基于超短波數(shù)傳電臺(tái)的防空警報(bào)遙控系統(tǒng)的應(yīng)用方案

作者：李寶亮，徐筱麟，閆仁強(qiáng)

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)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，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、信道接人、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(tīng)失效、虛擬載波偵聽(tīng)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。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），動(dòng)態(tài)源路由協(xié)議DSR（DynamicSource Routing）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。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Ad-dress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(tīng)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。

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