寬帶自組網(wǎng)技術現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢研究

林威

關鍵詞：無線自組網(wǎng)；寬帶自組網(wǎng)；發(fā)展趨勢

1引言

無線自組網(wǎng)技術起源于軍事應用需求，是從20世紀70年代美國國防部高級研究計劃局資助研究的“戰(zhàn)地無線分組數(shù)據(jù)網(wǎng)”項目中產(chǎn)生的一種新型網(wǎng)絡技術。

無線自組網(wǎng)是一種分布式網(wǎng)狀網(wǎng)絡[1]，與點對點或點對多點網(wǎng)絡不同，它是由相同地位的通信節(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一個專用網(wǎng)絡的場景，如應急通信、消防救援、森林消防、海上船隊通信、車隊通信、無人區(qū)通信、地下通信、活動安保等。

2國外寬帶自組網(wǎng)

國外典型的寬帶自組網(wǎng)通信系統(tǒng)有美國Persistent Systems公司的MPU5、美國Silvus公司的MIMO MESH、英國DTC公司的P5等。

2.1美國Persistent Systems公司的MPU5

MPU 5是世界上首個基于Android操作系統(tǒng)、可以安裝外部APP的智能電臺，于2017年開始在美國軍隊、警察等群體中裝配。MPU 5在2017年9月獲得了美國陸軍890萬美元合同：2017年11月，獲得美國陸軍endeavor robotics獎，獎金為1億美元；2018年4月，獲得美陸戰(zhàn)隊1000萬美元合同；2020年12月，獲得美陸軍N-CFT與PEO C3T的網(wǎng)絡現(xiàn)代化合同，合同金額不詳。

2.1.1MPU5的特點

（1）集成度高：集成了自組網(wǎng)通信、語音通信、視頻編解碼、計算機等功能，配備了3x3 MIMO，最大發(fā)射功率2Wx3，但主機體積只有38mm×67mm×117mm，重量為368.5g。

（2）性能好：網(wǎng)絡規(guī)模和中繼次數(shù)不限，峰值速率為150Mbps，通信距離遠。

（3）模塊化設計：使用螺絲刀即可更換功放模塊，從而改變工作頻段（L/S/C波段）。

2.1.2MPU5的組成

（1）主機：WR-5100。

（2）射頻模塊：RFIlOO，L波段；RF2100，S波段；RF4100，C波段。

（3）附件：包括線纜、手咪等。

（4）配套設備：自動跟蹤天線系統(tǒng)。

自動天線跟蹤系統(tǒng)的主要功能和性能如下：（1）與MPU5配合使用，用于地面對機載平臺的自動跟蹤；（2）專為易用性、快速裝配和便攜性而設計，2人可在15分鐘內(nèi)完成組裝和部署；（3）天線增益-L波段24dBi，S波段28dBi，低C波段35dBi，高C波段36dBi; （4）波束寬度-L波段10。，S波段6。，低C波段3。，高C波段2.5。；（5）極化方式——雙極化。

2.1.3MPU5主要技術指標

（1）工作頻率：L波段1350 - 1390MHz；S波段2200 -2500MHz;C波段4435 -4980MHz。

（2）調(diào)制方式：OFDM，BPSK，QPSK，16QAM，64QAM。

（3）載波帶寬：5MHz、IOMHz、20MHz。

（4）MIMO技術：最大比合并、空時編碼、空分復用。

（5）吞吐率：TCP數(shù)據(jù)峰值150Mbps。

（6）最大發(fā)射功率：合計6W，每通道2W。

（7）最小接收機靈敏度：- 98dBm@SMHz，BPSK。

（8）最大通信距離：209km。

（9）最大峰值發(fā)射功耗：40W（3通道、每通道6W）。

（10）接收最大功耗：1.9W（3通道）。

（11）待機功耗：0.15W。

（12）天線數(shù)量：3副。

（13）外部接口：3個天線接口，1個視頻接口，1個GPS接口，1個PTT/EUD接口，1個數(shù)據(jù)接口，1個智能RoIP接口，1個電源接口。

（14）防護等級：IP68。

（15）網(wǎng)絡規(guī)模：不限。

（16）中繼次數(shù)：不限。

（17）工作溫度：-40C - +85℃。

2.2美國Silvus公司的MIMO MESH

Silvus公司成立于2004年，2020年5月，獲得美空軍一份不定期或不定數(shù)量交付的9.5億美元合同，為美空軍提供StreamCaster移動自組織網(wǎng)絡無線電系統(tǒng)；2020年5月，獲得美陸軍1000多套設備、390萬美元合同。

MIMO MESH有手持和車載兩種形態(tài)，分別是2x2 MIMO和4x4 MIMO，最大特點是具備波束成形。

2x2 MIMO手持臺型號是SC4200E。

4x4 MIMO機載臺型號是SC4400E，其主要參數(shù)如下。

（1）架構：4x4 MIMO，基于FPCA的軟件無線電。

（2）發(fā)射功率：1W或8W可選。

（3）發(fā)射波束成形：EIRP增加5-6dB。

（4）工作頻段：多種頻段可選，UHF 400 -450MHz， UHF-II 663 - 698MHz， 900MHz ISM 902 -928MHz，低段L 1350 - 1390MHz，擴展L 1350 -1440MHz．中段L 1452 - 1492MHz．上段L 1790 -1850MHz，廣播B 2025 - 2110MHz，聯(lián)邦S 2200 -2300MHz，S段2200 - 2500MHz，2.4CHz

ISM

2400 -2500MHz，低段C 4400 - 4700MHz等。

（5）業(yè)務速率：94Mbps。

（6）外部接口：以太網(wǎng)、串口、USBx2。

（7）加密：FIPS

140-2等級2。

（8）工作電壓：9-20VDC。

（9）功耗：8W-43W@ 8W發(fā)射功率，IW- 24W@1W發(fā)射功率。

（10）尺寸：133rmu×114mm x46mm（不含連接端口）。

（11）重量：1.133kg。

（12）顏色：黑色。

（13）防護等級：IP67。

（14）工作溫度：-400C - +65℃。

2.3英國DTC公司的P5

2016年，美國DTC收購了總部位于英國的Cobham的戰(zhàn)術通信和監(jiān)視部門。2021年5月，澳大利亞Codan有限公司收購了DTC公司，收購的預付現(xiàn)金為8800萬美元，如果在2021年實現(xiàn)“某些盈利目標”，還可能額外支付1600萬美元。該公司是全球最早生產(chǎn)寬帶自組網(wǎng)產(chǎn)品的廠家之一，早期在全球市場占有率最高。

P5是該公司最新一代產(chǎn)品，具備視頻編碼器，還從P4的1發(fā)2收提升為2發(fā)4收，真正意義上實現(xiàn)了MIMO;載波帶寬為1.25-10.OMHz，業(yè)務帶寬為0.25 -32Mbps。

P5的主要參數(shù)如下。

（1）外部接口：射頻接口，2×TX/RX，2xRX；USB接口；電源接口；以太網(wǎng)接口；HD-SDI視頻接口。

（2）通信距離：非視距，典型值0.8 - 1.4km;視距>50km。

（3）工作頻段：320 - 470MHz、1.20 - 1.70GHz、1．65 -2.40CHz、1.98 -2.55CHz、4.40-5.OOCHzn

（4）發(fā)射功率：33dBm。

（5）載波帶寬：0.625、1.25、2.5、3.0、3.5、5.0、6.0、7.0、8.0、10.OMHz。

（6）業(yè)務速率：MIMO版本32Mbps，標準版本17Mbps。

（7）調(diào)制方式：BPSK/QPSK/16QAM，自適應。

（8）編碼方式：1/2 FEC，2/3 FEC，自適應。

（9）接收分集：最大比合并。

（10）接收機靈敏度：-98dBm@2.5MHz，BPSK，1/2 FEC。

（11）加密：DES，選配AES128或AES26。

（12）尺寸：135mmx89mmx35mm。

（13）重量：550g。

（14）工作電壓：8-18VDC。

（15）最大功耗：標準版本接近12W，MIMO版本接近25W（峰值40W）。

（16）工作溫度：-10C -50。C。

3國內(nèi)寬帶自組網(wǎng)

國內(nèi)典型的寬帶自組網(wǎng)通信系統(tǒng)有宸芯科技公司的CX67XX系列模組，希諾麥田公司的HEPBURN系列以及一些廠家的基于Wi-Fi的寬帶自組網(wǎng)設備。

3.1宸芯科技公司的CX67XX系列模組

宸芯科技有限公司是我國行業(yè)通信終端SoC芯片專業(yè)領域的龍頭企業(yè)，公司擁有自主知識產(chǎn)權的2C/3C/4G/5G通信協(xié)議棧，推出了多款被廣泛應用的SoC芯片，自主研發(fā)了高度成熟的軟件無線電OCAP平臺技術和產(chǎn)品，產(chǎn)品在無人機圖數(shù)傳、電力線巡檢、機器人等市場占有率高。

CX67XX系列模組基于完全自主知識產(chǎn)權的CX1881平臺和CX1910平臺，其特點包括自主可控；支持自組網(wǎng)、公網(wǎng)、天通、PDT等多模，同時支持雙通；功耗低、體積小、重量輕；集成H.264/H.265視頻編解碼器和語音編解碼，集成度高；最大4x4 MIMO，吞吐率>200Mbps；單跳時延為3ms。

基于CX67XX系列模組，可以建立空天地一體、公轉結合、寬窄融合的通信系統(tǒng)。

3.2希諾麥田公司的HEPBURN系列

希諾麥田公司是一家成立于2015年專注無線傳輸解決方案的國家高新企業(yè)，其產(chǎn)品具有傳輸距離遠、低延時、傳輸穩(wěn)定、支持復雜環(huán)境等優(yōu)點，在無人機、機器人、應急、巡檢、安防等諸多領域開始嶄露頭角。

HEPBURN系列有P40、P37、P35、P33和LITE五種形態(tài)，其基本參數(shù)為：2發(fā)2收，工作頻段1. 40 -1. 46CHz，信號帶寬4MHz、8MHz、IOMHz、14MHz、20MHz可選，發(fā)射功率對應2x10W、2x5W、2x3W、2x2W、2xIW五種，時延<5ms，吞吐率>50Mbps。

3.3基于Wi-Fi的寬帶自組網(wǎng)設備

這種寬帶自組網(wǎng)設備大多采用高通公司的Atheros Wi-Fi芯片，修改組網(wǎng)協(xié)議可將工作頻段降低到小于1000MHz或L波段，適用于靜止非移動、通視非遮擋、近距非遠距場景，其吞吐率> 80Mbps，特點是成本較低。

4發(fā)展趨勢

寬帶自組網(wǎng)技術的發(fā)展趨勢如下。

4.1寬窄融合

在軍用通信、應急通信等應用領域，窄帶話音是保底通信手段，其話音單跳覆蓋能力與PDT等對講機相當，通過多跳中繼擴大覆蓋范圍。寬窄融合是指在保證窄帶話音可靠傳輸?shù)幕A上，還可以提供視頻和數(shù)據(jù)寬帶傳輸服務。設備最優(yōu)實現(xiàn)方式不是寬帶自組網(wǎng)板卡和窄帶自組網(wǎng)板卡級兩塊板卡融合，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)。

4.2使用簡單

設備無需進行工作模式、工作頻率、通信距離等參數(shù)設置，開機即通；除IP和串口數(shù)據(jù)通信功能外，還可以提供廣播語音、集群語音、定位導航、視頻回傳、視頻會議等服務；設備使用簡單，人人都會用，如普通對講機、手機或APP -樣。

4.3小型化

大部分使用場景要求設備具有小型化、低功耗的特點，但與5G的eMBB大流量（Gbps）、uRLLC低時延（10ms）和mMTC多用戶（海量）三大場景相比，自組網(wǎng)的場景和需求定義還不清晰，各廠家協(xié)議自定義、無統(tǒng)一標準，主流廠家是基于FPCA和集成收發(fā)器實現(xiàn)，體積和功耗都較大，因此芯片化是發(fā)展趨勢。

4.4性能增強

一些特殊應用場景下要求自組網(wǎng)的帶寬寬、距離遠、抗干擾能力強，采用多波束天線陣[2]，波束成形可以提高發(fā)射和接收時的天線增益，窄波束可以在空間上提高設備的抗干擾能力，但這也會導致硬件和組網(wǎng)協(xié)議等技術層面的復雜度增加。

4.5應用取巧

在一些特殊應用場景下，無線電波傳播損耗比較大，如在森林里電磁波傳播損耗為10_50dB。某研究者開發(fā)了一種天線延長桿及組件產(chǎn)品，其通過將多個內(nèi)置饋線的天線延長桿拼裝成一個較長的天線延長桿，將天線安裝到桿頂部，使得天線可以伸出樹葉覆蓋區(qū)域，極大減少電磁波傳播損耗。同時，這種天線延長桿可以快速拆裝，方便攜帶。

5結束語

本文介紹了國內(nèi)外寬帶自組網(wǎng)的技術現(xiàn)狀，包括國內(nèi)外主要廠家的產(chǎn)品，并提出寬帶自組網(wǎng)技術的發(fā)展趨勢為寬窄融合、使用簡單、小型化、性能增強和應用取巧。