張孝鵬1，2，王平1，2，邢建春1，2，楊啟亮1，2，3

　?。?.解放軍理工大學(xué) 國防工程學(xué)院,江蘇 南京 210007；2. 解放軍理工大學(xué) 國防工程設(shè)備環(huán)境及智能化軍隊重點實驗室，江蘇 南京 210007；3. 南京大學(xué) 計算機軟件新技術(shù)國家重點實驗室，江蘇 南京 210093）

      摘要：為提高國防工程保障水平，提供穩(wěn)定快捷、安全可靠的信息通道，構(gòu)建了基于無線局域網(wǎng)的國防工程信息傳輸平臺。對傳統(tǒng)有線網(wǎng)絡(luò)的不足進行了分析，總結(jié)了無線局域網(wǎng)技術(shù)的優(yōu)勢；根據(jù)國防工程保障需求，分析了國防工程網(wǎng)絡(luò)傳輸平臺系統(tǒng)需求和設(shè)計原則；闡述了國防工程網(wǎng)絡(luò)傳輸平臺協(xié)議體系和功能架構(gòu)；對存在的問題和下一步研究的方向進行了總結(jié)。

　　關(guān)鍵詞：無線局域網(wǎng)；網(wǎng)絡(luò)傳輸；傳輸協(xié)議；網(wǎng)絡(luò)擁塞

0引言

　　 20世紀(jì)90年代以來，為提高國防工程保障水平和效率，相關(guān)機構(gòu)對構(gòu)建融數(shù)據(jù)、語音、視頻等信息傳輸、交換為一體的國防工程信息管理系統(tǒng)開展了研究［1］。但是，由于歷史沿革和技術(shù)更新?lián)Q代的原因，國防工程中使用的監(jiān)測、控制和通信網(wǎng)絡(luò)往往采用不同的通信協(xié)議，既增加了建設(shè)和后期運行維護的成本，也不利于信息管理網(wǎng)的建設(shè)。解決這一問題的途徑是依靠無線局域網(wǎng)(Wireless Local Area Network, WLAN)，運用現(xiàn)代通信技術(shù)及計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)建設(shè)國防工程信息傳輸平臺，本文即對此問題展開研究［2］。

　　本文首先根據(jù)國防工程保障需求分析了國防工程網(wǎng)絡(luò)傳輸平臺系統(tǒng)需求和設(shè)計原則；接著，闡述了國防工程網(wǎng)絡(luò)傳輸平臺協(xié)議體系和功能架構(gòu)；最后，對存在的問題和下一步研究的方向進行了總結(jié)。

1系統(tǒng)需求分析和設(shè)計原則

　　1.1系統(tǒng)需求分析

　　國防工程地下環(huán)境空間規(guī)模有限，空間布局不規(guī)則且排布緊密，坑道分支多，工程內(nèi)不規(guī)則地分布有管道、線纜和機電設(shè)備等。國防工程地下環(huán)境的復(fù)雜性主要體現(xiàn)在以下幾點：

　　(1)國防工程內(nèi)部有較多坑道分支和拐角，無線信號在坑道內(nèi)傳播存在嚴(yán)重的非視距情況。圖1簡化而形象地表示了國防工程典型的坑道分支部分。從側(cè)面看，坑道的每一支可以被看做橫截面為矩形的空間，其中A、B、C、D為坑道內(nèi)部的房間，AP為無線接入節(jié)點，HT1為在視距條件下的接入終端，HT2、HT3為非視距條件下的接入終端。這就造成無線信號在國防工程內(nèi)部傳播時傳輸損耗要比一般的室內(nèi)環(huán)境大。因此，要求系統(tǒng)具有較強的抗信號衰弱能力。

　　(2)國防工程通?？臻g規(guī)模有限且設(shè)備較多，坑道墻壁上通常會安裝有各種設(shè)備，無線信號在坑道內(nèi)傳播會出現(xiàn)多次的信號反射繞射以及吸收現(xiàn)象、多徑效應(yīng)。信號的這些傳播機制會造成信號對頻率的依賴性，會對信號的傳播造成很大影響。

　　(3)國防工程內(nèi)部機電設(shè)備分布較為集中，且功率通常較大，因此設(shè)備間電磁干擾較為嚴(yán)重，特別是大型機電設(shè)備的啟停等對通信設(shè)備干擾很大。故要求系統(tǒng)具有較強的抗干擾能力，且自身的發(fā)射功率不能太大。

　　(4)國防工程的建設(shè)具有重大的軍事意義，要求無線信號具有較高的隱蔽性，不能被輕易截獲或者破解，因此要求系統(tǒng)具有較高的保密性。

　　為滿足國防工程的特殊需求，適應(yīng)國防工程保障需求和打贏信息化戰(zhàn)爭的需要，國防工程無線網(wǎng)絡(luò)傳輸平臺應(yīng)滿足以下主要功能需求:

　　(1)組網(wǎng)能力：具有國防工程內(nèi)無線網(wǎng)絡(luò)全覆蓋能力，保證工程內(nèi)移動設(shè)備、工程保障人員、指揮人員的信息可無縫接入。

　　(2)傳輸能力：能夠支持多種傳輸方式，如點對點、點對多點、多點對多點、廣播及多播等，實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)、圖像、音視頻流的傳輸。

　　(3)信息服務(wù)能力：依托無線網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)各種國防工程內(nèi)各類信息服務(wù)，如指揮控制命令傳送、實時數(shù)據(jù)采集、綜合信息查詢、公文文件傳輸?shù)取?/p>

　　(4)實時定位功能：依托無線網(wǎng)絡(luò)，能夠?qū)崟r提供工程保障人員、指揮人員和重要設(shè)備裝備的位置信息。

　　(5)遠(yuǎn)程操作功能：工程保障人員能夠使用手持終端通過無線網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)對設(shè)備的遠(yuǎn)程操作［3］。

　　1.2系統(tǒng)設(shè)計原則

　　要滿足以上功能需求，高效、可靠地建設(shè)國防工程無線網(wǎng)絡(luò)傳輸平臺，在設(shè)計上還應(yīng)堅持以下原則。

　　(1)高帶寬：核心層主干網(wǎng)絡(luò)能夠支持千兆以太網(wǎng)，以滿足國防工程數(shù)據(jù)、圖像、語音等信息交互的要求，并為未來的業(yè)務(wù)擴展留有發(fā)展余地。

　　(2)高可靠性：選用高可靠的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備產(chǎn)品。骨干傳輸網(wǎng)使用光纜，并使路由具有冗余備份和自愈功能，確保在緊急情況下，國防工程內(nèi)部通信不中斷。主干設(shè)備的主要部件支持帶電熱插拔，在出現(xiàn)局部故障時不影響網(wǎng)絡(luò)其他部分的運行。

　　(3)高性能：網(wǎng)絡(luò)和設(shè)備能保證各種信息（設(shè)備運行數(shù)據(jù)、環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)、音視頻交互信息、人員位置、指揮命令等）的高質(zhì)量傳輸。無線接入點應(yīng)滿足“視距傳輸”的要求。這主要是考慮到國防工程復(fù)雜的無線電環(huán)境下可能出現(xiàn)的信號衰落、電磁干擾等現(xiàn)象，有利于提高網(wǎng)絡(luò)的性能。

　　(4)高安全性：按照全軍計算機網(wǎng)絡(luò)安全規(guī)范要求，配置網(wǎng)絡(luò)安全防護設(shè)備和系統(tǒng)，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)安全、主機安全、應(yīng)用安全和安全管理。

　　(5)管理、擴充、使用簡單：采用先進的網(wǎng)絡(luò)管理平臺，對網(wǎng)絡(luò)實行集中監(jiān)測、分權(quán)管理，并統(tǒng)一分配帶寬資源。根據(jù)國防工程未來任務(wù)和業(yè)務(wù)的增長和變化，網(wǎng)絡(luò)可以平滑地擴充和升級，最大程度地減少對網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和現(xiàn)有設(shè)備的調(diào)整。

2國防工程網(wǎng)絡(luò)傳輸平臺協(xié)議體系和功能架構(gòu)

　　2.1協(xié)議體系

　　國防工程網(wǎng)絡(luò)傳輸平臺基于TCP/IP協(xié)議，是各上層應(yīng)用子系統(tǒng)與下層子系統(tǒng)實現(xiàn)交互的紐帶，提供統(tǒng)一、透明、獨立的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳送服務(wù)。國防工程網(wǎng)絡(luò)傳輸平臺協(xié)議體系如圖2所示。

　　物理層：物理層關(guān)注在一條通信信道上傳輸原始比特，并定義了設(shè)備與物理媒介之間的關(guān)系。

　　鏈路層：鏈路層的主要任務(wù)是將一個原始的傳輸設(shè)施轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€沒有漏檢傳輸錯誤的線路，管理最底層的比特流數(shù)據(jù)，保證端到端的數(shù)據(jù)正確透明地傳送。

　　網(wǎng)絡(luò)層：網(wǎng)絡(luò)層的主要功能是控制國防工程子網(wǎng)運行，是將整個網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)貫穿在一起的關(guān)鍵層。

　　傳輸層：傳輸層的基本功能是接收來自上一層的數(shù)據(jù)，其他功能包括流控管理、多路并發(fā)傳輸、虛電路管理及差錯校驗和恢復(fù)。

　　應(yīng)用服務(wù)層：應(yīng)用服務(wù)層包含了用戶所需要的各式各樣的高層協(xié)議，介于具體通信實現(xiàn)與上層應(yīng)用系統(tǒng)之間。

　　2.2功能架構(gòu)

　　國防工程信息傳輸平臺主要由服務(wù)器、交換機、數(shù)據(jù)線纜、無線接入點(Access Point, AP)和無線接入設(shè)備構(gòu)成。服務(wù)器接收AP發(fā)送的數(shù)據(jù)包，并對所有網(wǎng)絡(luò)設(shè)備進行管理，通過權(quán)限授予，任何人都可以通過局域網(wǎng)訪問服務(wù)器中運行的管理頁面，查看音視頻信息、人員位置、觀測環(huán)境數(shù)據(jù)、分發(fā)數(shù)據(jù)、下達(dá)指令、控制設(shè)備。交換機在網(wǎng)絡(luò)中除了作為分路器功能之外，主要用于數(shù)據(jù)包的快速轉(zhuǎn)發(fā)，它為數(shù)據(jù)幀從一個端口到另一個任意端口轉(zhuǎn)發(fā)提供了低時延、低開銷的通路。AP是國防工程網(wǎng)絡(luò)傳輸平臺中無線、有線網(wǎng)絡(luò)之間的橋接，由一個無線輸出口和一個有線的網(wǎng)絡(luò)接口構(gòu)成，如同網(wǎng)絡(luò)中的一個無線基站，將網(wǎng)絡(luò)終端的所有設(shè)備、無線音視頻采集裝置、人員定位模塊、設(shè)備控制終端等聚合到有線網(wǎng)絡(luò)上。國防工程網(wǎng)絡(luò)傳輸平臺可根據(jù)具體需要，集成不同的功能系統(tǒng)，例如音視頻傳輸、人員定位、設(shè)備監(jiān)測、設(shè)備控制等，功能架構(gòu)拓?fù)鋱D如圖3所示。

　　2.2.1音視頻傳輸

　　在國防工程網(wǎng)絡(luò)傳輸平臺中的音視頻傳輸子系統(tǒng)，一方面，起到對工程現(xiàn)場的監(jiān)控作用，實時、形象、真實地反映被監(jiān)視現(xiàn)場的情況；另一方面，便于工程保障人員之間、保障人員與指揮中心之間的信息交流，可獲得大量的實時圖像和音頻信息，提高工程保障管理效率和信息化水平。

　　音視頻傳輸系統(tǒng)的工作流程如下：

　　(1)通過音頻和圖像采集設(shè)備實時捕捉音視頻信息；

　　(2)對捕捉到的音視頻信息進行封裝并壓縮；

　　(3)通過UDP/TCP協(xié)議，實現(xiàn)不同局域網(wǎng)中終端間的通信；

　　(4)接收端對接收到的實時音視頻信息進行解碼并播放。

　　無線音視頻傳輸應(yīng)滿足以下性能要求：

　　(1)通過采集的圖像信息，指揮中心可以實時掌握和查看工程現(xiàn)場狀況，擺脫了傳統(tǒng)有線視頻監(jiān)控受位置限制的缺點。工程保障人員之間通過語音通信，可聯(lián)合對出現(xiàn)的故障問題進行診斷。

　　(2)系統(tǒng)的傳輸兩端可以互作音頻的捕捉端和接收端，實現(xiàn)雙向語音通信。

　　(3)音視頻傳輸系統(tǒng)適用于各種網(wǎng)絡(luò)，在有線/無線網(wǎng)絡(luò)切換過程中不影響正常的信息傳輸。在傳輸過程中，保持良好的傳輸性能，將丟包率、傳輸延遲、延遲抖動等參數(shù)維持在較低水平，具有良好的傳輸QoS。

　　2.2.2人員定位

　　在國防工程建設(shè)中，位置信息是重要的信息之一，實時掌握和了解國防工程內(nèi)部人員及設(shè)備的位置狀態(tài)，這對加強對人員及設(shè)備的管理和增強對突發(fā)事件的救援能力具有重大的意義，定位系統(tǒng)依托Wi-Fi進行設(shè)計。

　　整個Wi-Fi定位系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖4所示。

　　為了滿足國防工程室內(nèi)定位需求，實現(xiàn)精確、便捷的室內(nèi)定位系統(tǒng)，人員定位系統(tǒng)的設(shè)計需要滿足如下幾點要求：

　　(1)在室內(nèi)環(huán)境下要至少能達(dá)到3~5 m定位精度；

　　(2)定位系統(tǒng)能兼容多種形式的智能終端，如手機和PC；

　　(3)具有良好的網(wǎng)絡(luò)實時特性，并合理控制系統(tǒng)的成本；

　　(4)智能終端能實時顯示運動軌跡；

　　(5)上層服務(wù)器具有查詢目標(biāo)、軌跡回放、區(qū)域告警、按鈕告警等功能。

　　2.2.3環(huán)境監(jiān)測

　　國防工程中，環(huán)境監(jiān)測的目的主要有3個：一是滿足工程精密儀器和高端設(shè)備運行的環(huán)境要求；二是為國防工程保障人員和指揮人員提供健康舒適的工作生活環(huán)境；三是為暖通空調(diào)系統(tǒng)的工作運行提供準(zhǔn)確嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)依據(jù)。國防工程中，需要監(jiān)測的環(huán)境參數(shù)主要包括溫度、濕度、CO2濃度、O2濃度等，當(dāng)參數(shù)發(fā)生異常時，能夠發(fā)出警報。

　　將采集到國防工程環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)，通過無線網(wǎng)絡(luò)上傳至數(shù)據(jù)庫并進行存儲。通過分析比較，為決策層提供科學(xué)的決策依據(jù)并提供以下功能：

　　(1)打印各種數(shù)據(jù)報表,包括日參數(shù)報表、周參數(shù)報表、月參數(shù)報表、警報報表等。

　　(2)數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)能夠保存近一段時間以來的環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)，例如報警、暖通空調(diào)設(shè)備運行狀況、環(huán)境參數(shù)變化信息等，為后期決策和環(huán)境變化預(yù)測提供理論依據(jù)。

　　(3)根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)進行環(huán)境等級的自動評估,當(dāng)工程內(nèi)某工作地點參數(shù)異常時，能通過數(shù)據(jù)分析以不同的顏色表現(xiàn)出來，向工程保障人員提供國防工程環(huán)境狀況。

　　2.2.4設(shè)備控制

　　在國防工程保障過程中，工程保障人員需要完成信息采集、遠(yuǎn)程控制等工作，對操作便捷性、人員移動性、信息獲取及時性的要求與日俱增。在當(dāng)前的國防工程保障中，保障人員與內(nèi)部設(shè)備間通過人機界面(Human Machine Interface, HMI)進行交互［4］。HMI安裝于控制柜或操作臺，但在設(shè)備正常運行時，HMI使用率并不高，一定程度上造成資源浪費，且降低了人員的靈活性，不利于工作效率的提高。采用移動終端技術(shù)對設(shè)備進行控制，將極大地提高工作效率和國防工程基于信息系統(tǒng)的保障水平。

　　設(shè)備控制子系統(tǒng)的主要功能如下：

　　(1)通過傳感器網(wǎng)絡(luò)，對風(fēng)、水、電、油等設(shè)備的運行參數(shù)進行監(jiān)控，并將監(jiān)控信息通過網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)上傳至調(diào)度管理系統(tǒng)，保障人員通過手持終端子系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)查詢各設(shè)備的運行情況。

　　(2)指揮中心在對監(jiān)控信息分析處理、作出決策之后，將指令傳送至手持終端，實現(xiàn)對保障人員的調(diào)度指揮，并對設(shè)備操作方法和流程進行提示。

　　(3)對于某些不便于人員到達(dá)的場所，如染毒區(qū)域，通過手持終端實現(xiàn)對設(shè)備的遠(yuǎn)程控制。

　　(4)通過二維碼識別，采用無線鏈路實現(xiàn)與應(yīng)用服務(wù)器的連接，查詢現(xiàn)場設(shè)備的相關(guān)參數(shù)和技術(shù)資料。

3結(jié)論

　　國防工程信息傳輸平臺通過建設(shè)WLAN，擺脫了傳統(tǒng)有線網(wǎng)絡(luò)布線困難、擴展不宜、人員移動性差、信息交互不便捷的弊端，實現(xiàn)了基于無線網(wǎng)絡(luò)的音視頻傳輸、人員定位、環(huán)境監(jiān)測、設(shè)備控制等功能，對構(gòu)建融數(shù)據(jù)、語音、視頻等信息傳輸、交換為一體的國防工程信息管理系統(tǒng)具有重要意義。但還有一些方面仍需進一步的研究：

　　(1)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)擁塞控制。異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)是將具有不同媒體、不同性能的子網(wǎng)統(tǒng)一構(gòu)建成的單個邏輯網(wǎng)絡(luò)。在異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中，隨著網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的切換，丟包事件的發(fā)生更加頻繁，丟包原因更加復(fù)雜，傳統(tǒng)擁塞控制算法不能很好地滿足應(yīng)用要求［56］。

　　(2)流媒體傳輸協(xié)議的改進。當(dāng)前的流媒體傳輸主要是基于UDP協(xié)議，但是UDP協(xié)議由于缺少擁塞控制機制，是一種“盡力而為”的傳輸協(xié)議，在帶寬資源競爭中，易導(dǎo)致TCP“餓死”，不具有TCP友好性。因此，尋找一種既滿足流媒體傳輸實時性要求，又滿足TCP友好的傳輸協(xié)議就非常有必要［78］。

　　(3)WLAN安全問題。WLAN通過無線電波進行通信，并沒有固定的邊界，這增加了安全保密管控的難度。當(dāng)前主要的WLAN安全防護方式有MAC地址過濾、設(shè)置路由器服務(wù)集標(biāo)識符SSID為禁播、加設(shè)信號干擾器等，但是將這些方式應(yīng)用于國防工程中，都存在一定的問題。因此尋找一種適合于國防工程應(yīng)用的WLAN安全防護方式也是一個很有意義的課題［911］。

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