李寶亮　徐筱麟　閆仁強(qiáng)

摘 要：針對(duì)目前無(wú)線大區(qū)制防空警報(bào)遙控系統(tǒng)中存在的二次報(bào)警能力弱和中心發(fā)射塔無(wú)線電信號(hào)覆蓋范圍有限等問(wèn)題,提出一種基于超短波數(shù)傳電臺(tái)的無(wú)線多跳防空警報(bào)遙控系統(tǒng),在該系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)警報(bào)控制信號(hào)多跳傳輸。給出總體設(shè)計(jì)方案和關(guān)鍵設(shè)計(jì)技術(shù),并設(shè)計(jì)了一種適合該系統(tǒng)的路由協(xié)議。基于網(wǎng)絡(luò)仿真工具OPNET構(gòu)建了該系統(tǒng)的仿真框架,對(duì)系統(tǒng)常用業(yè)務(wù)進(jìn)行建模,分析系統(tǒng)警報(bào)發(fā)放時(shí)延和警報(bào)回示時(shí)延兩個(gè)重要參數(shù),仿真結(jié)果表明該系統(tǒng)性能達(dá)到設(shè)計(jì)要求,為解決現(xiàn)有系統(tǒng)中存在的上述問(wèn)題提供了一個(gè)有效的可選方案。

關(guān)鍵詞：無(wú)線多跳;防空警報(bào)遙控系統(tǒng);信道接入控制;路由協(xié)議

中圖分類號(hào)：TN911文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1004-373X(2009)05-036-03

Design of Wireless Multi-hop Air-Raid Siren Remote Control System

LI Baoliang,XU Xiaolin,YAN Renqiang

(Institute of Communication Engineering,PLA University of Science & Technology,Nanjing,210007,China)

Abstract：According to the weakness of secondary alarming ability and the limitation of the radio range of central transmitter tower in the present wireless large covering air-raid siren remote control system,a new wireless self-organizing air-raid siren control system based on UHF data transceiver is proposed,which transports alarming control instruction by multi-hop mode.The overall design scheme and the key design technology are introduced.A routing protocol which is suitable for the system is designed.The system network simulation framework and its common applications mode based on OPNET is deve-loped.The important parameters of alarming informing delay and alarming feedback delay are analyzed.Simulation results indicate that it reaches the design demand and it is an effective alternative for schemes which try to resolve the problems in the present systems.

Keywords：wireless multi-hop;air-raid siren remote control system;channel access control;routing protocol

0 引 言

人民防空是國(guó)防的重要組成部分,也是現(xiàn)代城市建設(shè)的重要內(nèi)容。防空警報(bào)遙控系統(tǒng)作為戰(zhàn)時(shí)指揮的“神經(jīng)”和“耳目”,是人民防空的重要一環(huán)。防空警報(bào)遙控系統(tǒng)［1］由警報(bào)控制中心和警報(bào)器組成,警報(bào)控制中心根據(jù)需要通過(guò)有線或無(wú)線的方式控制警報(bào)器發(fā)出相應(yīng)的警報(bào)音響信號(hào)通知市民,警報(bào)器的將自身狀態(tài)及時(shí)回示給警報(bào)控制中心。目前,系統(tǒng)所采用的無(wú)線控制方式多為大區(qū)制集中式控制,即警報(bào)控制中心在高處建立一個(gè)大功率的發(fā)射塔,直接與所有警報(bào)器通信。但隨著城市規(guī)模不斷擴(kuò)大,城市高樓越來(lái)越多,使得警報(bào)控制中心無(wú)線電信號(hào)覆蓋整個(gè)城市越來(lái)越難［2］,需要不斷地增加中繼臺(tái)以轉(zhuǎn)發(fā)信號(hào)。而且固定警報(bào)控制中心發(fā)射塔作為大功率輻射源戰(zhàn)時(shí)易受敵方攻擊,生存能力弱,二次報(bào)警和多次報(bào)警能力得不到保證。

針對(duì)上述無(wú)線控制方式的不足,提出了一種基于超短波數(shù)傳電臺(tái)的無(wú)線多跳防空警報(bào)遙控系統(tǒng)。在該系統(tǒng)中,每個(gè)警報(bào)器節(jié)點(diǎn)不僅可以與警報(bào)控制中心直通,還能根據(jù)需要自動(dòng)轉(zhuǎn)發(fā)警報(bào)信號(hào)。因此,中心發(fā)射臺(tái)的警報(bào)信號(hào)便能經(jīng)過(guò)多跳到達(dá)每一個(gè)警報(bào)器。這就大大降低了中心發(fā)射塔的發(fā)射功率,使其便于移動(dòng)隱蔽,提高了生存能力,也解決了無(wú)線大區(qū)制方式下無(wú)線電信號(hào)覆蓋難的問(wèn)題。從一跳到多跳通信方式的轉(zhuǎn)變需要該系統(tǒng)采用新的路由協(xié)議,本文設(shè)計(jì)了一種適合于系統(tǒng)業(yè)務(wù)模式和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的路由協(xié)議。

1 無(wú)線多跳防空警報(bào)遙控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo)

防空警報(bào)遙控系統(tǒng)由警報(bào)控制中心和分布在城區(qū)的警報(bào)器構(gòu)成。出于戰(zhàn)時(shí)生存能力的考慮,系統(tǒng)要求移動(dòng)警報(bào)控制中心可以在全網(wǎng)任意移動(dòng),并以較小的發(fā)射功率控制整個(gè)系統(tǒng)。系統(tǒng)要能夠自動(dòng)感知節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)和節(jié)點(diǎn)數(shù)目的增減,并選擇合適的路由路徑。系統(tǒng)要有高度的健壯性,部分警報(bào)節(jié)點(diǎn)被破壞不能影響系統(tǒng)其他部分的正常工作。警報(bào)發(fā)放的時(shí)延不超過(guò)1 s。

1.2 系統(tǒng)模型

系統(tǒng)模型如圖1所示,警報(bào)控制中心和警報(bào)器節(jié)點(diǎn)均由主控模塊和信道機(jī)模塊構(gòu)成。主控模塊采用嵌入式主機(jī)系統(tǒng),即節(jié)點(diǎn)控制器。警報(bào)器節(jié)點(diǎn)控制器實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)的多跳組網(wǎng)、分組路由、信道接入、數(shù)據(jù)鏈路層驅(qū)動(dòng)功能,并根據(jù)警報(bào)控制信息控制警報(bào)器產(chǎn)生各種警報(bào)信號(hào)。警報(bào)控制中心主控模塊主要接收來(lái)自警報(bào)處理中心的警報(bào)分組,送至信道機(jī)并接收警報(bào)器的回示信息。信道機(jī)模塊采用超短波數(shù)傳電臺(tái),實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)和路由信息等在空中接口的傳遞。

2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵技術(shù)

2.1 介質(zhì)訪問(wèn)控制協(xié)議(MAC)

設(shè)計(jì)超短波自組織網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題是MAC機(jī)制的設(shè)計(jì),它協(xié)調(diào)多個(gè)用戶有效地共享有限的超短波信道資源。無(wú)線自組網(wǎng)MAC協(xié)議主要分為競(jìng)爭(zhēng)類和資源預(yù)留類兩大類。將CSMA/CA等競(jìng)爭(zhēng)類MAC協(xié)議用于超短波信道會(huì)出現(xiàn)物理載波偵聽失效、虛擬載波偵聽效率低、暴露終端加劇和捕獲效應(yīng)明顯等問(wèn)題,并不適合在超短波信道上直接使用［3］。系統(tǒng)采用TDMA靜態(tài)分配方式,并采用一種自動(dòng)分配算法,根據(jù)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)節(jié)點(diǎn)數(shù)目、幀時(shí)長(zhǎng)度、時(shí)隙大小和警報(bào)器節(jié)點(diǎn)ID,對(duì)警報(bào)器節(jié)點(diǎn)時(shí)隙進(jìn)行分配,每個(gè)警報(bào)器節(jié)點(diǎn)將獲得一個(gè)時(shí)隙用于數(shù)據(jù)的發(fā)送。

2.2 路由協(xié)議

無(wú)線多跳防空警報(bào)遙控系統(tǒng)有以下特點(diǎn)：通常警報(bào)控制中心發(fā)射塔的無(wú)線電傳輸范圍大于警報(bào)器節(jié)點(diǎn)的傳輸范圍,造成它們之間存在單向鏈路；警報(bào)發(fā)放通常以廣播和組播為主；警報(bào)器節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的發(fā)送通常是以警報(bào)控制中心為目的地；系統(tǒng)對(duì)警報(bào)發(fā)放的時(shí)延非常敏感等。按需距離矢量路由AODV(Multicast Ad Hoc On-demand Vector)［4］,動(dòng)態(tài)源路由協(xié)議DSR(Dynamic Source Routing)［5］協(xié)議直接應(yīng)用于該系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生較大的時(shí)延,因此并不適合該系統(tǒng)。以一個(gè)警報(bào)發(fā)放過(guò)程對(duì)路由協(xié)議描述如下：

(1) 警報(bào)分組發(fā)放過(guò)程。警報(bào)分組發(fā)放過(guò)程采用洪泛法［6］。當(dāng)警報(bào)控制中心有警報(bào)要發(fā)送時(shí),廣播一個(gè)警報(bào)分組SC(Siren Control Packet)。SC分組中包括警報(bào)控制中心地址,請(qǐng)求ID,目的地址和警報(bào)信息。警報(bào)控制中心地址和請(qǐng)求ID用于惟一標(biāo)識(shí)一個(gè)SC分組。警報(bào)器節(jié)點(diǎn)收到警報(bào)分組后,首先根據(jù)SC分組中的警報(bào)控制中心地址和請(qǐng)求ID查詢“歷史SC分組列表”,若表中已存在該SC分組的記錄,則丟棄該SC分組；否則,取出該SC分組中的警報(bào)指令交由上層處理,同時(shí)轉(zhuǎn)發(fā)該SC分組。

若警報(bào)器節(jié)點(diǎn)可以與警報(bào)控制中心直通,則稱其為警報(bào)控制中心的臨近節(jié)點(diǎn)。非臨近節(jié)點(diǎn)的回示分組只有通過(guò)臨近節(jié)點(diǎn)才能到達(dá)警報(bào)控制中心。

(2) 回示路徑的建立。在各個(gè)警報(bào)器節(jié)點(diǎn)洪泛SC的時(shí)候,若警報(bào)控制中心能夠正確地接收警報(bào)節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)的SC分組,則證明轉(zhuǎn)發(fā)該SC分組的警報(bào)節(jié)點(diǎn)是鄰近節(jié)點(diǎn),中心節(jié)點(diǎn)把收到的所有臨近節(jié)點(diǎn)的地址填入一個(gè)Address分組,并在發(fā)送SC分組的一個(gè)時(shí)幀后廣播出去。收到Address分組的警報(bào)器節(jié)點(diǎn)將Address分組中的地址與自己地址比較,若自己的地址存在于Address分組中,則該節(jié)點(diǎn)為一個(gè)臨近節(jié)點(diǎn),構(gòu)造一個(gè)回示通知分組并廣播出去。所有臨近節(jié)點(diǎn)廣播的回示通知分組具有相同的警報(bào)控制中心地址和請(qǐng)求ID,這樣系統(tǒng)中的警報(bào)器節(jié)點(diǎn)僅轉(zhuǎn)發(fā)一次該分組,經(jīng)過(guò)回示通知分組在系統(tǒng)內(nèi)的洪泛,這樣所有的節(jié)點(diǎn)都獲得了通過(guò)臨近節(jié)點(diǎn)到達(dá)警報(bào)控制中心的路徑,即回示通知分組的逆路徑。如圖2所示,警報(bào)器節(jié)點(diǎn)B,C能夠聽到A的Address分組,B,C通過(guò)比較Address分組中的地址與其自己地址,B發(fā)現(xiàn)自己為臨近節(jié)點(diǎn),B廣播一個(gè)回示通知分組,C接收到B的回示通知分組后記下該路徑并轉(zhuǎn)發(fā),D收到C的回示通知分組后并轉(zhuǎn)發(fā),D也獲得了通過(guò)臨近節(jié)點(diǎn)B到A的路徑,即3,2,1。回示分組按建立的回示路徑進(jìn)行單播逐跳轉(zhuǎn)發(fā)至警報(bào)控制中心。

3 系統(tǒng)仿真結(jié)果

通過(guò)網(wǎng)絡(luò)仿真工具OPNET構(gòu)建了系統(tǒng)仿真平臺(tái)。仿真將一個(gè)警報(bào)控制中心和100個(gè)警報(bào)器節(jié)點(diǎn)放置在20 km×20 km的范圍內(nèi),模擬一個(gè)中等城市的防空警報(bào)遙控系統(tǒng)。超短波數(shù)傳電臺(tái)信道帶寬為19 200 b/s。移動(dòng)警報(bào)控制中心和警報(bào)器節(jié)點(diǎn)無(wú)線發(fā)射距離分別為8 km和6 km。系統(tǒng)時(shí)隙數(shù)128,考慮電臺(tái)收發(fā)轉(zhuǎn)換時(shí)間為100 ms,同步時(shí)間為25 ms,每次發(fā)射時(shí)間為75 ms,所以設(shè)定時(shí)隙長(zhǎng)為0.2 s,每次可發(fā)送數(shù)據(jù)180 B。

根據(jù)防空警報(bào)遙控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo),設(shè)計(jì)三組仿真場(chǎng)景,分別選取城市中三個(gè)典型的位置作為移動(dòng)警報(bào)控制中心位置，分別為城市中心,次中心和城市邊緣。仿真中業(yè)務(wù)模式設(shè)置為警報(bào)控制中心廣播SC分組,各個(gè)警報(bào)器節(jié)點(diǎn)收到SC分組后回示分組。仿真過(guò)程中收集警報(bào)發(fā)放時(shí)延和警報(bào)回示時(shí)延兩個(gè)統(tǒng)計(jì)量,仿真結(jié)果如圖3和圖4所示。

從仿真結(jié)果可以看出,警報(bào)控制中心能夠以較小的通信范圍控制整個(gè)系統(tǒng),解決了無(wú)線大區(qū)制集中控制方式下無(wú)線電信號(hào)覆蓋難的問(wèn)題。圖3表明移動(dòng)警報(bào)控制中心在不同的位置時(shí)警報(bào)發(fā)放時(shí)延均在4 s以內(nèi),達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)。由圖4可以看出警報(bào)回示時(shí)延最大為120 s。防空警報(bào)遙控系統(tǒng)對(duì)回示的實(shí)時(shí)性要求并不高,20 s的時(shí)延在可以承受的范圍之內(nèi)。

4 結(jié) 語(yǔ)

解決無(wú)線大區(qū)制防空警報(bào)遙控系統(tǒng)中存在二次報(bào)

警能力弱和中心發(fā)射塔無(wú)線電信號(hào)覆蓋范圍有限等問(wèn)題是人防建設(shè)面臨的迫切問(wèn)題,本文給出了一個(gè)防空警報(bào)遙控系統(tǒng)的無(wú)線多跳控制方式設(shè)計(jì)方案,研究確定了其MAC層協(xié)議,并設(shè)計(jì)了一個(gè)適合于防空警報(bào)遙控系統(tǒng)的路由協(xié)議，為解決現(xiàn)有系統(tǒng)中存在的問(wèn)題提供了一個(gè)可供選擇的方案。下一步的工作重點(diǎn)將是研究實(shí)現(xiàn)該設(shè)計(jì)方案。

參考文獻(xiàn)

［1］胡爾標(biāo),陳永生.一種人防警報(bào)集中控制系統(tǒng)的可靠連接策略［J］.計(jì)算機(jī)工程,2007,31(1):250-255.

［2］劉國(guó)平.防空警報(bào)遙控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［D］.上海:同濟(jì)大學(xué),2006.

［3］龍華.超短波自組織網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［D］.成都：電子科技大學(xué),2006.

［4］Perkins C,Royer E.Ad Hoc on Demand Distance Vector Routing［A］.The 2nd IEEE Workshop on Mobile Computing Systems and Applications［C］.New Orleans,LA,1999：90-100.

［5］Johnson D B,Maltz D.A Dynamic Source Routing in Ad Hoc Wireless Networks.Mobile Computing.Kluwer Academic Publishers,1996.

［6］王金龍,王呈貴,吳啟暉,等.Ad Hoc移動(dòng)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)［M］.北京:國(guó)防工業(yè)出版社,2004.

［7］方軍榮,劉三陽(yáng).基于二跳信息的分簇算法.現(xiàn)代電子技術(shù)，2008，31（1）：7-9.

作者簡(jiǎn)介 李寶亮 男,1984年出生,河南衛(wèi)輝人,碩士生。主要研究方向?yàn)闊o(wú)線自組網(wǎng)在民防應(yīng)急通信中的應(yīng)用。