【編者按】
自組網技術能以其靈活機動的組網方式，較低成本地實現針對性的高密度覆蓋，相信在不久的將來有望繼PDT標準、B-TrunC標準之后，建立完整的自組網標準定義，進一步推進自組網技術在應急通信領域的全面應用。環球專網通信將邀請自組網行業內知名專家團隊及廠商代表，陸續推出關于自組網技術的系列報道，敬請大家密切關注并參與討論。今天刊發本系列第一期。
王金鑫
男，湖南漣源人，漢族。畢業于中南大學，工學碩士學位。先后從事無線寬帶通信領域的技術研究、整體方案設計、產品設計和規劃等相關工作。現為湖南基石通信技術有限公司無線寬帶自組網產品總監，負責基石通信Ubinode系列無線寬帶自組網產品的研發等業務。
隨著社會的不斷發展，城市愈加立體化、密集化，對應急通信設備的環境適應性要求也越來越高。基于中心節點的傳統通信架構由于缺乏靈活性，難以滿足復雜場景（如地下室，隧道，礦井等）的通信要求。近年來，基于無中心的自組網技術逐步成熟，開始步入市場。自組網技術依據其“自組織，自恢復”和“無中心”的優勢，成為傳統中心節點通信方式的強力補充；兩者相輔相成，極大的提高了應急通信系統的可靠性、環境適應性與實用性。
無中心自組網技術（也叫做mesh network或者ad hoc network），是一種以所有節點“平等、獨立”為原則的組網技術。節點之間不存在依賴關系，相互之間通過協商來進行組網和數據傳輸。相比目前基于中心節點的網絡，無中心自組網技術的主要優勢在于：
?網絡健壯性強：能夠自組織、自恢復，網絡穩定性與可靠性高；
?易于部署和安裝：不依賴任何關鍵節點，可以隨機部署網絡拓撲，能夠做到一鍵開機即可使用；
?結構靈活：網絡鏈路自動維護，自動路由計算等；可隨時接納新入網節點，也可隨時刪除離網節點，無需配置，網絡靈活性高；
?同頻技術：節點頻率相同，有效節省頻譜資源；
?負載均衡技術：根據網絡實時負載情況，自動計算并選擇合適的端到端路徑，避開擁塞區域；
??非視距傳輸：通過多跳可以保障在非視距場景下的無縫覆蓋。
無中心自組網產品依靠其獨有的隨機組網優勢，開始逐步成為應急通信系統的一部分，并發揮重要的作用。從技術上來區分，無中心自組網技術可以分為“窄帶自組網技術”和“寬帶自組網技術”兩種，下面從技術角度對兩種類型的自組網分別進行討論分析。
窄帶自組網技術以語音通信系統為代表，通常以12.5kHz和25kHz的信道間隔承載數據，能夠支持包括語音、傳感器數據等在內的低速數據業務（有些也支持圖片傳輸）。窄帶和寬帶相比，其硬件和軟件技術實現相對簡單，同等條件下抗干擾能力、延時和覆蓋范圍等性能要優于寬帶，是比寬帶自組網技術更為穩定、可靠的通信系統。
應急通信場景中，窄帶自組網技術也被大部分應用在語音通信系統，該系統的特點是：
??網內所有設備工作在同一頻點（包括基站和終端）；
??所有設備能夠發送自身數據，轉發和接收周圍設備傳送的數據；
??所有設備之間使用無線互聯，無需有線參與。
具體如下圖所示，左側終端發送語音后，通過幾個中繼（基站或者終端）的不斷轉發，最終到達網絡中的所有節點。
相比基于中心節點的語音通信系統，窄帶自組網通信系統的主要優勢在于：
??頻率資源復用，節省頻譜資源，終端漫游便捷；
??通過多跳鏈路完成區域覆蓋；
??網內無需有線連接，部署靈活、快速。
與寬帶自組網技術不同，窄帶自組網技術通常沒有路由概念，而是以廣播的形式在網內傳輸數據，特別是基于語音的窄帶自組網技術。其實現原理是通過不斷接收和轉發，來實現網內所有節點對信息的獲取。其主要的技術難點在于：
??同步技術：網內節點需要實現精準同步，通常通過北斗或GPS來完成。但是在某些應急通信的復雜場景中，如地下室、隧道等，北斗和GPS不能再為系統提供精準定時，則只能依靠節點本身的算法來做網內同步。
??同頻技術：需要通過頻率校正，來確保各個設備的發射載頻的中心頻點偏差在允許范圍內（一般是十幾赫茲），以避免中心載頻不同而導致的各種噪音。
??抗干擾能力：信號在傳輸、轉發和接收的過程中，都會受到環境噪聲、同頻干擾和設備本身硬件（如鎖相環，壓控晶振等）的影響，導致信號衰減。這種現象在多跳鏈路中更為明顯，其特點是隨著多跳路徑的增加，語音質量不斷下降。
存在路由的概念是寬帶自組網技術的特點，即節點可以按目的（單播或組播）的方式，將信息在網絡內傳輸。雖然寬帶自組網從穩定性，覆蓋范圍方面無法與窄帶相比，但是其對大數據流量（如實時視頻業務）的支撐是其存在的關鍵，寬帶自組網技術通常具備2MHz及以上的高帶寬。而且，隨著數字化，IP化和視覺化需求的不斷增加，寬帶自組網技術也是應急通信中不可或缺的一環。
從目前來看，市面上可見的寬帶自組網技術主要有三種，分別是基于WiFi、LTE和自研技術三類。
4.1基于WiFi的寬帶自組網技術
WiFi就是遵循IEEE802.11協議（最開始是802.11b）的一種通信技術（也是商標），通常工作在AP模式下（也就是熱點）。但在2006年提出的802.11s草案標準，明確了網狀網（mesh）技術，這個標準是對802.11 MAC層的補充，可以讓所有基于IEEE802.11a/b/g/n協議的設備都具備網狀網功能，也就是自組網功能。通過對802.11s的支持，通常作為AP（Access Point）模式的WiFi設備，就可以變成無中心的自組網設備。
標準的802.11s協議中規定了MPP，MP和MAP等三種類型，如下圖所示。可以組成鏈狀、網狀、星狀和網格狀等各種網絡。
目前，基于WiFi的自組網技術原理上較為簡單，主要由兩個模塊組成，分別是射頻降頻模塊和WiFi芯片模組來實現。如下圖所示：
??射頻降頻模塊的作用是將WiFi頻段（如2.4GHz）轉變成專網用戶需要的頻段（如580MHz）；
???WiFi芯片模組則是來實現具體的通信鏈路傳輸與組網傳輸。
由于WiFi芯片成本低廉，上下游成熟且開發群體眾多，國外已有很多成熟的WiFi自組網方案，國內的WiFi自組網供應商也越來越多。
該方案的主要優勢在于：
??WiFi模塊方案眾多且價格低廉；
??WiFi芯片化成熟，體積小，功耗低；
??開發量小，IEEE802.11系列協議都已經固化在芯片中，無需用戶開發。
但基于WiFi的自組網技術，也有其不可避免的短板：
??IEEE802.11協議是根據短距離、非移動場景制定（居家消費型），所以此技術在遠距離、非視距和高速移動等場景下傳輸時，效果會變差；
??IEEE802.11物理層較為簡單，沒有高效的編碼算法，導致整機接收靈敏度低，同等條件下傳輸距離有限；
??WiFi芯片都是商用型的套片，里面大部分內容固化，無法做定制和修改。也就是說，即便了解有些不足的地方，也無法進行優化。
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4.2基于LTE的寬帶自組網技術
在紅的發燙的LTE 5G技術中，也提到了對自組網方案的支持和演進，這就是D2D (Device-to-Device)技術。這項技術主要是用來定義兩個或多個終端之間，不通過基站進行的直接連接。如下圖所示
???在左圖中，在基站外側的終端可以通過基站內的某個終端與基站通信，此功能能夠有效擴展基站覆蓋范圍；
???在右圖中，雖然兩個設備都在基站內，但設備和設備之間能夠不依賴基站直接通信；此種情況能夠節省基站資源，提高傳輸效率。
由于LTE在國內覆蓋度已非常成熟，因此有很多廠商看好該市場，非常熱衷對D2D技術的研究與推廣。特別是在應急通信場景，在公網基站發生癱瘓的時候，如果終端之間能夠相互組網通信，并利用現有智能終端豐富的功能（語音，視頻，定位等），就可以快速打通原本癱瘓的通信鏈路；同時，考慮到終端普及率，這種方案將具有極大的實用性。
但是，就目前來看，市面上支持此方案的產品較少，因為此項技術面臨的主要問題尚未得到解決與認可，其中包括：
???D2D技術尚處于研究、制定與計劃狀態，暫未有成熟和配套的商用版本；
????D2D技術對于當前基站的資源管理，功率控制以及干擾協調等功能有更高的要求，涉及到的修改與優化的部分比較多；
???D2D技術也會影響終端的功耗與成本，這與終端作為消費級產品（成本低、功耗低）的觀念格格不入；因此，暫時沒有支持D2D的終端芯片出現。
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4.3基于私有協議的自組網技術
在WiFi，LTE技術以外，還有一些基于私有協議的自組網技術。這些技術往往是廠商經過自身研發、積累而完全獨立設計的技術體系，與市面上其他標準互不兼容且差異較大。如DTC公司（原Cobham）的自組網設備Netnode，Harris公司的PRC152電臺等，就是基于其單獨的技術標準設計而成。這種私有協議的自組網技術通常的優勢在于：
???基于FPGA或SoC的系統架構，靈活度較高，可擴展和可優化潛力大，具備很強的二次開發和持續的可在線升級能力；
???物理層技術完全自定義（如定制的OFDM技術或擴頻技術），安全性高；
???具有完全可定制能力，包括物理層、MAC層以及路由協議，可為用戶量身定制。
對安全性和可靠性的要求，軍方的戰術通信系統都采用的是基于私有技術的自組網產品。但在民用領域，自定義自組網技術的由于開發難度大，項目周期長，目前能夠做到完全自主研發的企業非常少。湖南基石通信技術有限公司基于現有軍用無線通信前沿技術，在2017年推出了Ubinode Ⅱ型產品包括單兵背負臺、手持臺以及指揮箱等，基于軟件無線電技術的無線寬帶自組網設備。設備基于FPGA和ARM的架構，底層波形、接入方式與路由協議都可以定制和切換，擁有完全自主的知識產權，所有核心技術自主可控。
對于自定義的自組網技術，通常可以從下面幾個關鍵技術來綜合闡述產品性能：
???物理層：規定了設備的無線傳輸波形，影響設備的接收靈敏度，吞吐量，干擾抑制能力等；
???接入層：規定設備接入方式與資源調度方式，影響節點總數，最大傳輸距離，延時與誤碼等；
???路由協議層：路由選擇算法，影響網絡資源利用率，節點切換時間，入網時間等。
以Netnode，PRC152和Ubinode三款產品為例，對比如下：
| 物理層 | 接入層 | 路由協議 | 其余 |
Netnode | COFDM+MIMO技術，具體波形未知 | 基于令牌環（Token）的技術 | IP層私有路由協議 | 基于軟件無線電（SDR）架構體系研制，可以在統一硬件平臺下，通過對軟件的加載和卸除，實現不同的功能。 |
PRC152 | ANW2C和SRW波形，為美軍專用波形 | 未知 | 未知 |
Ubinode | COFDM波形 SC-FDE波形 | 基于令牌環技術 基于TDMA技術 基于CSMA技術 | IP層私有路由協議或MAC層路由協議 |
目前，越來越多的團隊與廠商開始加大對自組網產品的投入，這讓自組網技術在應急通信領域處于“百家爭鳴，百花齊放”的狀態。這在一個方面加速了我國自組網技術的發展，但另一個方面，由于無統一標準，不同產品之間無法兼容，在一定程度上影響了自組網技術在應急通信領域的全面展開與應用。，自組網技術團隊期待也相信：在不久的將來有希望繼窄帶集群標準PDT，寬帶集群B-TrunC標準之后，成立自己的標準。只有擁有了完整的標準定義，規范統一的接口，來融合各個廠商的優勢，才能進一步推進自組網技術在應急通信領域的全面應用。
