战术电台组网波形中的多址技术研究﹡

丛 键，张玉哲，张海燕

（西南通信技术研究所，四川 成都 610041）

0 引言

由于硬件处理能力的进步使得战术通信装备在发展趋势上，功能集成度日益提高，从信道设备演变为传输设备，并进一步发展为具备完整无线组网能力的战术通信节点。在以美军联合战术无线电系统 JTRS等计划为代表的新一代战术电台中，集成适应多种应用环境、支持多种频段、信道带宽和组网使用方式的多功能组网波形，称为战术通信技术中一个主要的发展方向。

另一方面，新型的组网波形技术不再同特定的战术电台平台绑定，而作为独立的项目计划开展研发工作，其中一些重要的研究项目如 JTRS的宽带组网波形（WNW）、士兵无线电波形（SRW）、作战人员信息网（WIN-T）的高波段组网波形（HNW）、洛克韦尔科林斯公司的FlexNet波形、战术目标瞄准网络技术（TTNT）和哈里斯公司的自适应宽带组网波形（ANW2）等。

目前仍处于发展中的这些新型战术组网波形，其主要特征之一就是从传统波形的基带信号处理功能，包括同步、调制解调、信道编码等物理层技术，发展为涵盖无线组网和路由、数据链路层、信道访问控制、资源调度等完整功能的无线协议栈（WPS）。并且由于新一代战术电台定位于战术通信系统中业务系统子网、有线骨干网与无线网络的边界节点，因此在战术组网波形中集成了有无线网关和边界路由器的能力，可以有效地优化组网性能，并简化战术通信系统的装备体系。

由于战术应用环境的特殊性，通常缺乏通信基础设施的支撑，战术电台的组网使用方式通常需要符合无中心、自组织、自愈合的要求，同时战术节点的移动性使得战术网络拓扑结构具有高度动态变化的特征。另一方面在作战集结、行军、作战展开等不同应用场景和地域环境里，网络节点规模和节点密度会具有很大的差异性，而随着联合作战协同打击等作战模式的发展，情报侦察、指挥控制和武器控制等战术业务对于时效性、带宽流量和网络覆盖范围等功能性能指标的要求大幅提升。

战术无线网络中，在没有中心控制节点进行资源分配和调度的情况下，网络节点间根据不同的业务需求，为实现无线信道资源的高效率共享，针对移动自组织网络无线链路层的多址技术成为战术通信中的重要研究方向。

文中针对战术无线通信中的多址技术，首先分析了几种重要的无线多址技术体制，并针对战术电台组网波形中采用混合体制的多址技术进行了研究，提出了相应的设计方案。

1 无线组网中的多址技术

1.1 载波侦听多址接入（CSMA）

载波侦听多址接入（CSMA）是基于概率的信道访问控制协议，CSMA机制中，通信节点在发射信号前通过接收机对信道资源被其他节点业务的占用情况进行检测，并采取一定的策略实现多用户对信道的共享访问，常用策略包括:

1）1-persistent（冲突检测CSMA/CD）:发送节点在准备发送数据前对物理介质的占用情况进行检测，并保持侦听直到信道空闲后发送一帧数据，当访问信道发生冲突时，发送节点在尝试重新发射前随机回退一个时间窗，1-persistent通常用于CSMA/CD系统包括以太网；

2）P-persistent（冲突回避 CSMA/CA）:与1-persistent机制不同，当信道空闲时，发送节点以P为概率决定是否发射数据，或延迟到下一个可用时间窗，P-persistent通常用于CSMA/CA系统包括802.11与其他一些分组无线系统；

在IEEE 802.11x系统[1]中，CSMA/CA机制通过节点间交互RTS/CTS分组的方式进行了完善，以解决无线网络中的隐藏终端问题。无线系统中空中信号格式对CSMA/CA性能有明显影响，在理想传播环境模型中，在网络业务负载较低的条件下，结合CSMA/CA与 IEEE 802.11 RTS/CTS机制，采用直接序列扩频（DSSS）调制可以获得全网最佳吞吐性能，相比跳频信号（FHSS）体制在吞吐能力上有较大优势，但是在实际传播环境中，两种信号体制的性能基本相当。

1.2 定向时分多址接入（Directional TDMA）

（1）高波段组网波形（HNW）

哈里斯公司为高波段网络电台（HNR）设计了HNW（v2.0/2.1/2.2/ 3.0）作为空中接口，HNW[2]的物理层支持两种配置:基于ASIC的OFDM调制解调器、基于VHDL的单载波调制解调器，调制方式包括O-QPSK、16QAM，并分别支持两种信道编码速率。

HNW通过方向性天线组网（DNT）与时隙自动调度实现频率复用，并根据链路条件动态调节吞吐量。在美军的WIN-T和FCS-C计划中均采用HNW作为战术通信中无线骨干网的传输波形解决方案。

HNW与多数Adhoc组网波形的区别是基于窄波束方向性天线设计，因此哈里斯研发了定向TDMA协议用于调度信道，在HNW的DTDMA协议中，调度器不仅控制节点间链路访问通信信道的时间窗口，同时还控制链路对应的信号传播方向。通过方向性天线所实现的空中信号在不同传播方向上的良好隔离度，DTDMA可以同一地域、频点和时间窗口上实现多条用户链路的复用，从而有效提升组网波形的频谱效率。

（2）定向组网波形（DNW）

DNW是2004年由波音公司（Phantom Works）主导开发的一种动态、Adhoc、支持宽带通信的Mesh网络技术，规划能力和指标优于通用数据链CDL，用于为飞机、舰船和岸基站点等平台之间构建安全的、可移动的IP通信链路，并提供用户之间可靠的路由能力。

DNW 的主要技术特征包括基于全 IP、波音开发的宽带空时分多址接入、基于电调相控阵的快速切换定向天线技术，可提供高效频率复用能力、支持长距离高速传输，并满足军事应用中的抗干扰和空中信号低检测特性。

DNW的设计目的用于承载高速ISR数据、非传统ISR数据（C2）及其他骨干网业务，可替代部分通常由卫星承担的任务，并达到比当时的数据链系统（主要指Link-16）高3个数量级（1000倍）的吞吐能力。

1.3 按需分配多址接入（DAMA）

按需分配多址接入（DAMA，Demand Assigned Multi Access）最初是为美国政府使用而开发的一种非专利通信技术，DAMA技术基于一种假设，即不是系统中所有用户都会同时访问信道，每个用户对通信资源具备较低或中等程度的使用要求，在资源使用特征上用户呈现临时性或偶尔占用的特征，因此可以采用按需分配的DAMA机制，为非固定占用信道的用户分配通信资源。

DAMA对应于固定分配多址接入（PAMA，Permanently Assigned MA），都是针对已完成多址划分的信道资源进行分配的方案，而不同于CDMA、TDMA、FDMA这些将通信信道（物理信道）划分为多个逻辑信道（虚拟信道）的多址访问/信道复用方式。

在UHF SATCOM系统中采用的TDMA+DAMA协议（MIL-STD-188-181B/182A/183A）中，通过将单一MILSATCOM信道划分为帧（frame），并将帧进一步划分为时隙（timeslot），通过多址访问服务的方式将时隙分发给终端用户，实现多个终端共享单一信道的目标。

为填补移动用户目标系统MUOS部署完成前的空档期，为UHF SATCOM开发的综合波形（IW，Integrated Waveform）对传统DAMA协议进行了优化，通过去除了协议中的服务配置和信道格式限制，IW协议大幅度提高了用户容量，并且明显改善了传统DAMA协议中对信道资源的利用效率

在战术电台网络中，由于DAMA易于建模实现简便，并适合军事应用需求，因此在一些战术电台组网方案中也有应用。哈里斯公司在开发的高波段组网波形（HNW）中，采用了定向TDMA（Directional TDMA）与优化的DAMA协议构建移动Ad hoc战术电台网络。

1.4 正交频分多址接入（OFDMA）

正交频分多址接入是针对OFDM体制物理层接口而设计的多址访问方案，通过将OFDM系统中的子载波集合分配给不同用户实现多用户对信道资源的多址访问，OFDMA方案的主要优势在于:

①OFDM体制对于多径干扰具有更好的稳健性和较低的实现复杂度；②OFDMA提供的平坦衰落信道相比CDMA的rake接收方式可实现更高的频谱效率；③可以在网内不同节点对间并发多个低速数 据流；④相比TDMA方式，低数据率用户可以采用较低的发射功率；⑤相对较低与恒定的传输延迟；⑥由于减少了单用户占用的子载波数量，相对OFDM+TDMA系统进一步改善了对抗衰落和干扰的能力；⑦通过在相邻小区间采用不同的子载波交织排列图案，可以起到干扰白化的效果；⑧易于实现在不同频段上的应用；⑨通过分布式子载波分配可以获得频率分集效果；⑩可以为不同用户分配的子载波集合独立进行功率控制。

基于信道条件反馈信息与自适应子载波分配方案的闭环控制机制，当控制操作足够及时，可以明显改善OFDM系统对抗快衰落和信道间窄带干扰的能力，从而提高系统频谱效率。通过为不同用户独立分配子载波，可以支持用户对QoS包括数据速率和误码性能的不同需求。OFDMA可以视为OFDM、TDMA、FDMA方式的组合运用，信道资源在时频空间（子载波/时隙）上进行划分，由于其良好的可伸缩性和对MIMO技术的支持能力，因此非常适合于作为宽带无线网络的多址解决方案。

2 战术电台组网波形的多址方案

美军新一代的战术电台组网波形中，通常采用基于多种体制的混合多址方案，例如波音公司的WNW和洛克韦尔科林斯的FlexNet就采用了基于动态TDMA+FDMA的混合多址技术，称为正交域多址接入（ODMA），在士兵无线电波形SRW中则采用了动态TDMA+CSMA的多址方案。

2.1 宽带组网波形（WNW）

宽带组网波形（WNW，Wideband Networking Waveform）在JTRS中定位于提供战术边缘无线子网的互连以及较低层次（营、连）的战术无线骨干网能力，WNW 采用自适应的网络架构用于优化网络路由性能与稳定性，针对地面车载应用进行了优化，适用于不同节点容量的网络与中等移动速度的应用。

JTRS WNW 项目的主承包商为波音公司，WNW的协议栈结构如图1所示，在JTRS近年的相关测试中，WNW 经验证可支持的网络节点容量约200个，计划实现的目标为1360个。根据不同应用需求，WNW在物理层支持4类空中信号格式（SiS），分别对应于宽带OFDM模式、带宽效率调制BEAM、抗干扰模式AJ、低检测模式LPD，如表1所示。

图1 WNW的协议栈结构

WNW 将其无线协议栈划分为移动子网层（MI）、移动数据链路层（MDL）和空中信号SiS，其中在MDL层包括了信道资源的划分（ODMA）和调度（USAP）功能。

表1 WNW的空中信号格式

2.2 正交域多址接入（ODMA）

考虑到网络节点规模容量和对高节点密度应用场景的支持能力，WNW 在多址方式上采用了基于FDMA+TDMA的混合体制（如图2所示），并定义了区域访问节点（RAP）和高级节点（AN），以实现路由的汇聚抽象功能，并改善网络连通性。

2.3 统一时隙分配协议（USAP）

统一时隙分配协议（USAP[3-4]，Unifying Slot Assignment Protocol）是一种分布式的动态TDMA时隙分配协议，应用于移动多跳分组无线网络，其时帧结构如图3所示。USAP协议中，发射节点从相邻节点（两跳范围内）没有占用的“时隙池”中，利用通告和确认的方式实现TDMA时隙的申请与分配，并解决由于失步或节点移动所引起的时隙分配冲突。

图2 WNW的多址方案

图3 统一时隙分配协议的时帧结构

USAP可以实现无竞争（contention-free）的TDMA调度，所有资源分配冲突都可以检测和解决，不会产生“活锁（livelock）”问题，因此 USAP可以作为不同类型动态TDMA方案的设计基础。

USAP-MA是USAP协议族中的多址接入方案，针对战术通信环境的需求而设计，具备以下特征:

①提供广播、单播传输能力；②支持突发数据报业务、硬连接与软连接电路；③支持高带宽或低时延的流业务；④适用于稀疏节点密度或高节点密度的应用场景；⑤网络规模具备良好的可伸缩性，并支持大规模网络应用。

3 结语

（1）低层战术骨干网应用

作为战术骨干网应用需求[5-8]，从能力和功能性能指标等方面主要的关注点包括单个网络的节点容量规模、网络良好的连通性、网络业务吞吐能力、传输时延等方面，基于上述因素的分析和技术体制比较，在战术组网波形中选择的多址技术路线及依据如下:

①FDMA + Dynamic TDMA的混合体制；②从网络支持的节点规模能力和全网业务吞吐能力考虑，选择FDMA体制；③从网络的结构化特征、稳定的传输时延、高业务负载等因素考虑，选择TDMA体制；④从通信资源的利用效率方面考虑，采用Dynamic TDMA体制。

（2）战术末端网络应用

针对战术末端网络的应用需求，从能力和功能性能指标等方面主要的关注点包括网络拓扑的灵活性、支持C2、态势、话音等突发业务的能力、支持ISR等具有恒定带宽需求业务的能力。基于上述因素的分析和技术体制比较，选择的技术路线及依据如下几点:

①FDMA+CSMA + Dynamic TDMA的混合体制；②CSMA体制面向全网低业务负载、突发性的话音、C2等业务；③Dynamic TDMA面向基于通信资源预先申请、分配的高带宽业务（ISR、图像、视频等）；④通过 FDMA扩展网络的业务吞吐量和资源分配调度的灵活性。

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