基于WiFi的低空平台应急通信系统研究

柳晶

摘 要：作为一种时兴的宽带无线通信技术，WiFi具有低成本、高覆盖和低门槛的技术优势，能够灵活组网，具有广泛的应用场景。低空平台较其余空间平台具有开设快捷、灵活机动的特点。文中简要介绍了WiFi以及低空平台的技术特点和优势，结合WiFi的特点、关键技术、802.11协议族的具体参数性能和应急通信开设的需求，分析了基于WiFi的低空平台应急通信系统的组网方式和设计方案，并给出了相关结论。

关键词：WiFi；低空平台；802.11；应急通信系统

中图分类号：TN92 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2016）08-00-03

0 引 言

重大灾害发生后，地面通信网络容易遭受重度损坏，通信覆盖往往在短时间内无法恢复正常。通信网络的损坏对传输语音视频的宽带网络通信造成消极影响[1]。目前，空中平台中继通信是解决特殊地形通信和应急通信的主要手段。而浮空平台利用浮空器搭载通信设备作为空基信息平台，具有非常大的覆盖范围和广阔的应用前景。美国于2005年提出一种应用于卡特里娜飓风救援的HAPS通信方案[2]，以满足应急通信的需求。该系统在灾后重建的过程中发挥了重要作用，但是其在部署初期至少花费了两个星期才正式投用。

本文提出的系统由低空平台（LAP）结合系留气球和WiFi技术组成。可以有效克服部署时间长的问题，获得比地面系统更广的通信覆盖。由于WiFi具有比其他宽带设备更加便宜以及可利用未经授权的频谱的优点，宽带传输性能好。可为救援部队和总部之间提供有效的通信服务。

1 WiFi技术概述

1.1 技术特点和优势

WiFi是一种由WiFi alliance（WiFi联盟）拥有的无线网络通信技术品牌，可通过无线将个人或公用电脑、手持终端设备组网连接，改善基于IEEE802.11系列标准的无线终端之间的互联性。现在IEEE802.11系列标准被统称为WiFi[3]。IEEE802.11a及IEEE802.11g标准的传输速率可达到54 Mb/s，而IEEE802.11n可以将传输速率提高到300 Mb/s，甚至达到600 Mb/s，信号的覆盖范围扩大到几平方公里。与其他无线通信技术相比，WiFi具有如下几项技术优势[4]：

（1）覆盖范围较广；

（2）建设费用低；

（3）传输速度快；

（4）低门槛。

据研究[5]，WiFi网络可以同时支持六个符合H.264标准的视频同步传输，可支持26路速率为12.2 Kb/s的VoIP话务链路。

1.2 关键技术分析

1.2.1 802.11协议族技术

WiFi是对802.11系列标准的改进，故其遵循的是IEEE802.11协议的运作模式，即访问节点（AP）接入模式和点对点接入模式。

在AP接入模式中，由AP负责无线通信和有线通信之间的接入及管理。客户端在覆盖范围内只需连接到AP节点，无需消耗资源来寻找其它站点。该模式能够支持1 024台计算机同时工作，不过连接的越多，结构越复杂。

点对点的接入模式用于连接PC或便携计算机终端，允许每个客户端在无线网络所覆盖的范围内移动并且自动建立点到点的连接，从而实现不同站点之间的直接信息交换。这种结构的工作原理类似于有线对等网的工作方式，它要求网络中任意两站点之间均能直接进行信息交换，每个站点既是工作站，也是服务器。

从802.11协议族的技术可以知道WiFi技术的相关参数设置以及物理层和MAC层的相关技术。物理层确立了信号的调制方式和数据传输的信号特征，MAC层利用CSMA/CA（Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection，CSMA/CA）协议让用户共享无线网络。为了尽量减少碰撞[6]，MAC层应用分布式协调功能（Distributed Coordination Function，DCF）以及点协调功能（Point Coordination Function，PCF）。而数据发送与否采用请求发送/允许发送（RTS/CTS）协议，RTS/CTS的应用可以确保主体报文发送不发生冲突，如果发生冲突，也只丢失前一部分小的测试请求报文，且缩短了无效碰撞的时间长度。802.11协议族的具体技术参数指标如表1所列[7]。

1.2.2 网络的成员和作用

WiFi无线连接的组成由至少一个接入点和一个或更多的客户端构成[8]。接入点将服务集标识符（SSID）经由信号台每100 ms分组广播一次，该广播信号组的长度较短，而传输速率较高，为1 Mb/s，故广播动作不会对网络性能产生太大的影响。由于规定了该广播组的传输速率为1 Mb/s或更高，使得每一个用户端都能接收到该SSID广播分组，再者用户拥有决定是否接入该SSID所属的接入点的权利，并且可以设定预想接入的SSID接入点。WiFi系统不仅对客户端开放其连接标准，同时还支持漫游，这表明系统的无线适配器有可能在性能上优于其他适配器。完整的WiFi网络有多个网络成员[9]，如表2所示。

如上表所示，站点负责提供鉴权以及鉴权的结束、MAC层数据传输和隐私设置；而分配、连接以及集成等服务由分配系统提供。

2 低空平台特点及优势

浮空平台是一种新兴的、基于浮空器的空基信息任务平台，可广泛应用于侦察、预警探测、电子干扰、通信中继等领域[10]。按飞行或悬浮高度将浮空平台分为高空平台（HAPS）和低空平台（LAP）。具体来说，与其余空间中继通信平台相比，低空通信平台具有传输质量高、网络容量大、覆盖面积广、传输损耗低、机动性能强、部署快速灵活的特点。

2.1 传输质量高，网络容量大

利用LAP可将现有集群通信基站或超短波中转台升至几百米乃至数千米高空，可有效克服山区、高楼等阻挡带来的多径效应、阴影效应等问题，使每个用户终端“看到”基站，提高信号传输质量。可搭载各类宽带通信系统，从而实现语音、视频、数据的大容量传输。

2.2 覆盖面积广，传输损耗低

与地面基站相比，基于LAP的通信覆盖面积相当于地面基站的几十倍，并可通过多个LAP的组网进一步扩充通信覆盖面积；与卫星通信相比，该平台空间传输损耗小，减少了平台有效载荷或地面终端用户的发射功率，从而降低了系统成本。

2.3 机动性能强，部署快速灵活

目前，各类系留气球经过数十年的发展，其设计、制造、使用、维护技术已较为成熟。LAP因其设计较HAPS更为小巧简便且其部署时间短，部署环境更为广泛，凸显出其快速机动灵活的特点。

3 基于WiFi的低空平台应急通信组网研究

3.1 需求分析

应急通信是为应对自然或人为突发性紧急情况，综合利用各种通信资源，为保障紧急救援和必要通信而提供的一种暂时的、快速响应的特殊通信机制[11]。通常，自然灾害或人为大规模恐怖袭击发生后，基于固定基础设施的有线以及无线通信网络可能遭受严重破坏，缓慢的重建速度与高难度远远不能满足应急通信的需求。应急通信具有时间的突发性、地点的不确定性以及容量的不可预期性等特点。充分考虑上述特点，应急通信网络和设备需要做到组网灵活、快速布设、简单易操作，并且需要具有良好的服务质量保证。

从上述WiFi技术以及系留气球低空平台的特点不难看出，基于WiFi的LAP通信系统具有构建应急通信网络的技术优势，能够满足应急通信组网的要求：作为中继站的低空平台的开设可以在四十分钟内完成，地面WiFi网络的构建依托其成熟的现有设备可快速部署，不需要依赖现有的通信基础设施；低空平台的应用使得网络覆盖面积大幅提升，不需要担心障碍物的阻挡；WiFi的保密机制比较完善，包括WEP，WPA，WPA2以及WPA+WPA2加密方式，安全性能较好；WiFi设备的商业价格比较低廉，并且维护成本低；WiFi网络良好的可扩展性能支持用户不断增加，为应急救援提供更多的支持。

3.2 基于WiFi的低空平台应急通信组网方案

基于WiFi的低空平台应急通信系统主要包括地面子系统、空间子系统和客户访问子系统。地面子系统作为控制站，主要功能包括对低空平台的遥感控制和对无线信道性能的监测，负责监测系留气球以及用户端的回程信道性能。空间子系统由系留气球搭载WiFi设备、天线、视频拍摄模块和能源模块组成。客户访问子系统主要是客户终端设备。图1所示为基于WiFi的低空平台应急通信系统的组网方式。

在基础设施受损或匮乏的情况下，用户终端通过地面系统以及浮空平台组成Ad Hoc网络实现互联，以保证完成应急指挥和协同通信。在WiFi网络的应用中，“热点”充当了路由器的角色，当然，有的客户终端也能充当“热点”。应急场景中，通常不能满足长时间的外部供电，WiFi设备需要注意功耗的问题。地面子系统中的站点多数处于固定位置，构建网络时选好热点的部署位置，这样可使无线网络的覆盖范围更合理，连接效果更佳。利用无线自组织网络可以显著降低对通信基础设施的依赖性，有效增强通信系统的健壮性和通信可靠性；在WiFi网络中，若某个路由器出现故障，可选择其他路径完成所需途径的连接，提高了应急通信网络的生存能力。

4 结 语

基于WiFi的低空平台通信系统具有数据传输速率快、传输距离远、通信质量高、部署快速、支持终端移动且受地形和建筑物影响小的特点和优势，在传统通信网络无法完成通信需求的应急场景中具有广阔的应用前景。可以实现语音、数据、图像以及视频的实时传输，其广阔的通信覆盖面积对于应急部队之间的互联互通以及前、后方之间准确的信息传递和指令下达具有重要意义，为应急救援提供技术保障。

参考文献

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[2]Deaton，J.D.High altitude plateforms for emergency telecommunications[Z].EURASIP Journal on Wireless Communications and Networking.

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[5] Duran， A .F.， Leal， R.P.，Alonso， J. I.， Dimensioning method for conversational video applications in wireless convergent networks[Z].Journal on Wireless Communications and Networking，2008.

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