定向Ad hoc網(wǎng)絡(luò)MAC組網(wǎng)技術(shù)研究*

景中源,曾浩洋,李大雙,張 浪

(中國電子科技集團(tuán)公司第三十研究所,四川成都610041)

定向Ad hoc網(wǎng)絡(luò)MAC組網(wǎng)技術(shù)研究*

景中源,曾浩洋,李大雙,張 浪

(中國電子科技集團(tuán)公司第三十研究所,四川成都610041)

定向天線利用數(shù)字信號處理技術(shù)產(chǎn)生空間定向波束,將發(fā)射信號能量集中在某一個或者某些特定的方向上進(jìn)行輻射,其應(yīng)用于傳統(tǒng)的Ad hoc網(wǎng)絡(luò)中能夠有效減少相鄰節(jié)點(diǎn)間的互干擾,并能通過增加同時傳輸?shù)墓?jié)點(diǎn)對數(shù)達(dá)到顯著提升網(wǎng)絡(luò)空間復(fù)用率和容量的目的。首先簡單介紹了定向天線和定向通信特點(diǎn),然后對定向Ad hoc網(wǎng)絡(luò)MAC層組網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了綜述,并對定向鄰居發(fā)現(xiàn)協(xié)議、空分TDMA動態(tài)時隙分配機(jī)制、定向波束對準(zhǔn)與跟蹤技術(shù)等進(jìn)行介紹和梳理,最后總結(jié)現(xiàn)有研究不足并指出未來重點(diǎn)研究方向。

移動自組網(wǎng) 定向天線 MAC層 鄰居發(fā)現(xiàn) TDMA 波束對準(zhǔn)與跟蹤

0 引 言

基于全向天線(Omnidirectional Antenna)傳輸?shù)臒o線Ad hoc網(wǎng)絡(luò)中,通信節(jié)點(diǎn)將射頻能量均勻地分布在其周圍空間,為避免干擾,節(jié)點(diǎn)通信距離覆蓋范圍內(nèi)的其他節(jié)點(diǎn)不能同時進(jìn)行傳輸,同時由于多跳中繼、網(wǎng)絡(luò)自干擾嚴(yán)重等原因,無論是采用劃分子信道的方式,還是改進(jìn)路由算法和MAC協(xié)議的方式,網(wǎng)絡(luò)的吞吐量都不會超過其上限值(ω為數(shù)據(jù)速率,n為節(jié)點(diǎn)數(shù))[1-2],網(wǎng)絡(luò)空間復(fù)用率和無線信道利用率均處于較低水平。

定向天線(Directional Antenna)利用數(shù)字信號處理技術(shù),采用先進(jìn)的波束轉(zhuǎn)換技術(shù)(Switched Beam Technology)和自適應(yīng)空間數(shù)字處理技術(shù)(A-daptive Spatial Digital Processing Technology),產(chǎn)生空間定向波束,將射頻信號能量集中在特定的窄波束內(nèi)進(jìn)行傳輸,能有效地減少對非波束方向內(nèi)的其他節(jié)點(diǎn)的干擾[3],并能顯著地增加數(shù)據(jù)傳輸速率和傳輸距離,同時使1跳和2跳領(lǐng)域范圍內(nèi)互不干擾的多個節(jié)點(diǎn)對同時傳輸成為可能,從而極大地增加了Ad hoc網(wǎng)絡(luò)的空間復(fù)用率、頻譜效率和網(wǎng)絡(luò)吞吐容量。

鑒于全向天線自身存在的諸多瓶頸問題,國內(nèi)外眾多研究者開始逐漸將目光投向增益更高、空間復(fù)用率更好的定向天線研究。但同時也應(yīng)該注意到,相比于全向天線,利用定向天線通信的節(jié)點(diǎn)必須同時將定向波束指向?qū)Ψ角沂瞻l(fā)模式相反才能進(jìn)行有效的通信,這使得許多原本簡單的通信過程,如鄰居發(fā)現(xiàn)、廣播等,變得十分困難。為充分利用和發(fā)揮定向天線傳輸?shù)臐撛趦?yōu)勢,迫切需要根據(jù)定向通信相關(guān)特點(diǎn),為通信節(jié)點(diǎn)的各協(xié)議棧層設(shè)計(jì)新的通信協(xié)議和機(jī)制以控制定向天線系統(tǒng)。

本文首先介紹了定向天線及定向通信的特點(diǎn),然后分析了定向Ad hoc網(wǎng)絡(luò)MAC層組網(wǎng)的若干關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn),并對關(guān)鍵技術(shù)中的定向鄰居發(fā)現(xiàn)協(xié)議、空分TDMA動態(tài)時隙分配機(jī)制、定向波束對準(zhǔn)與跟蹤技術(shù)等進(jìn)行詳細(xì)的介紹和梳理,最后總結(jié)現(xiàn)有研究不足并指出未來重點(diǎn)研究方向。

1 定向通信技術(shù)

1.1 定向天線的特性

定向天線利用數(shù)字信號處理技術(shù)產(chǎn)生空間定向波束,將發(fā)射信號能量集中在某一個或者某些特定的方向上進(jìn)行輻射,而不會干擾到其他方向上節(jié)點(diǎn)收發(fā)信號,并通過增加信號傳輸速率和傳輸距離,來提高無線網(wǎng)絡(luò)的空間復(fù)用度和網(wǎng)絡(luò)的整體性能。

如圖1所示,定向天線的增益圖通常由一個主瓣和若干個副瓣組成,發(fā)射信號能量高度集中在主瓣上面。在主瓣上面,用中心軸線所指的方向作為此波瓣的方向,離中心軸線越近的地方能量越高,而靠近邊緣的地方能量則相對較低。在具體的問題研究中,為了簡化問題的復(fù)雜性,有時會忽略副瓣的存在,而只考慮主瓣,因而又稱之為波束。

定向天線按照波束的形成方式可以分為波束切換天線(Switched Beam Antenna)和自適應(yīng)陣列天線(Adaptive Beam Antenna)兩種[4-5]。

(1)波束切換天線

波束切換天線利用天線陣列發(fā)射固定和相互重疊的有限數(shù)目波束覆蓋整個區(qū)域,這些用來傳輸數(shù)據(jù)包的波束是預(yù)先定義好的,即波束的數(shù)量和方向都是固定好的,發(fā)送節(jié)點(diǎn)只需在這些波束中選擇最合適的波束進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸即可。

圖1 定向天線的主瓣和副瓣Fig.1 Main lobe and side lobes of directional antennas

圖2為理想的K扇區(qū)波束切換天線,它的每個波束指向是固定的,波束寬度隨陣元數(shù)目的確定而確定,波瓣數(shù)越多,波瓣寬度越窄,天線發(fā)射增益越大,覆蓋距離越遠(yuǎn)。

圖2 理想的K扇區(qū)波束切換天線[6]Fig.2 Idealized K sectored-antenna

(2)自適應(yīng)陣列天線

自適應(yīng)陣列天線是由天線陣列和實(shí)時自適應(yīng)信號接收處理器所組成的一個閉環(huán)反饋控制系統(tǒng),它形成的波束寬度和波束指向均是不固定的,可根據(jù)網(wǎng)絡(luò)傳輸過程中的各種反饋信息,如信道狀況、節(jié)點(diǎn)地理位置等,動態(tài)地調(diào)節(jié)各陣元信號的加權(quán)幅度和相位來改變陣列的天線方向圖,以做到精確地覆蓋。

自適應(yīng)陣列天線可以動態(tài)地調(diào)整天線方向,所以即使節(jié)點(diǎn)移動,也不需要切換,減少了切換所產(chǎn)生的網(wǎng)絡(luò)負(fù)載,但由于自適應(yīng)過程實(shí)現(xiàn)中影響因素復(fù)雜,難于動態(tài)捕獲并跟蹤用戶信號,同時移動用戶及多徑情況下的時空信道盲辨識也是一大難點(diǎn)。

與自適應(yīng)陣列天線相比,波束切換天線結(jié)構(gòu)簡單、體積小、成本低,更適用于車載和無人機(jī)等小型移動平臺,應(yīng)用更為廣泛。

1.2 定向通信及特點(diǎn)

定向通信是指完全采用定向天線進(jìn)行數(shù)據(jù)收發(fā)的通信,它利用了定向天線的高增益、方向性、大容量、遠(yuǎn)距離和低截獲等特點(diǎn)。

(1)空間復(fù)用率高

定向天線利用空間窄波束通信,既保證了能量的高度集中,又不會干擾到其他方向上節(jié)點(diǎn)的傳輸,允許多個節(jié)點(diǎn)對同時傳輸而不會造成相互干擾,能夠極大地增加無線網(wǎng)絡(luò)的空間復(fù)用率和網(wǎng)絡(luò)容量。

(2)功耗低

全向天線是將能量均勻地分布在節(jié)點(diǎn)周圍,而使用定向天線則可以用少于全向天線的能量即可覆蓋目標(biāo)節(jié)點(diǎn),同時可以減少通信間干擾、延長電池的使用壽命和延長網(wǎng)絡(luò)的生存周期。

(3)延遲小

高增益定向天線可以顯著地增加傳輸距離,使遠(yuǎn)距離節(jié)點(diǎn)間的通信成為可能,從而減少節(jié)點(diǎn)間的跳數(shù)和轉(zhuǎn)發(fā)次數(shù),并降低轉(zhuǎn)發(fā)成本和端到端延遲。

(4)保密性好

利用空間定向窄波束傳輸,具有內(nèi)在的低截獲概率(LPI,Low Probability of Interception)和低探測概率(LPD,Low Probability of Detection),使敵方難于在通信中探測、截取、阻塞或“造假”傳輸信號,增強(qiáng)了通信的隱蔽性和抗干擾、抗入侵能力,具有較好的安全保密性能,特別適用于戰(zhàn)場通信網(wǎng)絡(luò)等場合。

同時,利用高增益的定向天線傳輸能使天線主瓣波束即最大增益點(diǎn)對準(zhǔn)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)方向,而旁瓣或零陷對準(zhǔn)干擾信號到達(dá)方向,達(dá)到高效利用傳輸信號并抑制干擾信號的目的,從而有效地減少多徑影響和互信道干擾(CCI,Cochannel Interference)[7]。

1.3 定向網(wǎng)絡(luò)MAC組網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)

近年來,隨著商用LTE網(wǎng)絡(luò)的逐漸部署和投入使用,以智能天線技術(shù)為代表的定向天線技術(shù)研究取得了長足的進(jìn)展和不菲的成績,但將其應(yīng)用于無固定通信基礎(chǔ)設(shè)施的自組織網(wǎng)絡(luò)場景時,MAC組網(wǎng)仍面臨諸多的關(guān)鍵技術(shù)和難點(diǎn)的挑戰(zhàn),如圖3所示主要表現(xiàn)在以下幾個方面。

圖3 定向組網(wǎng)MAC層關(guān)鍵技術(shù)Fig.3 Key technologies of directional ad hoc network MAC layer networking

(1)定向鄰居發(fā)現(xiàn)技術(shù)

鄰居節(jié)點(diǎn)發(fā)現(xiàn)是指每個節(jié)點(diǎn)開機(jī)后,在沒有任何鄰節(jié)點(diǎn)先驗(yàn)信息的條件下,通過基于一定的互盲或自盲算法協(xié)議迅速找到其通信覆蓋范圍內(nèi)的所有其他節(jié)點(diǎn)(同時被其他節(jié)點(diǎn)所發(fā)現(xiàn)),并建立基本通信連接的過程[8]。鄰居節(jié)點(diǎn)發(fā)現(xiàn)是Ad hoc網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)的基礎(chǔ)和前提,是網(wǎng)絡(luò)初始化中的重要步驟之一,鄰居節(jié)點(diǎn)信息對于時隙分配和路由算法等都有著重要的影響。在基于定向天線傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)中,由于定向波束較窄且只有節(jié)點(diǎn)同時將波束指向?qū)Ψ角沂瞻l(fā)模式相反時,才能成功發(fā)現(xiàn)對方,致使鄰居發(fā)現(xiàn)過程變得十分困難,因此定向鄰居發(fā)現(xiàn)是進(jìn)行MAC層相關(guān)協(xié)議設(shè)計(jì)時應(yīng)首先需要考慮和解決的問題。

(2)定向TDAM時隙動態(tài)分配技術(shù)

無線信道接入控制,使各定向節(jié)點(diǎn)按照時分多路訪問(TDMA)的媒體接入方法接入共享的無線信道,并協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)之間的信道接入沖突。

(3)定向波束對準(zhǔn)與鏈路動態(tài)跟蹤技術(shù)

裝甲車輛或無人機(jī)(UAV)等移動載體通常處于快速移動狀態(tài),載體的橫滾、俯仰和方位角等運(yùn)動狀態(tài)的變化會造成已建立的定向鏈路的方向指向產(chǎn)生偏離[9],需要設(shè)計(jì)一種波束指向校準(zhǔn)和定向鏈路動態(tài)跟蹤機(jī)制,以實(shí)時糾正波束指向偏差并維持已建立的定向鏈路,確保通信過程不發(fā)生中斷。

(4)定向同步技術(shù)

定向網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)時鐘同步,使各網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)與網(wǎng)絡(luò)中的基準(zhǔn)時鐘節(jié)點(diǎn)同步,確保各節(jié)點(diǎn)對TDMA幀與TDMA時隙的起止時刻有統(tǒng)一的認(rèn)識,實(shí)現(xiàn)高效的信道收發(fā)行為調(diào)度控制。

2 定向網(wǎng)絡(luò)MAC組網(wǎng)技術(shù)研究現(xiàn)狀

目前國內(nèi)外有關(guān)定向網(wǎng)絡(luò)MAC組網(wǎng)技術(shù)的研究主要集中在:定向鄰居發(fā)現(xiàn)技術(shù)、定向網(wǎng)絡(luò)TDAM時隙動態(tài)分配技術(shù)、定向鏈路動態(tài)跟蹤技術(shù)和定向網(wǎng)絡(luò)同步技術(shù)等。

2.1 定向鄰居發(fā)現(xiàn)技術(shù)

多跳無線自組網(wǎng)中,鄰居信息在路由、分群和MAC控制等方面起著至關(guān)重要的作用[6]。在使用全向天線的網(wǎng)絡(luò)中,一個節(jié)點(diǎn)的廣播消息可以被其通信覆蓋范圍內(nèi)的所有鄰居節(jié)點(diǎn)同時收到,因而其鄰居發(fā)現(xiàn)過程是一個相對簡單的問題,不需要專門為其設(shè)計(jì)相應(yīng)的通信協(xié)議。但是,當(dāng)使用定向天線進(jìn)行通信時,鄰居發(fā)現(xiàn)問題將變得十分困難,因?yàn)?

1)定向天線波束寬度較窄,只能覆蓋較小的局部空間范圍,這使得定向鄰居發(fā)現(xiàn)過程必須通過多次調(diào)度才能覆蓋整個空間。

2)定向鄰居節(jié)點(diǎn)必須同時將波束指向?qū)Ψ角沂瞻l(fā)模式相反,才能發(fā)現(xiàn)對方。

3)非理想的定向天線存在旁瓣,導(dǎo)致兩個鄰居節(jié)點(diǎn)間可能發(fā)現(xiàn)位于不同波束扇區(qū)的多條定向鏈路。

公開文獻(xiàn)中已經(jīng)提出了多種定向鄰居發(fā)現(xiàn)協(xié)議,根據(jù)鄰居發(fā)現(xiàn)的不同思路,大致可將這些定向鄰居發(fā)現(xiàn)協(xié)議分為以下3類:第一類,全向天線與定向天線結(jié)合,利用全向天線輔助定向鄰居發(fā)現(xiàn)過程,如文獻(xiàn)[10-12];第二類,基于時間同步的前提,進(jìn)行定向鄰居發(fā)現(xiàn),如文獻(xiàn)[10,13,14];第三類,基于隨機(jī)調(diào)度的定向鄰居發(fā)現(xiàn)協(xié)議,節(jié)點(diǎn)隨機(jī)選擇一個波束方向發(fā)送hello消息,然后在另一個隨機(jī)選取的波束方向進(jìn)行偵聽,如文獻(xiàn)[15]。上述3種定向鄰居發(fā)現(xiàn)協(xié)議,雖然在特定的應(yīng)用場景下都能夠成功發(fā)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)周圍大部分鄰居節(jié)點(diǎn),但同時也各自存在一些顯著的缺點(diǎn)和不足,下面簡要的進(jìn)行分析。

文獻(xiàn)[10-12]中的提出的定向鄰居發(fā)現(xiàn)協(xié)議,利用全向天線輔助定向鄰居發(fā)現(xiàn)過程,存在下述幾個方面的不足:

(1)天線增益不匹配

由于定向天線和全向天線增益存在較大差異,將造成使用這兩種天線進(jìn)行通信的節(jié)點(diǎn)其通信距離的不對稱,這可能導(dǎo)致兩種節(jié)點(diǎn)無法正常交換握手信息(如RTS/CTS信息),從而引發(fā)定向隱藏終端和聾聽節(jié)點(diǎn)等問題。

(2)系統(tǒng)復(fù)雜度高、成本增加

全向天線的使用,需要相應(yīng)的軟件和硬件作為支持,不僅使天線系統(tǒng)變得更加復(fù)雜,同時也會一定程度上增加系統(tǒng)建設(shè)成本,這對于那些成本有嚴(yán)格限制的網(wǎng)絡(luò)是不可想象的。

文獻(xiàn)[10,13,14]中的提出的定向鄰居發(fā)現(xiàn)協(xié)議,假設(shè)所有節(jié)點(diǎn)是時間同步的,以保證同步地進(jìn)行天線扇區(qū)切換。這種時間同步的假設(shè),在實(shí)際組網(wǎng)過程中通常是較難滿足和實(shí)現(xiàn)的,需要在組網(wǎng)之初運(yùn)行復(fù)雜的分布式同步機(jī)制,這又會給整個網(wǎng)絡(luò)增加額外的硬件和控制消息負(fù)擔(dān)。

文獻(xiàn)[1,15]中提出了一種異步的、完全基于定向天線的鄰居發(fā)現(xiàn)協(xié)議,每個節(jié)點(diǎn)首先在一個隨機(jī)選取的波束內(nèi)隨機(jī)偵聽一段時間,然后隨機(jī)選取一個波束方向發(fā)送hello消息,最后又隨機(jī)選取一個波束方向切換至偵聽狀態(tài),并依次循環(huán)執(zhí)行上述鄰居發(fā)現(xiàn)過程。上述鄰居發(fā)現(xiàn)的思路簡單、直接,但是由于它是基于概率的隨機(jī)方法,鄰居發(fā)現(xiàn)的時間具有不確定性,且其鄰居發(fā)現(xiàn)過程不是雙向的,存在孤立節(jié)點(diǎn)無法入網(wǎng)的可能,協(xié)議可靠性較低。

2.2 定向網(wǎng)絡(luò)TDMA時隙動態(tài)分配技術(shù)

在使用定向天線傳輸?shù)亩嗵苿覣d hoc網(wǎng)絡(luò)中,為了充分利用定向天線傳輸?shù)目辗痔匦?并顯著提高網(wǎng)絡(luò)的吞吐量和網(wǎng)絡(luò)容量,需要基于定向鏈路來進(jìn)行時隙資源的動態(tài)分配和調(diào)度,使2跳鄰域范圍內(nèi)節(jié)點(diǎn)間鏈路共享一個或多個時隙資源。

Martha E.Steenstrup等人在文獻(xiàn)[16]中,提出一種基于相鄰節(jié)點(diǎn)可用時隙列表和預(yù)期通信負(fù)載進(jìn)行時隙資源預(yù)留的TDMA時隙分配協(xié)議,將時間劃分為連續(xù)的、周期重復(fù)的TDMA幀,每幀由協(xié)商時隙、預(yù)留時隙和競爭時隙三部分構(gòu)成。其中協(xié)商時隙由請求和響應(yīng)兩個微時隙組成,用于對預(yù)留時隙的申請和應(yīng)答;預(yù)留時隙用于傳輸、接收數(shù)據(jù)消息和Ack確認(rèn)消息;競爭時隙用于重傳未收到Ack確認(rèn)消息的數(shù)據(jù)包,以及當(dāng)通信業(yè)務(wù)量超過預(yù)留時隙承載能力時的數(shù)據(jù)消息傳輸。

仿真結(jié)果表明,Martha E.Steenstrup等人提出的基于TDMA的MAC協(xié)議,相比于基于競爭的定向CSMA/CA協(xié)議[17],在吞吐量、端到端延遲等方面均有較大的改進(jìn)和提高,但是協(xié)議本身未考慮定向鄰居發(fā)現(xiàn)問題,且在協(xié)商時隙的預(yù)約請求微時隙內(nèi)采用定向發(fā)送和全向接收,存在2.1節(jié)所述的諸多問題,協(xié)議實(shí)用性不強(qiáng)。

2.3 定向波束對準(zhǔn)與定向鏈路動態(tài)跟蹤技術(shù)

在完全基于定向天線傳輸?shù)腁d hoc網(wǎng)絡(luò)中,天線波束對準(zhǔn)指通信雙方的天線主瓣波束相互指向?qū)Ψ?以達(dá)到最大的天線發(fā)送和接收增益;定向鏈路跟蹤則是指在通信雙方的相對位置或姿態(tài)發(fā)生變化時,定向波束始終保持對準(zhǔn)狀態(tài),這一過程依賴于天線指向控制。在定向波束對準(zhǔn)的情況下,外部干擾和通信節(jié)點(diǎn)間干擾的影響都會降至最小。

在移動Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)中,為了實(shí)現(xiàn)有效的定向媒體訪問控制協(xié)議和路由協(xié)議,網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的每個節(jié)點(diǎn)應(yīng)該知道如何設(shè)置其傳輸方向,以便準(zhǔn)確地向其鄰居們傳輸分組。因此,在具有移動性的環(huán)境下,每個節(jié)點(diǎn)都需要一種機(jī)制來調(diào)整天線指向,實(shí)現(xiàn)波束對準(zhǔn)與定向鏈路動態(tài)跟蹤。

定向天線對準(zhǔn)與動態(tài)跟蹤是通過調(diào)整天線指向來實(shí)現(xiàn)的,現(xiàn)有文獻(xiàn)中提出的天線指向控制方法主要有全域掃描、局域掃描、GPS坐標(biāo)預(yù)測、軌跡預(yù)測和姿態(tài)修正等,表1為各天線指向控制方法原理介紹和性能對比分析。

從表1可以看出,不同的天線指向控制方法各具其優(yōu)缺點(diǎn),因此有各自的適用范圍。在系統(tǒng)啟動初期,或因某種原因丟失對方位置并失去聯(lián)系時,只能通過全域掃描來搜尋,但是其動態(tài)跟蹤能力較差;在知道對方大致位置時,可采用局域掃描,其動態(tài)跟蹤能力比全域掃描強(qiáng);在可以持續(xù)獲得對方實(shí)時位置時可采用GPS坐標(biāo)預(yù)測,該方式易于實(shí)現(xiàn),其動態(tài)性能較好,但是坐標(biāo)值的獲取依賴于節(jié)點(diǎn)間數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)組成,或者通過其它通信方式間接獲取。在可以獲得對方位置、速度和加速度時可采用運(yùn)動軌跡預(yù)測,但是數(shù)據(jù)如何獲取存在與GPS法同樣的問題,另外計(jì)算方法比較復(fù)雜,但是它可以提前預(yù)測節(jié)點(diǎn)位置,因此具有良好的動態(tài)性能。姿態(tài)修正,即俯仰及搖擺修正,是指根據(jù)本節(jié)點(diǎn)姿態(tài)變化參數(shù),包括俯仰角、搖擺角等,計(jì)算出天線指向因姿態(tài)變化引起偏差,并予以修正,使天線始終保持對準(zhǔn)或跟蹤,這一方法的動態(tài)特性只受節(jié)點(diǎn)總線數(shù)據(jù)分發(fā)及傳輸速率影響,對于解決因本節(jié)點(diǎn)翻滾、上拉或俯仰等動作造成的天線對準(zhǔn)及跟蹤問題具有明顯效果[18]。

應(yīng)當(dāng)注意,根據(jù)具體應(yīng)用場景的不同需要,上述幾種天線指向控制方法可以組合起來靈活使用,以確保定向通信節(jié)點(diǎn)在快速機(jī)動過程中其天線波束始終處于對準(zhǔn)狀態(tài)。

表1 天線指向控制方法對比Table 1 Comparison of different directional beam pointing algorithms

2.4 定向網(wǎng)絡(luò)同步技術(shù)

在定向Ad hoc網(wǎng)絡(luò)中,節(jié)點(diǎn)基于高增益的空間定向窄波束進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸,為了最大化信道利用率,通常采用TDMA信道訪問控制機(jī)制進(jìn)行時隙資源的動態(tài)分配和調(diào)度,網(wǎng)絡(luò)內(nèi)各節(jié)點(diǎn)必須保持時幀的精確同步才能實(shí)現(xiàn)無沖突地信道接入和通信?？梢?時幀同步技術(shù)是定向Ad hoc網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)的前提,是定向節(jié)點(diǎn)正常運(yùn)行鄰居發(fā)現(xiàn)、動態(tài)時隙分配和定向鏈路跟蹤等MAC協(xié)議的基礎(chǔ)。

現(xiàn)有定向Ad Hoc組網(wǎng)方法中,大多依賴于精確的、全球性的、外部產(chǎn)生的時鐘基準(zhǔn),如采用衛(wèi)星(GPS、北斗)等授時方式來實(shí)現(xiàn)所有網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的時幀同步,在干擾嚴(yán)重的戰(zhàn)場環(huán)境下,這種對GPS/北斗等外部授時的過分依賴,將導(dǎo)致自組織網(wǎng)絡(luò)的抗毀性和頑存性差,同時也會極大地降低網(wǎng)絡(luò)的可靠性和縮短網(wǎng)絡(luò)的生存周期。

無線TDMA網(wǎng)絡(luò)的自同步技術(shù)多年來一直都是一個活躍的研究方向,但其大多數(shù)研究的重點(diǎn)都集中在全向網(wǎng)絡(luò)方面,相關(guān)研究成果若不進(jìn)行修改則不能應(yīng)用到定向TDMA網(wǎng)絡(luò)中。文獻(xiàn)[19]提出一種不依賴于外部時間基準(zhǔn)的自同步方法,它僅依靠從該網(wǎng)絡(luò)中能夠得到的信息,實(shí)現(xiàn)時鐘粗同步、時鐘精同步以及時鐘漂移校正,最終達(dá)到與時鐘基準(zhǔn)節(jié)點(diǎn)的完全同步。

3 定向通信MAC組網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用展望

定向天線以其獨(dú)有的特性,使定向通信相比傳統(tǒng)的全向通信擁有眾多的優(yōu)勢,決定了定向通信MAC組網(wǎng)技術(shù)在寬帶無線通信、機(jī)間數(shù)據(jù)鏈、mesh骨干網(wǎng)和隱蔽通信等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

(1)寬帶無線通信

定向通信通常選擇頻譜資源相對豐富的高波段(C/Ku波段,C波段:4.5～4.99 GHz;Ku波段: 14.4～15.4 GHz),并通過采用高調(diào)制效率的波形技術(shù)體制和MAC組網(wǎng)技術(shù),實(shí)現(xiàn)頻率資源的空間復(fù)用和合理的通信規(guī)劃,可實(shí)現(xiàn)地-地30 km、地-空70 km的通信距離,傳輸速率最高可達(dá)110 Mb/s。

(2)機(jī)間數(shù)據(jù)鏈

機(jī)間數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò)具有網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋭討B(tài)變化、無中心自組織、低時延高帶寬、空中節(jié)點(diǎn)快速入/退網(wǎng)和組網(wǎng)方式機(jī)動靈活等特點(diǎn),基于定向天線傳輸?shù)囊苿覣d hoc組網(wǎng)技術(shù)能夠很好滿足上述要求,因而定向MAC組網(wǎng)技術(shù)正逐漸成為下一代航空數(shù)據(jù)鏈組網(wǎng)技術(shù)的研究重點(diǎn)。

(3)mesh骨干網(wǎng)

隨著戰(zhàn)場態(tài)勢的日趨復(fù)雜和戰(zhàn)場數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的日漸豐富,人們對不依賴于固定基礎(chǔ)設(shè)施的無線mesh骨干網(wǎng)通信能力提出了更高的期望和要求。當(dāng)前, mesh骨干網(wǎng)使用的基于全向天線通信的無線傳輸和組網(wǎng)設(shè)備,其通信距離和通信帶寬都較低,已漸漸無法適應(yīng)戰(zhàn)場環(huán)境對更高帶寬、更遠(yuǎn)通信距離的需求。定向通信由于其具有高頻段、高帶寬和遠(yuǎn)距離通信的特點(diǎn),能夠很好地滿足mesh骨干網(wǎng)不斷增長的頻譜和帶寬要求。因此,構(gòu)建高機(jī)動無線mesh骨干網(wǎng)絡(luò)將是定向通信的重要應(yīng)用場景之一。

(4)隱蔽通信

定向通信具有方向性強(qiáng)、低探測和低截獲概率的優(yōu)勢,并且頻段高、帶寬寬,具有保密通信和抗干擾能力,通過定向MAC組網(wǎng)技術(shù)可快速構(gòu)建具有自組織、自愈能力的隱蔽通信網(wǎng)絡(luò)。

4 結(jié) 語

在過去的十年中,將定向窄波束天線應(yīng)用到移動Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)來創(chuàng)建遠(yuǎn)距離、高容量、無線通信網(wǎng)絡(luò)的思想,正從實(shí)驗(yàn)室概念向可以實(shí)用的商用技術(shù)演進(jìn)。但將定向天線技術(shù)直接引入傳統(tǒng)的Ad hoc網(wǎng)絡(luò),也帶來了許多新的挑戰(zhàn)和技術(shù)難題,這在一定程度上限制了定向天線傳輸對網(wǎng)絡(luò)性能的改善、提高程度,因而迫切需要根據(jù)定向天線和定向通信的特點(diǎn)設(shè)計(jì)新的通信協(xié)議和算法。國內(nèi)對定向通信的研究尚處于探索階段,尤其是在定向鄰居發(fā)現(xiàn)、定向天線波束對準(zhǔn)與定向鏈路自動跟蹤等MAC組網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)方面的研究更是少有涉及,因此對其展開研究具有一定的理論意義和實(shí)際應(yīng)用價值。

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JING Zhong-yuan(1988-),male,graduate student,mainly engaged in the research of tactical networking.

曾浩洋(1968—),男,碩士,研究員,主要研究方向?yàn)閼?zhàn)術(shù)通信網(wǎng)絡(luò);

ZENG Hao-yang(1968-),male,M.Sci,research fellow, mainly engaged in the research of tactical network.

李大雙(1963—),男,博士,研究員,主要研究方向?yàn)閼?zhàn)術(shù)網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)與路由技術(shù);

LI Da-shuang(1963-),male,Ph.D.,research fellow, mainly engaged in the research of tactical networking and routing technology.

張 浪(1987—),男,碩士研究生,主要研究方向?yàn)閼?zhàn)術(shù)網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)。

ZHANG Lang(1987-),male,graduate student,mainly engaged in the research of tactical networking.

MAC Layer Networking Technology in Ad hoc Network with Directional Antennas

JING Zhong-yuan,ZENG Hao-yang,LI Da-shuang,ZHANG Lang
(No.30 Institute of CETC,Chengdu Sichuan 610041,China)

Directional antenna produces spatial directional beams with digital signal processing technology, and radiates the signal energy in a certain or some special directions.When applied in traditional ad hoc network,directional antennas can dramatically reduce the interference between neighboring nodes and by increasing the node pairs for simultaneous transmissions,enhance the spatial reuse rate and capacity of the network.Firstly,the basic characteristics of directional antennas and directional communications are briefly introduced in this paper.Then the key networking technologies of directional ad hoc network in MAC layer, such as the protocol of neighbor discovery,TDMA and directional beam pointing and tracking,are summarized.Finally,problems in research and development are discussed in detail.

ad hoc network;directional antennas;MAC layer;neighbor discovery;TDMA;directional beam pointing and tracking

TN929.5

A

1002-0802(2014)09-1041-07

10.3969/j.issn.1002-0802.2014.09.013

景中源(1988—),男,碩士研究生,主要研究方向?yàn)閼?zhàn)術(shù)網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng);

2014-06-01;

2014-07-22 Received date：2014-06-01;Revised date：2014-07-22