综合战术网TSM波形研究.pdf
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1、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
2、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
3、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
4、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,
5、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。
6、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
7、/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
8、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
9、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
10、 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
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