基于IEEE802.11s协议的弹载组网终端

冯 欣，朱广华，解 煜，唐 强

(西安机电信息技术研究所，陕西 西安 710065)

0 引言

随着信息技术的不断发展，巡飞类弹药的应用范围不断扩大，要求其能够在更加广阔的区域内实现实时传输大数据量情报信息,并协同完成作战任务。为适应这一需求，智能化的巡飞弹药由单一作战单元向集群化发展。与多枚巡飞弹单独作战相比，网络化协同作战将大幅度增加其协调控制区域，增强作战灵活性[1]。弹载终端是建立弹群无线网络的主要设备，是实现平台与弹群以及指控中心双向信息交换的信息化装备，是建立集群化弹药的信息基础，是实现弹与弹之间双向信息交换的核心技术。通过小型化弹载自组网终端，可以建立弹群内各节点之间实时、可靠的双向通信与网络化信息交互链路，完成弹间无线链路的建立、入网/退网等协议处理、集群内信息中继、图像等信息参数的交互以及指令交互等功能，从而实现将集群内各枚导弹所获得的战场信息实现资源共享、信息融合以及决策算法等协同处理。

国内目前在弹群组网技术方面，主要还是通过TDMA或FDMA技术,以地面设备为中心，实现弹与弹之间信息的交互。这种组网方式，不仅支持的弹药集群规模较小，而且弹与弹之间需要依托地面交换设备进行通信，无法为弹药集群提供动态、灵活、高效的弹间自组织网络。针对该问题，本文提出了一种基于IEEE802.11s协议的弹载组网终端，并通过实物进行实验室的组网传输验证。

1 无线Mesh网络

无线Mesh网络，即无线网格网络,它是一种多跳(multi-hop)网络，是一种与传统无线网络完全不同的新型无线网络技术。在无线Mesh网络中，任何无线设备节点都可以同时作为接入点(access point，AP)和路由器，网络中的每个节点都可以发送和接收信号，每个节点都可以与一个或者多个对等节点进行直接通信。通过呈网状分布的无线接入点之间的互相协作，网络的每个节点都可以以多跳的形式，从源节点到目的节点形成多条冗余的通信路径，具有高带宽和高频谱效率优势。

无线Mesh网络技术是面向基于IP接入的新型无线移动通信技术，适合区域环境覆盖和宽带高速无线接入。无线Mesh网络中的每个节点都具有路由转发功能，当最近的节点由于流量过大而导致拥塞时，数据可以自动重新路由到一个通信流量较小的邻近节点进行传输。以此类推，数据包还可以根据网络的情况，继续路由到与之最近的下一个节点进行传输，直到到达最终目的地为止。因此，无线Mesh网络是一种动态自组织、自管理、自维护和自我平衡的智能网络[2]，非常适合用于解决弹群组网问题。

无线Mesh网络被认为是下一代无线网络的重要解决方案，因此目前有很多组织正在制定在不同应用场景下的无线Mesh网络标准，如IEEE802.11、IEEE802.15、IEEE802.16等。无线Mesh网络作为一种特殊的无线局域网，在弹载应用场景中，具有网络生存周期短，可靠性及稳定性要求高的特点，因此，提供低成本数据服务且技术相对成熟的无线局域网标准IEEE802.11更适合作为弹载无线Mesh组网的方案。

2004年初，IEEE802.11WLAN工作组成立了Mesh任务组，编号为“802.11s”。该任务组的工作是扩展IEEE802.11体系和协议，提供ESS(extended service station)的Mesh功能[3]。实际上就是要突破传统无线局域网中AP功能上的限制，使之具有无线路由器的功能，将业务流转发给邻近的AP，并进行一系列的多跳传输。这一提案的思想就是扩展802.11MAC协议，建立IEEE802.11WLAN的WDS(wireless distribution system)，在自配置多跳拓扑上，实现在MAC层支持广播/多播和单播分发。这种方式决定了无线Mesh网络具有较高的可靠性、较大的伸缩性和较低的成本等特点，而且业务可以自动绕过故障节点，自行调节来实现流量负载平衡。

IEEE802.11s协议无线Mesh网络包含三种节点类型:

1)Mesh节点(mesh point，MP)：所有支持Mesh功能的设备被称为MP，可提供全部ESS功能；

2)Mesh接入点(mesh access point，MAP)：MAP是一种特殊的MP,拥有MP的全部功能，并提供接入服务；

3)用户站(station，STA)：通过MAP接入Mesh网络的站点。

IEEE802.11s协议无线Mesh网络架构[4]如图1所示。

图1 IEEE802.11s协议无线Mesh网络构架示意图Fig.1 Schematic of IEEE802.11s wireless Mesh network architecture

IEEE802.11s协议基于传统物理层标准，提供WLAN Mesh服务，包括拓扑发现、路径选择和转发、媒体接入协调、Mesh网络的配置和管理、网络测量、网络互连和安全等功能模块。IEEE802.11s协议框架[5]如图2所示。

图2 IEEE802.11s协议框架Fig.2 IEEE802.11s protocol framework

IEEE802.11s标准定义了名为混合无线网状网协议的路径选择协议[6]，这项规范在设计上可以利用自己的协议来选择路径，从而使具有可互操作的专有网状网部署到弹群网络上成为可能。

2 基于IEEE802.11s协议的弹载组网终端

2.1 弹载组网终端的组网构架

无线Mesh网络的结构根据节点的功能可大致分为三类：平面型网络结构、多层次型网络结构以及混合型网络结构。针对弹群网络具有有中心网络以及无中心无线自组织网络的特点，弹载组网终端采用分层化的平面型网络结构。在该网络结构下，每个终端节点即可作为Mesh接入点(MAP)使用，也可作为用户站(STA)使用。采用这种组网构架的优势在于：针对不同规模的弹群，可灵活构建平面型或多层次型的网络结构。

对于整个弹群网络，所有节点均应工作在同一频点，因此相邻节点之间存在干扰，所有节点不能同时接收或发送，需要在多跳范围内用CSMA/CA的MAC机制进行协商。而随着跳数的增加，每个节点分配到的带宽将急剧下降，实际组网性能也将受到很大限制。

根据不同弹群规模，可以采用无中心的平面型网络结构和两层结构的混合网络结构的组网方式。

当小规模弹群组网时，弹群中总节点数量较少，整个弹群网络拓扑结构比较简单，弹间进行数据交互时的路由也相对简单。为提高系统可靠性，每个弹载终端可作为Mesh接入点使用，形成一个无中心的平面型网络结构。小规模弹群组网如图3所示。

图3 小规模弹群组网示意图Fig.3 Schematic of small-scale missiles group network

当大规模弹群组网时，弹群中总节点数量较大，整个弹群网络拓扑结构变得比较复杂，如果再采用无中心的平面型网络结构，会造成组网和传输过程中路由开销的急剧增大，同时，传输过程中多跳次数的增加，也会造成信道带宽和质量的急速下降。在这种情况下，可将部分弹载终端设为Mesh接入点，作为主节点，其余弹载终端设为用户站，作为从节点，形成两层结构的混合网络。在该网络模式下，网络可划分为多个簇，每个簇由一个Mesh接入点和接入其中的多个的用户站组成，构成一个有中心的子网络；各个簇之间通过各自内部的Mesh接入点联网构成一个无中心的平面型网络。这种网络结构可大大简化组网传输中的路由开销，减少多跳的次数，提高网络传输质量。大规模弹群组网如图4所示。

图4 大规模弹群组网示意图Fig.4 Schematic of large-scale missiles group network

2.2 基于IEEE802.11s协议的弹载组网终端的组成

弹载组网终端由无线路由部件、电源管理部件、射频部件、存储部件等组成。其中电源转换部件为各个部分提供电源转换及实现电源管理功能，存储部件主要用于存放常量表、程序代码等，射频部件主要实现射频工作频率的变换及功率控制，无线路由部件主要实现组网控制与传输功能。弹载组网终端框图如图5所示。

图5 弹载组网终端框图Fig.5 Block diagram of missile-borne networking terminal

无线路由作为组网终端的核心部件，一方面要实现MAC访问控制及无线传输功能；另一方面需要实现自组网和路由传输功能。根据IEEE802.11s的协议框架，其传输协议和MAC访问控制协议都应支持IEEE802.11的体系标准，可选的无线传输标准有IEEE802.11b/g/n，有线标准为IEEE802.3，传输带宽为20 MHz和40 MHz。因此，为满足弹载系统对于小型化的设计需求，选择高通QCA9531芯片作为无线路由部件的硬件核心。QCA9531是一款高度集成化的无线传输模块，支持完整的IEEE802.11b/g/n的协议栈，同时该器件自身提供了一套较完整的通用外围设备接口，包括UART控制口、1WAN口4LAN口的快速以太网交换机、GPIO以及最大支持512 M的DDR2接口，集成了射频端的PA及LNA，所以避免了添加、配置附加外围接口的繁琐，大大减少了电路板的面积和整个系统的复杂度，还可使整个系统的功耗降至最低。此外，QCA9551内部还集成了MIPS 24K处理器，支持64 bit和32 bit的指令和操作，满足安全接入协议、路由协议等协议系统的开销以及应用层二次开发的需求。

无线路由部件框图如图6所示。

图6 无线路由部件框图Fig.6 Block diagram of wireless router components

2.3 基于IEEE802.11s协议的弹载组网终端的自组网接入及路由算法

弹群网络是一种可伸缩的、全面的集中式网络管理系统，良好的规划和设计是成功部署的先决条件[7]。同时，由于弹药本身的高机动性，决定了整个弹群网络是高动态且拓扑结构快速变化。监测网络并迅速做出纠正行动，对于性能和可靠性至关重要。对于弹群动态网络系统来说，协议层需要解决的主要包括自组织网络MAC 接入协议技术与自组织网络路由协议等技术。

2.3.1自组网接入

IEEE802.11s标准中的物理层继承了IEEE802.11b/g/n的标准，规定了两种传输方式：DSSS和OFDM。

对比这两种传输方式，显然，OFDM更适合宽带传输。相较于其他调制技术，OFDM调制具有以下优点[8]:

1)由于各子载波相互正交，使扩频调制后的频谱可以部分重叠，从而具有更高的载波频谱利用率，更适合于高码率的图像传输；

2)每个子载波可以选择BPSK、QPSK、16QAM、64QAM等高速调制。各子载波并行传输，减小了对单个载波的依赖性，具有优良的抗多径衰落能力和对信道变化的自适应能力，抗干扰能力强，更适合于复杂环境下的传输系统；

3)绕射性强，穿透性强，能够在高速移动中稳定的发射和接收，更适合高速移动的传输系统。

因此，弹载组网终端选用OFDM的调制方式进行无线传输，并在此基础上，采用速率自适应多跳网络MAC协议作为弹群网络的MAC接入协议。速率自适应多跳网络MAC协议运用自适应调制和编码技术，根据不同终端报告的信道情况，提供不同的调制方式，且无线设备能够支持多种调制方式即多种速率，并动态地从中进行选择。该设计核心思想是允许接收端来选择合适的数据分组的传输速率，通过RTS/CTS分组来携带信息进行速率选择信息的交换，确保了信道质量的评估和传输速率的选择基于接收端的实时状态，保证了所做的信道评估是实时准确的，因此速率的选择更为准确。

速率自适应MAC协议帧结构及Mesh帧头结构如图7、图8所示。

图7 速率自适应MAC协议帧结构Fig.7 Rate adaptive MAC protocol frame structure

图8 Mesh帧头结构Fig.8 Mesh frame header structure

2.3.2自组网路由算法

在对自组织网的路由设计中，需要综合考虑弹群作战应用需求、网络能力、自组织网的特点和运行环境、路由协议基本功能等诸多因素[9]。

无线Mesh网络的很多技术特点和优势来自于其Mesh网状连接和寻路，而路由转发的设计则直接决定Mesh网络对其网状连接的利用效率，影响网络的性能。常用的无线Mesh路由协议可参照Ad Hoc网络的路由协议，几种典型的路由协议包括：动态源路由协议(DSR)、目的序列距离矢量路由协议(DSDV)、临时按序路由算法(TORA)和Ad Hoc按需距离矢量路由协议(AODV)等[10]。其中AODV路由协议是一种能够较好适应无线Mesh网络自身特点的按需驱动路由协议。该路由协议不需要维护到所有节点的路由，仅在需要时才进行路由获取，通信结束则不再维护路由，很大程度上节省了网络资源开销，非常适用于弹载低功耗的场景。但是，由于弹药处于高速飞行环境下，网络拓扑变化频繁，极易发生链路中断，导致网络性能迅速下降。

为解决这一问题，本终端采用一种跨层的路由协议设计思想，对AODV协议进行改进。由于弹载组网终端采用了速率自适应多跳MAC协议，协议中对信道质量进行了实时评估，在路由发现阶段广播路由发现请求消息(RREQ)时，通过RREQ消息中添加MAC层的信道质量评估参数方式进行改进。当RREQ到达邻居节点后，邻居节点首先根据经典的AODV方式处理RREQ消息，当经典AODV路由算法判定该节点为中间路由节点时，获取RREQ消息中的信道质量信息，通过阈值判断机制判断该路由节点是否为优先路由节点。如果是，则更新RREQ消息并向周围继续广播和转发数据分组；如果不是优先路由节点，则丢弃该RREQ消息。

3 实验验证与结果分析

弹载组网终端实物如图9所示，实物尺寸为120 mm×76 mm×18 mm，重量为255 g，完全满足弹载安装需求。

图9 弹载组网终端Fig.9 The missile-borne network terminal

为验证弹载组网终端的实际性能，分别对弹载组网终端进行组网、通信距离及多跳传输进行验证。

3.1 自组网验证

将组网终端联入上位机，通过终端应用层的软件接口，可以获取网络的简易拓扑图及节点间实时信道传输参数。由于弹载组网终端数量有限，本文只对小规模弹群组网进行验证。

将5个弹载组网终端设置成MAP模式，置于空旷的空间进行组网验证。组网测试结果如图10(a)所示。可以看到，不同节点间由于信道质量不同，通过速率自适应MAC协议，实现了不同的分组传输速率。

在1号节点和3号节点之间加入遮挡后，如图10(b)所示，为保证传输质量，通过速率自适应MAC协议，1号节点和3号节点间的传输速率由6 Mb/s降到了1 Mb/s。试验结果表明弹载组网终端能够实现自组网。

3.2 单点传输性能验证

弹载组网终端的单点传输性能，主要验证其传输距离及误码率两个关键指标，因此通过两个节点实际进行远距离数据传输试验进行验证。由于弹载组网终端采用了自适应速率的MAC协议，在验证过程中，通信速率按最低档的1 Mb/s进行验证。通过上位机发循环送数据包，每包数据125 B，数据刷新率设置为1 ms，每秒总数据量为1 Mb。测试中所用收发天线增益均为3 dBi。

单点传输性能验证结果如表1所示。

表1 单点传输性能验证结果Tab.1 The results of single point transmission performance

通过远距离数据传输试验，表明弹载组网终端的单点通信距离在2.5 km以内时，数据传输误码率优于10-5，可以满足弹群节点间数据传输的要求。

3.3 多跳传输性能验证

无线Mesh网络作为一种多跳网络，弹载组网终端的多跳传输性能至关重要。多跳传输性能主要对多跳传输误码率及传输延迟两个指标进行验证。

对于多跳传输误码率的测试，采用和单点传输相同的方法，计算不同跳数下传输的误码率。由于Mesh网络随着跳数的增加，每个节点分配到的带宽将急剧下降，为保证传输质量，一般不宜超过4跳。多跳传输误码率测试结果如表2所示。

表2 多跳传输误码率测试结果Tab.2 The results of Multi-hop transmission error rate test

表2的测试结果表明，随着传输跳数的增加，传输误码率也会随之显著增加，但在4跳以内传输误码率基本满足10-5。

对于多跳传输延迟指标，通过传输720P的高清图像信息进行验证。在传输的图像信息中加入时间信息，通过接收到的时间信息和现实时间进行对比，获取传输延迟。多跳传输延迟及图像传输效果如表3所示。

表3 多跳传输延迟及图像传输效果测试结果Tab.3 The results of Multi-hop transmission delay and image transmission test

表3的测试结果表明：弹载组网终端在2跳的情况下，传输延迟和传输效果良好；在3跳时，图像传输质量开始下降；4跳的情况下，传输延迟已经达到360 ms，并且图像出现卡顿现象。这是由于随着传输跳数的增加，每个弹载组网终端分配到的带宽已经无法满足720P高清图像的传输。通过降低图像的清晰度和帧率，或者采用更好的图像压缩算法，适当降低图像数据的传输码率，可以满足4跳情况下的图像传输需求。

4 结论

本文提出了基于IEEE802.11s框架设计的弹载组网终端。该弹载组网终端采用无线Mesh组网技术，通过速率自适应的MAC协议，以及跨协议层的AODV路由算法，实现了在高动态环境下，不同规模弹群节点的自组网功能。通过对弹载组网终端实物的自组网功能、单点传输性能以及多跳传输性能进行测试验证。测试结果表明，该弹载组网终端传输距离、传输带宽及传输延迟等方面均能满足自组网传输要求，同时满足弹载安装的小型化要求，可以应用到巡飞类弹药上，使弹药集群达到灵活、高效组网的目的。