一种基于北斗的混合式无线自组网系统设计

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　　摘   要：在林业、消防、治安反恐、军事等领域，任务单元之间灵活、可靠的动态自组网数据传递，是提高一体化指挥能力和快速响应能力的关键所在。传统的无线局域自组网技术易受距离、遮挡等条件限制，在大区域、有遮挡条件下的应用有一定局限性。文章基于北斗系统定位和短报文通信能力，结合无线局域自组网技术，利用北斗应用终端设备为骨干构建了分层编组逻辑网络，有效扩大了覆盖范围和增强了组网可靠性。不同参数的网络变化与修复过程的仿真表明，该系统能够实现动态环境中网络修复与重组，提供可靠通信保障，解决了多种场合下所需的精确、无间断一体化指挥要求。
　　关键词：北斗导航系统;短报文通信;自组网;混合式
　　北斗导航系统[1-3]是我国自主研发、自主建设、独立运营的全球卫星导航系统，不仅具有高精度定位服务能力，还可提供短报文服务[4]。北斗三号系统短报文服务功能在出入站服务能力、覆盖方位和数据长度上都得到了进一步增强。可满足信息量小但突发要求高、用户量大的通信需求，可作为应急、机动通信时的重要力量。无线局域自组网是无线通信领域的高新技术[5]，可为公共安全部门提供快速部署[6]。无线局域自组网是一种多跳、无中心、临时系统[7-9]，可为应急救援人员现场处置险情提供可靠的数据传输链路[10-11]。北斗导航系统是一种广域的通信系统，可实现点对点通信，解决传统树形指挥结构的不足，但其带宽较小，信息传达不够精确、连续、快速。无线局域系统传递信息范围较小，但传达信息较精确的通信系统。因此，将北斗导航系统与无线局域系统相结合，构建合理的网络拓扑，可将二者的缺点互补。基于北斗卫星通信上的冗余路由设计可以给复杂环境中可靠通信提供保障，能有效提高网络吞吐量[12]。无线技术可对北斗导航应用终端设备组网进行有效补充，实现灵活组网。由于北斗导航系统设备终端收发指令受到北斗卫星导航系统服务频度限制，不能实时将位置信息、状态信息和指令信息进行有效收发，无线通信技术可进行很好的补充，通过基于北斗导航功能和短报文功能构建无线局域通信网，能集合指挥机或大量底层用户机的频度权限机会，充分发挥集群效应，实现信息的收发效率和信息实时性、准确性，并实现分级授权、灵活组网。另外，设计合理的北斗网络拓扑结构，将网络各单元的信息如指令信息、位置信息、状态信息、属性信息等实现可控共享和高速共享，使任务运行更加高效。
　　基于北斗导航系统的单元网络化技术和无线局域自组网技术适合林业、消防、治安反恐、军事等多种应用场景和多种复杂任务[13-14]。在林业领域，需要对林区情况监视，对林区工作人员目标识别、对林区各类信息收集。在消防领域，需要对固定范围内的火情监视、传达救援信息。在治安反恐领域，需要进行化学和生物制剂检测、战术诱骗、物资运输等多种任务。这些应用需要集成传感器、通信、移动、执行器等多种能力，便于实现群体协同工作需要。在军事领域，任务突发性、多样性更加需要高效的指挥网络体系实现对任务单元的指挥协同。为了满足上述实际需求，本文提出了一种基于北斗导航系统，结合短报文编码技术和无线局域自组网技术，能快速组网并利用虚拟组网技术在人员和装备地理分布之上构建的分層编组逻辑网络，从而实现任务所需实施的精确、无间断一体化指挥。
　　1    结构组成
　　在基于北斗传统的组网方案中，虚拟逻辑网络拓扑结构通常与物理网络拓扑结构紧耦合，导致逻辑网络拓扑的重定义十分困难。软件定义的方式可以将虚拟逻辑网络与物理网络进行解耦，使虚拟网络的重组无需考虑物理网络拓扑结构，从而可以达到任务定义的动态组网需求。在此，需要设计软件定义终端管理系统，方便对网络节点进行虚拟组网。
　　软件定义终端管理系统主要分为管理服务器和可编程终端设备两个部分。管理服务器向可编程终端设备发送自定义的虚拟网络拓扑结构信息。首先，该信息发送至北斗系统，随后，北斗系统将该信息转发到网络节点的可编程终端上。可编程终端接收自定义的虚拟网络拓扑结构，并根据信息更新该设备的分组情况，从而实现软件定义虚拟网络拓扑的功能。软件定义的终端管理系统框架，直接采用软件定义网络的控制与转发分离框架，设计成管理服务器和可编程的终端装备两部分，在指挥机上形成新的逻辑结构，完成覆盖网的传输。软件定义的终端管理系统框架结构如图1所示。
　　其框架主要分管理服务器和可编程终端设备。管理服务器负责向可编程终端设备发送逻辑组网信息和相关路由信息。可编程终端设备负责接收发送的逻辑组网信息和路由信息，并根据该信息更改当前设备的路由表和所属分组。如图2所示，软件定义的终端管理框架的主要流程分为以下几个步骤：（1）指挥中心指定当前的分组策略和路由表策略，并由管理服务器发送给各个可编程终端。（2）管理服务器将信息转发给中继网络节点北斗卫星，并利用北斗卫星的覆盖范围将信息转发给各个网络节点。（3）网络节点上的可编程终端设备接收到由北斗卫星进行转发的分组和路由报文信息。（4）根据由北斗卫星转发的分组信息和路由信息的报文更新本地网络节点所属的分组和对应的路由表。
　　2    系统关键技术
　　2.1  异常环境下的组网保障机制
　　某些特殊环境具有高破坏性和高对抗性，SDN技术允许根据当前网络状态自定义调整虚拟网络嵌入方案，达到网络路由冗余以及网络资源的冗余，从而保障网络的鲁棒性，保证任务顺利执行。此技术可提高在不具备网络全连通条件下，合理地配置节点的度分布，提高网络对随机失效和恶意攻击的鲁棒性。当网络受到随机故障或敌方的攻击，损失了部分节点或通信链路的情况下，剩余的节点会重新构建新的网络拓扑结构，尽可能地保持最大的连通子图。影响整个通信网络统鲁棒性的主要因素有4个方面：节点的特性、链路的特性、编队的特性、环境的特性。MOLLY-REED准则[15]是判断网络中是否存在巨片的准则。MOLLY-REED准则的推导出发点是：巨片存在中的一个节点j在网络中任选一个节点i，i与j之间存在边，即存在通信链路，且边的个数应当大于2。公式如下： 　　
　　当k>2时 ，网络中存在巨片，网络是互联互通的。系统鲁棒性设计的工作就是通过合理地配置节点的链路质量，进而改变节点的度分布，使k>2，从而保证空天地一体化系统的鲁棒性。在此，采用平均一致性的全网平均度算法[16]，如图3所示。
　　其基本算法步骤如下：
　　首先，全网平均度算法开始，对全网中相应链路全部节点的质量进行采样，获得t时刻的链路评估值Lij（t），其中，i表示节点i，j表示节点i的邻居。判断t值大小，和4进行比较，根据t-4到t时刻的链路评估值，采用灰预测方法预测Lij（t），并基于Lij（t）计算链路的可用概率Pij（t+1）。如果t≤4，则进行基于当前链路法计算节点的链路可用概率，否则，进行基于灰预测算法计算节点的链路可用概率。
　　其次，分别进行以下步骤：计算节点的本地平均度分布Pi（t）及度平方的均值、节点向一跳邻居广播节点的本地平均度及平方均值、基于平均一致性算法計算全网平均度及度平方均值。节点基于式计算网络度分布：
　　（4）
　　最后，判断t与2的大小，如果t<2，则增大发射电功率，若否或者任务未结束，则返回开始重新判断t值，重复步骤，根据得到的数值计算结果。
　　2.2  基于地理位置信息的多径路由与传输
　　网络路由与传输是实现网络连通性基于地理位置信息的多径路由与传输的一个前提基础[17]。在复杂环境中保障信息进行融合以应对网络的异构性和动态性十分重要，冗余路由设计以及北斗卫星通信能够实现失效节点的快速修复。多径路由技术提供了多条路径到一个目的节点，源和目的节点可以使用这些路径作为主路径和候选路径，也可以有选择地在多条路径上并发传输[18]。多径路主要采用基于地理位置信息的多径路由协议。可靠的网络通信保障，使得移动单元能够自适应网络拓扑，保证全网络各个节点的连通性并确保信息全部可达。然而当前网络路由机制尤其是传统互联网的设计理念是基于“端到端”原则的，网络边缘节点与网络内部节点的交换性很弱，很难直接、及时地感知网络内部状况，缺乏全局信息，实现网络拥塞的有效调控难度很大[19-20]，因此基于地理位置信息的多径路由与传输技术主要为可靠传输和按需冗余路由。
　　（1）可靠传输。对于不同类型的通信需求，比如业务数据流流量密集型、时延敏感性、丢包敏感性等，能够根据任务特点来自适应调整传输策略，使用重传机制传输，保证通信效率。在机制中有两个节点A和B，每个节点有一个存储器，存储器可存放数据包，当其中任何节点丢失数据包时，需要向上一个节点请求重传，上一个节点查找本地存储器内已有数据包，找到后重新向该节点发送数据包。此项机制只能在相邻的两个节点间重新传递存储器的传数据包，可节约能源。在整个系统网络中只有最后的节点没有存储器，其他节点都有，其他节点是在传输到最后节点的路径上，均需要用存储器存储数据。在无线网络上，成功接收的数据包数量等于发送的数据包与传输成功率的乘积。即：
　　可以看出，要提高接收到的数据包的数量，可通过提高发送包的数量或者提高所发送包的成功率来实现。提高发送包数量N的一种方法是重传，即对错误的数据包进行重传。目前人们已经针对无线传感器网络提出了多种重传机制。
　　（2）按需冗余路由。根据环境的变化，调整相关业务流量的路由转发并及时调整路由策略，为环境艰险或重要性大的任务自适应地增加冗余路由，确保因故障或遭破坏及时恢复通信，在此采用基于地理位置信息的多径路由算法。该算法的基本思路为：源节点S通过位置服务获得目标节点D在t0时刻的位置L=（xd， yd）和平均移动速度v，于是可以估计出t1时刻D出现的区域。该区域是一个以（xd， yd）为中心，以r=v（t1-t0）为半径的圆，称为期望域。根据期望域就可以限制路由搜索在一定的区域内，这个区域称为寻找域。只有寻找域内的节点才转发路由请求分组，从而减少路由寻找的开销。如果在规定时间内没有找到合适的路径，S扩大寻找域重新发送路由请求分组。
　　2.3  通信报文设计
　　要实现节点间高效、可靠的网络通信，报文设计是至关重要的一环。合理、高效的报文设计，能够有效利用紧张的通信资源，提高通信效率，反之，糟糕的报文设计将浪费通信资源，导致信息传达混乱。此外，还需要采用合适的编码解码方式以降低网络流量负载，提高传输成功率。在该系统中，共有心跳报文、节点状态报文、转发控制报文、数据转发报文4种类型的通用报文，为对报文类型进行扩展，使用4 bit描述报文类型，共支持16种类型的报文。为了高效利用有限的信道资源，数据编码方式是一种行之有效的途径，高效的数据编码能够有效压缩传输的数据，提高信道资源的利用率。基于统计模型的压缩技术、基于字典模型的压缩技术以及哈夫曼编码是当前主要的3种压缩技术。哈夫曼编码又称霍夫曼编码，是一种可变字长编码。采用哈夫曼编码可以缩短需传输的数据长度，理论研究表明哈夫曼编码一种接近压缩比上限的好的编码方法，与基于字典模型的压缩技术相比，哈夫曼编码可以减少算法的时间复杂度，从而提高压缩效果。在复杂环境中，哈夫曼编码能够更加准确、有效地进行数据传输。综上所述，针对该系统对准确性的需求，哈夫曼编码可以展现出优异的性能[21-22]。
　　3    仿真软件与试验结果
　　3.1  系统架构
　　为了评估上述虚拟组网策略、多径路由算法以及设计的报文和编码方式对网络动态的应急能力，需要实现含有数据传输、异常模拟与应对等功能网络模拟器，并在此之上实现任务定义的网络拓扑生成与任务配置。包含链路可靠性、指挥机配置及处理能力、中继器配置及处理能力、背景负载（其他通信任务请求负载等）及其他相关仿真模拟参数，用以验证所设计基于任务定义的网络拓扑快速生成算法、报文格式及路由算法的正确性与执行效率。为了方便制定模拟场景、展示模拟过程、分析模拟性能，系统采用了B/S架构进行设计，基本结构由服务端和网页展示端两部分构成。该模拟器主要可分为4个部分，整体架构如图4所示。 　　图4  北斗装备系统模拟系统架构
　　（1）模拟场景输入模块，主要功能是配置模拟场景。使得能够构建出自定义的模拟场景，用来验证性能。其中包含网络节点移动行为、网络节点基本信息配置、模拟器组网策略和路由算法配置、模拟过程特殊事件等策略来提高报文设计的性能和效率。
　　（2）核心网络模拟模块，主要功能是根据输入提供全栈式模拟。以达到对网络环境、网络突发事件、路由策略，组网策略的准确模拟。其中包括输入解析、事件驱动模拟、日志输出等方式，从而有效地提高仿真效率。
　　（3）模拟过程展示模块，为了能够更加清楚地观察模拟行为，并检查自身模拟行为配置是否存在错误，需要对模拟过程进行展示，包括模拟过程日志解析和动画展示。
　　（4）模拟结果分析模块，为了对整个模拟过程的网络状态进行评估，可以通过解析上述模拟模块产生的模拟日志来获取整个网络模拟中最终吞吐量结果、报文丢包率等模拟数据。采用折线图的方式反映每个时间点网络的吞吐量和丢包率，可以实时反映出在特殊事件发生时整个网络状况。
　　3.2  仿真结果
　　采用开源软件Echarts框架展示了仿真结果，系统中动态折线图表示不同单元在仿真时网络吞吐量和不同单位的传输成功率。与目的节点序列距离矢量（DSDV）等传统的路由算法相比，本系统所采用的综合的路由算法更加灵活，能够在多变的环境中更快地发现毁坏节点，并以更快的速度重新组网，同时相较于传统的无线组网方法，整个网络能够拥有更加高的吞吐和更加低的丢包率。仿真设计了3种场景：正常场景、节点孤立场景、节点毁灭场景，仿真结果如图5—7所示。结果表明，该算法相比于DSDV传统算法而言，能更快地恢复网络通信，能在更短的时间内构建网络，能较快地回复通信量，无论是在网络吞吐和网络丢包都更加优秀。
　　动画展示页面使用了pixi引擎[23]。动画展示界面中每一個网络单元[24]都继承了pixi框架中的精灵类，通过引擎自带的渲染器进行快速实时渲染，同屏展示千甚至万数量级的网络单元移动模拟，匹配上自带的粒子效果，达到了网络单元损坏动画，网络单元发包动画等效果。为了更加方便观察情况，页面只显示所关注的信息，更加方便无间断一体化指挥[25]。动画展示页面如图8所示，文本框制作的字幕模块，主要作用是将模拟中发生的时间进行字幕式的展示，方便获取更加精准的仿真过程信息。
　　4    结语
　　本文研究了基于北斗导航系统，结合短报文编码技术和无线局域自组网技术，开展了混合式自组网技术研究，利用北斗应用终端设备构建分层编组逻辑网络，通过参数控制与模拟的方式实现了网络变化与修复过程的仿真。通过参数控制，系统可以实现对毁坏节点的发现与修复，以及在网络拓扑结构发生变化时实现链路重组，维护网络的可靠性与健壮性。仿真结果能够实现动态环境中网络的修复与重组，提供可靠与稳定的通信保障。解决了多种场合下所需的精确、无间断一体化指挥要求，满足林业、消防、警力抓捕、治安反恐、军事等领域多种应用需求。
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　　Abstract：In the fields of forestry， fire fighting， public security， anti-terrorism and military affairs， flexible and reliable data transmission between task units in dynamic ad hoc networks is the key to improve integrated command capability and fast response capability. Traditional wireless local area ad hoc network technology is easily limited by distance， occlusion and other conditions， its application in large areas with occlusion has certain limitations. In this paper， based on Beidou system positioning and short message communication capabilities， combined with wireless local area ad hoc network technology， a hierarchical grouping logical network is constructed using BeiDou application terminal equipment as the system effectively enhancing the coverage and networking reliability. The simulation experiments results of network changes and process reparation with different parameters show that this system can realize network repair and reorganization in dynamic environment， provide reliable communication guarantee， and solve the requirements of precise and uninterrupted integrated command in various occasions.
　　Key words：Beidou navigation system; short message communication; ad hoc networks; composite
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