自适应的宽带战术网络波形技术研究*

宋 滔，周 冰，丛 键

(中国电子科技集团公司第30研究所，四川 成都 610041)

0 引言

随着世界各国的军事通信系统的建设和发展，对信息种类的需求不再局限于语音、文本。大量的反应战场实际情况的图片信息、实时的视频信息、地图及导航信息为指挥作战提供必不可少的支撑。另外主干网的传输要求大的数据传输速率、用户容量、联网功能强、保密性好、能提供分组数据业务等储多需求，新型的宽带网络电台成为发展的必然。而宽带网络波形［1］技术作为宽带互联业务承载实现的载体，是基于主干网的宽带电台实现的关键技术之一。

美军方DAPRA早在2006年就对基于骨干网应用的自适应的宽带战术电台系统进行了实验。成功演示了通过陆地骨干网和空中骨干网之间的切换来实现互连互通的能力。该系统既提供了高数据速率，也可以自适应的调整网络拓扑及波形速率来确保较大范围的通信［2］。

1 宽带网络波形技术发展趋势

宽带网络波形在美军中的地位日趋重要。其在DAPRA基于骨干网的宽带战术电台系统中的应用就是一个很好的例子。宽带网络波形能够对网络中心战提供框架支撑。提供不同种类网络电台的无缝连接，提供实时的战术语音，视频以及态势感知信息以及部队指令及战术任务安排等信息的安全传输。每个网络中心结点可以作为陆地战术骨干网的车载、空中中继节点。通过中继节点可以确保视距范围及超视距范围的通信。

图1 美军电台骨干网系统的应用框Fig.1 Application diagram of American Military Radio backbone network system

图1是电台骨干网系统的应用。其网络中心节点波形采用基于OFDM的波形体制，地对空链路通信距离超过62 km。采用了14个中心电台网络节并且分布在100 km×100 km范围内。

通过对美军电台骨干网系统的调研，宽带网络的波形［3－4］的发展趋势总结如下:

1)高带宽、高速率、高吞吐量。

2)波形具备自适应的能力。自适应能力包括波形速率自适应能力及网络自适应能力。既能够根据地形地势的改变，自适应的调整波形速率以确保端到端的最大通信距离。

3)提升波形的抗干扰能力。

4)提升波形的动中通能力。

2 宽带网络波形物理层技术

2.1 波形实现平台

波形实现平台采用红黑隔离设计(见图2)。黑边FPGA实现数字上下变频以及基于OFDM的调制解调。黑边DSP实现MAC(媒体接入控制)层和数据链路层(LLC)。MANET在红边GPP上实现。在红边和黑边之间保留加密卡的位置。用户数据以及数据收集引擎通过以太网集线器接入红边。

每个节点根据GPS进行全网同步。当GPS不起作用时，采用电台晶振时钟，并通过自同步法进行同步。

图2 波形实现平台框Fig.2 Waveform realization platform diagram

2.2 速率自适应的宽带波形建模及仿真

系统具有自适应的调节速率的能力，在所有的邻居节点之间维系最高的数据速率，ADR(自适应速率调整模块)通过实时的调整节点到节点间的速率来达到最大的吞吐量以及最大的通信范围。自适速率调整算法利用接收节点的接收端信噪比以及链路包质量的闭环控制方式，从而选择不同的波形号，进而实现波形速率的调整。其中QPSK、16QAM映射用来传业务，walsh扩频用来传信令以及邻居协议［5］。其波形定义如表1和表2所示(以10 MHz带宽为例)。

表1 波形参数Table 1 Waveform parameter table

表2 仿真波形的具体参数Table 2 Waveform simulation parameter

仿真验证采用SUI信道型及ITU信道模型，下面给出其中3种信道模型的具体参数以及仿真信道模型参数如表3、表4、表5所列，图3给出在信道模型下的性能仿真。可见，信道时延比较小的情况下，性能与白噪声性能相当。但是当时延比较大的情况下，性能略有恶化(SUI5信道下性能比SUI1信道下性能稍差)。

表3 信道模型参数Table 3 Channel parameter table

SUI1模型代表树木稀疏的平坦开阔地。

SUI5模型代表树木茂密的山地。

ITU4为步行信道模型。

图3 10MHz带宽波形在信道模型下的性能Fig.3 10MHz performance simulation results

2.3 峰均比抑制技术

OFDM技术体制最突出的问题就是峰均比高，功放利用率低。解决此问题最常用的方法是削波与滤波技术(ICF)。但是ICF技术需要多次迭代才能达到要求的峰均比门限值。对于ICF中的滤波处理，本文采用在一定的EVM的限制条件下最小化当前符号的PAPR的方法来替代滤波处理，该算法将代替经典ICF技术中的矩形窗滤波器。PAR最小化模型可以由凸优化中的二阶锥问题(SOCP，Second－Order Cone Program)进行表示:

接下来基于对QPSK的总体性能进行仿真，图4给出了原始 OFDM信号，采用 ICF方法(分别为1次、8次、16次迭代)，IPM和ICF－IPM方法(1～3次迭代)进行峰均比抑制处理后的信号的CCDF曲线图如图4所示。

图4 OFDM系统PAPR的CCDF曲线Fig.4 PAPR CCDF curve of OFDM system

由图4可以看出，3种方法均能较大幅度的降低PAPR。但是在概率为10－3处，当 PAPR降低到4.0 dB时，ICF需要进行16次迭代，IPM需要3次迭代，而ICF－IPM只需要1次限幅和2次IPM迭代。因而，ICF－IPM算法在降低OFDM信号峰均比上有较好的性能。

原始OFDM信号采用3种方法进行峰均比抑制后在高斯白噪声信道下的误码性能如图5所示。

图5 PAPR抑制算法对误码性能的影响Fig.5 Effect of PAPR arithmetic on BER performance

采用ICF(16次迭代)，IPM(3次迭代)，RCFIPM(1次限幅，3次迭代)3种方法进行峰均比处理后的OFDM信号的RMS－EVM分别为－7.89 dB，－8.00 dB，－8.23 dB。这也反映了采用ICF－IPM方法限幅的OFDM信号失真较小。

3 MAC(媒体接入控制层)协议

宽带网络波形采用统一时隙分配协议USAP，它是宽带数据(网络)电台针对Ad－Hoc网络，属于MAC层的动态自组网的分布式TDMA时隙和信道分配协议。

USAP将时隙分配机制和高层协议区分开来，并且设计了一种通过选择时隙和协调不同层之间的交互作用的通用协议，适用于不同高层在邻居间选择时隙，由于USAP的这种性能可以通过不同高层协议联系起来，因此称为是统一的。每个节点都有一定的通信距离，处于其范围之内的节点被称为邻居节点。USAP时隙分配的关键在于邻节点控制信息的交互和更新，每个节点都可以通过本地时隙分配信息表知道本节点所在邻域内的时隙分配情况。

图6 统一时隙分配协议帧结构Fig.6 USAP frame structure

USAP帧结构由N帧组成一个帧循环，每帧划分为M个时隙。这里N和M都是固定值。每帧的第一个时隙分配给一个固定的节点用于发送控制分组。通过节点之间控制分组的交互，每个节点接收到一个新的控制分组包时都会对本地的时隙分配信息进行更新，并在下一个帧循环中对应的控制时隙发送更新后的控制分组包，这样将本地时隙分配信息发送至两跳范围内邻节点，而本节点也知道两跳范围内邻节点的时隙占用情况，所以一个帧循环内每个节点都知道一帧中没有分配的时隙和可以分配给自己的时隙。

至于宽带网络数据电台，十分需要一种匹配的MAC层数据链路机制，在USAP的基础上，MDL(移动数据链路)被提出来以应对有限的信道资源、挑战性的吞吐量和数据延迟要求以及变化的链路环境［6］。

MDL层调整物理层的传输模式和功率，以便在变化的链路条件下提供健壮的通信，这些参数需要根据链路条件的变化进行调整，以响应物理层提供的信噪比，误码率在内的度量指标的变化，信噪比和误码率采用开环与闭环调合过程进行滤波与归一化处理。经过滤波与调合的SNR和SER驱动一个状态机来控制状态的转移。以达到链路自适应的目的。

4 具备自适应能力的网络路由协议

为了改进路由发现和维护的响应时间，OLSR协议部署在逻辑链路层。为了更好的满足网络自适应的需求，需要对RFC362OLSR协议进行修改。

与自适应相关的OLSR的路由判决规则如下:

(1)发送门限

检测发送数据队列中数据包是否堆积，来判断是否选择新的路由。如果接收的数据包来自低带宽(和中继节点发送带宽相比)，不需要改变路由，如果来自高带宽(和中继节点发送带宽相比)，将会开始堆积，需要考虑新的路由。

(2)数据流暂停

如果MPR接收的数据包超过门限，即使发送带宽足够，对数据传输也可能是一个瓶颈。所以如果超过门限，将会通知其它节点，MPR数据流暂停。选择MPR作为一下跳路由的节点需要重新选择下一跳路由。

(3)路由带宽

通过查看第1＆2跳的波形ID，路由带宽为最小的波形ID，确定最小的波形ID是否限制总吞吐量，成为瓶颈。如果新路由的波形ID小于以的波形ID，需要返回原来的路由。

5 结语

本文通过对DAPRA(美国国防部先进计划研究局)基于骨干网的宽带网络电台演示验证系统的研究，分析了宽带网络波形技术的发展趋势。并根据军用战术电台的应用需求，提出了基于OFDM(正交频分多址)的宽带物理层解决方案，同时具有根据不同的通信环境来变换速率的自适应能力。通过信道模型下的仿真验证，该波形在典型的地形环境下均具备良好的性能。

MAC采用多跳自组网的USAP协议，分析了原理和实现方案，在协议本身基础上结合更完善的MDL(移动数据链路协议)来实现动态自组网TDMA时隙分配，更有利于军用的宽带战术电台的应用。

［1］丛键，张玉哲，张海燕.战术电台组网波形中的多址技术研究［J］.通信技术，2013，46(08):81－84.CONG Jian ，ZHANG Yu－zhe，ZHANG Hai－yan .Multi－Access Technology of Networking Waveform in Tactical Radio［J］.Communications Technology，2013，46(08):81－84.

［2］SCOTT S ，TIM K .An Adaptive Broadband Mobile Ad－Hoc Radio Backbone System［C］//20061st IEEE Workshop on Networking Technologies for Software Defined Radio Networks.Virginia，USA:Reston，2006:1－7.

［3］彭大展，张晶.联合战术无线电系统宽带网络波形研究［J］.无线通信技术，2013，39(02):65－68.PENG Da－zhan，Zhang Jing.Reserch on Wideband Network Wave of Joint Tactical Radio System［J］.Wireless Communications Technology.2013，39(2):65－68.

［4］JUNGHWAN K.Range Estimation of Tactical Radio Waveforms Using Link Budget Analysis［C］//MILCOM 2005.AtlanticCity NJ:IEEE，2009:1－7.

［5］NICHOLS R.Traffic Predictions for Tactical Wideband Communications［C］//MILCOM 2005.AtlanticCity NJ:IEEE，2005:17－20.

［6］YOUNG C D.The Mobile Data Link(MDL)of the Joint Tactical Radio System Wideband Networking Waveform［C］//MILCOM 2005.AtlanticCity NJ:IEEE，2006:1－6.