多波束微波系统组网通信能力试验分析*

赵乾宏，崔远峰，田兆平，孙文杰

（中国卫星海上测控部，江苏 江阴 214431）

0 引 言

多波束微波设备是一种全IP化的微波设备，业务接口为标准千兆网口，具有多业务支持功能，如数据、IP话音，高清视频等，且可同时进行工作。为验证该多波束微波设备的海上通信适应能力，通过进行多波束微波的船舶搭载试验，测试多波束微波在海上的传输距离与传输速率、动态邻居发现能力、动中通能力和海上环境适应能力等，以验证多波束微波的海上通信能力及其对海上环境的适应能力。

1 多波束微波系统的技术性能和关键技术

1.1 多波束微波系统的主要技术性能

多波束微波通信系统利用多波束天线和移动自组网技术可满足如下需求：随遇接入（对架设地点敏感性低）；布设灵活（天线无需进行手动调整）；配置简单（单节点即可自动入网）；宽带化（使用高阶调制体制进行传输，6～54 Mb/s）；较强的组网能力（无需通过中心节点实现网络的自组织）。系统采用TDD/TDMA的双工多址方式、借助可以波束快速切换的定向天线，实现在微波频段（C波段4.4～5 GHz）的网络化通信，形成视距范围内的无中心自组织网络[1]。该系统本质上是一种无中心、分布式、可快速实时组网的无线移动通信系统。多波束微波通信设备的主要技术性能指标如表1所示。

表1 多波束微波通信设备的主要技术性能指标

1.2 多波束微波系统的关键技术

海上移动节点在海上处于快速移动状态，并且存在海浪颠簸的影响。相对于静态网络，节点快速移动会导致拓扑的快速变化，对MAC层组网、网络维护、路由的时效性提出了较高要求。

（1）基于TDMA的MAC协议[2]

针对海浪颠簸环境或船艇运动等海上移动节点的应用环境，专门设计了支持快速拓扑变化的MAC协议。MAC协议的核心是基于TDMA的MAC层调度策略，每个节点分配不同的时隙给不同的邻居用于数据或者控制信息的交互，基于TDMA的MAC层接入算法要求每个节点本地时钟同步。基于TDMA的MAC层复帧结构如图1所示。每个复帧由邻居发现阶段、预约阶段、数据传输阶段组成。一个邻居发现阶段后，紧跟N个预约阶段和数据传输阶段，每个数据传输阶段紧跟一个预约阶段，每个阶段由数个时隙构成。

图1 基于TDMA的MAC层复帧结构

利用上述的帧结构设计完成网络建立、网络管理、信息传输、迟入网等网络功能，该通信协议主要包括了同步、邻居发现和建链（握手1完成）、时隙管理与控制及动态时隙分配（握手2完成）、信息传输四个阶段。各阶段功能及节点所处的协议状态如图2所示。

（2）基于TDMA的MAC协议实现

①动态邻居发现。邻居发现阶段的功能主要是发现和定位邻居，同时与邻居协商预约阶段的一个时隙用于两个节点在预约阶段交互控制信息。邻居发现阶段由多次扫描构成。每次扫描过程中，节点依据定向天线波束覆盖能力将360度空间分为16个扇区，并按照一定顺序依次扫描16个扇区。扫描时节点发送hello包或监听hello包。一旦两节点完成了hello包的交付，即通过后续握手包的交换协商预约阶段的一个时隙，该预约阶段的时隙将用于两个节点在预约阶段交互控制信息，如图3所示。

②基础时隙。基础时隙是在节点完成邻居发现之后，在后边的数据时隙中进行灵活选择的一对时隙。基础时隙的分配过程示意图如图4所示，其作用是保持两个邻居节点之间交互必要的控制信息和状态更新，从而实现带内控制的目的。带内控制是指节点通过控制信息来保持时隙和数据速率通信的过程，控制信息在数据时隙分配中传递。但是，如果是因为另一个节点移动导致传输丢失，那么将建立定时器，用来重新请求或者重新发送控制信息。

图2 协议状态转移

图3 邻居发现过程

图4 基础时隙的分配过程

（3）海上快速移动节点组网路由算法

海上快速移动节点在海上处于快速移动状态，并且存在海浪颠簸的影响。节点快速移动会导致拓扑的快速变化，因此对路由的时效性提出了较高要求。多波束微波通信系统选取OLSR（Optimized Link State Routing,优化链路状态路由协议）基础，并对其进行优化，使用跨层技术，减小表驱动路由带来的开销，形成适用于多波束微波通信系统的基于跨层设计的OLSR路由协议。

基于跨层设计的OLSR路由协议去除针对其它类型网络的额外功能，同时将MAC层的邻居发现功能与网络层结合起来，充分利用MAC层已经获得的信息，省去定时发送HELLO类型数据包所产生的开销，并节省了邻居发现的时间。在寻路过程中，加入了路径负载影响因子，防止局部负载过大，导致数据产生拥塞。改进后的协议能够适应拓扑快速更新、端到端低时延的要求。

2 多波束微波系统组网试验

2.1 波束微波通信系统海上组网测试

海上测试主要进行了三种机动方式进行试验，机动方式描述如下：

（1）船载节点1与船载节点2进行同向前后编队行驶，不断拉远两节点间的通信距离，到达32 km之后再逐渐拉近两节点间的通信距离；

（2）船载节点1与船载节点2进行同向左右编队行驶，不断拉远两节点间的通信距离，到达32 km之后再逐渐拉近两节点间的通信距离。

（3）船载节点1保持航向不变，船载节点2进行转向（如起锚时、长江口入海时、航道转向等）。

这三种机动方式示意图如图5所示。

图5 海上测试

2.2 岸船组网测试过程

岸船组网测试是在船载节点1和节点2停靠码头的过程中进行的，其目的是验证多节点之间的组网能力。实际组网拓扑图如图6所示。其中：节点1和节点2是船载站点，处于机动过程中；节点3为固定站点，位于岸边高地上，与所有节点均有视距；节点4为车载站点，由于受到节点3所在高地遮挡，与节点1和节点2无视距，仅与节点3具有视距。

图6 岸船组网拓扑

测试按照以下步骤进行：

（1）船载两个节点（节点1和节点2）建立点对点通信链路，可正常通信；

（2）岸上节点3开机，与节点1、节点2组成环状网络，此时任意两个节点可互联互通，表明系统具备迟入网功能，支持设备的随遇接入，进一步将其中任意的一个节点关机，三者之间仍可以进行互联互通，进而验证了网络的无中心特性以及其路由中继功能；

（3）节点4的车载站点开机接入网络，仅与节点3存在视距，可进行车载站点与节点3的直连测试，也可通过节点3完成岸上车载站与船载站之间的互联互通。

3 多波束微波系统组网试验数据及分析

3.1 通信性能测试

针对多波束微波通信设备的多种速率，汇总设备不同速率条件下的通信性能，包括Ping包时延、丢包率、电话及视频情况，结果如表2所示。

表2 不同传输速率的通信性能

以上数据是设备在视距条件下正常通信时得到的，包含固定站通信以及海上的机动通信试验数据。各种速率的最大通信距离符合设备的设计指标，多数情况下丢包率小于0.1%；而最大时延是由于数据出错后多次重传引起的，但其出现概率低，并不影响正常使用。

3.2 接收电平测试

根据试验环境不同，试验环境主要分为两类：一类是海上风浪较小（包含晴天和阴雨天），另一类是海上的大风浪天气（存在1.5 m以上海浪）；表3给出了不同试验环境下多波束微波通信设备设备的接收电平。

从表3可以看出，在海上大风浪条件下，接收电平的起伏波动明显要大于其他环境，这是由于风浪变大时，船体本身随风浪摆动，瞬间的倾斜角变大使得设备天线难以完全对准，设备不能在最佳状态下工作。同时，不同试验环境下设备的接收电平均满足随距离增加而不断降低的趋势。

3.3 频点、功率调整测试

多波束微波通信设备的工作频率范围为4.4～5 GHz，支持在工作频段内逐MHz的进行频点切换。在试验过程中每50 MHz进行一次频点切换测试，结果均可进行正常工作，图7给出了在4 500 MHz、4 600 MHz、4 800 MHz、5 000 MHz四个频点正常工作时的监控界面截图，从图中可以看出，设备在各个频点能建立邻居（Link指示灯为绿色表示正常建立邻居），且可在右侧的通信调制参数框内看到当前的通信节点、扇区、调制方式以及通信速率[3]。

表3 不同试验环境下的设备接收电平

图7 不同频点的监控界面

同时，多波束微波通信设备还支持发射功率调整，调整范围为0～30 dB，进而满足不同通信距离下，特别是近距离条件下的正常通信。

3.4 网络功能测试

岸船组网测试按照网络节点逐渐增加的方式，构建不同的网络拓扑结构，主要测试的拓扑结构如图8所示。

图8 不同数量节点构建的不同网络拓扑

船载两个节点建立点对点通信链路，可正常通信，如图8（a）所示；岸上节点3开机，与节点1、节点2组成环状网络，此时任意两个节点可互联互通，如图8（b）所示，表明系统具备迟入网功能，支持设备的随遇接入，进一步将其中任意的一个节点关机，三者之间仍可以进行互联互通，进而验证了网络的无中心特性以及其路由中继功能；节点4的车载站点开机接入网络，仅与节点3存在视距，可进行车载站点与节点3的直连测试，也可通过节点3完成岸上车载站与船载站之间的互联互通，如图8（c）所示。

4 多波束微波系统组网试验结论

多波束微波系统组网试验采用船载、车载、固定等三种方式进行了陆地拉距、海上机动、岸船组网等三种不同类型的测试，试验区域横跨渤海、黄海、东海和南海等四大海域，以及长江流域，经历了从风平浪静到2.5～3 m大浪的海况，验证了设备各项性能和在雨雾潮湿环境、大风浪环境下设备的通信能力。对试验测试的各项结果进行汇总，结论如表4所示。

表4 多波束微波系统组网试验总结

上述测试结论说明：

（1）宽带多波束电台具备一定的海上通信能力和动态组网能力，并且具有一定的海上环境适应能力和较高的数据传输能力，最远传输距离可达32 km，传输速率不小于6 Mbps；

（2）宽带多波束电台在使用中，两节点间需具备通视条件，在市区范围内开展测试时，由于市内高层建筑较多，车辆运动中通信效果不理想；

（3）宽带多波束电台仍处于测试阶段，有许多功能和性能有待进一步完善。通过本次测试，发现了设备存在的部分缺陷，如其天线扇区逻辑选择存在错误，在船舶方位变化幅度较大时会导致通信中断；在拉距实验中，速度变化较快时速率自适应功能仍有待进一步完善，在海上风浪较大时，通信效果不理想等，上述这些问题有待进一步优化改进。