业余无线电远程数据联网

一种支持IPv4的新协议可在简单硬件上运行

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将近15年来，我一直是一名业余爱好者兼创客。我喜欢发明和制造小物件。2013年，我在关注一种称为“NBP”的协议，这是一种通过业余无线电线路搭建数据网络的协议。20世纪之初开发的NBP是知名的AX.25协议的潜在替代品，AX.25协议从20世纪80年代中期就被用于数字链路。我相信使用现代设计将可以创造出更加易于使用、实施成本低的协议。

我花了6年时间，取得的成果是新型无线分组（New Packet Radio，NPR），我选择用我的网名F4HDK发布它。它支持现今通用的通信标准——互联网IPv4，而且在流行的70厘米UHF业余无线电频带上，数据传输速度高达500千比特/秒。诚然，500千比特/秒不如欧洲的Hamnet和美国的AREDN业余网络每秒几兆的速度快，二者使用的是类似Wi-Fi的千兆赫频率。不过，它还是比AX.25链路常用的1.2千比特/秒要快，而且即使视距链路上存在障碍物，70厘米频带也能实现长距离传输。

最初，我设想上行和下行链路使用不同的频带：在下行链路中使用数字卫星电视的DVB-S标准，而在上行链路中使用频移键控（FSK）的变种来编码。但是要实现上下行链路同步太复杂了。之后，我试着使用具备现场可编程门阵列（FPGA）的软件定义无线电。得益于之前的项目，我有一些FPGA方面的经验，在那个项目中，我曾用Altera Cyclone 4 FPGA制成了一个完整的自定义CPU。我的目标是使用FPGA完成所有的调制解调，但是事实再次证明，这种方法太复杂。我差不多花了两年的时间，结果这些想法都走进了死胡同。

之后，我幡然醒悟，后悔自己为什么不早点使用工业、科学和医疗芯片（ISM）。这类芯片是在非通信目的窄带无线电频段中使用的，最初用于无线射频加热。后来ISM频带因不需要使用许可而在通信领域受到了欢迎。在非洲、欧洲和北亚，434兆赫的70厘米业余无线电频带中都有ISM频段，因此可以买到这个频段的商业ISM芯片。

我选择了基于Si4463 ISM收发器来搭建我的硬件，因为它价格低廉、灵活性高，在很多组件和分线板上都可以使用，而且它每秒能够处理1兆字节的原始数据。它适于短距离应用，因此芯片的无线电部分并不是最优的，但是它能工作。为了实现较长的传输距离，你需要一个放大器来提高射频功率。在我的NPR计划中，我需要一个可以在发送和接收之间快速切换的放大器。我找到一些应用范围较广的手持电台外部20瓦放大器，这种电台使用欧洲开发的数字移动无线电标准（DMR），该标准于2005年获得批准。在DMR标准中，无线电设备必须能在60毫秒内处理一个完整的发送接收周期。我为NPR约束确定了一个80毫秒长的最小周期。

ISM收发器与Mbed Nucleo STM32 L432KC微控制器连接，微控制器使用Arm Cortex CPU。

然后，微控制器与以太网接口连接，负责运行NPR协议的所有细节。任何联网的个人计算机或网络设备都可将该无线电链路视为另一个IPv4连接设备，不需要安装特定NPR软件。NPR调制解调器可通过IPv4或USB连接进行配置。这套硬件的总成本约为80美元，我的一个合作伙伴Funtronics将在网上出售相关套件。如果你想要从头开始自己制造调制解调器，可以在我的Hackaday项目页上获取详细的说明和NPR协议软件。

NPR协议基于星型模式，在这种模式中，中央调制解调器与多个客户端调制解调器连接。目前最多可连接7个调制解调器，我的计划是将其扩展到15个。客户端调制解调器与中央调制解调器之间的理论最大距离为300公里。之所以存在这一限制是因为NPR使用时分多址（TDMA）技术。其中，中央调制解调器和客户端发送的频率相同，但发送时间不同，中央调制解调器指定各客户端发送信号时间，并根据距离造成的延迟做出调整。一个完整的发送接收周期为80毫秒到200毫秒，具体取决于选择的调制类型和数据速率。

创造NPR协议是我这个项目很有趣的一部分，我要决定如何在无线传输数据帧内对数据安排打包，以及NPR调制解调器之间如何互动。又过了两年，我不再孤军奋战了，我在法国当地的业余无线电社群分享了NPR。到2018年底，我们开始在真实世界环境中对它进行测试。我们已经完成了距离超过80公里的测试，现在我正在获得来自全球社群的帮助，特别是德国业余爱好者。目前，NPR主要用于在2.4至5.6千兆赫信号无法实现视距无线传输的地区访问现有的本地高速业余无线电网络。

虽然NPR可以使用了，但我首先要承认它还是一项年轻的技术，还没有完全成熟。除了增加中央调制解调器能够支持的客户端数量外，我还有很多改进的想法，例如增加对服务质量（QoS）优先级的支持以便NPR能用于传送数字语音、允许直接传输太网数据帧，以及将上行和下行频段分开等。

作者：F4HDK

IEEE Spectrum

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