林 威

（深圳市烽云技術(shù)有限公司，廣東 深圳 518055）

0 引 言

無線自組網(wǎng)是一種分布式網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)，與點(diǎn)對點(diǎn)和點(diǎn)對多點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)不同，其由具有相同地位的通信節(jié)點(diǎn)組成，具有無中心、多跳中繼、動(dòng)態(tài)路由、抗毀性強(qiáng)等特點(diǎn)，適用于不需要事先部署但需要臨時(shí)開通1個(gè)專用網(wǎng)絡(luò)的場景，如應(yīng)急通信、消防救援、海上船隊(duì)通信、車隊(duì)通信、無人區(qū)通信、地下通信以及活動(dòng)安保等[1]。

1 發(fā)展趨勢

（1）使用簡單。智能化設(shè)計(jì)，在各種應(yīng)用場景下不斷學(xué)習(xí)演進(jìn)，通過軟件無線電升級實(shí)現(xiàn)智能化設(shè)計(jì)，設(shè)備使用簡單。

（2）寬窄融合。寬窄聯(lián)合設(shè)計(jì)，窄帶語音保底。在保證窄帶話音可靠傳輸?shù)幕A(chǔ)上，提供視頻和數(shù)據(jù)寬帶傳輸服務(wù)。窄帶話音單跳覆蓋能力較強(qiáng)，通過多跳中繼擴(kuò)大覆蓋范圍。設(shè)備最優(yōu)實(shí)現(xiàn)方式不再是寬帶自組網(wǎng)板卡和窄帶自組網(wǎng)板卡融合，而是寬窄帶自組網(wǎng)協(xié)議統(tǒng)一設(shè)計(jì)，在一個(gè)處理器內(nèi)實(shí)現(xiàn)。

（3）小型化。目前，主流廠家的產(chǎn)品是基于現(xiàn)場可編程門陣列（Field Programmable Gate Array，F(xiàn)PGA）和集成收發(fā)器架構(gòu)，存在體積大和功耗高的問題，需要通過合理設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)小型化和低功耗。

（4）性能增強(qiáng)。采用多波束天線陣列可以提高系統(tǒng)增益，從而提升系統(tǒng)的業(yè)務(wù)帶寬和通信距離。與此同時(shí)，波束較窄可以提高系統(tǒng)的空間抗干擾能力。

2 智能自組網(wǎng)系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

2.1 自適應(yīng)編碼調(diào)制技術(shù)

自適應(yīng)編碼調(diào)制技術(shù)是根據(jù)無線鏈路信道質(zhì)量自動(dòng)選擇合適的調(diào)制方式和編碼方式，在保證信號(hào)正常接收的前提下，盡可能有效利用帶寬，提高頻譜利用率[2]。綜合物理層的接收信噪比和媒體介入控制（Media Access Control，MAC）層的丟包率進(jìn)行跨層設(shè)計(jì)，在MAC層進(jìn)行調(diào)制資源調(diào)度，實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)編碼調(diào)制。

編碼調(diào)制方式的選擇跟特定的信道條件也有關(guān)，例如在高斯白噪聲信道中，在相同速率下使用較低階調(diào)制方式配合較高碼率的編碼方式，但在頻率選擇性信道或頻域有干擾時(shí)則相反。在設(shè)計(jì)編碼調(diào)制組合時(shí)，需要匹配設(shè)備主要應(yīng)用場景。與此同時(shí)，自適應(yīng)編碼調(diào)制也要考慮時(shí)效性問題，特別是網(wǎng)絡(luò)規(guī)模較大時(shí)，控制信道周期較長，需要研究有突發(fā)輸出傳輸需求時(shí)自適應(yīng)編碼調(diào)制的快速收斂性能。

2.2 智能選頻技術(shù)

常規(guī)自組網(wǎng)系統(tǒng)一般工作在定頻模式或被動(dòng)式跳頻模式，需要人工根據(jù)全網(wǎng)各個(gè)節(jié)點(diǎn)對本地?zé)o線電磁環(huán)境掃描的結(jié)果選擇一個(gè)或多個(gè)全網(wǎng)共同且干擾較小的頻點(diǎn)或頻率集進(jìn)行組網(wǎng)通信。這種方式對操作人員技術(shù)要求高，而且網(wǎng)絡(luò)開通效率較低，可能需要操作人員到每個(gè)距離較遠(yuǎn)的站點(diǎn)進(jìn)行本地設(shè)置設(shè)備參數(shù)。

智能選頻技術(shù)是控制信道根據(jù)全網(wǎng)各節(jié)點(diǎn)對本地?zé)o線電磁環(huán)境掃描的結(jié)果自動(dòng)選出干擾較小的工作頻率集，實(shí)現(xiàn)高速跳頻通信。數(shù)據(jù)信道根據(jù)每條鏈路的情況，選擇適用于每條鏈路的最優(yōu)頻點(diǎn)進(jìn)行通信，從而實(shí)現(xiàn)設(shè)備開機(jī)自動(dòng)組網(wǎng)，提高設(shè)備在復(fù)雜電磁環(huán)境下的適應(yīng)性，降低對操作人員的技術(shù)要求。

2.3 智能跳頻技術(shù)

智能跳頻技術(shù)即主動(dòng)式跳頻，根據(jù)全網(wǎng)各節(jié)點(diǎn)對本地?zé)o線電磁環(huán)境掃描的結(jié)果自動(dòng)選出干擾較小的工作頻率集進(jìn)行高速跳頻通信。工作頻率集定期更新，不再干擾的頻點(diǎn)恢復(fù)到工作頻率集中，受干擾的頻點(diǎn)從工作頻率集中剔除[3]。

在自組網(wǎng)系統(tǒng)中，難點(diǎn)在于全網(wǎng)各個(gè)節(jié)點(diǎn)同步更新。自組網(wǎng)協(xié)議通過定時(shí)器實(shí)現(xiàn)全網(wǎng)同步更新工作頻率集，但在更新工作頻率集前可能存在誤碼或丟包，需要結(jié)合混合自動(dòng)重傳等其他技術(shù)一起使用。

2.4 子載波動(dòng)態(tài)扣除技術(shù)

對于采用正交頻分復(fù)用（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM）技術(shù)的寬帶系統(tǒng)，如果某些子載波上有窄帶干擾，子載波動(dòng)態(tài)扣除技術(shù)將這些子載波扣除，在其余未受干擾的子載波上進(jìn)行通信。如果遇到整個(gè)載波帶寬受到干擾，不能進(jìn)行子載波扣除，只能硬抗，則可能無法正常通信。將子載波動(dòng)態(tài)扣除技術(shù)用于定頻OFDM系統(tǒng)，全網(wǎng)各節(jié)點(diǎn)定期同步更新子載波集[4]。自組網(wǎng)協(xié)議通過定時(shí)器實(shí)現(xiàn)全網(wǎng)同步更新子載波集，但在更新工作頻率集前可能存在誤碼或丟包，需要結(jié)合混合自動(dòng)重傳等其他技術(shù)一起使用。

2.5 載波帶寬自適應(yīng)技術(shù)

自組網(wǎng)設(shè)備一般基于FPGA和集成收發(fā)器實(shí)現(xiàn)。受限于板卡體積和功耗，F(xiàn)PGA邏輯資源不同，有些板卡支持載波帶寬少，有些支持載波帶寬多，這2種設(shè)備同時(shí)工作時(shí)需要自適應(yīng)組網(wǎng)和互通業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)。載波帶寬自適應(yīng)技術(shù)能夠自動(dòng)識(shí)別每個(gè)設(shè)備與鄰近節(jié)點(diǎn)設(shè)備之間的最大可用載波帶寬，確保每條鏈路工作在最大載波帶寬上，實(shí)現(xiàn)鏈路級最大業(yè)務(wù)速率[5]。

2.6 網(wǎng)絡(luò)規(guī)模自適應(yīng)技術(shù)

自組網(wǎng)系統(tǒng)無中心，在設(shè)計(jì)上需要保證最大終端接入，但在實(shí)際使用中網(wǎng)絡(luò)規(guī)模是不確定且動(dòng)態(tài)變化的。目前，基于信道接入的傳輸策略主要有隨機(jī)接入、受控接入以及混合接入。一般采用基于時(shí)隙的時(shí)分接入方式，包括固定時(shí)隙接入和動(dòng)態(tài)時(shí)隙接入2種方式。時(shí)隙為物理層最小單位，由時(shí)隙組成幀，在1個(gè)時(shí)隙內(nèi)完成收發(fā)[6]。根據(jù)節(jié)點(diǎn)時(shí)隙分配表的產(chǎn)生過程與拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的依賴關(guān)系，可以分為拓?fù)渫该魉惴?、拓?fù)浞峭该魉惴ㄒ约巴負(fù)浒胪该鲄f(xié)議。

網(wǎng)絡(luò)規(guī)模自適應(yīng)技術(shù)是網(wǎng)絡(luò)規(guī)模變化時(shí)，通過動(dòng)態(tài)調(diào)整固定接入時(shí)隙分配周期和動(dòng)態(tài)接入時(shí)隙所占比例，最大程度上動(dòng)態(tài)適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)規(guī)模變化和復(fù)雜場景應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)彈性最優(yōu)。

2.7 功率控制自適應(yīng)技術(shù)

功率控制自適應(yīng)技術(shù)是寬帶自組網(wǎng)設(shè)備的發(fā)射端根據(jù)通信傳輸需求實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)調(diào)整其發(fā)射功率，確保信號(hào)以較合適的功率到達(dá)接收端。功率控制分為全網(wǎng)級功率控制和鏈路級功率控制，全網(wǎng)功率控制指節(jié)點(diǎn)對其相鄰節(jié)點(diǎn)都是按照相同功率發(fā)射，而鏈路級功率控制指節(jié)點(diǎn)對相鄰節(jié)點(diǎn)按照每個(gè)節(jié)點(diǎn)的接收功率情況以不同功率發(fā)射。鏈路級功率控制性能最優(yōu)，但調(diào)度最復(fù)雜。

在采用子載波動(dòng)態(tài)扣除技術(shù)的寬帶自組網(wǎng)設(shè)備中，將工作頻段劃分為若干個(gè)子帶，分別評估各個(gè)子帶的受干擾情況，與子帶的平均信噪比參數(shù)一起作為頻域功率分配策略的輸入?yún)?shù)進(jìn)行優(yōu)化[7]。在能量受限的終端類寬帶自組網(wǎng)設(shè)備中，還需要考慮節(jié)點(diǎn)間帶寬、跳數(shù)等因素，選擇其他路由，以最大限度保證寬帶組網(wǎng)系統(tǒng)的可用性。

2.8 通信距離自適應(yīng)技術(shù)

傳統(tǒng)自組網(wǎng)系統(tǒng)都是按最大通信距離設(shè)置好最大通信距離，此方法簡單，但在實(shí)際使用中節(jié)點(diǎn)間的實(shí)際最大通信距離可能遠(yuǎn)小于設(shè)置的最大通信距離。通信距離自適應(yīng)技術(shù)則是根據(jù)在網(wǎng)各個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的距離動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)數(shù)據(jù)信道幀結(jié)構(gòu)的空中傳播保護(hù)時(shí)間，提高業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)占發(fā)射時(shí)隙的比例，從而擴(kuò)展用戶可用的業(yè)務(wù)帶寬。

2.9 混合自動(dòng)重傳技術(shù)

單獨(dú)使用自動(dòng)重傳請求效果較差，特別是無線信道質(zhì)量較差時(shí)誤碼率或丟包率較高，通過多次重傳可能也不成功?；旌献詣?dòng)重傳技術(shù)是將自動(dòng)重傳請求和前向糾錯(cuò)編碼混合使用，通過前向糾錯(cuò)編碼降低單次傳輸?shù)恼`碼率來減少重傳次數(shù)，通過自動(dòng)重傳請求消除跨包間的誤碼來保證傳輸可靠性[8]。目前，混合自動(dòng)重傳技術(shù)的實(shí)現(xiàn)方式有負(fù)載及優(yōu)先級自適應(yīng)的混合自動(dòng)重傳技術(shù)、業(yè)務(wù)類型自適應(yīng)的混合自動(dòng)重傳技術(shù)以及基于多跳網(wǎng)絡(luò)的協(xié)作自動(dòng)重傳技術(shù)等。

2.10 路由自適應(yīng)技術(shù)

路由協(xié)議需要根據(jù)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓俣茸赃m應(yīng)調(diào)整網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫畔⒌陌l(fā)送周期和相應(yīng)信息量，并利用各條可用的傳輸路徑實(shí)現(xiàn)路由自適應(yīng)切換和快速收斂，從而保證業(yè)務(wù)實(shí)時(shí)可靠傳輸。對于其中路由選擇，判據(jù)為復(fù)合鏈路質(zhì)量等級，包括跳數(shù)、丟包率、帶寬以及時(shí)延等因素[9]。

2.11 靜默自適應(yīng)技術(shù)

靜默自適應(yīng)技術(shù)包括主動(dòng)靜默和被動(dòng)靜默2種方式，其中被動(dòng)靜默是節(jié)點(diǎn)接到指揮節(jié)點(diǎn)的靜默指令后進(jìn)入靜默狀態(tài)（即只收不發(fā)），接到指揮節(jié)點(diǎn)工作指令后退出靜默狀態(tài)并進(jìn)入工作狀態(tài)。在軍用通信應(yīng)用場景下，靜默自適應(yīng)是非常必要的[10]。

3 結(jié) 論

智能自組網(wǎng)是無線自組網(wǎng)的重要發(fā)展方向，通過對智能自組網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行探討，包括自適應(yīng)編碼調(diào)制、智能選頻、智能跳頻、子載波動(dòng)態(tài)扣除、載波帶寬自適應(yīng)、網(wǎng)絡(luò)規(guī)模自適應(yīng)、功率控制自適應(yīng)、通信距離自適應(yīng)、混合自動(dòng)重傳、路由自適應(yīng)以及靜默自適應(yīng)等，對于促進(jìn)自組網(wǎng)領(lǐng)域的發(fā)展具有重要意義。