如何设计一款适合大范围中继联网的轻量级数字通信协议
虎哥 2021-6-15原创 无线电通信

之所以提出这个问题,是因为多个距离很远的中继联网,是一个从来就没有解决好的问题。

请考虑如下场景:

成都龙泉山有一个UHF中继,工作在DMR模式。重庆华蓥山有一个UHF中继,工作在FM模式。

在这两个中继的铁塔上,用25W功率是可以互相直通的。

但是成都市区和重庆市区却通不上,因为这两个中继都只负责覆盖自己山下,重庆的覆盖不了成都,反之亦然。

为了成都电台能与重庆电台就火锅的口味开展交流,一般来说有两种办法:

a,两个中继都通过协议转换器接入MMDVM网络。优点是见效快。缺点非常明显:依赖第三方通信手段,在发生大灾的时候可靠性基本等于没有,何况MMDVM本身就风雨飘摇。类似手段,例如光纤专线,卫星转发器也有类似的问题。比较可行的自己搞定的办法是利用相同站址搭建一个数字扩频微波网,跑TCP/IP,缺点依然是鲁棒性差。

b,两个中继都增加一台VHF频段链路信道机,哪边的电台先讲话,哪边就先启动链路发射,而另一边则被动接收链路信号,并把话音通过原有中继转发出去。优点是可靠性很高,缺点也很明显:话音经三次转发,质量不佳,容易被人插播。

办法a是现代数字集群网的基本办法。办法b是古代的常规做法。08年刚地震完不久,我为某通信运营商紧急设计并组织建设全省应急通信网,作为“集团的主要基站和骨干网崩溃以后的保底通信手段”,虽然技术细节很复杂,站点数量很多,但本质上采用的还是办法b。

十多年过去了,更好的办法在我看来仍然没有出现。这里加上了“在我看来”这个定语,一则因为我对一个通信网必须只依靠自己有一种执念,二是这个办法必须简便且便宜,连爱好者都用得起。

当然,这十几年我国的应急通信技术发展很快,必须先点个赞。别说通话,就是能传高清图像的百公里自组网电台也已经快要普及了,背负式散射通信机也能实现稳定的点对点互联网透传,距离几十到几百公里。这些东西基本可以做到不依赖第三方或只依赖北斗授时。

但是,广域中多个中继联网这个小问题,却仍然缺少适当的产品。上面的例子,如果把中继数量增加到20个,峨眉山上装一个,牛背山上装一个,秦岭上装一个,在市区再搞一些增强覆盖,其中很大部分中继不能互相直视,很大部分在深山老林里面不通网,请问怎么办?

这个问题,办法b就过于复杂。十多年前用办法b硬扛,因为那时候时间紧,没有别的更可靠的办法。现在有的是时间进行设计,就应该创造更好的办法。

问题说完了,说下我的设想吧。

传输网或者称为骨干网,一定是一张单独的网,而中继们只是传输网的用户。传输网的最小容量是仅能支撑一路通话,占用一对25k带宽的频率。

传输网必须采用数字技术,具有无中心自组网能力,他的节点对用户(中继)提供控制和话音接口。

传输网的设备,只需要9361或9002这类集成收发器,必要的预选器、功放,以及FPGA和MCU。这些东西装在一个箱子里,就成为一台整机。这东西要足够便宜,最好几千万把元,顶多两三万元(不含研发成本)。

不依靠网络、GPS等第三方,只需要接电源和天线。

其实硬件差不多,主要是定义一套通信协议。这套协议是开源的,便于爱好者用起来。

请大家发表高见。

[修改于 5 个月前 - 2021-06-15 18:17:31]

来自:电子与无线电 / 无线电通信
2
ehco
5个月15天前 修改于 5个月15天前
1楼

几十百来公里级别这种准视距情况,936x弄个窄带MESH网应该靠谱。在推广PDT之前,我们配发了一批维德的自组网中继,就是用的这种模式。用起来还算灵活方便。反而PDT要接入中心站,不依赖LTE就得依赖卫星,算不上“通信网必须只依靠自己”。

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ehco
5个月15天前
2楼

还有就是2013年左右,我们市的22节点DMR网络,用的MOTO的Canopy网桥组网,这个网桥的NLOS性能是我同类产品中见过最NB的,虽然带宽比不上这几年以色列的产品。

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ehco
5个月15天前 修改于 5个月15天前
3楼

还有一直没想明白一个事,请教下业内的大佬。商用通信卫星是否可以“借”用一下?

情况1:比如某业务正常租用的x同步卫星,我们在实际使用中可以在网管中心未授权(分配带宽)的情况下,享有512K的训练带宽,用于载波寻星和AX25自收发回环测试,这部分带宽是否可以利用起来?如果担心星上频谱特征识别自动掐断,可以用多种扩频技术,将特征抹去,直观看来只是本底高出一截。(这个实验有空我一定要做一次验证一下)

情况2:没有预留训练带宽,但处于长期转发状态的卫星,其带宽和转发器功率不可能全部用尽,能否同样采用扩频及相关性极强的编码,消除正常业务谱的干扰,为我所用?


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虎哥作者
5个月15天前 修改于 5个月15天前
4楼
引用ehco发表于3楼的内容
还有一直没想明白一个事,请教下业内的大佬。商用通信卫星是否可以“借”用一下?情况1:比如某业务正常租...

e菊的堂子就是野,别人偷电,e菊偷卫星😂情况1我不是很清楚,不过持续存在的话卫星公司也是很容易发现的,只是可能不管。情况2,由于对合法用户来说你是不合作的,所以最终表现是噪底抬高,信噪比降低,卫星公司很容易发现然后进行干扰申诉。

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虎哥作者
5个月15天前 修改于 5个月15天前
5楼
引用ehco发表于1楼的内容
几十百来公里级别这种准视距情况,936x弄个窄带MESH网应该靠谱。在推广PDT之前,我们配发了一批...

对呀,这个窄带MESH网的协议如何设计呀,拿802.11s来改吗。

有些支路可能很长,比如成都到攀枝花要跳五六次,而有些地方又很集中,一个站可以同时看到七八个站,用MESH是否合适就是个问题了。这个系统最多只能占用4对/8个25kHz信道,双向总共200kHz射频带宽。可以闲时每固定时间(例如1分钟)协商一次,建立路由表,有通话时以最后一次路由表为准。但若存在长链,就得留下若干个等待时隙,于是传输时间就非常短,射频带宽很可能就不够用,灵敏度也会大打折扣。而传统的中继通过反复颠倒上下行频率,应付长链毫无压力。

这个网理论上不需要全双工(中继就是单向广播嘛),但从安全考虑最好是有部分数据双工,这就又要牺牲一些带宽。

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虎哥作者
5个月15天前 修改于 5个月15天前
6楼

为了保障这张“骨干网”的话音质量,语音不能压缩得太狠,计划使用IMBE声码器或者ACELP声码器,这两种似乎都不存在知识产权问题。这两种东西编码后都是7.2kbps,已经不小了,甚至还可能使用更保真的GSM声码器,或者用AMBE声码器芯片中的最高速率。加上控制数据和纠错,打包后恐怕要按15kbps考虑。本来语音编解码不属于“骨干网”的内容,“骨干网”管好数据就行了,但为了能简单的接驳任何普通中继,“骨干网”设备必须把这部分给管了。

由于用户终端是不合作的(没法合作,因为什么中继都有),出现几个中继同时有人按PTT的情况是必然的,这个问题似乎无解。

为了保证通信质量,要按50W发射功率设计,若采用时分复用,大功率的收发开关是个问题。

整个网可以自己工作,但需要一个测控站,以便于随时了解网络的状态,比如通过指令调取任何一个站的路由表,及时发现基站掉线,机房进水等。还需要一些安全上的保护,比如让任何一个站切断其本地中继等。根据接入的本地中继的重要程度不同,不同的站得有不同的权限,比如若接的模拟中继,就要有严格的通话时间限制,这些限制可以由测控站上传。

当然还可以有更多高级功能,前提是带宽够。


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ehco
5个月15天前 修改于 5个月15天前
7楼
引用虎哥发表于5楼的内容
对呀,这个窄带MESH网的协议如何设计呀,拿802.11s来改吗。有些支路可能很长,比如成都到攀枝花...

    这个我还有点了解,5年以前,主流的MESH方案有两种,一是直接用高通的802.11s基带芯片,二是用openwrt+通用WiFi芯片。前者用的固定帧协议,突破不了6站5跳的限制。后者厉害的公司深入二次了openwrt,将跳数提升到了9站8跳。但是这两种都收到802.11s的协议限制,在多跳后带宽急剧下降,实际应用场景很受限制。而且常见的基带芯片频率都是0.915/1.2/2.4/5.8G这类的ISM频段,要定制频段费用相当惊人。

    近年来,SDR技术的民用化,以936x为代表的高度集成收发器打破了这一僵局,配合ZYNQ,在PS侧跑路由协议(这个细节不太清楚),PL侧跑基带算法,主流的用COFDM+TDM+频率复用架构,除开接收预选及线性PA的限制以外,频段的定制不再是问题,在370M的载频上,实测地地(1.5米高)单跳到了6Km@2Mbps,空地(空端翼龙2无人机10Km高)单跳达到300Km@2Mbps,最关键的一点,通过自动协商发射功率,采用空间频率复用的技术,保障了在4跳后带宽不再下降。实测33节点半径密集组网无压力(理论可以无限多个节点)。

    以下是我们采购的MESH一些验收材料,有点点个参考价值,可能商业敏感,故加分保护,请勿随意扩散。



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虎哥作者
5个月14天前
8楼

其实PDT协议在DMR的基础上增加了自组网的部分,利用两个时隙可以构成单频自组网中继。或许可以参考他这部分来设计这个协议,占用带宽加大到16kHz。

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amo
5个月4天前
9楼
引用虎哥发表于5楼的内容
对呀,这个窄带MESH网的协议如何设计呀,拿802.11s来改吗。有些支路可能很长,比如成都到攀枝花...

脑洞:拿zigbee/蓝牙等各种mesh协议改,重新定义延时、超时等参数;不考虑实时语音通话,改为类似微信那种压缩编码语音消息,当然发文字短信更没问题,本质都是数据包传输;


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大仙
5个月3天前
10楼
引用amo发表于9楼的内容
脑洞:拿zigbee/蓝牙等各种mesh协议改,重新定义延时、超时等参数;不考虑实时语音通话,改为类...

Zigbee 距离感人,lora 还可以

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amo
5个月3天前
11楼
引用大仙发表于10楼的内容
Zigbee 距离感人,lora 还可以

只取其部分协议(数据结构、算法、状态迁移等),底层传输层换掉,不受原来的频段、发射功率限制,所以距离也不是问题了。

就像TCP/IP,传输介质可以是电话线、同轴电缆、各类网线、光纤……


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minexixi酱
1个月28天前
12楼

直接WiFi建立P2P的Hamnet主干网吧,在此网上传输中继语音,玩玩业余高速多媒体通信

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warmonkey
1个月2天前
13楼
引用ehco发表于7楼的内容
    这个我还有点了解,5年以前,主流的MESH方案有两种,一是直接用高通的802.11s基带芯片...

zynq跑开源wifi代码

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