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　　计算机网络论文发表期刊推荐《无线互联科技》国内标准刊号：CN 32-1675/TN，国际标准刊号ISSN 1672-6944，面向国内外公开发行。本刊文章已被中国学术期刊网络出版总库(知网)、万方数据期刊网、维普期刊数据库等网站收录。本刊栏目"业界前瞻""专家视野""无线天地""管理论衡""经贸视点""通信观察""网络地带""计算机世界""软件透视""实验研究""市场纵横""教学实录""社会广角""传播经纬""新媒体"等一直深受广大读者好评。
　　【摘要】通过对无线IP网关设备的功能和定位进行介绍，结合实际应用需求，提出了无线IP网关设备总体技术方案，并描述了各模块的主要设计思路。同时，还提出了技术方案中需要研究的关键技术。

　　【关键词】战术互联网,动态路由,协议转换,分组话音

　　1 引言

　　目前，世界各军事大国对现代化战争提出了新的战术思想和战争策略，为满足这些新的战术需求，需要考虑建立一种可互操作、一体化、安全、灵活的指挥、控制、通信和计算机等基础信息平台。围绕当前军用战术互联网技术及军事应用的迫切需求，针对无线网络对多跳自组织、快速组网、机动组网、链路动态感知、无线网络自适应配置、网络动态部署与控制等需求，需突破无线自组网协议技术、无线分组话音传输技术、无线链路参数自动适配、无线子网融合技术、无线资源按需调配与接纳控制等一系列关键技术，紧密结合IP动态路由、路由策略自适应控制等技术，设计基于IP网络架构的无线网关设备，支持多种无线接入技术，实现无线自组网与有线网络融合，构建强壮的战术通信网络，支持话音、数据和图像等业务。

　　2 无线IP网关设备功能和定位

　　无线IP网关设备利用IP网关路由技术，将本地用户局域网与区域内混合无线自组网，以及IP固定、移动广域网连接成为一个整体的战术互联网，实现区域内的移动通信单兵、机动作战武器单元、机动指挥所和广域范围的IP用户(固定指挥所)紧密结合成一个整体的战术机动作战网络。无线IP网关设备采用全IP网络架构，话音和数据一体化设计，支持动态IP路由协议，能够实现本地无线局域网与区域内无线自组网、(固定)广域网络的无缝IP连接。

　　在战术机动作战网络内部，可同时通过多个无线IP网关设备与IP广域网互联。在编队机动作战过程中，只需保证其中某个无线IP网关设备接入IP广域网，即可保障作战网络内的所有指挥作战单元、移动用户与固定IP广域网的不间断连接。当指挥阵地的转移或某连接节点被摧毁时，会导致无线IP网关设备与IP广域网中断，此时移动作战网络内无线IP网关设备会选择邻近的网关设备与固定IP广域网连接。如图1所示，下方模拟某集团军移动作战网络(Intranet)，上方模拟IP广域网(Internet)或者总部指挥网络。无线IP网关设备与广域网路由器(Route)连接，通过动态路由协议完成网络互联。

　　无线IP 网关设备与互联网路由器(Route)连接后，通过动态路由协议交互，可获得上级指挥网络的路由信息，并在移动作战网络内部各节点间进行路由重分布。因此，移动作战网络内部各节点设备可找到邻近的网络出口，从而获取达到上级指挥网络内部用户的最优路径。当某出口网关设备与外网路由器断开(或无线IP网关设备失效)时，移动作战网络内部其他各节点会进行路由重新收敛，亦可重新获得最佳网络出口，从而实现移动作战网内用户与上级指挥网络的无中断连接。

　　3 无线IP网关设备总体设计

　　无线IP网关设备的协议体系可分为五层，从上至下分别是：应用层、服务层、网络层、链路层、物理层。设备协议体系架构如图2所示：

　　协议体系各层功能分工明确、清晰，具体如下：

　　(1)应用层：主要完成本地IP用户接入，包括话音用户、移动用户和数据用户等，需实现网关设备与用户信息、身份、状态交互;

　　(2)服务层：主要完成指挥调度协议、报文优先级控制、服务资源分配等功能，并为应用层提供了统一的服务接口;

　　(3)网络层：主要实现自主动态路由协议、OSPF(Open Shortest Path First，开放式最短路径优先)路由协议和标准IP接口适配等功能，同时为服务层提供了路由寻址功能，从而实现各种异构网络的有机融合和互联互通;

　　(4)链路层：主要包括无线CSMA(Carrier Sense Multiple Access，载波监听多路访问)组网、无线TDMA(Time Division Multiple Access，时分多址)组网、卫星链路控制以及各种传输设备的协议匹配等功能，完成无线IP网关设备对各种传输设备的综合接入和组网控制功能，并为网络层提供链路控制功能;

　　(5)物理层：主要实现无线IP网关设备与各种不同物理接口、不同传输特性的各种信道的物理连接，实现业务在不同物理媒介的传输。

　　无线IP网关设备主要由控制处理单元、IP交换平台、信道处理单元和电源模块四部分组成，其内部连接关系如图3所示。无线IP网关设备使用通信处理器来运行路由协议，处理器只完成控制面的路由功能而不参与数据面的转发，使得数据实现了线速转发。

　　4 无线IP网关设备技术方案

　　随着IP技术的迅速发展，众多通信设备厂商将致力于全IP交换的产品开发，通过构建IP开放通信体系架构，可以很好地将核心网和无线网协同考虑，打造模块化、接口统一化的全新一体化集成通信平台。IP交换平台为用户提供交换功能，可以完成多端口的网络层数据包转换与转发。同时，提供网络层接入，向用户提供高带宽(1 000Mbps)的网络接口。

　　4.1 控制处理单元技术方案

　　控制处理单元是无线IP网关设备的核心处理单元，也是IP业务QoS(Quality of Service，服务质量)保证的核心。其主要由处理器模块、FPGA模块、低速声码话音模块、显示和键盘模块四部分组成。控制处理单元主要完成设备初始化、人机交互界面、设备工作参数输入和配置、信道参数管理、路由协议、分组协议处理、数据/话音用户接入和管理等功能，并通过PCI(外部器件互连)总线实现对交换平台的访问和控制。控制处理单元设计框图如图4所示：

　　无线IP网关设备控制处理单元采用MPC8548处理器模块、PowerQUICC III e500内核，主频高达1.5GHz，集成了PowerPC核和新一代的PowerQUICC通信处理器模块，具有强大的网络性能和运算处理能力。其主要性能指标如下：　　◆CPU：1 333MHz MPC8548(E)

　　◆外部总线：33MHz/32bit CPCI总线

　　◆内存：512MB DDR2

　　◆存储：64MB NOR FLASH

　　◆接口：千兆以太网、RS-232串口、USB

　　◆1xLocal Bus接口，8位数据16位地址

　　◆1个I2C接口，2个GPIO接口

　　◆XMC接口，支持x4 PCI Express +4x serial RapidIO

　　◆功耗：13.5W@5V

　　◆工作温度：-10℃～+50℃

　　◆存储温度：-50℃～+85℃

　　4.2 信道处理单元技术方案

　　信道处理单元主要由处理器模块、DSP、FPGA、调制解调、K接口电路、E1接口电路和RS232接口电路组成。其主要完成信道接入和组网控制功能，包括无线CSMA组网、无线TDMA组网、卫星链路控制以及各种传输设备接口协议的匹配等功能，为网关设备提供统一的链路承载;同时，具备信道的链路状况检测和监测功能。信道处理单元原理框图如图5所示。

　　在物理接口方面，信道处理单元提供标准E1接口，其物理特性和电特性符合G.703标准，帧结构符合G.704标准。E1接口可通过配置，支持多种时隙分配策略，分别适用于连接不同传输设备，满足话音业务交换和数据业务交换要求。其典型时隙分配方案如图6所示。

　　信道处理单元提供K接口，可同时提供64k PCM话音业务接入和HDLC数据业务接入。

　　信道处理单元提供多路RS232串口，接口速率可配置，可接入卫星、短波、超短波电台等信道传输设备。

　　通过信道处理单元的基带匹配电路，可完成传统超短波电台基带信号的输入、输出。基带信号经调制解调后，转换为TTL同步串行数据流，通过FPGA完成串行数据流的同步及数据提取。DSP处理器则主要完成信道编解码和MAC层的组网控制。

　　4.3 结构技术方案

　　无线IP网关设备机箱由前面板、后面板和主体机箱三部分组成。前面板和后面板采用专业接插件与主体机箱连接，从而实现了网关设备内部单元板与外面板的有机连接。无线IP网关设备采用标准19英寸机柜安装，前面板主要包括显示屏、键盘、指示灯、电源接口、电源开关和把手等;后面板主要包括各种用户接口、调试接口和信道接口等。

　　4.4 软件技术方案

　　无线IP网关设备的软件主要分为两类：一类是嵌入式软件，主要实现协议转换、动态路由、指挥调度、服务、网络管理、人机界面等功能，需实现的功能相对复杂，涉及协议比较全面，其运行平台为嵌入式处理器MPC8548，采用主流嵌入式操作系统VxWorks6.8，涉及编程语音C/C++;另一类是各种信道接口处理软件，主要实现编解码、数据同步、数据采集、时序等，运行平台为FPGA 和DSP等。

　　无线IP网关设备嵌入式软件采用风河公司VxWorks6.8操作系统，其具备增强系统性能、占用更小的空间和更高的硬件平台灵活性的优势;同时，提供多种灵活的多核架构供设计师选择，以便客户根据需求选用最适合的解决方案。此外，VxWorks6.8还提供了改进的操作系统原语(OS primitive)、USB支持和文件系统性能等，可以更加有效地帮助设计师提高产品软件质量、改善产品软件兼容性、提升产品软件性能。对应的交叉编译和调试环境为Wind River Workbench，其特点和优势主要体现在以下方面：

　　(1)以开放的Eclipse平台为框架;

　　(2)单一的全功能平台，涉及到产品的整个开发周期;

　　(3)广泛的适用性，特别适合复杂的目标系统;

　　(4)丰富易用的调试手段。

　　4.5 人机交互界面设计

　　无线IP网关设备的人机交互界面运行于控制处理单元，主要基于VxWorks6.8系统进行设计，为操作员提供直观、简易、清晰的人机交互接口，通过界面提供设备运行状态监控、工作参数配置、软件版本查询、设备模式切换、信道工作状态监控等功能。界面主要包含菜单栏、实时监控窗口和状态栏三部分。如图7 所示。

　　5 结束语

　　本文通过研究无线IP网关设备在军事战术通信网络中的定位和作用，详细阐述了网关设备的总体设计、整机设计、单元技术方案、结构技术方案和软件技术方案，可用于指导设备设计实施方案编写和工程设计。

　　参考文献：

　　[1] 谢希仁. 计算机网络[M]. 北京：电子工业出版社， 2003.

　　[2] 卢昊. 无线移动自组织网的路由技术研究[D]. 成都：电子科技大学， 2004.

　　[3] 米志超，郑少仁. 无线战术互联网控制器通信协议的设计与实现[J]. 解放军理工大学学报：自然科学版， 2000(6)： 24-29.