海上微波無線傳輸組網(wǎng)方式及關(guān)鍵技術(shù)

李春華

（中海油信息科技有限公司湛江分公司，廣東 湛江 524000）

0 引言

在海上通信中，要考慮技術(shù)應(yīng)用問題。微波無線傳輸?shù)膽?yīng)用具有優(yōu)勢(shì)，但是要考慮到組織方式，明確關(guān)鍵技術(shù)，為海上通信提供最可靠的方案。

1 微波傳輸?shù)膬?yōu)點(diǎn)

不同于傳統(tǒng)模式的有線傳輸，海上通信采用微波無線傳輸具有多方面的優(yōu)勢(shì)，區(qū)別于有線傳輸，更易于組網(wǎng)。傳統(tǒng)的有線傳輸如果要構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)會(huì)受多種客觀因素的制約，而無線網(wǎng)絡(luò)可以不受周圍條件的影響，安裝微波輸入硬件就可以建立局域網(wǎng)。傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中設(shè)施的安裝地點(diǎn)要考慮到網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的收發(fā)點(diǎn)，具有局限性[1]。無線網(wǎng)絡(luò)組成后，在信號(hào)網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍內(nèi)均可以使用網(wǎng)絡(luò)。與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)相比，微波網(wǎng)絡(luò)具有多樣化的組網(wǎng)方法，可以自由搭配，并且信息輸送速度可以保證。微波網(wǎng)絡(luò)令計(jì)算機(jī)的移動(dòng)性得到發(fā)揮，可以規(guī)避傳統(tǒng)局域網(wǎng)的缺陷。

2 海上微波無線傳輸?shù)慕M網(wǎng)

2.1 組網(wǎng)方式

微波組網(wǎng)可以依據(jù)傳輸?shù)男枰渲贸鯪個(gè)節(jié)點(diǎn)，組成不同規(guī)模的子網(wǎng)。各個(gè)子網(wǎng)能同時(shí)工作，相互不發(fā)生干擾。組建單一的局域網(wǎng)。各個(gè)節(jié)點(diǎn)全部架設(shè)在船上，在海域上可以任意展開，船能自由移動(dòng)，覆蓋到需要的海域。船編隊(duì)行進(jìn)時(shí)，微波系統(tǒng)可以提供通信保障。通信網(wǎng)絡(luò)可以架設(shè)在海岸邊，沿岸組建出局域網(wǎng)，方便與海域上的船通信聯(lián)系。組建相對(duì)獨(dú)立的子網(wǎng)。子網(wǎng)規(guī)?？梢越Y(jié)合通信需要確定，可以同時(shí)在不同范圍內(nèi)工作，靈活組建出可以交疊的子網(wǎng)，還可以采用不同的頻率依據(jù)需要組建出不同規(guī)模、不同類型的子網(wǎng)。信號(hào)覆蓋區(qū)域雖然交疊但是不會(huì)發(fā)生相互干擾。

2.2 功能設(shè)計(jì)

在具體的應(yīng)用中，組網(wǎng)方式多種，如可選擇無中心分布式，將傳統(tǒng)的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)變?yōu)楸馄交哪Ｊ?，以滿足海域內(nèi)通信的需要。系統(tǒng)內(nèi)部節(jié)點(diǎn)的傳輸方式也可以靈活配置，選擇任一節(jié)點(diǎn)作基準(zhǔn)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)不同節(jié)點(diǎn)的通信。因?yàn)橹笓]中心易于變革，方便海上的船舶調(diào)度，提供通信服務(wù)，通信保障方案可以更加靈活。在數(shù)據(jù)的支持上，各節(jié)點(diǎn)處于對(duì)等的狀態(tài)。不同節(jié)點(diǎn)可以與周圍節(jié)點(diǎn)發(fā)生鏈接，結(jié)合路由信息選擇鏈路進(jìn)行傳輸。相鄰節(jié)點(diǎn)彼此間可以通信，以動(dòng)態(tài)化的路由協(xié)議作為基礎(chǔ)，結(jié)合實(shí)際選擇不同節(jié)點(diǎn)動(dòng)態(tài)組網(wǎng)。每個(gè)節(jié)點(diǎn)都可以設(shè)定為中轉(zhuǎn)站，保證了網(wǎng)絡(luò)內(nèi)信號(hào)的覆蓋效果。網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)變化由于有了協(xié)議的支持，可以適應(yīng)船舶移動(dòng)通信的需求。

2.3 調(diào)制方式

在通信傳輸時(shí)，調(diào)制方式可依據(jù)接收信號(hào)強(qiáng)度自動(dòng)加以調(diào)整。在條件具備時(shí)，接收信號(hào)達(dá)到要求時(shí)，調(diào)制的編碼方式為高階，如16QAM3／4，借助高效的編碼方式保證了高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枰?。由于高帶寬業(yè)務(wù)的應(yīng)用，大量數(shù)據(jù)傳輸可以快速實(shí)現(xiàn)。信號(hào)較弱條件下，調(diào)制采用低階，如選擇BPSK1／2，傳輸帶寬可以保證語音、數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枰?/p>

2.4 同步方式

系統(tǒng)可以采用TOD的同步與跳同步，保證了同步的無時(shí)差。在組網(wǎng)后，任意選擇可以建立群首模式。群首采和分布式的“全網(wǎng)時(shí)間基準(zhǔn)”，這種方式可以保證時(shí)間等級(jí)最高。對(duì)于其他節(jié)點(diǎn)，時(shí)間等級(jí)隨著距離跳數(shù)的增加會(huì)發(fā)生降低。節(jié)點(diǎn)可以周期對(duì)特定區(qū)域廣播，組網(wǎng)后時(shí)間基準(zhǔn)與響應(yīng)范圍得以延續(xù)。如果沒有入網(wǎng)的節(jié)點(diǎn)獲取鄰近節(jié)點(diǎn)的信息，會(huì)自動(dòng)與已入網(wǎng)節(jié)點(diǎn)完成TOD信息同步，還可以自動(dòng)更新TOD與RTC，結(jié)合新的TOD信息完成跳頻序列，這樣保證網(wǎng)絡(luò)中的時(shí)間同步。更高等級(jí)的組網(wǎng)實(shí)現(xiàn)后，節(jié)點(diǎn)時(shí)間可以自動(dòng)周期更新。

2.5 組網(wǎng)接入方式

網(wǎng)絡(luò)的接入方式采用TDMA，雙工TDD。幀分為固定分配幀與動(dòng)態(tài)分配幀。固定分配幀是依據(jù)組網(wǎng)規(guī)模在網(wǎng)節(jié)點(diǎn)中固定配置，針對(duì)大業(yè)務(wù)量的節(jié)點(diǎn)采用動(dòng)態(tài)分配幀，借助信令加以動(dòng)態(tài)分配。固定分配幀可以采用兩種方式，子幀可以采用網(wǎng)絡(luò)控制或數(shù)據(jù)控制[2]。子幀通過網(wǎng)絡(luò)控制可以保證網(wǎng)絡(luò)的同步，動(dòng)態(tài)分配幀可以實(shí)現(xiàn)是網(wǎng)絡(luò)接入中的關(guān)鍵功能模塊。數(shù)據(jù)子幀更加靈活，可以更好地適用于小流量數(shù)據(jù)的傳輸。組織后的動(dòng)態(tài)分配幀結(jié)合數(shù)據(jù)子幀的特點(diǎn)，保證大流量業(yè)務(wù)的實(shí)現(xiàn)，如海上測(cè)控?cái)?shù)據(jù)的傳輸。

2.6 組網(wǎng)路由策略

在船的移動(dòng)中，為了節(jié)省無線帶寬，路由可采用按需方式。路由協(xié)議基于標(biāo)準(zhǔn)AOD，針對(duì)路由發(fā)現(xiàn)實(shí)施了Qos的改造，可以更好適合海上微波傳輸?shù)男枰?。AODV協(xié)議考慮到了路由節(jié)點(diǎn)的控制。組網(wǎng)后的不同節(jié)點(diǎn)通過廣播向路由請(qǐng)求，分組節(jié)點(diǎn)會(huì)依據(jù)廣播信息發(fā)出的指示，設(shè)定節(jié)點(diǎn)路由，“反向路由”得以實(shí)現(xiàn)。組網(wǎng)投入使用后，反向路節(jié)點(diǎn)還要考慮到廣播源節(jié)點(diǎn)的需要，通過節(jié)點(diǎn)將信息發(fā)送到鄰近的節(jié)點(diǎn)，并向鄰近節(jié)點(diǎn)加以擴(kuò)散。在組網(wǎng)中，必要時(shí)節(jié)點(diǎn)要增加路由，即建立“正向路由”。在實(shí)際的組網(wǎng)中，正向路基于RREP源節(jié)點(diǎn)，將信息發(fā)送給鄰節(jié)點(diǎn)。如果中間節(jié)點(diǎn)不保證分組得以應(yīng)用，將不會(huì)轉(zhuǎn)發(fā)此類請(qǐng)求，并自動(dòng)退出搜索。節(jié)點(diǎn)的實(shí)現(xiàn)要考慮到如何保證源節(jié)點(diǎn)的分組成功率。建立符合要求的路徑要保證節(jié)點(diǎn)發(fā)出信息后得到應(yīng)答，源節(jié)點(diǎn)需要選擇通信效果最可靠的路徑來實(shí)現(xiàn)傳輸業(yè)務(wù)。組網(wǎng)后，需要周期維護(hù)活動(dòng)節(jié)點(diǎn)的路由，探測(cè)新路徑。新路徑如果具有更好的傳輸質(zhì)量，會(huì)切換到新路徑上，這種方式可以更好適合艦的快速移動(dòng)。

3 海上微波無線傳輸關(guān)鍵技術(shù)

3.1 異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)互連

為了實(shí)現(xiàn)不同子網(wǎng)可以更高效互連，異構(gòu)網(wǎng)中的路由器協(xié)議可局部修改優(yōu)化。網(wǎng)際路要實(shí)現(xiàn)可以采用以下方法：船上組建的局域網(wǎng)借助電臺(tái)子網(wǎng)加以互連，以構(gòu)成微波通信子網(wǎng)，形成整體；節(jié)點(diǎn)面向不同的通路，可存貯不同路徑的路由信息，通過度量值的對(duì)比選擇最優(yōu)的鏈路，數(shù)據(jù)傳輸依據(jù)控制策略，以保證系統(tǒng)的抗毀性；針對(duì)負(fù)載均衡，還要考慮到路徑的度量值，針對(duì)微波寬帶的度量值還要組網(wǎng)的傳輸能力以及業(yè)務(wù)狀態(tài)，以保證鏈路帶寬得以利用，保證綜合利用率；不同帶寬中的數(shù)據(jù)IP報(bào)文要結(jié)合設(shè)定的速率[3]。海上無線通信對(duì)于路徑的選擇，需考慮電臺(tái)子網(wǎng)的組網(wǎng)能力，運(yùn)用Hello協(xié)議來維護(hù)節(jié)點(diǎn)關(guān)系。

3.2 擁塞控制優(yōu)化

海上無線通信網(wǎng)可以采用不同的帶寬，因此會(huì)發(fā)生鏈路擁塞問題，導(dǎo)致資源浪費(fèi)現(xiàn)象。高帶寬鏈路轉(zhuǎn)化為低帶寬鏈路，由于數(shù)據(jù)流的變化，易發(fā)生鏈路擁塞，業(yè)務(wù)傳輸速度會(huì)受到影響，嚴(yán)重時(shí)網(wǎng)絡(luò)傳輸會(huì)發(fā)生阻塞，網(wǎng)絡(luò)連通性的不能保證；當(dāng)?shù)蛶掓溌纷優(yōu)楦邘掓溌窌r(shí)，網(wǎng)絡(luò)資源難以得以利用，造成網(wǎng)絡(luò)資源浪費(fèi)。利用擁塞控制自優(yōu)化技術(shù)能有效解決異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)不同狀態(tài)切換產(chǎn)生的連通性中斷和資源利用率等問題。傳輸層應(yīng)用TCP技術(shù)，可以提升業(yè)務(wù)傳輸?shù)恼w效果。TCP采用了多接口技術(shù)，可以將網(wǎng)絡(luò)中的空閑資源加以利用，能保證不同路徑的協(xié)同性，保證了吞吐率，網(wǎng)絡(luò)資源利用率得以提升。

在實(shí)際的應(yīng)用中，TCP傳輸層建立了發(fā)送窗口，發(fā)送端面向各路徑通過輪詢方式的不斷發(fā)送傳輸數(shù)據(jù)?；赥CP的子流可以對(duì)擁塞加以控制。在傳輸層，接收端對(duì)于已接收的亂序包重新整理排序，有序數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴蠈印Ｅ判蚝蟮臄?shù)據(jù)包有了編號(hào)，用于在傳輸層上的識(shí)別。子流接收數(shù)據(jù)包后，會(huì)依據(jù)子流序列號(hào)對(duì)數(shù)據(jù)包加以處理，處理后的數(shù)據(jù)包會(huì)存儲(chǔ)接收窗口，通過程序設(shè)定，數(shù)據(jù)包的序列號(hào)在有效范圍內(nèi)才會(huì)傳送數(shù)據(jù)包。

3.3 安全技術(shù)

為了保證海上無線通信的安全，需要可靠的安全技術(shù)加以支持。安全檢測(cè)要可以動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)微波網(wǎng)絡(luò)，監(jiān)測(cè)到與安全有關(guān)的風(fēng)險(xiǎn)事件，如數(shù)據(jù)竊取、非法入侵、違規(guī)使用等。系統(tǒng)需要對(duì)情況加以真實(shí)記錄，阻斷違規(guī)行為。安全檢測(cè)還要保證防銷毀、防篡改，可以實(shí)時(shí)跟蹤數(shù)據(jù)信息，分析和報(bào)告跟蹤中得來的信息。安全檢測(cè)要考慮選擇什么方式加以跟蹤檢測(cè)。安全檢測(cè)可以用于對(duì)內(nèi)部的越權(quán)操作審計(jì)，阻止越權(quán)操作。網(wǎng)絡(luò)掃描技術(shù)要識(shí)別出系統(tǒng)是否存在被攻擊的風(fēng)險(xiǎn)[4]。數(shù)據(jù)安全是動(dòng)態(tài)的，如何保證動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的安全是防護(hù)方案急需解決的問題。安全服務(wù)是及時(shí)解決系統(tǒng)安全的重要環(huán)節(jié)。當(dāng)前海上無線通信網(wǎng)絡(luò)對(duì)安全提出了更高的標(biāo)準(zhǔn)，需求更加強(qiáng)調(diào)網(wǎng)絡(luò)的緊急響應(yīng)。由于安全防護(hù)的復(fù)雜性，系統(tǒng)解決網(wǎng)絡(luò)安全問題需要快速響應(yīng)。另外，安全響應(yīng)還要考慮到數(shù)據(jù)的備份。在數(shù)據(jù)受到破壞后可以快速響應(yīng)、啟動(dòng)備份?？煽康臄?shù)據(jù)備份方案要使得系統(tǒng)在災(zāi)難性條件下可以快速得到恢復(fù)，避免造成不可挽回的損失。

4 結(jié)語

海上應(yīng)用微波通過信息技術(shù)可以為動(dòng)態(tài)組網(wǎng)創(chuàng)造有利條件。在組網(wǎng)的實(shí)施中，要考慮到海上通信的特殊性，解決組網(wǎng)中的關(guān)鍵技術(shù)，保證通信網(wǎng)絡(luò)的可靠性與安全性，以滿足海上通信的使用要求。