综合战术网TSM波形研究.pdf

1网络通信与安全Network Communication&Security电子技术与软件工程Electronic Technology&Software Engineering1 TSM波形TSM 作为综合战术网络核心波形，已纳入美军波形库，相比SRW波形，大幅增加了组网规模和吞吐量123，降低了路由开销，更适应洞穴、隧道和建筑等多径环境。2020 年 11 月美军成功演示 811 部无线电台在一个 3.6MHz 射频信道实现组网，并实现定位、话音、指控数据的传输，并展示了在多层建筑内以低延迟实时传输 1080P 60fps 的高清流视频能力。TSM 波形不追求点对点的高速率，对自组网存在的复杂环境适应性差、组网规模受限、端到端传输时延大、网络吞吐量低等实际痛点开展设计，包含三方面创新工作：新型波形架构设计4，针对分布式多跳网络专门设计，未采用 OSI 模型；自主协作通信，针对无线广播特性，实现多发一收协作通信解调；阻隔中继组网567，基于自主协作通信，采用以链路为中心的 MAC，支持传输时间分集，实现传输物理空间复用，消除路由协议，降低组网开销。2 波形架构传统自组网借鉴互联网思想，采用 OSI 模型，但基于有线网络设计的 OSI 协议架构和无线广播为主的自组网需求有着显著差异，导致自组网难以在低延迟、网络容量和可靠性等方面取得可观指标，无法真正发挥自组网性能潜力，使自组网走向大规模工程实用、好用陷入瓶颈。（1）当前自组网设计以多跳为核心，每跳都需要经历数据包接收、处理、排队、下一跳寻址、信道争用及重新传输等全部流程。分组在每跳经历传输、处理、信道访问和传播等延迟，这些延迟总和对于小规模网络尚可接受，但扩展到大规模组网时将成为性能瓶颈，尤其是信道重新争用延迟，对端到端延迟和全网有效吞吐容量有极大影响，随着网络规模增大和通信速率需求增加，电台工作频段逐渐上移，单跳传输距离缩减，以数十跳为单位的路径长度可能出现，会导致较高的端到端延迟，现有波形架构难以支撑。（2）当前普遍采用的物理层设计不适合多跳通信。自组网的核心是无线广播和中继，中继时所有邻居均收到数据包，能量和资源已经消耗，但大量非目的节点将数据在 MAC 层丢弃，产生巨大能量浪费，抑制了无线广播带来的潜力，应考虑将这种广播用来提高信号质量、增强传输能力，如用于协作通信、时间分集传输等来提高传输可靠性。另外，当前自组网物理层的核心是“接收”和“传输”两项基本功能，但作为自组网核心的“中继”，不是基本的操作，意味着我们需要通过“接收”和“传输”来曲线实现“中继”的功能，被迫去构建一个包含多个层的接收-存储-队列-转发的传输链。（3）自组网通过时频空域的划分实现多址接入，较少对物理空间进行信道资源复用，时分多址类受帧长限制，在保障业务时延时难以实现大规模组网，载波侦听类，随用户数量增加，网络吞吐量急剧下降，且业务QoS 极难保障，无法实现大规模组网下工程可用，多址接入是自组网走向好用的瓶颈之一。自组网通过路由协议实现多跳寻址和网络维护，表驱式路由需周期性发送探测包，维护和更新路由表，难以在可靠性和低开销间取得平衡，按需路由在需临时寻找路由，对规模化组网和移动支持较弱，混合路由协议如 HWMP 结合二者优点，可支持中小规模组网，但依旧无法解决规模组网下兼顾业务 QoS。综合战术网 TSM 波形研究朱庆徐子龙水宜水谢小华（中国电子科技集团公司第七研究所 广东省广州市 510399）摘要：本文概述了 TSM 波形的核心特征和性能，对该波形的架构、传输、组网等进行深入分析，阐述了其核心原理、优势和不足。TSM 波形充分利用无线广播特性，在架构、传输、多址、组网等方面进行了颠覆性设计，通过跨层联合，兼顾了组网规模、端到端时延、可靠性、吞吐量等相互矛盾指标，解决了自组网在实际应用中网络规模小、组网可靠性不足、多跳速率衰减快、时延大等应用痛点。关键词：协作通信；阻塞中继；CBR；波形架构2网络通信与安全Network Communication&Security电子技术与软件工程Electronic Technology&Software Engineering针对难点，TSM 采用如图 1 所示波形架构，核心思想如下：（1）精简波形架构、组网功能下移。在物理层实现路由和转发，物理层最靠近数据包入/出口，直接通过物理层进行接收-转发，大幅减少中继节点上各类时延累积，消除传统路由协议。通过 MAC 层寻址，一次寻址，数据转发过程中，中继节点无需持续维护和查询路由。（2）支持以链路为中心的多址接入。大量中继节点进行信道争用/等待，是端到端时延主要组成，TSM采用以链路为中心的 TDMA 多址接入，源节点到目的节点的链路中，各节点顺序占用一帧中的各个时隙，实现端到端的低时延组网，两跳以外的节点，由于处于不同物理空间，采用时隙复用，实现业务同时发送，增加全网吞吐量，实现网络节点数越多，全网吞吐量越大的效果。采用路径访问控制（PAC）机制获取源到目的节点的可用路径，并通过协议分段解决可能存在的多对交叉路径冲突。（3）支持协作传输的物理层。以链路为中心的多址接入，建立在支持协作传输基础上，源节点发送数据包，一跳邻居节点收到后，在相同时隙进行转发，二跳邻居节点可能同时收到多个完全相同、有微小时间差异的数据包，收端具备解调能力。3 阻塞中继组网阻塞中继组网是以链路为中心来构建网络，采用TDMA 来进行时隙资源分配，通过 RTS/CTS 握手协议来建立多个被称为 CBR（受控拦截区域）的通信单播或多播区域，这些区域物理空间上隔离，端到端通信在CBR 区域内部进行，外部数据无法进入 CBR 区域，源和目的节点数据被阻塞在 CBR 区域内部，CBR 区域需要周期性维护和更新。3.1 核心理念阻塞中继网络机制如图 2 所示，网络中白色节点为源节点，通过广播往目的节点广播数据，蓝色为源节点1 跳邻居，绿色为 2 跳邻居，红色为 3 跳邻居，其他以此类推，图 2 为基于 TDMA 的帧结构，帧长度为 N，中心白色节点的源节点在时隙 0 发送数据，蓝色的在时隙 1 发送数据，绿色的在时隙 2 发送数据，红色的在时隙3发送数据，时隙分配以此类推。根据定义，在时隙0，所有成功接收此数据包的节点都距离源节点一跳，然后，这些节点在时隙 1 上传输相同的数据包，从而中继到距离源两跳的节点，这些节点又在时隙 2 上传输相同的信息，以此往目的节点扩散，当源和目的节点中继跳数超出帧长 N 时，该链路在第 2 帧时隙 0 开始继续重复上述步骤。包通过解码转发方法从源向外传播，为防止中继传输传回源，每个节点只中继一次给定数据包，多个两跳节点在同一个时隙将会接收相同数据包，这些数据包来自不同一跳节点，基于自主协作通信，这些数据包在收端既不会碰撞和被干扰。多跳传输机制复用不同物理空间时频资源，图 2 所示，为规避隐藏终端和暴露终端冲突，两跳以外的时间和频率资源可以复用，为实现这种复用，帧长 N 最短为 3（适当增加帧长可以增强拓扑变化时网络可靠性），即源节点每 3 个时隙可往网络中发送一个数据包，在时隙 3，第 3 跳节点和源节点可无冲突同时发送，同理后续的M*N跳节点均可以同时发送，该机制大幅度提升全网吞吐量，实现多跳后（3 跳以外）的传输速率缓慢下降，规避了传统多址信道等待/争用时延，端到端时延大幅度减小。3.2 CBR建立通过 RTS/CTS 握手协议，在以源和目的节点链路为中心的区域建立一个封闭的 CBR 区域，区域包含源节点、中继节点、目的节点、阻塞节点，阻塞节点作为CBR 区域“围墙”，对接收到的数据包不转发，并阻止 CBR 外部数据包进入。CBR 构建流程如图 3，有业务发送时，源节点发送 RTS 包，包含目标节点标识、中继节点递增的跳字段 dS-X、CBR 宽度、业务类型、流序号等，该数据包在全网范围内广播，每经过一个节点，节点获取相关信息存储，并将跳字段加 1，经过全网范图 1：TSM 波形架构3网络通信与安全Network Communication&Security电子技术与软件工程Electronic Technology&Software Engineering围广播，所有节点知道了和源节点之间的距离（跳数），目的节点收到 RTS 后，获得和源节点之间距离，等待若干时隙后发送 CTS 包，包含源节点和目的节点标识，源和目的节点距离 dS-D和目的节点距离字段 dX-D，CBR宽度N、业务类型，流序号等，收到CTS包的节点，可以获取和目的节点距离、源和目的节点距离，由此判断节点自身类型，若 dS-X+dX-D dS-D，则节点 X 为中继节点，否则节点为阻塞节点，阻塞节点不能转发 CTS包，由此 CBR 区域建立完成。建立的 CBR 区域包含所有最短路径的链路区域集合，为保障链路传输可靠性，规避节点移动可能造成的链路断开，CBR 区域可将宽带设置为大于 0，CBR 区域满足 dS-X+dX-D dS-D+N 的节点均为中继节点，增加CBR 区域宽度，相当于占用了更多的网络节点或网络区域来保障链路传输的可靠性，通过这种多路径传输，实现传输分集效果，相同数据在相同时隙可协作接收，且相邻几个时隙可实现数据重复接收，大幅增加多跳网络的健壮性，如图 3 所示。CBR 建立后，数据包可直接在 CBR 区域内从源节点向目的节点进行广播，源节点可每 M 个时隙（M 3）向 CBR 区域内发送一个数据包，经过多跳广播到达目的节点，节点根据身份来进行不同的处理，如中继节点在物理层接收后直接进行转发，阻塞节点接收后丢弃，消除了传统网络层路由协议寻址和逐跳取址，CBR 区域图 2：阻塞中继网络机制图 3：CBR 建立过程4网络通信与安全Network Communication&Security电子技术与软件工程Electronic Technology&Software Engineering需要周期维护，周期和节点移动、业务 QoS 保障相关。4 协作通信传统协作分集利用转发节点的不同位置实现了空间分集，但时间分集效果却很差，TSM 波形在时隙范围内以符号为粒度“人为地”引入相位旋转来提高时间分集增益，在每个转发节点发出的每个符号乘以一个特定的旋转因子5，同一个时隙不同转发节点的相位旋转序列不同（通常正交或准正交）。添加相位旋转因子后，来自不同转发节点的符号在收端叠加在一起，呈现以符号（而不是时隙）为粒度的相长和相消效应，即在同一个时隙范围内同时存在着相长和相消的符号，相长符号达到一定阈值，相消符号引起的损失可以通过编码器纠正，通过合理地分配各个路径的功率以及选择优化的相位旋转序列可增加相长信号比例从而提高解码成功率，增强系統鲁棒性。5 能力分析分析TSM波形架构、传输、接入、组网等主要体制，该波形具备以下能力：高可靠传输，物理层协作通信，链路层时间分集；大规模组网，物理层中继转发，消除路由协议，理论可支持几千节点；低时延，协作中继结合链路为中心多址接入，多跳后可维持较低端到端时延；高吞吐，物理空间上时频资源复用，多跳后传输速率缓慢下降，总吞吐量随网络规模增加线性增加。基于已有资料分析，TSM 可能面临以下不足：全网自同步难度较大，在复杂度、同步时间等方面存在工程实现难度；远距离传输时，物理层协作中继机制，为降低多路相同信号解调难度，需预留较大CP，开销较大；不支持跳频，对抗恶意干扰能力存在不足；高速移动时，网络拓扑频繁变化，在网络规模较小时，CBR 区域建立和维护难度大、开销剧增，会降低网络可靠性。6 总结TSM 波形充分利用无线广播特性，在架构、传输、多址、组网等方面进行了颠覆性设计，通过跨层联合，兼顾了组网规模、端到端时延、可靠性、吞吐量等相互矛盾指标，解决了自组网在实际应用中网络规模小、组网可靠性不足、多跳速率衰减快、时延大等应用痛点。参考文献1 任能.基于 YunSDR-Y450 的 BRNs 网络路由协议实现 J.电子技术应用,2019,45(09):71-76.2 P.Gupta and P.R.Kumar,“The capacity of wireless networks,”IEEETrans.Information Theory,vol.46,no.2,pp.388404,March 2000.3 Tavli,“Broadcast capacity of wireless networks,”IEEE Communications Letters,vol.10,no.2,pp.6869,2006.4 R.Ramanathan,“Challenges:A radically new architecture for next generation mobile ad hoc networks,”in Proc.ACM/IEEE Intl Conf.Mobile Comp.and Networking,Cologne,Germany,August 2005,pp.132139.5 K.M.Chugg,P.Thiennviboon,G.D.Dimou,P.Gray,and J.Melzer,“A new class of turbo-like codes with universally good performance and high-speed decoding,”in Proc.IEEE Military Comm.Conf.,Atlantic City,NJ,October 2005.6 T R Halford and K M Chugg.Barrage relay networks C.in Proc.Information Theory and Application Workshop（UCSD）,La Jolla，CA，Frbruary 2010.7 A.Blair,T.Brown,K.M.Chugg,T.R.Halford,and M.Johnson,“Barrage relay networks for cooperative routing in tactical MANETs,”in Proc.IEEE Military Comm.Conf.,San Diego,CA,November 2008.作者简介朱庆（1989-），男，湖北省黄冈市人。硕士研究生学历，工程师。研究方向为战术通信。徐子龙（1987-），男，广东省河源市人。硕士研究生学历，高级工程师。研究方向为数字信号处理和协议栈开发。水宜水（1986-），男，甘肃省兰州市人。博士研究生学历，高级工程师。研究方向为无线信道。谢小华（1988-），男，湖南省宁远县人。硕士研究生学历，高级工程师。研究方向为战术通信。