)和自我平衡的智能網(wǎng)絡(luò)[2]，非常適合用于解決彈群組網(wǎng)問題。

無線Mesh網(wǎng)絡(luò)被認(rèn)為是下一代無線網(wǎng)絡(luò)的重要解決方案，因此目前有很多組織正在制定在不同應(yīng)用場景下的無線Mesh網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)，如IEEE802.11、IEEE802.15、IEEE802.16等。無線Mesh網(wǎng)絡(luò)作為一種特殊的無線局域網(wǎng)，在彈載應(yīng)用場景中，具有網(wǎng)絡(luò)生存周期短，可靠性及穩(wěn)定性要求高的特點(diǎn)，因此，提供低成本數(shù)據(jù)服務(wù)且技術(shù)相對(duì)成熟的無線局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)IEEE802.11更適合作為彈載無線Mesh組網(wǎng)的方案。

2004年初，IEEE802.11WLAN工作組成立了Mesh任務(wù)組，編號(hào)為“802.11s”。該任務(wù)組的工作是擴(kuò)展IEEE802.11體系和協(xié)議，提供ESS(extended service station)的Mesh功能[3]。實(shí)際上就是要突破傳統(tǒng)無線局域網(wǎng)中AP功能上的限制，使之具有無線路由器的功能，將業(yè)務(wù)流轉(zhuǎn)發(fā)給鄰近的AP，并進(jìn)行一系列的多跳傳輸。這一提案的思想就是擴(kuò)展802.11MAC協(xié)議，建立IEEE802.11WLAN的WDS(wireless distribution system)，在自配置多跳拓?fù)渖希瑢?shí)現(xiàn)在MAC層支持廣播/多播和單播分發(fā)。這種方式?jīng)Q定了無線Mesh網(wǎng)絡(luò)具有較高的可靠性、較大的伸縮性和較低的成本等特點(diǎn)，而且業(yè)務(wù)可以自動(dòng)繞過故障節(jié)點(diǎn)，自行調(diào)節(jié)來實(shí)現(xiàn)流量負(fù)載平衡。

IEEE802.11s協(xié)議無線Mesh網(wǎng)絡(luò)包含三種節(jié)點(diǎn)類型:

1)Mesh節(jié)點(diǎn)(mesh point，MP)：所有支持Mesh功能的設(shè)備被稱為MP，可提供全部ESS功能；

2)Mesh接入點(diǎn)(mesh access point，MAP)：MAP是一種特殊的MP,擁有MP的全部功能，并提供接入服務(wù)；

3)用戶站(station，STA)：通過MAP接入Mesh網(wǎng)絡(luò)的站點(diǎn)。

IEEE802.11s協(xié)議無線Mesh網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)[4]如圖1所示。

圖1 IEEE802.11s協(xié)議無線Mesh網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架示意圖Fig.1 Schematic of IEEE802.11s wireless Mesh network architecture

IEEE802.11s協(xié)議基于傳統(tǒng)物理層標(biāo)準(zhǔn)，提供WLAN Mesh服務(wù)，包括拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)、路徑選擇和轉(zhuǎn)發(fā)、媒體接入?yún)f(xié)調(diào)、Mesh網(wǎng)絡(luò)的配置和管理、網(wǎng)絡(luò)測量、網(wǎng)絡(luò)互連和安全等功能模塊。IEEE802.11s協(xié)議框架[5]如圖2所示。

圖2 IEEE802.11s協(xié)議框架Fig.2 IEEE802.11s protocol framework

IEEE802.11s標(biāo)準(zhǔn)定義了名為混合無線網(wǎng)狀網(wǎng)協(xié)議的路徑選擇協(xié)議[6]，這項(xiàng)規(guī)范在設(shè)計(jì)上可以利用自己的協(xié)議來選擇路徑，從而使具有可互操作的專有網(wǎng)狀網(wǎng)部署到彈群網(wǎng)絡(luò)上成為可能。

2 基于IEEE802.11s協(xié)議的彈載組網(wǎng)終端

2.1 彈載組網(wǎng)終端的組網(wǎng)構(gòu)架

無線Mesh網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)根據(jù)節(jié)點(diǎn)的功能可大致分為三類：平面型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、多層次型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)以及混合型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。針對(duì)彈群網(wǎng)絡(luò)具有有中心網(wǎng)絡(luò)以及無中心無線自組織網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)，彈載組網(wǎng)終端采用分層化的平面型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。在該網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)下，每個(gè)終端節(jié)點(diǎn)即可作為Mesh接入點(diǎn)(MAP)使用，也可作為用戶站(STA)使用。采用這種組網(wǎng)構(gòu)架的優(yōu)勢在于：針對(duì)不同規(guī)模的彈群，可靈活構(gòu)建平面型或多層次型的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

對(duì)于整個(gè)彈群網(wǎng)絡(luò)，所有節(jié)點(diǎn)均應(yīng)工作在同一頻點(diǎn)，因此相鄰節(jié)點(diǎn)之間存在干擾，所有節(jié)點(diǎn)不能同時(shí)接收或發(fā)送，需要在多跳范圍內(nèi)用CSMA/CA的MAC機(jī)制進(jìn)行協(xié)商。而隨著跳數(shù)的增加，每個(gè)節(jié)點(diǎn)分配到的帶寬將急劇下降，實(shí)際組網(wǎng)性能也將受到很大限制。

根據(jù)不同彈群規(guī)模，可以采用無中心的平面型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和兩層結(jié)構(gòu)的混合網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的組網(wǎng)方式。

當(dāng)小規(guī)模彈群組網(wǎng)時(shí)，彈群中總節(jié)點(diǎn)數(shù)量較少，整個(gè)彈群網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)比較簡單，彈間進(jìn)行數(shù)據(jù)交互時(shí)的路由也相對(duì)簡單。為提高系統(tǒng)可靠性，每個(gè)彈載終端可作為Mesh接入點(diǎn)使用，形成一個(gè)無中心的平面型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。小規(guī)模彈群組網(wǎng)如圖3所示。

圖3 小規(guī)模彈群組網(wǎng)示意圖Fig.3 Schematic of small-scale missiles group network

當(dāng)大規(guī)模彈群組網(wǎng)時(shí)，彈群中總節(jié)點(diǎn)數(shù)量較大，整個(gè)彈群網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變得比較復(fù)雜，如果再采用無中心的平面型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，會(huì)造成組網(wǎng)和傳輸過程中路由開銷的急劇增大，同時(shí)，傳輸過程中多跳次數(shù)的增加，也會(huì)造成信道帶寬和質(zhì)量的急速下降。在這種情況下，可將部分彈載終端設(shè)為Mesh接入點(diǎn)，作為主節(jié)點(diǎn)，其余彈載終端設(shè)為用戶站，作為從節(jié)點(diǎn)，形成兩層結(jié)構(gòu)的混合網(wǎng)絡(luò)。在該網(wǎng)絡(luò)模式下，網(wǎng)絡(luò)可劃分為多個(gè)簇，每個(gè)簇由一個(gè)Mesh接入點(diǎn)和接入其中的多個(gè)的用戶站組成，構(gòu)成一個(gè)有中心的子網(wǎng)絡(luò)；各個(gè)簇之間通過各自內(nèi)部的Mesh接入點(diǎn)聯(lián)網(wǎng)構(gòu)成一個(gè)無中心的平面型網(wǎng)絡(luò)。這種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可大大簡化組網(wǎng)傳輸中的路由開銷，減少多跳的次數(shù)，提高網(wǎng)絡(luò)傳輸質(zhì)量。大規(guī)模彈群組網(wǎng)如圖4所示。

圖4 大規(guī)模彈群組網(wǎng)示意圖Fig.4 Schematic of large-scale missiles group network

2.2 基于IEEE802.11s協(xié)議的彈載組網(wǎng)終端的組成

彈載組網(wǎng)終端由無線路由部件、電源管理部件、射頻部件、存儲(chǔ)部件等組成。其中電源轉(zhuǎn)換部件為各個(gè)部分提供電源轉(zhuǎn)換及實(shí)現(xiàn)電源管理功能，存儲(chǔ)部件主要用于存放常量表、程序代碼等，射頻部件主要實(shí)現(xiàn)射頻工作頻率的變換及功率控制，無線路由部件主要實(shí)現(xiàn)組網(wǎng)控制與傳輸功能。彈載組網(wǎng)終端框圖如圖5所示。

圖5 彈載組網(wǎng)終端框圖Fig.5 Block diagram of missile-borne networking terminal

無線路由作為組網(wǎng)終端的核心部件，一方面要實(shí)現(xiàn)MAC訪問控制及無線傳輸功能；另一方面需要實(shí)現(xiàn)自組網(wǎng)和路由傳輸功能。根據(jù)IEEE802.11s的協(xié)議框架，其傳輸協(xié)議和MAC訪問控制協(xié)議都應(yīng)支持IEEE802.11的體系標(biāo)準(zhǔn)，可選的無線傳輸標(biāo)準(zhǔn)有IEEE802.11b/g/n，有線標(biāo)準(zhǔn)為IEEE802.3，傳輸帶寬為20 MHz和40 MHz。因此，為滿足彈載系統(tǒng)對(duì)于小型化的設(shè)計(jì)需求，選擇高通QCA9531芯片作為無線路由部件的硬件核心。QCA9531是一款高度集成化的無線傳輸模塊，支持完整的IEEE802.11b/g/n的協(xié)議棧，同時(shí)該器件自身提供了一套較完整的通用外圍設(shè)備接口，包括UART控制口、1WAN口4LAN口的快速以太網(wǎng)交換機(jī)、GPIO以及最大支持512 M的DDR2接口，集成了射頻端的PA及LNA，所以避免了添加、配置附加外圍接口的繁瑣，大大減少了電路板的面積和整個(gè)系統(tǒng)的復(fù)雜度，還可使整個(gè)系統(tǒng)的功耗降至最低。此外，QCA9551內(nèi)部還集成了MIPS 24K處理器，支持64 bit和32 bit的指令和操作，滿足安全接入?yún)f(xié)議、路由協(xié)議等協(xié)議系統(tǒng)的開銷以及應(yīng)用層二次開發(fā)的需求。

無線路由部件框圖如圖6所示。

圖6 無線路由部件框圖Fig.6 Block diagram of wireless router components

2.3 基于IEEE802.11s協(xié)議的彈載組網(wǎng)終端的自組網(wǎng)接入及路由算法

彈群網(wǎng)絡(luò)是一種可伸縮的、全面的集中式網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)，良好的規(guī)劃和設(shè)計(jì)是成功部署的先決條件[7]。同時(shí)，由于彈藥本身的高機(jī)動(dòng)性，決定了整個(gè)彈群網(wǎng)絡(luò)是高動(dòng)態(tài)且拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)快速變化。監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)并迅速做出糾正行動(dòng)，對(duì)于性能和可靠性至關(guān)重要。對(duì)于彈群動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)來說，協(xié)議層需要解決的主要包括自組織網(wǎng)絡(luò)MAC 接入?yún)f(xié)議技術(shù)與自組織網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議等技術(shù)。

2.3.1自組網(wǎng)接入

IEEE802.11s標(biāo)準(zhǔn)中的物理層繼承了IEEE802.11b/g/n的標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)定了兩種傳輸方式：DSSS和OFDM。

對(duì)比這兩種傳輸方式，顯然，OFDM更適合寬帶傳輸。相較于其他調(diào)制技術(shù)，OFDM調(diào)制具有以下優(yōu)點(diǎn)[8]:

1)由于各子載波相互正交，使擴(kuò)頻調(diào)制后的頻譜可以部分重疊，從而具有更高的載波頻譜利用率，更適合于高碼率的圖像傳輸；

2)每個(gè)子載波可以選擇BPSK、QPSK、16QAM、64QAM等高速調(diào)制。各子載波并行傳輸，減小了對(duì)單個(gè)載波的依賴性，具有優(yōu)良的抗多徑衰落能力和對(duì)信道變化的自適應(yīng)能力，抗干擾能力強(qiáng)，更適合于復(fù)雜環(huán)境下的傳輸系統(tǒng)；

3)繞射性強(qiáng)，穿透性強(qiáng)，能夠在高速移動(dòng)中穩(wěn)定的發(fā)射和接收，更適合高速移動(dòng)的傳輸系統(tǒng)。

因此，彈載組網(wǎng)終端選用OFDM的調(diào)制方式進(jìn)行無線傳輸，并在此基礎(chǔ)上，采用速率自適應(yīng)多跳網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議作為彈群網(wǎng)絡(luò)的MAC接入?yún)f(xié)議。速率自適應(yīng)多跳網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議運(yùn)用自適應(yīng)調(diào)制和編碼技術(shù)，根據(jù)不同終端報(bào)告的信道情況，提供不同的調(diào)制方式，且無線設(shè)備能夠支持多種調(diào)制方式即多種速率，并動(dòng)態(tài)地從中進(jìn)行選擇。該設(shè)計(jì)核心思想是允許接收端來選擇合適的數(shù)據(jù)分組的傳輸速率，通過RTS/CTS分組來攜帶信息進(jìn)行速率選擇信息的交換，確保了信道質(zhì)量的評(píng)估和傳輸速率的選擇基于接收端的實(shí)時(shí)狀態(tài)，保證了所做的信道評(píng)估是實(shí)時(shí)準(zhǔn)確的，因此速率的選擇更為準(zhǔn)確。

速率自適應(yīng)MAC協(xié)議幀結(jié)構(gòu)及Mesh幀頭結(jié)構(gòu)如圖7、圖8所示。

圖7 速率自適應(yīng)MAC協(xié)議幀結(jié)構(gòu)Fig.7 Rate adaptive MAC protocol frame structure

圖8 Mesh幀頭結(jié)構(gòu)Fig.8 Mesh frame header structure

2.3.2自組網(wǎng)路由算法

在對(duì)自組織網(wǎng)的路由設(shè)計(jì)中，需要綜合考慮彈群作戰(zhàn)應(yīng)用需求、網(wǎng)絡(luò)能力、自組織網(wǎng)的特點(diǎn)和運(yùn)行環(huán)境、路由協(xié)議基本功能等諸多因素[9]。

無線Mesh網(wǎng)絡(luò)的很多技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢來自于其Mesh網(wǎng)狀連接和尋路，而路由轉(zhuǎn)發(fā)的設(shè)計(jì)則直接決定Mesh網(wǎng)絡(luò)對(duì)其網(wǎng)狀連接的利用效率，影響網(wǎng)絡(luò)的性能。常用的無線Mesh路由協(xié)議可參照Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議，幾種典型的路由協(xié)議包括：動(dòng)態(tài)源路由協(xié)議(DSR)、目的序列距離矢量路由協(xié)議(DSDV)、臨時(shí)按序路由算法(TORA)和Ad Hoc按需距離矢量路由協(xié)議(AODV)等[10]。其中AODV路由協(xié)議是一種能夠較好適應(yīng)無線Mesh網(wǎng)絡(luò)自身特點(diǎn)的按需驅(qū)動(dòng)路由協(xié)議。該路由協(xié)議不需要維護(hù)到所有節(jié)點(diǎn)的路由，僅在需要時(shí)才進(jìn)行路由獲取，通信結(jié)束則不再維護(hù)路由，很大程度上節(jié)省了網(wǎng)絡(luò)資源開銷，非常適用于彈載低功耗的場景。但是，由于彈藥處于高速飛行環(huán)境下，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓l繁，極易發(fā)生鏈路中斷，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)性能迅速下降。

為解決這一問題，本終端采用一種跨層的路由協(xié)議設(shè)計(jì)思想，對(duì)AODV協(xié)議進(jìn)行改進(jìn)。由于彈載組網(wǎng)終端采用了速率自適應(yīng)多跳MAC協(xié)議，協(xié)議中對(duì)信道質(zhì)量進(jìn)行了實(shí)時(shí)評(píng)估，在路由發(fā)現(xiàn)階段廣播路由發(fā)現(xiàn)請(qǐng)求消息(RREQ)時(shí)，通過RREQ消息中添加MAC層的信道質(zhì)量評(píng)估參數(shù)方式進(jìn)行改進(jìn)。當(dāng)RREQ到達(dá)鄰居節(jié)點(diǎn)后，鄰居節(jié)點(diǎn)首先根據(jù)經(jīng)典的AODV方式處理RREQ消息，當(dāng)經(jīng)典AODV路由算法判定該節(jié)點(diǎn)為中間路由節(jié)點(diǎn)時(shí)，獲取RREQ消息中的信道質(zhì)量信息，通過閾值判斷機(jī)制判斷該路由節(jié)點(diǎn)是否為優(yōu)先路由節(jié)點(diǎn)。如果是，則更新RREQ消息并向周圍繼續(xù)廣播和轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)分組；如果不是優(yōu)先路由節(jié)點(diǎn)，則丟棄該RREQ消息。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證與結(jié)果分析

彈載組網(wǎng)終端實(shí)物如圖9所示，實(shí)物尺寸為120 mm×76 mm×18 mm，重量為255 g，完全滿足彈載安裝需求。

圖9 彈載組網(wǎng)終端Fig.9 The missile-borne network terminal

為驗(yàn)證彈載組網(wǎng)終端的實(shí)際性能，分別對(duì)彈載組網(wǎng)終端進(jìn)行組網(wǎng)、通信距離及多跳傳輸進(jìn)行驗(yàn)證。

3.1 自組網(wǎng)驗(yàn)證

將組網(wǎng)終端聯(lián)入上位機(jī)，通過終端應(yīng)用層的軟件接口，可以獲取網(wǎng)絡(luò)的簡易拓?fù)鋱D及節(jié)點(diǎn)間實(shí)時(shí)信道傳輸參數(shù)。由于彈載組網(wǎng)終端數(shù)量有限，本文只對(duì)小規(guī)模彈群組網(wǎng)進(jìn)行驗(yàn)證。

將5個(gè)彈載組網(wǎng)終端設(shè)置成MAP模式，置于空曠的空間進(jìn)行組網(wǎng)驗(yàn)證。組網(wǎng)測試結(jié)果如圖10(a)所示?？梢钥吹?，不同節(jié)點(diǎn)間由于信道質(zhì)量不同，通過速率自適應(yīng)MAC協(xié)議，實(shí)現(xiàn)了不同的分組傳輸速率。

在1號(hào)節(jié)點(diǎn)和3號(hào)節(jié)點(diǎn)之間加入遮擋后，如圖10(b)所示，為保證傳輸質(zhì)量，通過速率自適應(yīng)MAC協(xié)議，1號(hào)節(jié)點(diǎn)和3號(hào)節(jié)點(diǎn)間的傳輸速率由6 Mb/s降到了1 Mb/s。試驗(yàn)結(jié)果表明彈載組網(wǎng)終端能夠?qū)崿F(xiàn)自組網(wǎng)。

3.2 單點(diǎn)傳輸性能驗(yàn)證

彈載組網(wǎng)終端的單點(diǎn)傳輸性能，主要驗(yàn)證其傳輸距離及誤碼率兩個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)，因此通過兩個(gè)節(jié)點(diǎn)實(shí)際進(jìn)行遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)傳輸試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。由于彈載組網(wǎng)終端采用了自適應(yīng)速率的MAC協(xié)議，在驗(yàn)證過程中，通信速率按最低檔的1 Mb/s進(jìn)行驗(yàn)證。通過上位機(jī)發(fā)循環(huán)送數(shù)據(jù)包，每包數(shù)據(jù)125 B，數(shù)據(jù)刷新率設(shè)置為1 ms，每秒總數(shù)據(jù)量為1 Mb。測試中所用收發(fā)天線增益均為3 dBi。

單點(diǎn)傳輸性能驗(yàn)證結(jié)果如表1所示。

表1 單點(diǎn)傳輸性能驗(yàn)證結(jié)果Tab.1 The results of single point transmission performance

通過遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)傳輸試驗(yàn)，表明彈載組網(wǎng)終端的單點(diǎn)通信距離在2.5 km以內(nèi)時(shí)，數(shù)據(jù)傳輸誤碼率優(yōu)于10-5，可以滿足彈群節(jié)點(diǎn)間數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊蟆?/p>

3.3 多跳傳輸性能驗(yàn)證

無線Mesh網(wǎng)絡(luò)作為一種多跳網(wǎng)絡(luò)，彈載組網(wǎng)終端的多跳傳輸性能至關(guān)重要。多跳傳輸性能主要對(duì)多跳傳輸誤碼率及傳輸延遲兩個(gè)指標(biāo)進(jìn)行驗(yàn)證。

對(duì)于多跳傳輸誤碼率的測試，采用和單點(diǎn)傳輸相同的方法，計(jì)算不同跳數(shù)下傳輸?shù)恼`碼率。由于Mesh網(wǎng)絡(luò)隨著跳數(shù)的增加，每個(gè)節(jié)點(diǎn)分配到的帶寬將急劇下降，為保證傳輸質(zhì)量，一般不宜超過4跳。多跳傳輸誤碼率測試結(jié)果如表2所示。

表2 多跳傳輸誤碼率測試結(jié)果Tab.2 The results of Multi-hop transmission error rate test

表2的測試結(jié)果表明，隨著傳輸跳數(shù)的增加，傳輸誤碼率也會(huì)隨之顯著增加，但在4跳以內(nèi)傳輸誤碼率基本滿足10-5。

對(duì)于多跳傳輸延遲指標(biāo)，通過傳輸720P的高清圖像信息進(jìn)行驗(yàn)證。在傳輸?shù)膱D像信息中加入時(shí)間信息，通過接收到的時(shí)間信息和現(xiàn)實(shí)時(shí)間進(jìn)行對(duì)比，獲取傳輸延遲。多跳傳輸延遲及圖像傳輸效果如表3所示。

表3 多跳傳輸延遲及圖像傳輸效果測試結(jié)果Tab.3 The results of Multi-hop transmission delay and image transmission test

表3的測試結(jié)果表明：彈載組網(wǎng)終端在2跳的情況下，傳輸延遲和傳輸效果良好；在3跳時(shí)，圖像傳輸質(zhì)量開始下降；4跳的情況下，傳輸延遲已經(jīng)達(dá)到360 ms，并且圖像出現(xiàn)卡頓現(xiàn)象。這是由于隨著傳輸跳數(shù)的增加，每個(gè)彈載組網(wǎng)終端分配到的帶寬已經(jīng)無法滿足720P高清圖像的傳輸。通過降低圖像的清晰度和幀率，或者采用更好的圖像壓縮算法，適當(dāng)降低圖像數(shù)據(jù)的傳輸碼率，可以滿足4跳情況下的圖像傳輸需求。

4 結(jié)論

本文提出了基于IEEE802.11s框架設(shè)計(jì)的彈載組網(wǎng)終端。該彈載組網(wǎng)終端采用無線Mesh組網(wǎng)技術(shù)，通過速率自適應(yīng)的MAC協(xié)議，以及跨協(xié)議層的AODV路由算法，實(shí)現(xiàn)了在高動(dòng)態(tài)環(huán)境下，不同規(guī)模彈群節(jié)點(diǎn)的自組網(wǎng)功能。通過對(duì)彈載組網(wǎng)終端實(shí)物的自組網(wǎng)功能、單點(diǎn)傳輸性能以及多跳傳輸性能進(jìn)行測試驗(yàn)證。測試結(jié)果表明，該彈載組網(wǎng)終端傳輸距離、傳輸帶寬及傳輸延遲等方面均能滿足自組網(wǎng)傳輸要求，同時(shí)滿足彈載安裝的小型化要求，可以應(yīng)用到巡飛類彈藥上，使彈藥集群達(dá)到靈活、高效組網(wǎng)的目的。