張孝鵬1,，2,，王平1，2,，邢建春1,，2，楊啟亮1,，2,，3

　　（1.解放軍理工大學 國防工程學院,江蘇 南京 210007,；2. 解放軍理工大學 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 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)絡傳輸,；傳輸協(xié)議,；網(wǎng)絡擁塞

0引言

　　 20世紀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)國防工程通常空間規(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,。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)絡傳輸平臺應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)信息服務能力：依托無線網(wǎng)絡,，實現(xiàn)各種國防工程內(nèi)各類信息服務，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,，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)絡實現(xiàn)對設(shè)備的遠程操作［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)絡傳輸平臺，在設(shè)計上還應堅持以下原則,。

　　(1)高帶寬：核心層主干網(wǎng)絡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)務擴展留有發(fā)展余地。

　　(2)高可靠性：選用高可靠的網(wǎng)絡設(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)絡其他部分的運行,。

　　(3)高性能：網(wǎng)絡和設(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。無線接入點應滿足“視距傳輸”的要求,。這主要是考慮到國防工程復雜的無線電環(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)絡的性能,。

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

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

2國防工程網(wǎng)絡傳輸平臺協(xié)議體系和功能架構(gòu)

　　2.1協(xié)議體系

　　國防工程網(wǎng)絡傳輸平臺基于TCP/IP協(xié)議，是各上層應用子系統(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)絡數(shù)據(jù)傳送服務,。國防工程網(wǎng)絡傳輸平臺協(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)絡層：網(wǎng)絡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,。

　　應用服務層：應用服務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,。服務器接收AP發(fā)送的數(shù)據(jù)包，并對所有網(wǎng)絡設(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),、下達指令,、控制設(shè)備。交換機在網(wǎng)絡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)絡傳輸平臺中無線,、有線網(wǎng)絡之間的橋接，由一個無線輸出口和一個有線的網(wǎng)絡接口構(gòu)成，如同網(wǎng)絡中的一個無線基站,，將網(wǎng)絡終端的所有設(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)絡上,。國防工程網(wǎng)絡傳輸平臺可根據(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)拓撲圖如圖3所示。

　　2.2.1音視頻傳輸

　　在國防工程網(wǎng)絡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，在有線/無線網(wǎng)絡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)絡拓撲結(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)上層服務器具有查詢目標,、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)的工作運行提供準確嚴謹?shù)目茖W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,，對風、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的場所,，如染毒區(qū)域,，通過手持終端實現(xiàn)對設(shè)備的遠程控制。

　　(4)通過二維碼識別,，采用無線鏈路實現(xiàn)與應用服務器的連接,，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)絡擁塞控制,。異構(gòu)網(wǎng)絡是將具有不同媒體、不同性能的子網(wǎng)統(tǒng)一構(gòu)建成的單個邏輯網(wǎng)絡,。在異構(gòu)網(wǎng)絡中,，隨著網(wǎng)絡環(huán)境的切換，丟包事件的發(fā)生更加頻繁,，丟包原因更加復雜,，傳統(tǒng)擁塞控制算法不能很好地滿足應用要求［56］。

　　(2)流媒體傳輸協(xié)議的改進,。當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)置路由器服務集標識符SSID為禁播,、加設(shè)信號干擾器等,，但是將這些方式應用于國防工程中，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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