摘 要：針對目前無線大區(qū)制防空警報遙控系統(tǒng)中存在的二次報警能力弱和中心發(fā)射塔無線電信號覆蓋范圍有限等問題，提出一種基于超短波數(shù)傳電臺的無線多跳防空警報遙控系統(tǒng)，在該系統(tǒng)中實現(xiàn)警報控制信號多跳傳輸。給出總體設計方案和關(guān)鍵設計技術(shù)，并設計了一種適合該系統(tǒng)的路由協(xié)議?；诰W(wǎng)絡仿真工具OPNET構(gòu)建了該系統(tǒng)的仿真框架，對系統(tǒng)常用業(yè)務進行建模，分析系統(tǒng)警報發(fā)放時延和警報回示時延兩個重要參數(shù)，仿真結(jié)果表明該系統(tǒng)性能達到設計要求，為解決現(xiàn)有系統(tǒng)中存在的上述問題提供了一個有效的可選方案。
關(guān)鍵詞：無線多跳；防空警報遙控系統(tǒng)；信道接入控制；路由協(xié)議

0 引 言
    人民防空是國防的重要組成部分，也是現(xiàn)代城市建設的重要內(nèi)容。防空警報遙控系統(tǒng)作為戰(zhàn)時指揮的“神經(jīng)”和“耳目”，是人民防空的重要一環(huán)。防空警報遙控系統(tǒng)由警報控制中心和警報器組成，警報控制中心根據(jù)需要通過有線或無線的方式控制警報器發(fā)出相應的警報音響信號通知市民，警報器的將自身狀態(tài)及時回示給警報控制中心。目前，系統(tǒng)所采用的無線控制方式多為大區(qū)制集中式控制，即警報控制中心在高處建立一個大功率的發(fā)射塔，直接與所有警報器通信。但隨著城市規(guī)模不斷擴大，城市高樓越來越多，使得警報控制中心無線電信號覆蓋整個城市越來越難，需要不斷地增加中繼臺以轉(zhuǎn)發(fā)信號。而且固定警報控制中心發(fā)射塔作為大功率輻射源戰(zhàn)時易受敵方攻擊，生存能力弱，二次報警和多次報警能力得不到保證。
    針對上述無線控制方式的不足，提出了一種基于超短波數(shù)傳電臺的無線多跳防空警報遙控系統(tǒng)。在該系統(tǒng)中，每個警報器節(jié)點不僅可以與警報控制中心直通，還能根據(jù)需要自動轉(zhuǎn)發(fā)警報信號。因此，中心發(fā)射臺的警報信號便能經(jīng)過多跳到達每一個警報器。這就大大降低了中心發(fā)射塔的發(fā)射功率，使其便于移動隱蔽，提高了生存能力，也解決了無線大區(qū)制方式下無線電信號覆蓋難的問題。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，本文設計了一種適合于系統(tǒng)業(yè)務模式和拓撲結(jié)構(gòu)的路由協(xié)議。

1 無線多跳防空警報遙控系統(tǒng)設計
1.1 系統(tǒng)設計目標
    防空警報遙控系統(tǒng)由警報控制中心和分布在城區(qū)的警報器構(gòu)成。出于戰(zhàn)時生存能力的考慮，系統(tǒng)要求移動警報控制中心可以在全網(wǎng)任意移動，并以較小的發(fā)射功率控制整個系統(tǒng)。系統(tǒng)要能夠自動感知節(jié)點的移動和節(jié)點數(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，部分警報節(jié)點被破壞不能影響系統(tǒng)其他部分的正常工作。警報發(fā)放的時延不超過1 s。
1.2 系統(tǒng)模型
    系統(tǒng)模型如圖1所示，警報控制中心和警報器節(jié)點均由主控模塊和信道機模塊構(gòu)成。主控模塊采用嵌入式主機系統(tǒng)，即節(jié)點控制器。警報器節(jié)點控制器實現(xiàn)節(jié)點的多跳組網(wǎng)、分組路由、信道接人、數(shù)據(jù)鏈路層驅(qū)動功能，并根據(jù)警報控制信息控制警報器產(chǎn)生各種警報信號。警報控制中心主控模塊主要接收來自警報處理中心的警報分組，送至信道機并接收警報器的回示信息。信道機模塊采用超短波數(shù)傳電臺，實現(xiàn)數(shù)據(jù)和路由信息等在空中接口的傳遞。

2 系統(tǒng)實現(xiàn)關(guān)鍵技術(shù)
2.1 介質(zhì)訪問控制協(xié)議(MAC)
    設計超短波自組織網(wǎng)絡的一個關(guān)鍵問題是MAC機制的設計，它協(xié)調(diào)多個用戶有效地共享有限的超短波信道資源。無線自組網(wǎng)MAC協(xié)議主要分為競爭類和資源預留類兩大類。將CSMA/CA等競爭類MAC協(xié)議用于超短波信道會出現(xiàn)物理載波偵聽失效、虛擬載波偵聽效率低、暴露終端加劇和捕獲效應明顯等問題，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，并采用一種自動分配算法，根據(jù)網(wǎng)絡內(nèi)節(jié)點數(shù)目、幀時長度、時隙大小和警報器節(jié)點ID，對警報器節(jié)點時隙進行分配，每個警報器節(jié)點將獲得一個時隙用于數(shù)據(jù)的發(fā)送。
2.2 路由協(xié)議
    無線多跳防空警報遙控系統(tǒng)有以下特點：通常警報控制中心發(fā)射塔的無線電傳輸范圍大于警報器節(jié)點的傳輸范圍，造成它們之間存在單向鏈路；警報發(fā)放通常以廣播和組播為主；警報器節(jié)點數(shù)據(jù)的發(fā)送通常是以警報控制中心為目的地；系統(tǒng)對警報發(fā)放的時延非常敏感等。按需距離矢量路由AODV(Multicast Ad Hoc On-demand Vector)，動態(tài)源路由協(xié)議DSR(DynamicSource Routing)協(xié)議直接應用于該系統(tǒng)會產(chǎn)生較大的時延，因此并不適合該系統(tǒng)。以一個警報發(fā)放過程對路由協(xié)議描述如下：
    (1)警報分組發(fā)放過程。警報分組發(fā)放過程采用洪泛法。當警報控制中心有警報要發(fā)送時，廣播一個警報分組SC(Siren Control Packet)。SC分組中包括警報控制中心地址，請求ID，目的地址和警報信息。警報控制中心地址和請求ID用于惟一標識一個SC分組。警報器節(jié)點收到警報分組后，首先根據(jù)SC分組中的警報控制中心地址和請求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分組中的警報指令交由上層處理，同時轉(zhuǎn)發(fā)該SC分組。
    若警報器節(jié)點可以與警報控制中心直通，則稱其為警報控制中心的臨近節(jié)點。非臨近節(jié)點的回示分組只有通過臨近節(jié)點才能到達警報控制中心。
    (2)回示路徑的建立。在各個警報器節(jié)點洪泛SC的時候，若警報控制中心能夠正確地接收警報節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)的SC分組，則證明轉(zhuǎn)發(fā)該SC分組的警報節(jié)點是鄰近節(jié)點，中心節(jié)點把收到的所有臨近節(jié)點的地址填入一個Address分組，并在發(fā)送SC分組的一個時幀后廣播出去。收到Address分組的警報器節(jié)點將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)點為一個臨近節(jié)點，構(gòu)造一個回示通知分組并廣播出去。所有臨近節(jié)點廣播的回示通知分組具有相同的警報控制中心地址和請求ID，這樣系統(tǒng)中的警報器節(jié)點僅轉(zhuǎn)發(fā)一次該分組，經(jīng)過回示通知分組在系統(tǒng)內(nèi)的洪泛，這樣所有的節(jié)點都獲得了通過臨近節(jié)點到達警報控制中心的路徑，即回示通知分組的逆路徑。如圖2所示，警報器節(jié)點B，C能夠聽到A的Address分組，B，C通過比較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，B廣播一個回示通知分組，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也獲得了通過臨近節(jié)點B到A的路徑，即3,2,1?；厥痉纸M按建立的回示路徑進行單播逐跳轉(zhuǎn)發(fā)至警報控制中心。

3 系統(tǒng)仿真結(jié)果
    通過網(wǎng)絡仿真工具OPNET構(gòu)建了系統(tǒng)仿真平臺。仿真將一個警報控制中心和100個警報器節(jié)點放置在20 km×20 km的范圍內(nèi)，模擬一個中等城市的防空警報遙控系統(tǒng)。超短波數(shù)傳電臺信道帶寬為19 200 b/s。移動警報控制中心和警報器節(jié)點無線發(fā)射距離分別為8 km和6 km。系統(tǒng)時隙數(shù)128，考慮電臺收發(fā)轉(zhuǎn)換時間為100 ms，同步時間為25 ms，每次發(fā)射時間為75 ms，所以設定時隙長為O.2 s，每次可發(fā)送數(shù)據(jù)180 B。
    根據(jù)防空警報遙控系統(tǒng)的設計目標，設計三組仿真場景，分別選取城市中三個典型的位置作為移動警報控制中心位置，分別為城市中心，次中心和城市邊緣。仿真中業(yè)務模式設置為警報控制中心廣播SC分組，各個警報器節(jié)點收到SC分組后回示分組。仿真過程中收集警報發(fā)放時延和警報回示時延兩個統(tǒng)計量，仿真結(jié)果如圖3和圖4所示。

    從仿真結(jié)果可以看出，警報控制中心能夠以較小的通信范圍控制整個系統(tǒng)，解決了無線大區(qū)制集中控制方式下無線電信號覆蓋難的問題。圖3表明移動警報控制中心在不同的位置時警報發(fā)放時延均在4 s以內(nèi)，達到設計目標。由圖4可以看出警報回示時延最大為120 s。防空警報遙控系統(tǒng)對回示的實時性要求并不高，20 s的時延在可以承受的范圍之內(nèi)。

4 結(jié) 語
    解決無線大區(qū)制防空警報遙控系統(tǒng)中存在二次報警能力弱和中心發(fā)射塔無線電信號覆蓋范圍有限等問題是人防建設面臨的迫切問題，本文給出了一個防空警報遙控系統(tǒng)的無線多跳控制方式設計方案，研究確定了其MAC層協(xié)議，并設計了一個適合于防空警報遙控系統(tǒng)的路由協(xié)議，為解決現(xiàn)有系統(tǒng)中存在的問題提供了一個可供選擇的方案。下一步的工作重點將是研究實現(xiàn)該設計方案。