无线多跳防空警报遥控系统设计

摘 要：针对目前无线大区制防空警报遥控系统中存在的二次报警能力弱和中心发射塔无线电信号覆盖范围有限等问题，提出一种基于超短波数传电台的无线多跳防空警报遥控系统，在该系统中实现警报控制信号多跳传输。给出总体设计方案和关键设计技术，并设计了一种适合该系统的路由协议。基于网络仿真工具OPNET构建了该系统的仿真框架，对系统常用业务进行建模，分析系统警报发放时延和警报回示时延两个重要参数，仿真结果表明该系统性能达到设计要求，为解决现有系统中存在的上述问题提供了一个有效的可选方案。
关键词：无线多跳；防空警报遥控系统；信道接入控制；路由协议

0 引 言
    人民防空是国防的重要组成部分，也是现代城市建设的重要内容。防空警报遥控系统作为战时指挥的“神经”和“耳目”，是人民防空的重要一环。防空警报遥控系统由警报控制中心和警报器组成，警报控制中心根据需要通过有线或无线的方式控制警报器发出相应的警报音响信号通知市民，警报器的将自身状态及时回示给警报控制中心。目前，系统所采用的无线控制方式多为大区制集中式控制，即警报控制中心在高处建立一个大功率的发射塔，直接与所有警报器通信。但随着城市规模不断扩大，城市高楼越来越多，使得警报控制中心无线电信号覆盖整个城市越来越难，需要不断地增加中继台以转发信号。而且固定警报控制中心发射塔作为大功率辐射源战时易受敌方攻击，生存能力弱，二次报警和多次报警能力得不到保证。
    针对上述无线控制方式的不足，提出了一种基于超短波数传电台的无线多跳防空警报遥控系统。在该系统中，每个警报器节点不仅可以与警报控制中心直通，还能根据需要自动转发警报信号。因此，中心发射台的警报信号便能经过多跳到达每一个警报器。这就大大降低了中心发射塔的发射功率，使其便于移动隐蔽，提高了生存能力，也解决了无线大区制方式下无线电信号覆盖难的问题。从一跳到多跳通信方式的转变需要该系统采用新的路由协议，本文设计了一种适合于系统业务模式和拓扑结构的路由协议。

1 无线多跳防空警报遥控系统设计
1.1 系统设计目标
    防空警报遥控系统由警报控制中心和分布在城区的警报器构成。出于战时生存能力的考虑，系统要求移动警报控制中心可以在全网任意移动，并以较小的发射功率控制整个系统。系统要能够自动感知节点的移动和节点数目的增减，并选择合适的路由路径。系统要有高度的健壮性，部分警报节点被破坏不能影响系统其他部分的正常工作。警报发放的时延不超过1 s。
1.2 系统模型
    系统模型如图1所示，警报控制中心和警报器节点均由主控模块和信道机模块构成。主控模块采用嵌入式主机系统，即节点控制器。警报器节点控制器实现节点的多跳组网、分组路由、信道接人、数据链路层驱动功能，并根据警报控制信息控制警报器产生各种警报信号。警报控制中心主控模块主要接收来自警报处理中心的警报分组，送至信道机并接收警报器的回示信息。信道机模块采用超短波数传电台，实现数据和路由信息等在空中接口的传递。

2 系统实现关键技术
2.1 介质访问控制协议(MAC)
    设计超短波自组织网络的一个关键问题是MAC机制的设计，它协调多个用户有效地共享有限的超短波信道资源。无线自组网MAC协议主要分为竞争类和资源预留类两大类。将CSMA/CA等竞争类MAC协议用于超短波信道会出现物理载波侦听失效、虚拟载波侦听效率低、暴露终端加剧和捕获效应明显等问题，并不适合在超短波信道上直接使用。系统采用TDMA静态分配方式，并采用一种自动分配算法，根据网络内节点数目、帧时长度、时隙大小和警报器节点ID，对警报器节点时隙进行分配，每个警报器节点将获得一个时隙用于数据的发送。
2.2 路由协议
    无线多跳防空警报遥控系统有以下特点：通常警报控制中心发射塔的无线电传输范围大于警报器节点的传输范围，造成它们之间存在单向链路；警报发放通常以广播和组播为主；警报器节点数据的发送通常是以警报控制中心为目的地；系统对警报发放的时延非常敏感等。按需距离矢量路由AODV(Multicast Ad Hoc On-demand Vector)，动态源路由协议DSR(DynamicSource Routing)协议直接应用于该系统会产生较大的时延，因此并不适合该系统。以一个警报发放过程对路由协议描述如下：
    (1)警报分组发放过程。警报分组发放过程采用洪泛法。当警报控制中心有警报要发送时，广播一个警报分组SC(Siren Control Packet)。SC分组中包括警报控制中心地址，请求ID，目的地址和警报信息。警报控制中心地址和请求ID用于惟一标识一个SC分组。警报器节点收到警报分组后，首先根据SC分组中的警报控制中心地址和请求ID查询“历史SC分组列表”，若表中已存在该SC分组的记录，则丢弃该SC分组；否则，取出该SC分组中的警报指令交由上层处理，同时转发该SC分组。
    若警报器节点可以与警报控制中心直通，则称其为警报控制中心的临近节点。非临近节点的回示分组只有通过临近节点才能到达警报控制中心。
    (2)回示路径的建立。在各个警报器节点洪泛SC的时候，若警报控制中心能够正确地接收警报节点转发的SC分组，则证明转发该SC分组的警报节点是邻近节点，中心节点把收到的所有临近节点的地址填入一个Address分组，并在发送SC分组的一个时帧后广播出去。收到Address分组的警报器节点将Address分组中的地址与自己地址比较，若自己的地址存在于Ad-dress分组中，则该节点为一个临近节点，构造一个回示通知分组并广播出去。所有临近节点广播的回示通知分组具有相同的警报控制中心地址和请求ID，这样系统中的警报器节点仅转发一次该分组，经过回示通知分组在系统内的洪泛，这样所有的节点都获得了通过临近节点到达警报控制中心的路径，即回示通知分组的逆路径。如图2所示，警报器节点B，C能够听到A的Address分组，B，C通过比较Address分组中的地址与其自己地址，B发现自己为临近节点，B广播一个回示通知分组，C接收到B的回示通知分组后记下该路径并转发，D收到C的回示通知分组后并转发，D也获得了通过临近节点B到A的路径，即3,2,1。回示分组按建立的回示路径进行单播逐跳转发至警报控制中心。

3 系统仿真结果
    通过网络仿真工具OPNET构建了系统仿真平台。仿真将一个警报控制中心和100个警报器节点放置在20 km×20 km的范围内，模拟一个中等城市的防空警报遥控系统。超短波数传电台信道带宽为19 200 b/s。移动警报控制中心和警报器节点无线发射距离分别为8 km和6 km。系统时隙数128，考虑电台收发转换时间为100 ms，同步时间为25 ms，每次发射时间为75 ms，所以设定时隙长为O.2 s，每次可发送数据180 B。
    根据防空警报遥控系统的设计目标，设计三组仿真场景，分别选取城市中三个典型的位置作为移动警报控制中心位置，分别为城市中心，次中心和城市边缘。仿真中业务模式设置为警报控制中心广播SC分组，各个警报器节点收到SC分组后回示分组。仿真过程中收集警报发放时延和警报回示时延两个统计量，仿真结果如图3和图4所示。

    从仿真结果可以看出，警报控制中心能够以较小的通信范围控制整个系统，解决了无线大区制集中控制方式下无线电信号覆盖难的问题。图3表明移动警报控制中心在不同的位置时警报发放时延均在4 s以内，达到设计目标。由图4可以看出警报回示时延最大为120 s。防空警报遥控系统对回示的实时性要求并不高，20 s的时延在可以承受的范围之内。

4 结 语
    解决无线大区制防空警报遥控系统中存在二次报警能力弱和中心发射塔无线电信号覆盖范围有限等问题是人防建设面临的迫切问题，本文给出了一个防空警报遥控系统的无线多跳控制方式设计方案，研究确定了其MAC层协议，并设计了一个适合于防空警报遥控系统的路由协议，为解决现有系统中存在的问题提供了一个可供选择的方案。下一步的工作重点将是研究实现该设计方案。