利用软件定义无线电技术实现分散IP网络间通信：极端灾难条件下应急解决方案＊

陈佳玮，王香懿，赵闻一，朱永卓，隋成林，孙昊昉，金 莹

（沈阳化工大学机械与动力工程学院，辽宁 沈阳 110142）

1 项目研究背景

当前国内无线电通信技术已经普及，不仅给人们的生产生活提供便利，而且还应用于灾难预测及抢险救灾。但当遭受极端自然灾害或外敌入侵的情况下，现有的互联网可能会分散成多个物理分隔的子网。此外，现有的无线IP网络技术（Wi-Fi、2.4 GHz和5 GHz）的传输距离有限，不能满足物理距离较远的互联需求。基于上述假设，提出可在全频段进行无线电传输的软件定义无线电（Software Defined Radio，SDR）方案，以实现应急通信。近年来，商用无线通信技术虽然发展迅速，但却缺乏与计算机设备的交互功能，导致其无法与灾后残余的部分互联网/内联网互通、无法实现地理覆盖方面的互补。例如2008年汶川地震后，灾区出现了大范围的通信中断。而现今常见无线通信技术，如手机、对讲机、广播等虽各有所长，但在穿透性能、传播距离、时效性、稳定性等方面不能兼顾，难以实现全方位全时段的通联。

2 可行性研究

现有的软件无线电技术可对上述通讯短板作有益补充。根据《中华人民共和国无线电管理条例》和《业余无线电管理办法》规定，在抢险救灾期间，可突破业务无线电的频率限定，在全频段范围内选择可用通联频点。根据各频段无线电传输情况，如表1所示，若分散型的网络之间距离较近，可以使用UHF频段；当分散型的网络相距10～20 km，可以使用VHF频段；当分散型的网络距离过远，可使用HF频段。除了与相邻的分散网络或互联网通联外，利用HF频段的无线电传输特点，也可以直接与远方的非相邻网络或上级网络通联。利用本方案可以根据通联需求或电磁干扰情况，灵活地选择UHF、VHF、HF范围内的频点（RTL2832芯片配合R820T调谐芯片时支持24—1 766 MHz[1]），采用多种调制模式，灵活地与其他网络通联交换关键信息，以实现应急通信。

表1 各频率无线电波传输特征

软件无线电的全频段通联特性，再结合互联网结点上的数字化SDR设备，能够实现在全频段快速选择可用频点与其他物理距离较远的网络通联。如图1所示，充分利用SDR的宽频段、轻巧便携、快速机动、成本较低、通信范围较广的优点，广泛适用于地质灾害、森林火灾、洪涝灾害、重大安全事故、应急出警等应急指挥条件下传输关键信息的场景。特别是战争期间，卫星通信网络受限、军用民用无线电频点受到敌方压制和监听，此时更适合利用SDR的全频段特性传递关键信息。

图1 分散型网络通过全频段无线电技术互联示意图

本方案解决了灾难或战争时的关键信息通信问题，避免了信息孤岛，有助于保障极端条件下社会秩序的稳定，具有很大的现实意义和战备价值。

3 主要原理和技术

3.1 主要原理

传统的无线电通信模块是用硬件电路来设计，一个通信电路只能完成一种通信功能，开发周期长、成本高，而且设计成型后无法变更功能。SDR设备将部分硬件功能交由软件实现，具备全频段的无线电信号的接收和发射功能[2]。软件化可以加快通信模块的开发速度，降低开发成本，便于调试和维护，确保了电台的宽频段和功能的灵活性，克服传统无线电设备的“有限的频谱”假设。

突发自然灾害或战争冲突时，现有的基于IP协议的互联网会中断，路由协议收敛后形成了地理上分散的多个小型网络。在这些分散网络中，可以选择合适的计算机节点架设SDR设备。例如选择位于高层建筑或较高地势的计算机，抑或是可以稳定供电的计算机，在上述节点接入SDR设备和合适的天线，并在事先约定好的频点或使用应急广播公布的频点，与其他分散的小型网络或应急通信管理中心通联，并传递关键信息。此外，通过软件算法，软件无线电可实时配置相关通信功能，如改变频点、调制模式、信号强度等，从而提供高可用性的无线通信业务。

收敛后形成的小型分散网络同样具有互联的特性，属于TCP/IP网络，因此也可运行为互联网或局域网设计的部分应用程序（如远程桌面、远程登录、USB over network等软件）。因此，进行紧急条件下通联的操作者，可在残余的小型网络相对安全的节点，远程操作本网络内的SDR设备。

亦可在部分适宜架设无线电收发天线的网络终端设备附近，预先布置SDR设备，并保证某些区域或园区的布点数，实现战备通联。

3.2 主要技术实现

当前基于IP通信网络的互联网或内联网（Internet/Intranet），具备在整体网络中断后，残余网络可利用路由更新机制的自我组网功能。因此，可在此类网络中，利用远程登录、远程桌面等软件，操作远端计算机上的SDR设备，如图2所示。

图2 使用远程桌面程序控制本网络内电脑并操作其上的SDR设备

其次，利用USB over network技术[3]，也可以操作网络内远端计算机上基于USB接口的SDR设备，如图3所示。上述2种技术方案可互为备份，也可依情况混合使用。

图3 通过USBover network技术使用远程联网电脑上的USB设备

再次，由于RTL2832芯片的设计目标是接收部分频点的无线电视信号（48.5—72.5 MHz、76—92 MHz、167—223 MHz、470—566 MHz、606—958 MHz），因此需要对设备进行驱动级别或电路级别的改造，收发0.15 MHz（150 kHz）—1 800 MHz的全频率无线电信号。前期电路研究[4]和实验表明，在RTL2832芯片预留的IQ通道接入天线和滤波电容后，可将射频信号直接传入主机，初步实现扩频。

另外，发射模块可采用2种技术方案，使用SDR接收模块内嵌的发射电路[5]，或可利用商品化的SDR收发设备，如hack RF模块等。

最后，由于不同的波长需要匹配不同尺寸的天线，本方案需要设计制作适用于多个无线电频点的天线和天线调节器。根据不同频点的传播特性，拟采用偶极天线（DP）、八木天线（YAGI）、垂直天线（VER）等种类的天线，与SDR设备配套工作。

4 结论

本研究力求解决现代Internet/Intranet在极端灾害或战争条件下，实体线路中断后形成的网络孤岛间的紧急通信需求。而当前基于IP网络的无线通讯标准的频率较高、距离较短，不适用县域或更广距离上的通联。因此，本研究引入了基于软件定义无线电的远程网络通联解决方案。

研究表明，基于计算机体系的软件定义无线电设备，可方便地与计算机网络联合部署。极端灾难时形成网络孤岛后，利用基于IP网络的远程控制软件或USB over network技术，可远程操作网络孤岛内的SDR设备。

软件定义无线电设备可灵活地变换接收发射频率、调制模式，实现各种距离下的传输，便捷地实现多个网络孤岛间应急通联并传递重要信息。

以上表明，本研究提出的应急解决方案可适用于极端灾难条件，有效地连通信息孤岛，并减少人力物力的损耗，有助于保障极端条件下社会秩序的稳定，具有很高的现实意义和战备价值。