李向遠(yuǎn) 張 章 李 楊 殷 璟

(武漢船舶通信研究所 武漢 430079)

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基于QualNet的一種分布式空中骨干網(wǎng)的研究與設(shè)計(jì)*

李向遠(yuǎn) 張 章 李 楊 殷 璟

(武漢船舶通信研究所 武漢 430079)

空中骨干網(wǎng)是由多個(gè)空中平臺(tái)通過(guò)無(wú)線(xiàn)方式連接為其他節(jié)點(diǎn)或網(wǎng)絡(luò)提供服務(wù)的骨干網(wǎng)絡(luò)?？罩泄歉删W(wǎng)動(dòng)態(tài)拓?fù)漕l繁,網(wǎng)絡(luò)負(fù)載能力有限。特別在節(jié)點(diǎn)類(lèi)型較多的應(yīng)用場(chǎng)景下,傳統(tǒng)的組網(wǎng)方法難以滿(mǎn)足需求。論文設(shè)計(jì)了一種全新的分布式空中骨干網(wǎng)的組網(wǎng)方式,從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和資源分配兩方面,對(duì)現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)方式進(jìn)行了改進(jìn),實(shí)現(xiàn)了拓?fù)鋭?dòng)態(tài)快速生成,有效地降低了網(wǎng)絡(luò)負(fù)載,達(dá)到了利用較小網(wǎng)絡(luò)開(kāi)銷(xiāo)維護(hù)網(wǎng)絡(luò)的目的。仿真結(jié)果表明,改進(jìn)的組網(wǎng)方法,滿(mǎn)足空中骨干網(wǎng)絡(luò)的傳輸需求,具有較好的應(yīng)用前景。

空中骨干網(wǎng); 分布式; 資源分配; 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì); QualNet

Class Number TP393

1 引言

分布式空中高速骨干網(wǎng)是一種由空中平臺(tái)、海上平臺(tái)、單兵等組建的超視距寬帶通信網(wǎng)絡(luò),具有很高的通信速率以及較強(qiáng)的抗干擾/抗截獲能力。它利用長(zhǎng)滯空平臺(tái)組網(wǎng)實(shí)現(xiàn)大范圍通信覆蓋,可以允許不同天線(xiàn)類(lèi)型的節(jié)點(diǎn)接入網(wǎng)絡(luò),在微波頻段可以實(shí)現(xiàn)數(shù)百兆的通信速率,空中高速骨干網(wǎng)采用Ad-Hoc[7]方式組網(wǎng),網(wǎng)絡(luò)具有自組織、自愈能力。

分布式空中高速骨干網(wǎng)的使命任務(wù)是構(gòu)建一個(gè)高速骨干承載網(wǎng)絡(luò),為視距內(nèi)和視距外的岸、海、空各單元之間提供接入、轉(zhuǎn)發(fā)、路由的功能,其傳輸能力可滿(mǎn)足如合成孔徑雷達(dá)圖像、光電雷達(dá)/紅外圖像、音/視頻等大容量數(shù)據(jù)的近實(shí)時(shí)傳輸。分布式空中高速骨干網(wǎng)可以作為除衛(wèi)星網(wǎng)之外的一種寬帶、高速的骨干承載網(wǎng)絡(luò),為節(jié)點(diǎn)提供可靠的接入、路由服務(wù),未來(lái)通過(guò)增加與衛(wèi)星的接口,還能利用衛(wèi)星中繼進(jìn)一步擴(kuò)大覆蓋范圍,通過(guò)增加網(wǎng)關(guān)設(shè)備,還可以實(shí)現(xiàn)對(duì)Internet的訪(fǎng)問(wèn)。

對(duì)于節(jié)點(diǎn)類(lèi)型多,網(wǎng)絡(luò)負(fù)載能力有限,拓?fù)渥兓l繁的特殊網(wǎng)絡(luò),常用的Ad-Hoc組網(wǎng)方式具有很大的局限性,難以滿(mǎn)足實(shí)際應(yīng)用需求。本文從分布式空中骨干網(wǎng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和資源分配等方面,使其能夠滿(mǎn)足不同節(jié)點(diǎn)的接入需求。在面對(duì)拓?fù)渥兓l繁的網(wǎng)絡(luò)時(shí),能夠進(jìn)行快速拓?fù)渖?對(duì)接入節(jié)點(diǎn)進(jìn)行有效負(fù)載均衡,使網(wǎng)絡(luò)資源得到合理利用。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

分布式空中骨干網(wǎng)能夠滿(mǎn)足特殊環(huán)境下構(gòu)建高速骨干承載網(wǎng)絡(luò)的需要。針對(duì)特殊環(huán)境下,沒(méi)有預(yù)設(shè)的寬帶骨干網(wǎng)絡(luò)、節(jié)點(diǎn)移動(dòng)頻繁、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋭?dòng)態(tài)變化比較快等特點(diǎn),分布式空中高速骨干網(wǎng)采用了基于Ad-Hoc的分布式的組網(wǎng)方式,使得生成的網(wǎng)絡(luò)具有自組織和自愈能力,在網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)變化頻繁的時(shí)候也能夠快速的進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞母?。由于接入網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)類(lèi)型各異,各節(jié)點(diǎn)所攜帶的天線(xiàn)也各不相同,因此分布式空中骨干網(wǎng)采用分層的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),從節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)絡(luò)兩個(gè)方面滿(mǎn)足不同類(lèi)型節(jié)點(diǎn)的接入需求。

2.1 節(jié)點(diǎn)類(lèi)型

針對(duì)實(shí)際網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用場(chǎng)景中既存在空中平臺(tái)、海面平臺(tái)等允許遠(yuǎn)距離高速通信的大型平臺(tái),也存在單兵等通信受限的小型平臺(tái)的現(xiàn)實(shí)。分布式空中高速骨干網(wǎng)在Lzhak Rubin等研究的基礎(chǔ)上[1],對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)做了改進(jìn),將網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)分為了高速通信節(jié)點(diǎn)(骨干能力節(jié)點(diǎn)BCN或骨干節(jié)點(diǎn)BN)和低速通信節(jié)點(diǎn)(接入節(jié)點(diǎn)RN)兩類(lèi)。高速通信節(jié)點(diǎn)將作為骨干節(jié)點(diǎn)BN或者骨干能力節(jié)點(diǎn)BCN分別接入各自的網(wǎng)絡(luò),為網(wǎng)絡(luò)提供轉(zhuǎn)發(fā)和路由功能。低速通信節(jié)點(diǎn)作為用戶(hù)終端節(jié)點(diǎn)(接入節(jié)點(diǎn)RN)接入相應(yīng)的子網(wǎng),不具備路由和轉(zhuǎn)發(fā)的功能。

本算法中,骨干節(jié)點(diǎn)(BN)和骨干能力節(jié)點(diǎn)(BCN),均作為高速通信節(jié)點(diǎn),但二者在網(wǎng)絡(luò)中所承擔(dān)的角色卻不同,骨干節(jié)點(diǎn)BN被用于組建BNet骨干網(wǎng),骨干能力節(jié)點(diǎn)BCN則被作為BANet骨干接入網(wǎng)的中心節(jié)點(diǎn),兩者皆可以為低速通信節(jié)點(diǎn)提供路由和接入功能。并且隨著拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的變化二者的角色可以根據(jù)轉(zhuǎn)換算法相互進(jìn)行角色轉(zhuǎn)換。

2.2 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

分布式空中高速骨干網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)包括骨干網(wǎng)絡(luò)(BNet)、骨干接入網(wǎng)絡(luò)(BANet)和接入網(wǎng)絡(luò)(ANet)在內(nèi)的三層網(wǎng)絡(luò)[2],如圖1所示。骨干網(wǎng)BNet由骨干節(jié)點(diǎn)BN(圖中的黑色實(shí)心圓點(diǎn))組成,可以為骨干接入網(wǎng)BANet間以及骨干網(wǎng)BNet內(nèi)的信息交互提供路由和傳輸路徑。骨干接入網(wǎng)BANet由一個(gè)骨干節(jié)點(diǎn)BN和多個(gè)骨干能力節(jié)點(diǎn)BCN(圖中的灰色實(shí)心圓點(diǎn))組成,為骨干接入網(wǎng)BANet內(nèi)的接入網(wǎng)ANet間以及BANet內(nèi)的信息交互提供路由和傳輸路徑。接入網(wǎng)ANet由一個(gè)骨干能力節(jié)點(diǎn)BCN和多個(gè)普通節(jié)點(diǎn)RN(圖中的空心圓點(diǎn))組成,為接入網(wǎng)ANet內(nèi)的接入節(jié)點(diǎn)RN提供接入和信息交互功能。

圖1 分層通信關(guān)系圖

這種拓?fù)渖伤惴ㄓ袆e于傳統(tǒng)的Ad-Hoc移動(dòng)自組網(wǎng)完全無(wú)中心的特點(diǎn),在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行過(guò)程中,網(wǎng)絡(luò)中的所有節(jié)點(diǎn)無(wú)需知道全網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),只需知道自己的鄰居節(jié)點(diǎn)以及父節(jié)點(diǎn)的連接情況。因而當(dāng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)發(fā)生變化時(shí),只需要對(duì)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)發(fā)生變化的局部網(wǎng)絡(luò)重新生成拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),從而大大降低了網(wǎng)絡(luò)管理維護(hù)的開(kāi)銷(xiāo)。

3 資源分配

分布式空中高速骨干網(wǎng)資源分配分為頻率資源分配和時(shí)隙資源的分配兩部分的內(nèi)容。

3.1 頻率分配

分布式頻率復(fù)用的主要思路是采用蜂窩機(jī)制,使得空間上相隔較遠(yuǎn)的骨干接入網(wǎng)BANet和接入網(wǎng)ANet能夠重復(fù)使用相同的頻率,大大減少通信所需的頻點(diǎn)數(shù)。分布式頻率復(fù)用算法采用分布式算法,由骨干接入網(wǎng)BANet和接入網(wǎng)ANet的簇頭節(jié)點(diǎn)分別進(jìn)行計(jì)算。算法的具體原理是:簇頭節(jié)點(diǎn)首先收集其他簇頭廣播子網(wǎng)頻率信息,然后通過(guò)算法確定本子網(wǎng)所采用的頻率,當(dāng)頻率出現(xiàn)沖突時(shí)還要通過(guò)頻率協(xié)調(diào)解決沖突。因此整個(gè)分布式頻率復(fù)用算法包括子網(wǎng)頻率選擇和子網(wǎng)頻率選擇沖突后的協(xié)調(diào)算法兩個(gè)主要部分。

3.1.1 頻率選擇算法

由于分布式空中高速骨干網(wǎng)的頻點(diǎn)資源有限,因此必須在頻點(diǎn)的使用上做到充分合理的利用。子網(wǎng)頻率選擇算法[5]就是是骨干接入網(wǎng)BANet的簇頭節(jié)點(diǎn)和接入網(wǎng)ANet的簇頭節(jié)點(diǎn)確定本BANet或ANet所使用的頻率的過(guò)程。BANet的頻率選擇算法具體過(guò)程為:簇頭節(jié)點(diǎn)BN首先偵聽(tīng)其他BN節(jié)點(diǎn)廣播的其他BANet子網(wǎng)間頻率協(xié)調(diào)消息,通過(guò)了解其他BANet子網(wǎng)使用的頻率和時(shí)隙等信息,然后通過(guò)下述算法確定本BANet子網(wǎng)頻率,并廣播本BANet的頻率信息。算法主要流程如圖2所示。

圖2 頻率選擇算法

3.1.2 頻率沖突協(xié)調(diào)算法

在上文提到的分布式子網(wǎng)頻率選擇算法中,當(dāng)存在兩個(gè)或多個(gè)同時(shí)需要確定頻率的BANet子網(wǎng)或ANet子網(wǎng)時(shí),通過(guò)執(zhí)行上述算法,這些BANet或ANet子網(wǎng)將會(huì)分配到同一個(gè)頻率,造成子網(wǎng)間通信頻率的串?dāng)_,因此需要通過(guò)頻率退避[3]的方式進(jìn)行沖突協(xié)調(diào)。

圖3 頻率協(xié)商退避算法

子網(wǎng)間頻率沖突協(xié)調(diào)算法就是通過(guò)改變沖突子網(wǎng)中的某個(gè)子網(wǎng)頻率的方式消除頻率沖突,其原理是骨干接入網(wǎng)BANet或接入網(wǎng)ANet的簇頭節(jié)點(diǎn)先通過(guò)偵聽(tīng)其他BANet或ANet簇頭廣播的子網(wǎng)間頻率協(xié)調(diào)消息,了解頻率沖突情況,然后節(jié)點(diǎn)號(hào)較小的BANet或ANet簇頭節(jié)點(diǎn)按下述算法進(jìn)行退避重選頻率。BANet子網(wǎng)間的頻率沖突協(xié)調(diào)算法具體流程如圖3所示。

3.2 時(shí)隙分配

3.2.1 ANet子網(wǎng)時(shí)隙分配算法

由于接入子網(wǎng)ANet為星形結(jié)構(gòu),其中BCN節(jié)點(diǎn)為中心控制節(jié)點(diǎn)(簇頭節(jié)點(diǎn)),RN節(jié)點(diǎn)為邊緣節(jié)點(diǎn)。因此將由BCN節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)計(jì)算本ANet子網(wǎng)內(nèi)自身以及RN節(jié)點(diǎn)的時(shí)隙分配,并負(fù)責(zé)本ANet子網(wǎng)內(nèi)的數(shù)據(jù)的路由。骨干節(jié)點(diǎn)BCN節(jié)點(diǎn)經(jīng)過(guò)分布式頻率復(fù)用、子網(wǎng)間頻率分配等過(guò)程后,可以確定本ANet子網(wǎng)的頻率和時(shí)隙資源,BCN節(jié)點(diǎn)將對(duì)這些資源進(jìn)行子網(wǎng)內(nèi)的重新分配計(jì)算,具體的計(jì)算過(guò)程為:

1) BCN節(jié)點(diǎn)將子網(wǎng)間頻率協(xié)調(diào)算法得到的本ANet子網(wǎng)時(shí)隙(可能是離散的)看作是一塊連續(xù)的時(shí)隙池。設(shè)該時(shí)隙池的時(shí)隙數(shù)為K個(gè),則可滿(mǎn)足K/2個(gè)RN節(jié)點(diǎn)的時(shí)隙分配;

2) BCN節(jié)點(diǎn)依次為前K/2個(gè)節(jié)點(diǎn)中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)分配2連續(xù)個(gè)時(shí)隙,分別用于BCN節(jié)點(diǎn)和該節(jié)點(diǎn)的上行和下行通信。

3.2.2 BNet子網(wǎng)和BANet子網(wǎng)時(shí)隙分配算法

分布式空中高速骨干網(wǎng)的骨干網(wǎng)BNet和骨干接入網(wǎng)BANet均采用TDPA[4]的通信方式來(lái)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)內(nèi)的信息共享,分別占用不同的固定預(yù)分配時(shí)隙資源(參見(jiàn)時(shí)隙分配圖4)。但是由于頻點(diǎn)數(shù)有限,每個(gè)BANet在子網(wǎng)間協(xié)調(diào)計(jì)算中只分配到一個(gè)頻點(diǎn),因此BANet內(nèi)各節(jié)點(diǎn)主要采用時(shí)分和空分的方式避免沖突,而B(niǎo)Net內(nèi)各節(jié)點(diǎn)采用頻分、時(shí)分和空分方式避免沖突。

BNet子網(wǎng)和BANet子網(wǎng)進(jìn)行時(shí)隙分配算法主要思路是:先采用圖論中的邊染色算法計(jì)算節(jié)點(diǎn)配對(duì)情況,再利用邏輯時(shí)頻分配算法為配對(duì)節(jié)點(diǎn)分配邏輯時(shí)隙,然后根據(jù)天線(xiàn)模型對(duì)同一時(shí)隙中的各復(fù)用節(jié)點(diǎn)對(duì)進(jìn)行空間干擾判斷,對(duì)存在相互干擾的復(fù)用節(jié)點(diǎn)對(duì)錯(cuò)開(kāi)時(shí)隙或者分配不同頻率,最后形成無(wú)干擾的物理時(shí)頻分配表。具體的算法流程如圖4所示。

4 基于QualNet的仿真及結(jié)果分析

本仿真所使用的通信協(xié)議是在QualNet自帶的TDMA[6]協(xié)議的基礎(chǔ)上按照本文提出的分布式空中高速骨干網(wǎng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了改造,并且加入了節(jié)點(diǎn)的平均信息共享時(shí)延的統(tǒng)計(jì),作為網(wǎng)絡(luò)性能好壞判定的依據(jù),完成對(duì)生成的分布式空中高速骨干網(wǎng)性能的測(cè)試。

圖4 TDPA時(shí)隙分配算法

圖5 網(wǎng)絡(luò)工作流程圖

分布式空中高速骨干網(wǎng)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行可以分為拓?fù)渖珊瓦\(yùn)行兩個(gè)階段,經(jīng)歷節(jié)點(diǎn)發(fā)現(xiàn)、節(jié)點(diǎn)關(guān)聯(lián)和節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)換三個(gè)步驟。在拓?fù)渖呻A段,各節(jié)點(diǎn)進(jìn)行hello消息的發(fā)送和接收完成節(jié)點(diǎn)發(fā)現(xiàn),并通過(guò)拓?fù)潢P(guān)聯(lián)生成算法生成和更新網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?然后通過(guò)時(shí)隙表分配算法生成供各節(jié)點(diǎn)運(yùn)行的時(shí)隙表,最后整個(gè)網(wǎng)絡(luò)將按照生成的時(shí)隙表來(lái)運(yùn)行,當(dāng)拓?fù)涓轮芷诘絹?lái)后,開(kāi)始重新進(jìn)行新一輪的拓?fù)渖珊瓦\(yùn)行。分布式空中高速骨干網(wǎng)的整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行的詳細(xì)流程如圖5所示。

具體的仿真中使用的參數(shù)如表1所示。

表1 QualNet仿真參數(shù)

4.1 拓?fù)渖?/p>

對(duì)于十個(gè)節(jié)點(diǎn)而言,經(jīng)過(guò)節(jié)點(diǎn)發(fā)現(xiàn)、節(jié)點(diǎn)關(guān)聯(lián)和節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)換等三個(gè)過(guò)程完成第一輪拓?fù)渖?再經(jīng)過(guò)第二輪拓?fù)溥^(guò)程最終形成BNet、BANet和ANet等三類(lèi)子網(wǎng)。拓?fù)渖珊蟮耐負(fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 拓?fù)渖珊蟮耐負(fù)浣Y(jié)構(gòu)

經(jīng)過(guò)兩輪的拓?fù)渖傻倪^(guò)程,分布式空中高速骨干網(wǎng)的三層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)就得以確立,系統(tǒng)也將根據(jù)這個(gè)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)來(lái)進(jìn)行時(shí)隙分配以及之后的網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行。對(duì)于規(guī)模較大的網(wǎng)絡(luò),以平均信息共享時(shí)延作為網(wǎng)絡(luò)性能的評(píng)價(jià)依據(jù)。

4.2 時(shí)延分析

通過(guò)上文的拓?fù)渖伤惴ㄖ?入網(wǎng)的節(jié)點(diǎn)將生成分布式空中骨干網(wǎng)的三層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),然后將按照生成的時(shí)隙分配表所分配的時(shí)隙進(jìn)行數(shù)據(jù)收發(fā),最后統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)在全網(wǎng)的平均信息共享時(shí)延。本文將根據(jù)平均信息共享時(shí)延判定算法生成的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是否有效。由于仿真中網(wǎng)絡(luò)采用改進(jìn)的TDMA協(xié)議進(jìn)行工作,因此平均時(shí)延在本仿真中用時(shí)隙數(shù)表示。本文定義的網(wǎng)絡(luò)平均共享時(shí)延為各節(jié)點(diǎn)收到其他節(jié)點(diǎn)共享的信息所需時(shí)隙數(shù)的均值。仿真得到的不同網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的平均信息共享時(shí)延統(tǒng)計(jì)如圖7所示。

圖7 平均信息共享時(shí)延統(tǒng)計(jì)圖

可以看到,網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫畔⑵骄蚕頃r(shí)延與網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)成一個(gè)大致的線(xiàn)性關(guān)系,通過(guò)仿真驗(yàn)證當(dāng)網(wǎng)絡(luò)規(guī)模為100個(gè)節(jié)點(diǎn)時(shí)的平均信息共享時(shí)延為52.35個(gè)時(shí)隙,驗(yàn)證了這種線(xiàn)性關(guān)系。當(dāng)這樣的網(wǎng)絡(luò)作為無(wú)線(xiàn)骨干網(wǎng)絡(luò)時(shí),可以滿(mǎn)足節(jié)點(diǎn)接入、路由等通信需求。

5 結(jié)語(yǔ)

網(wǎng)絡(luò)的特殊需求,決定了基于Ad-Hoc的空中骨干網(wǎng)組網(wǎng)方法難以滿(mǎn)足實(shí)際需要,對(duì)拓?fù)鋭?dòng)態(tài)生成和網(wǎng)絡(luò)負(fù)載能力都提出了更高的要求。本文以空中骨干網(wǎng)在特殊網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用為背景,提出了一種分布式空中骨干網(wǎng)的設(shè)計(jì)方法,通過(guò)更加合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了資源的有效分配。QualNet仿真結(jié)果表明,這種網(wǎng)絡(luò)可以滿(mǎn)足節(jié)點(diǎn)接入、路由等通信需求,實(shí)現(xiàn)了拓?fù)淇焖賱?dòng)態(tài)生成,有效地降低了網(wǎng)絡(luò)負(fù)載。

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Research and Design of Distributed Air Backbone Network Based on QualNet

LI Xiangyuan ZHANG Zhang LI Yang YIN Jing

(Wuhan Maritime Communication Research Institute, Wuhan 430079)

The air backbone network provides service to other node or network, which is a wireless network of aerial platforms. The frequent topology change and the limited network capacity make it difficult for the traditional networking mode to meet the air backbone network’s need, especially when the kinds of node are large. Improving the traditional networking mode from the resource allocation and structural design, this paper designs a new networking mode to reduce the network load and network cost. At the mean time, this new mode is efficient for the dynamic topology discovery. The imitation results show that this improved networking mode can meet the need of the air backbone network, therefore, extending prospects in the application.

air backbone network, distributed, resource allocation, structural design, QualNet

2014年11月5日,

2014年12月17日

李向遠(yuǎn),男,工程師,研究方向:無(wú)線(xiàn)通信。

TP393

10.3969/j.issn1672-9730.2015.05.013