宸芯股份自组网知识课堂，无中心宽带自组网成为无人机编队数据链的研究热点

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2024年1月3日下午，青岛市委书记曾赞荣到西海岸新区调研，他来到宸芯科技股份有限公司，详细了解公司技术研发和生产经营情况；对公司坚持国产化芯片自主创新给予高度评价，要求企业在新的一年中以时不我待、只争朝夕的状态抓好科技创新引领，为全市和新区高质量发展贡献力量。

第一期：什么是自组网？

1、什么是自组网？

近几年，无线自组网逐渐在行业通信中应用起来，大家在常见的运营商公网、WiFi、网桥技术之外有更多的选择。尽管自组网是一种新兴的技术，这些年已经有多个不同的细分方向。相对于传统的固定部署的无线网络，笔者认为不依赖于公共设施，设备角色可自动切换或可配置的网络都可以称之为自组网。

2、自组网类型有哪些？

常见的自组网有点对点、星型、中继、MESH、无中心自组网等几种组网拓扑：

点对点组网：点对点即对等式网络（又称点对点技术、点对点协议、点对点通讯），用于两点间相互通信，组网方式简单、方便、快速。尽管两节点位置对等，两节点的时隙占比、发射功率、天线增益等可以不一样，以适应双向不同的业务需求。

星型组网：星型组网是一种一主多从的网络结构方式，主节点与多个从节点之间建立连接，即通过一种特定的点对多点的连接类型的通信。点对多点系统已经被设计为单、双向皆可的系统，星型组网多采用TDMA实现多址传输，单频网络可实现64个以上从节点。常见的WiFi、LTE基站也是一种星型拓扑网络，不过其中心主或从节点为专用设备，一般不能重新设置为从节点或主节点；优秀的自组网星型网络可以根据应用需要，手动或自动设置为主节点或从节点。

中继组网：无线中继网通过中继设备实现信号的中继和放大，从而延伸无线网络的覆盖范围。常见的有链式结构和树型结构，网络拓扑比较固定，数据只能按照固定的方向传输，不能实时灵活改变，该种组网方式多用于相对固定的场景。

Mesh组网：无线Mesh网络，也称为“多跳（multi-hop）”网络，是一种与传统无线网络完全不同的新型无线网络技术；利用分布式思想构建网络，让用户在任何时间、任何地点都可以对互联网进行高速无线访问，是由AD hoc网络发展而来的。无线mesh网络由mesh routers（路由器）和mesh clients（客户端）组成，其中mesh routers构成骨干网络，并和有线的internet网相连接，负责为mesh clients提供多跳的无线internet连接。无线Mesh网络骨干部分和Ad hoc网都采用分布式、自组织的思想形成网络，每个节点都具备路由功能，随时为其他节点的数据传输提供路由和中继服务。

无中心自组网（Ad hoc）：Ad hoc网是一种多跳的、无中心的、自组织无线网络，又称为多跳网（Multi-hop Network）、无基础设施网（Infrastructureless Network）或自组织网（Self-organizing Network）。整个网络没有固定的基础设施，每个节点都是移动的，并且都能以任意方式动态地保持与其它节点的联系。在这种网络中，由于终端无线覆盖取值范围的有限性，两个无法直接进行通信的用户终端可以借助其它节点进行分组转发。每一个节点同时是一个路由器，它们能完成发现以及维持到其它节点路由的功能。Ad hoc网络主要侧重应用于移动环境中，确保网络内任意两个节点的可靠通信，网络内数据流可以包括语音、数据和多媒体信息。

3、自组网应用场景

自组网已在无人机、机器人、应急通信、电力等领域广泛应用，根据各场景业务要求不同选择不同的组网拓扑方式。

01、无人机

无人机数据链：按照传输方向可以分为：上行链路和下行链路。上行链路主要完成地面站到无人机遥控指令的发送和接受，下行链路主要完成无人机到地面站的遥测数据以及视频图像的发送和接收，并根据定位信息的传输利用上下行链路进行测距，数据链性能直接影响到无人机性能的优劣。

一站多机数据链：是一个测控站（地面或空中）与多架无人机之间的数据链。测控站一般采用时分多址方式向各无人机发送控制指令，并釆用时分多址方式区分来自不同无人机的遥测参数和视频图像信息。简化了地面控制站的设备量，使用一个测控站可控制多架无人机；提高了系统互联互通的能力，使无人机实现多机多系统的兼容和协同工作，提高无人机测控系统的使用效率。

协同控制的无人机编队：不仅具有覆盖范围广、极大提高工作效率，而且还可以通过无线多跳的方式解决单架无人机无线通信距离受限的问题，有利于传感与控制信息的传递，是未来无人巡检、物流、和救援中不可或缺的技术手段。无人机间的数据链组网要求提供大容量、稳定、可靠、强大的连通性和互操作能力，这就要求网络是一种移动高带宽网络；当前无中心宽带自组网已经成为无人机编队数据链的研究热点。

02、机器人控制

无线通信技术使机器人能够远距离操作，增强了机器人的灵活性和适应性，使机器人能够实现对更大工作区域的覆盖和控制，提高了生产效率和质量。当前机器人无线通信方式主要有运营商公网、无线Wi-Fi、自组网等，在消防、电力巡检等公网网络能力受限领域，自组网已经成为一种必不可少的通信手段。

03、应急通信

现在有很多种通信技术可以应用在应急救援，每一种通信手段都可以在一些场景发挥作用，但都有局限性，没有一种通信方式可以在各种灾害下，提供可靠的通信保障。业界基本达成共识，需构建空、天、地一体的应急救援融合通信网络。另外，应急救援“最后一公里”通常有建筑物、地下室、树林、山体等遮挡，无法保证视距传输，对无线通信是最复杂最艰难；星型单跳无传输技术无法实现有效通信；无中心自组网以其无中心、自组织、多跳的特点，是应急通信“最后一公里”宽带延伸传输最理想的通信手段。

04、电力输电线路

当前电力铁塔巡检面临环境恶劣区域，巡检人员与后台通信困难，无法保证巡检人员安全；无公网覆盖区域，无人机巡检视频实时回传难等问题。基于自组网技术，以输电铁塔为基础搭建高速通信通道，方便无人机、机巢、巡检人员等快速接入网络，实现无公网区域数据实时回传。

第二期：OFDM与COFDM的区别

1、OFDM技术

OFDM (Orthogonal frequency-division multiplexing, 正交频分复用)是多载波数字调制技术，不像常规的单载波技术，如AM/FM（调幅/调频）在某一时刻只用单一频率发送单一信号，OFDM在经过特别计算的正交频率上同时发送多路高速信号。这一结果就如同在噪声和其它干扰中突发通信一样有效利用带宽。

传统的FDM（频分复用）将带宽分成几个子信道，中间用保护频带来降低干扰，它们同时发送数据。例如：有线电视系统和模拟无线广播等，接收机必须调谐到相应的台站。由于使用无干扰正交载波技术，单个载波间无需保护频带，这样使得可用频谱的使用效率更高，OFDM系统比传统的FDM系统要求的带宽要少很多。

OFDM技术特点：

1）抗多径衰落高效利用频带资源。基于循环前缀，将多径干扰转变为有用信号多径接收，降低自相干干扰和符号间干扰的影响，提高了信道的抗多径衰落能力。特别适合使用在高层建筑物、居民密集和地理上突出的地方以及将信号散播的地区。

2）高效利用频带资源。OFDM技术利用FFT/IFFT算法实现频域信号的变换，使得可以在一个宽带信道上并行传输多个子载波信号，从而提高了频谱利用效率，这一点在频谱资源有限的无线环境中尤为重要。

3）抗窄带干扰性很强。在单载波系统中，单个衰落或干扰能够导致整个通信链路失败，但是在多载波系统中，仅仅有很小一部分载波会受到干扰。对这些子信道还可以采用纠错码来进行纠错。该技术可以自动地检测到传输介质下哪一个特定的载波存在高的信号衰减或干扰脉冲，然后采取合适的调制措施来使指定频率下的载波进行成功通信。

4）灵活性强。OFDM技术可以在不同的应用场景下调整子载波数量和间隔，以适应不同的带宽需求，具有良好的灵活性。

2、COFDM技术

COFDM即编码的OFDM(Coded OFDM)，在进行OFDM调制之前增加一些信道编码（在做正交调制前增加纠错编码和保护间隔），使信号更可靠、有效的传输。

OFDM可很好地解决多径环境中的信道选择性衰落，但对信道平坦性衰落尚未得到较好的克服。其基本原理是将频率选择性衰落信道(频率域)与时变平坦衰落信道(时间域)结合在一起形成时间—频率域。在此域中，高比特率的待调制信号按照一定的规则划分后再进行时间、频率的交错分布。然后再用卷积码将它们相连，这样可使编码后数据信号所受到的衰落具有统计独立性。如果信号在某一载波处受到一个负回波损失，从统计上说在另外的载波上会出现一个正回波，两者相互补偿抵消，从而显著提高OFDM系统的抗误码性能。

3、COFDM的应用

OFDM作为一种可以有效对抗信号波形间干扰的高速传输技术被更广泛应用于宽带移动通信领域。纯粹的OFDM无线传输系统很少应用于实际系统，基本都是基于COFDM技术，如DVB（数字视频广播）、LTE（4G）、WIFI。

早期的COFDM无线图传设备多采用DVB方案改进而来，但存在双向传输、频段、成本等问题，当前市场上已经很少有使用。市面上常见的自组网技术底层多以LTE或WIFI技术改进而来。WiFi技术主要应用于静止近距离常见常见，其用于信道估计的导频子载波比较稀疏（20MHz带宽下仅有4个导频），在无人机图数传、应急通信等移动场景效果不理想；LTE针对于复杂高速移动远距离场景设计，导频密度高（20Mz带宽下有200个导频），具有更强的信号恢复能力，更能适用于遮挡、高速移动等领域。

WiFi导频分布

LTE导频分布

综上，COFDM即为编码的OFDM，在OFDM基础上增加信道编码，提供通信系统误码性能。宸芯科技的自组网是基于LTE底层技术（OFDM多载波、卷积编码/TURBO编码等信道编码技术）上，针对无人机、应急通信等复杂场景优化设计而来。

第三期：自组网中高阶调制的选择？

1、通信系统中的调制

调制是将消息信号与载波信号进行混合，产生一个新的信号的过程，该信号可以将信息远距离传输。或者说，调制是根据消息信号的幅度去改变载波信号的特性（幅度、频率或者相位）的过程。

2、高阶调制特点

高阶调制可以通过将多个低阶调制信号合并在一个载波上，从而提高频谱效率，提高传输速率。

BPSK:一个符号代表1比特信息

QPSK:一个符号代表2比特信息

16QAM:一个符号代表4比特信息

64QAM:一个符号代表6比特信息

256QAM:一个符号代表8比特信息

1024QAM:一个符号代表10比特信息

高阶调制可以传送更多的数据，但星座点间距离更近，更容易受噪声和其他干扰的影响。因此，高阶调制需要更高的信噪比才能正确传输数据，相对低阶调制更容易出现误码。调制阶数越高，信号质量要求越高，应用场景要求越苛刻。

DVB-T(广播)：地面数字无线广播
LTE(4G)：高速移动非视距宽带通信，最远100km
802.11n(wifi 4):室内静止通信，最远300米
NR（5G）：高速移动非视距宽带通信，覆盖距离显著缩小
802.11ax(wifi 6):主要用于室内静止近距离无遮挡场景

3、自组网中的高阶调制

无人机图传、应急通信、电力物联网、车联网是自组网的主要应用场景，具有非视距、高速移动、远距离传输等特点，信道适用于64QAM以下调制，信道条件无法满足256QAM/1024QAM调制要求。

第四期：自组网无线链路可靠性—HARQ技术

无人机、机器人、应急通信场景中，控制信令等数据重要性高，要求底层通信提供可靠传输。TCP是IP层之上面向连接的传输协议，在数据接收错误时可以支持重传，相对UDP可以提供可靠传输。但TCP是面向端到端的协议，传输时延较高；无线传输具有很强的不确定性，也需要有传输可靠性控制技术。

1、无线网络分层

在4G、5G等无线通信协议中，协议从下到上可以分为PHY物理层、MAC层（资源调度）、RLC链路层（根据链路能力将数据分段及组合）及其他高层协议，一般有RLC实现的ARQ技术和MAC实现的HARQ技术。

2、ARQ技术

发送方将要发送的数据包附加一定的冗余检错码一并发出，接收方则根据检错码对数据包进行差错检测，若发现错误就返回无确认(NACK)，发送方收到NACK后，便重新传送该数据。

3、HARQ技术

HARQ是一种链路自适应技术，它组合了前向错误控制原理，在接收方解码失败的情况下，可以保存接收到的数据，并快速要求发送方在指定时间重传数据，接收方可以综合多次接收的数据联合解码，提高解码成功率。此外，HARQ可以实行多个进程并行传输，避免等待浪费时频资源。相比ARQ技术，HARQ重传时延更短、重传接收成功率更高。

4、自组网中的可靠技术

HARQ是一种链路自适应技术，组合了前向错误控制原理，在接收方解码失败的情况下，可以保存接收到的数据，并快速要求发送方在指定时间重传数据，接收方可以综合多次接收的数据联合解码，提高解码成功率。此外，HARQ可以实行多个进程并行传输，避免等待浪费时频资源。相比ARQ技术，HARQ重传时延更短、重传接收成功率更高。

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