基于无线热链的军用宽带无线接入技术研究

◆贾源泉 李 理 刘文平



基于无线热链的军用宽带无线接入技术研究

◆贾源泉 李 理 刘文平

(海军计算技术研究所 北京 100841)

无线热链是一种与wifi、wimax、LTE等同源的宽带无线接入技术，具备安全稳定、功耗低、传输距离长、大容量、动中通等特点，能够解决紧急时刻武器装备与外界数据交互复杂的问题。本文提出了基于无线热链的军用宽带无线接入设备的工作流程和网络部署方案，基于其技术特点和模拟无线通信性能测试，展望了军用前景。

无线热链；宽带无线接入；网络部署方案；军用前景

0 引言

随着我国战区体制初步成型，以及近年来随着我国边防不断面临的危险和挑战，未来建成一支由战区领导的“高精尖”海陆空一体化的作战部队刻不容缓。之前海陆空装备之间的通信协议、通信手段形态各异、各自成型，数据交互手段受限，基层部队多数为确保安全，仍采用光盘、移动硬盘等存储介质交互数据，但未来的武器装备除平时需要完成日常的训练任务，还要求具备快速部署、应急行动等作战能力，像战斗机、水面舰船、装甲车等空间狭小，机动性、时效性要求特别高，当面临如临时变更程序、修复紧急故障等紧急情况时，必须要与外界进行数据交互的情况下，会因其相互接口协议不一、操作流程复杂导致耗时耗力效率低下，严重制约应急相应能力。可见在紧急情况下，装备现有的数据交互手段已满足不了数据交互需求。

在民用领域，WLAN（Wireless Local Area Networks）这几年得到了飞速发展，据权威机构Cahners In-Stat Group统计，全球WLAN市场近几年都保持25%的增长率[1]，民用WLAN无论技术还是市场上都取得了很大成功，因此可以借鉴民用WLAN发展军用WLAN，且在军用方面已有美国TNO物理和电子实验室等组织了一些试验[2]，但是民用WLAN存在以下问题：标准变化太快，信息安全机制不足，传输距离有限，功耗高电源不易携带，防水防震抗毁能力低，吞吐容量低等。

无线热链是一种与WiFi、WiMAX、LTE等技术同源[3]的军用宽带无线接入技术，支持点对点、点对多点以及中继等布网方式，可以灵活提供多种无线传输距离、多种无线覆盖范围、多种无线传输带宽和无线传输速率的无线网络部署，满足因为地理环境等原因难以部署网络的行业需求，能为某些复杂军用环境下的应用效能提供技术支撑，可在战斗、训练、演练以及维和等多种应用样式下，特别是在活动空间小、用户量大、操作环境及电磁条件复杂等特殊保障要求下部署无线局域网。建立信源、网络层、信道层三层加密防护体系进行机密性保护，采用红黑隔离机制以及抗重放和前向安全措施解决开放信道安全性问题[5]。采用了TDMA技术，支持更多的用户同时接入网络，解决了WiFi使用的CDMA/CD的多址方式带来的一旦用户比较多就会造成网络容量急速下降的问题[4]。此外，无线热链使用了4G（第四代移动通信技术）采用的MIMO（Multiple-Input Multiple-Output）技术，且带宽最高可达40MHz，能够大大提高系统容量。无线热链设备天线小不宜暴露目标，采用军用标准防水防震抗毁，以满足军队使用要求。

1 工作流程及部署

基于无线热链的军用宽带无线接入设备（以下简称“无线热链设备”）由无线网卡、无线接入点AP（Access Point）、数据终端、天线、软件构成。基于TCP/IP分层设计，其内部处理可以分为应用层、传输层、网络层、链路层、物理层、射频处理(如图1)。对于天线外置的设备，通过射频线缆与外置天线相连，通过网口与终端设备相连。

图1 无线热链设备模块组成与业务流程

无线热链设备的配置功能是跨越各层的独立模块，可以对参数进行存储，并对各层进行参数配置。终端设备可以通过浏览器或其它专用软件来对设备进行配置，也可以通过终端业务软件与无线热链设备实现业务交互。

对于诸如数据业务，如果无线热链设备设置成网桥模式，则无线热链设备会在层2（链路层）对数据进行转发；如果无线热链设备设置成路由器模式，则无线热链设备会在层3（网络层）对数据进行转发。

无线热链设备提供点对多点区域覆盖和点对点中继两种基本方案。结合应用部署的需要和成本进行综合考虑，提出两种解决方案，分别是分级链解决方案和中继链解决方案。

（1）分级链网络部署

分级链解决方案采用多级区域覆盖的方式，在诸如特种行业可以实现指挥中心-指挥车-设备多级覆盖，解决设备上网问题。此时，可以使用全向天线、扇区天线等，实现区域覆盖。对于不同的应用位置部署，还可以利用方向性天线主瓣和旁瓣来指向不同的用户设备，实现点对多点覆盖的效率最大化（如图2）。

图2 分级网络部署

（2）中继链解决方案

因为军队中许多可以部署无线局域网的无线应用覆盖场景并不是圆形区域或分级区域，因此可以充分发挥无线热链方向性天线的优势，采用链状覆盖的方式延长覆盖距离。如可沿场站路线布网，沿军港口岸布网，沿军营内部公路布网等（如图3）。

图3 中继链解决方案拓扑图

2 技术特点

（1）支持多种业务类型

无线热链设备支持多种业务传输类型。包括点对点（如图4），点对多点（如图5），更支持中继传输模型（如图6），当接入点AP与军队装备待交互平台有严重遮挡时，通过在AP与待交互平台之间部署中继设备，可以实现AP与待交互平台之间的通连。中继设备采用用两套无线热链设备，这两套设备之间采用有线直连，其中一套用于与AP无线交互，另一台用于与待交互平台（Station）无线交互。

图4 点对点传输模型

图5 点对多点传输模型

图6 中继传输模型

（2）低功耗与POE供电模型

一方面，无线热链设备采用小体积和低功耗设计，以最大功率发射时功耗为5到6瓦左右，便于多种形态部署。另一方面，针对在多种平台上构建无线热链设备及其加载网络的要求，无线热链设备设计支持POE（以太网供电），可以通过网线通道提供24V的直流电源，从而简化其电源设计。

（3）自动联网与检测模型

无线热链设备通过Web方式或SNMP方式进行管理。它还具有先进的链路完整性检测能力，当其作为AP使用的时候，可以自动检测上联的以太网连接是否正常工作。AP的无线热链设备可以采用AP双备份的方式，一旦一个AP出现故障，可以立即启动另一个AP，此时待加载平台发现上联线路断线，就会自动断开与其连接的AP，并搜寻其他可用的AP，这样可能大大提高网络连接的可靠性，并且也为及时锁定并排除问题提供方便。

（4）大容量技术

无线热链传输性能要求与802.11n标准一致。采用2×2MIMO天线时，20MHz带宽时，单个AP支持的理论速率达130Mbps，40MHz带宽时单个AP支持的理论速率达270Mbps[5]。

（5）频率/天线可配置技术

无线热链设备支持中心频率可配置设计，中心频率间隔为5MHz的整数倍。支持天线为2×2MIMO双极性天线，有效地提高通信容量和抗遮挡能力，天线可根据覆盖角度范围进行选配，还可以内置到设备中，适用于不同平台的安装环境。

（6）动中通技术

无线热链设备支持车载、舰载、机载等多种平台形式，在天线覆盖范围内，支持中速动中通能力。无线热链设备支持802.11n（WiFi）模式和TDMA模式。当选择TDMA接入模式时，支持同时接入的用户更多，并且可以支持更远的传输距离。

（7）安全防护设计

无线热链设备对发送的数据根据需要可以建立三层加密防护体系进行机密性保护，即信源加密、网络层加密和信道层加密，确保交互数据的完整性，阻止非法应用数据外放。采用红黑隔离技术保护设备免受无线网络攻击，同时设计报文格式包括序号字段，通过序列号累加机制防止抗重放攻击，另外无线热链设备具备紧急断链功能，并采用黑名单机制阻止非法用户入侵。

3 性能分析

采用40MHz带宽时，基于2×2MIMO双极性天线的系统理论速率可达300Mbps[5]。在实际部署和业务速率分析时，需要结合背景噪声、天线增益与朝向、线路延时、双向可靠性开销以及无线传输距离等影响。

3.1典型城市环境传输性能测试

采用开放便于测试的环境，下面以写字楼与机动车较多的典型城市为例来实测并分析传输性能（如图7）。

图7 典型城市环境测试拓扑

在间距大于200m的两个楼顶各部署一套无线热链设备，一端设置为接入点（AP），另一端设置为用户台（Station），与两个无线设备分别连接的两个笔记本终端之间进行高可靠文件传输，在不同带宽和中心频率下文件的实际传输速率如表1所示。

表1 不同带宽和中心频率下传输性能测试

从表1中可以分析得出表2。

表 2 性能分析表

3.2阻挡环境下的网络性能分析

基于典型的城市遮挡环境进行网络性能分析，部署如图8所示。其中，A点位于地面行驶的车辆天窗并采用内置天线设备，B点位于7层楼高的大楼楼顶，遮挡建筑为2层到9层楼高，两点距离在200m之内，考查A点所连笔记本接收到的3个摄像头的视频情况与速率情况。

图8 典型城市环境测试拓扑

表3 遮挡性能分析表

武器装备应用环境的遮挡值应参考上表中的无遮挡或少量遮挡，这时候数据传输非常流畅，且在采用带宽40MHz的文件传输速率接近100MHz，完全满足在军队特殊环境下的数据交互需求。

4 结语

本文针对紧急时刻武器装备与外界数据交互复杂的问题，提出了一种基于无线热链的军用无线接入设备工作流程及网络部署方案，阐述了技术特点，并对无线通信性能进行了模拟测试，可以表明无线热链技术军用前景良好。独特的布网优势和诸多特性也符合现代战争对军事通信提出的新要求，无线热链运用在军队数据通信交互领域是一个很有意义且适应军队当前需求的课题，比如应用在机载、车载装备的应急数据保障；部署在舰载机、指挥车上用以装备与外界进行数据交互；在未来演习或重大任务中，在整个指挥所、基地部署这种无线局域网络，简化数据通信交互与传递流程。但目前国内宽带无线接入技术在军队的应用研究基本还是空白，有很大的研究空间。

[1]Avestimehr,A.S,Diggavi,S.N,Tse,D.N.C.Wireless Net work Information Flow:A Deterministic Approach. Informatio n Theory IEEE Transactions on,2009.

[2]Yunnan Wu.Philip A Chou.Sun-Yuan Kung.Informati on Exchange In Wireless Networks with network coding and physical-layer broadcast.Conference on Information Scienc- es & Systems,2004.

[3]于鹏.网络综合布线技术[M].清华大学出版社，2009.

[4]斯桃枝.局域网技术与局域网组建.人民邮电出版社，2009.

[5]赵鹏，罗平，曹学武.改进无线局域网的安全[J].计算机工程与应用，2004.