紫外光Ad Hoc網(wǎng)絡中頻分復用技術仿真研究

楊剛等

摘 要： 基于紫外光通信的Ad Hoc網(wǎng)絡具有移動性好、低竊聽率、抗干擾能力強和非直視通信等特點，成為軍事領域上的研究熱點。針對紫外光非視距通信帶寬受限的問題，將頻分復用技術引入到紫外光Ad Hoc網(wǎng)絡，仿真結果表明，改進后的網(wǎng)絡與原始網(wǎng)絡相比，網(wǎng)絡性能在信道帶寬和吞吐量上均有顯著的提高。

關鍵詞： 紫外光通信； Ad Hoc網(wǎng)絡； 頻分復用； 網(wǎng)絡性能

中圖分類號： TN929.12?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2014）19?0010?04

Simulation research on FDM technology in UV Ad Hoc network

YANG Gang， LI Xiao?yi， MA Bao?hong， MA Ning， ZHAO Fang

（Chongqing Key Laboratory of Emergency Communication， Chongqing Communication Institute， Chongqing 400035， China）

Abstract： Ad Hoc network based on ultraviolet （UV） communication has good mobility， low wiretap rate， great anti?interference ability and non?line?of?sight （NLOS） communication， which has become a research hotspot in the military field. In order to overcome the problem of UV NLOS communication bandwidth limitation， the frequency division multiplexing （FDM） technology was introduced into the UV Ad Hoc network. The simulation results show that， compared to the original one， the modified network can significantly improve network performance in channel bandwidth and throughput.

Keywords： UV communication； Ad Hoc network； FDM； network performance

0 引 言

紫外光Ad Hoc網(wǎng)絡是由紫外光通信和Ad Hoc網(wǎng)絡結合而成，將紫外光作為信息載體，通過紫外光在大氣信道中的散射進行信息交互，并利用Ad Hoc網(wǎng)絡的多跳性克服了紫外光通信距離短的困難，同時彌補了傳統(tǒng)光通信不能進行非視距通信，受氣候影響嚴重的缺陷，是一種極具發(fā)展?jié)摿Φ能娛峦ㄐ攀侄巍?/p>

一般情況下，紫外光通信采用波長為200～280 nm的“日盲”紫外光作為載波，導致紫外光通信頻譜資源緊缺，再加上大多數(shù)的Ad Hoc網(wǎng)絡只配置了單一信道，以確保所有節(jié)點的連接狀態(tài)，由紫外光頻譜提供的總帶寬沒有被完全利用。因此，如何設計一個性能良好的MAC協(xié)議來提高頻譜利用率就成為紫外光Ad Hoc網(wǎng)絡研究的主要內(nèi)容。

為了解決以上問題，可以使用頻分復用技術即多信道技術，進行多信道接收和轉發(fā)，提高紫外光Ad Hoc網(wǎng)絡的吞吐量。本文在文獻[1]的基礎上，使用NS2網(wǎng)絡仿真軟件對一種多信道接入?yún)f(xié)議進行了仿真驗證。不同的是，仿真不僅完成了多信道的擴展，還實現(xiàn)了信道切換功能。

1 紫外光非直視通信信道模型

由于傳統(tǒng)無線傳輸模型Two?Rayground[2]已經(jīng)不再適合紫外光非直視通信，因此得圖1所示的紫外光非直視單散射通信信道模型[3]，光源[Tx]設置發(fā)射仰角和發(fā)散角分別為[θ1，][?1]，探測器[Rx]設置接收仰角和視場角分別為[θ2，][?2]。紫外光子通過自由空間衰減到達散射區(qū)域[ξ，]接收端則通過收集單次散射后的光束完成非視距通信。

由于存在大氣吸收等因素[4]，接收功率[Pr]的理論計算公式為：

[Pr=PtArKsPsGtGr?2?21sinθ1+θ232π3rsinθ11-cos?12e-Kersinθ1+sinθ2sinθ1+θ2]

式中：[Gt]為發(fā)送天線增益；[Gr]為接收天線增益；[r]為直線距離；[Ar]為接收孔徑面積；[Ps]為散射角[θs]的相函數(shù)；衰減系數(shù)[Ke=Ka+Ks，]其中[Ka]為大氣吸收系數(shù)，[Ks]為大氣散射系數(shù)。[Ks，][Ka，]紫外光波長[λ]和大氣信道特性有關。因此，從式中可以看出，除了大氣信道特性外，天線增益、通信距離、接收孔徑面積、節(jié)點發(fā)送接收角度等因素都會影響紫外光節(jié)點接收功率大小。

2 紫外光Ad Hoc網(wǎng)絡節(jié)點模型

Ad Hoc網(wǎng)絡節(jié)點模型從上到下依次為應用代理（Application Agent）、路由代理（Routing Agent）、鏈路層（Link Layer）、MAC層、網(wǎng)絡接口（Network Interface）和物理信道（Channel）等，每個模塊負責實現(xiàn)自己獨立的功能。如圖2所示，Ad Hoc網(wǎng)絡為單信道，當多個節(jié)點通過網(wǎng)絡接口接入信道，并同時發(fā)送數(shù)據(jù)時，發(fā)送包必定會在信道上發(fā)生碰撞而造成丟包，嚴重影響網(wǎng)絡性能。

為解決上述問題，Cantabria大學的Ramon教授提出了多信道多接口模型，這里簡稱Ramon模型[5]。Ramon模型是由原模型修改而來，如圖3所示。

對比發(fā)現(xiàn)，新模型的本質(zhì)是通過對信道的復制實現(xiàn)了多信道，同時為每個信道配置了一個由鏈路層、接口隊列、MAC層、ARP、網(wǎng)絡接口組成的模塊。紫外光Ad Hoc網(wǎng)絡節(jié)點模型主要借鑒此模型。

3 紫外光頻分復用協(xié)議描述

復用技術在紫外光通信上的研究較少，文獻[6]講述了一種空分復用的方法，將節(jié)點多個接口連接到單一信道上，每個接口使用定向天線以使其覆蓋范圍不同。文獻[7]針對部隊機動指揮所駐停的情況，提出了流沖突圖的最優(yōu)染色算法，為信道時隙分配奠定了基礎。

頻分復用實現(xiàn)最簡單，文獻[1]將它運用到紫外光通信中，大大提高了網(wǎng)絡性能，但它建立了與信道相同數(shù)量的接口數(shù)，并將各接口固定綁定到不同的信道上，這樣靜態(tài)的綁定狀態(tài)使節(jié)點在分配到一定的頻帶后，在通信過程中自始至終都占用這個頻帶，不會根據(jù)信道利用情況使用不同的信道，造成了資源的浪費。為了最大化地利用所有可用信道，本文引用分析了動態(tài)信道切換[8]。

3.1 多信道多接口支持

NS2仿真軟件實現(xiàn)了網(wǎng)絡節(jié)點的許多基本功能，但Ad Hoc網(wǎng)絡節(jié)點模型只能工作在單一信道下。依照圖3的紫外光Ad Hoc網(wǎng)絡節(jié)點模型，在NS2中增加多信道多接口代碼，修改部分主要包括OTCL和C++，文獻[5]詳細介紹了多信道的原理和代碼實現(xiàn)，在這里不再贅述。

3.2 信道切換

信道切換是通過給特殊信道分配接口來保證節(jié)點的鄰居節(jié)點能夠隨時通信。在講具體做法前首先介紹下面幾個概念：

固定接口：固定接口用來接收數(shù)據(jù)，協(xié)議將節(jié)點N個接口中的M個接口作為固定接口，其對應的信道為固定信道。

變化接口：發(fā)送方可通過切換變化接口至接收方的固定接口完成數(shù)據(jù)發(fā)送，協(xié)議將剩下的N-M個接口作為變化接口，其對應的信道為變化信道。

鄰居節(jié)點表（NeighbourTable，NT）：鄰居節(jié)點表包含鄰居節(jié)點所使用的固定信道。

信道使用表（ChannelUsageList，CUL）：信道使用表用于存儲固定信道的使用情況。

協(xié)議如下：

（1） 初始化時，每個節(jié)點隨機選擇一個接口作為它的固定接口，并將剩下的接口作為變化接口。以3節(jié)點的場景為例，每個節(jié)點有[N=2]個接口（其中固定接口[M=1]個，變化接口[N-M=1]個），如圖4所示。首先，節(jié)點A、B、C都隨機選擇了接口1為固定接口，接口2為變化接口，相應的信道1為固定信道，信道2為變化信道。

（2） 節(jié)點定期維護自己的鄰居節(jié)點表NT和信道使用表CUL，即節(jié)點周期性地在每個信道上廣播一個Hello或者路由發(fā)現(xiàn)包，里面包括有NT和CUL表。當鄰居節(jié)點收到此包時，立即更新自己NT和CUL表里的內(nèi)容。

（3） 節(jié)點周期地訪問CUL表，訪問周期主要由數(shù)據(jù)傳輸時間決定。當節(jié)點發(fā)現(xiàn)自己所使用的固定信道利用率高時，節(jié)點會以[p]的概率改變自己的固定信道至利用率低的信道上，然后發(fā)送一個Hello或者路由發(fā)現(xiàn)包通知鄰居節(jié)點。同理，接收到此包的節(jié)點會更新自己的NT和CUL表。

（4） 發(fā)送數(shù)據(jù)時，發(fā)送方的變化接口會根據(jù)接收方的固定接口而改變。例如，在節(jié)點A向節(jié)點B發(fā)送數(shù)據(jù)之前，由于B的固定接口為1，A的變化接口會從2轉化至1，這樣A、B連接在同一信道上，可以實現(xiàn)通信。同樣的，在B向C發(fā)送數(shù)據(jù)之前，B的變化接口也會轉換成接口1。最后，一旦數(shù)據(jù)流建立起來，長時間內(nèi)就不需要改變固定接口。

4 仿真及分析

仿照NS2中的Two?Rayground模型和文獻[5]分別添加紫外非直視通信信道模型和紫外光Ad Hoc網(wǎng)絡節(jié)點模型，設置仿真場景如圖5所示。

具體參數(shù)如下：

（1） 拓撲形狀為鏈狀拓撲，長度從2個節(jié)點增加到10個節(jié)點，用N表示，節(jié)點之間距離為200 m，仿真時間為100 s，節(jié)點0從第1 s開始向節(jié)點N-1發(fā)送數(shù)據(jù)，第101 s停止發(fā)送；

（2） 信道數(shù)量從2～4，用C表示。每個節(jié)點設置2個接口，其中1個固定接口，1個變化接口，用I表示；

（3） 鏈路數(shù)據(jù)流為CBR流，數(shù)據(jù)包大小為1 000 B，發(fā)送間隔為0.016 s，信道帶寬為600 Kb/s；

（4） 假設在理想情況下，當紫外光波長[λ]=265 nm時，設置紫外光非直視通信信道模型參數(shù)[Ps]=1，[Ar]=1.8 cm2，[Ks]=0.157 km-1，[Ke]=1.23 km-1，[?1，][?2]=45°，[θ1，][θ2]=89°；發(fā)送功率[Pr]=0.28 W，信道切換概率[p]=0.4。

仿真測量的吞吐量和丟包率如圖6，圖7所示。

仿真結果表明：在相同的信道帶寬下，多信道的網(wǎng)絡性能明顯優(yōu)于單信道。

從圖6中可以看到，當信道數(shù)固定時，吞吐量隨節(jié)點數(shù)的增加而減少，并在節(jié)點數(shù)大于信道數(shù)+1時變化敏感。例如，在2C2I這條曲線上，節(jié)點數(shù)為3時所對應的吞吐量為500 Kb/s，節(jié)點數(shù)為4時的吞吐量出現(xiàn)大幅度的下降，約為250 Kb/s，而后曲線變化較為平緩。這是因為當節(jié)點數(shù)為信道數(shù)+1時，一些相鄰節(jié)點會使用到同一個信道而造成數(shù)據(jù)包沖突，這在圖7的丟包率中得到驗證。

觀察圖7可得，當節(jié)點數(shù)為7時，4C2I的丟包率大約為52%，2C2I，1C1I的丟包率大約為70%。而隨著節(jié)點數(shù)的增加，當節(jié)點數(shù)為10時，4C2I，3C2I，2C2I三條曲線的丟包率在72%左右，相差不大。這說明當節(jié)點數(shù)遠大于信道數(shù)量時，網(wǎng)絡丟包嚴重，信道數(shù)的變化對網(wǎng)絡性能的影響較小。但總體上多信道的性能好于單信道。

5 結 語

著眼紫外光通信今后在軍事領域的發(fā)展趨勢，本文研究了紫外光Ad Hoc網(wǎng)絡條件下頻分復用技術及其改進方法，在NS2上進行了多信道擴展，實現(xiàn)了信道切換的功能，并在特定拓撲下進行了測試。仿真結果表明，固定拓撲情況下，當節(jié)點數(shù)固定時，隨著信道數(shù)的增加，網(wǎng)絡吞吐量增加；當信道數(shù)固定時，隨著節(jié)點數(shù)的增加，網(wǎng)絡吞吐量呈下降趨勢?？傮w上頻分復用技術提高了紫外光Ad Hoc網(wǎng)絡的網(wǎng)絡性能，有效解決了紫外光通信帶寬受限的問題，為時分復用和空分復用在紫外光Ad Hoc網(wǎng)絡的研究提供了借鑒。

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