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宽带自组网传输系统

  1、主要观点及创新点

  1.1无线频谱管理

  无线频谱选择机制的提出主要是针对当前频谱静态分配机制以及日益增长的无线传输需求对频谱资源使用造成的利用率低下并且不均匀的问题。于此设计出宽带自组网传输系统频谱管理架构。

宽带自组网传输系统

  图1 宽带自组网传输系统频谱管理架构

  图1所示,物理层和链路层通过频谱探测、频谱共享实现频谱自适应管理,网络层和传输层来管理频谱资源动态变化对上层端到端路由、传输性能所造成的影响。

  当无线自组织网络拓展至多跳范围,为实现具有服务质量保证的端到端路由和负载均衡、拥塞最小化的数据传输,需要在网络层、传输层和应用层优化对频谱资源动态变化的处理,因此在感知层面、管理层面和数据层面对无线频谱管理的功能进行分层实现。

  1.2 拓扑结构控制

  数据传输节点具有移动性,为确保在网络拓扑动态变化的情况下实现稳定的端到端数据传输,如图2所示,将宽带自组网传输系统的拓扑结构控制在链路层实现,即拓扑结构控制只涉及链路层和物理层,不涉及网络层,实现及时高效的拓扑结构控制。

宽带自组网传输系统

  图2 链路层拓扑结构控制

  1.3多Radio并行传输

  无线自组织网络中存在无线信道动态变化、实际可用带宽动态变化、通信节点发生移动等情况,上述情况导致无线网络链路出现不确定性间歇中断,为实现对链路可用性的快速变化作出迅速反应以提供高效、自适应的端到端服务,采用多Radio并行传输机制来提高端到端传输稳定性。

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  图3 多Radio并行传输示意图

  1.4安全性

  在无线自组织网络数据传输过程中,每个通信节点都使用会话秘钥加密与相邻一跳通信节点传输的数据,具体的,每个通信节点都基于信道互易性与相邻节点建立会话秘钥。建立会话密钥的过程包括三个步骤:多径信道分集量化、二进制序列调和以及再加密。

  1.5网络编码

  通过网络编码从总体上提高无线自组织网络的系统性能,无线自组织网络中的通信节点对接收到的多个数据分组进行编码融合,编码后的数据再被中间通信节点以多点传送方式(组播)进行转发,目的通信节点可根据相应的编码系数进行解码,从而还原出原始的数据。通信节点对于待传输的数据根据滑动窗口的大小进行网络编码,对于接收的数据进行解码。

  2、实践意义

  2.1无可用基础通信设施的陌生地域

  无线自组织网络不依赖通信中心自行组网的先天特性可在这类地域发挥及其重要的作用,各用户携带终端进入目标地域,开机后自动组网,完成通信网络搭建,实现通信目标,绝对是在这类地域建立通信的首要选择。

  2.2通信刚需但信息量小、建设成本高的场景

  随着人类活动的无序增加、生产集成度的不断提高、社会安全稳定的迫切需要,确保各个领域的高效、安全、有序的良性循环显得至关重要。在这类场景中,一般只需要监控一个或者少数的行为参数,数据量相对较少,采用传统的通信手段接入目标区域的代价高昂,让各领域的决策者感到无能为力。无线自组网技术的产品无需线路接入调试,通过快速组网,将相应节点的数据通过不同路由传送至最近网络出口,汇总至数据中心,从而实现对目标区域全时段大范围的信息掌控。

  2.3越来越多的有入网需求的物联网终端

  作为新一代信息技术的重要组成部分,物联网慢慢成为了“信息化”时代发展的标志性产物。物联网的定义是物物相连的互联网,其核心和基础仍然是互联网,要求把互联网延伸和扩展到物品与物品之间,进行信息交换和通信,也就是物物相息。物联网终端通过智能感知、识别等新型技术实现信息采集,并传送到互联网中。随着物联网终端数量的不断增加,传统网络的星型拓扑结构无法提供足够多的接入地址。无线自组网网络可以使不同终端建立连接,实现自行组网,通过就近的网络出口将信息上传到互联网。

  3、应用前景

  3.1手机近场通信

  将无线自组织网络通信协议移植到手机上,研发基于L2MSN底层自组网的SDK,实现手机之间在无运营商基站、无WIFI等无通信基础设施的情况下通信。该技术方案已经向华为提供专利授权,凭借此技术跻身华为在陕西第四家技术供应商。

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  图4 手机近场通信示意图

  3.2自组网视频监控

  在城市主城区内的各个交通口部署视频监控节点,视频监控节点形成无线自组织网络,通过无线自组织网络实现监控视频回传,在数据中心处汇总各个监控点的视频监控数据。

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  图5自组网视频监控示意图

  3.3无人机蜂群自组网

  无人机网络中的节点移动迅速并且不可预测,由于战场情况的变化无人机网络的拓扑变化迅速,存在无人机网络中已有无人机节点离开网络和新的无人机节点加入网络的情况,实现在没有任何其他预置网络设施的情况下,多架无人机能够在任何时刻、任何地点快速展开并自动组网,支持无人机节点动态加入或者离开无人机网络,使无人机网络具有自配置、自适应能力。

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  图6无人机蜂群自组网分层设计示意图

  3.4交通监控数据传输

  在郊区、山区、高速附近以及人烟稀少地带,基础通信手段匮乏,网络传输相对单一,有的偏远地区还存在着网络盲区。基于无线自组织网络技术,在交通监控区域部署自组网通信节,实现通讯组网,简单地部署设备即可快速实现大范围的通信数据传输。

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  图7交通监控数据传输示意图

  3.5智慧工厂数据传输

  数据采集实现对制造过程的全面描述,是数据驱动的智慧工厂的技术基础。制造过程中生成的底层数据具有高噪声、多样性、多尺度的特点,底层数据的特点与无线自组织网络数据传输的特性相契合。使用无线自组织网络构建智慧工厂数据传输链路,在工厂中部署传感器、可编程逻辑控制器、图像采集设备等底层数据采集设备,数据采集设备获取的底层数据经无线自组织网络传输至处理中心。

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  图8智慧工厂数据传输示意图

  3.6分布式网络覆盖

  针对传统WiFi覆盖的问题,利用无线自组织网络的技术特性,设计出一套切实可行的低成本WiFi覆盖方案,并且与手机App紧密集合,形成了独有的分布式网络部署方案。

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  图9分布式网络覆盖方案示意图

  图9为分布式网络覆盖方案示意图,该方案包括WiFi设备、用户APP和服务器,WiFi设备提供通信基础保障,提供园区用户免费上网和智能设备连接功能。用户通过APP实现网络鉴权、认证。服务器管理WiFi和用户,收集分析数据,提供决策支持。