一種基于雙收發(fā)信機三信道的移動互聯(lián)網終端系統(tǒng)

韓仲華　苑海濤　劉經緯

摘 要： 提出了一種基于雙收發(fā)信機三信道的移動互聯(lián)網終端系統(tǒng)，并論述了設計實現(xiàn)此類高性價比的自組織移動互聯(lián)網系統(tǒng)的關鍵技術。這種設計思想既考慮到了收發(fā)信機數(shù)量與移動終端物理受限條件間的平衡問題，也考慮到了頻譜資源環(huán)境與頻率復用效率間的平衡問題，因此可以成為高性價比自組織移動互聯(lián)終端的一類典型發(fā)展方向。

關鍵詞： 收發(fā)信機； 三信道； 移動互聯(lián)網； 信標； 鄰居節(jié)點

中圖分類號： TN911.7?34； TP393.04 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2014）19?0033?04

Mobile Internet terminal system based on dual?transceiver three?channel

HAN Zhong?hua， YUAN Hai?tao， LIU Jing?wei

（North China Institute of Computing Technology， Beijing 100083， China）

Abstract： A mobile Internet terminal architecture based on dual?transceiver three?channel is proposed. The key technologies to realize the high performance?cost ratio of the self?organized mobile Internet system are discussed. Not only the balance problem between the amount of transceivers and the physical limited conditions of mobile terminal is considered， but also the balance problem between the spectrum resources and the frequency reuse efficiency is studied. Therefore， the main idea mentioned above can be a typical development direction of self?organized mobile internet terminal system with high performance? cost ratio.

Keywords： transceiver； three?channel； mobile Internet； beacon； neighbour node

0 引 言

從歷史發(fā)展的過程來看，自組織形態(tài)的移動互聯(lián)網仍處于方興未艾的階段，其節(jié)點設備目前主要受限于能量、體積、重量、溫度四大基本物理條件，由此帶來的限制主要體現(xiàn)在節(jié)點的計算能力和通信能力。與此同時，相比于固定基站應用模式下的移動終端，單從個體看，兩者計算能力受限情況類似，但通信能力與便攜能力就存在很大差別了。盡管如此，針對缺乏固定基站可依托的任務環(huán)境而言，自組織移動互聯(lián)網依然是必選項。面對網絡性能這一持續(xù)性增長的需求，可通過增加計算資源與通信資源獲得能力的提升，但考慮到移動任務與移動主體的限制，必須達到相對平衡，實現(xiàn)性能與代價的比率。

移動互聯(lián)網節(jié)點計算能力一般由單一核心芯片決定，從芯片技術發(fā)展趨勢看，芯片并非是性能瓶頸。通信能力主要由集成的收發(fā)信機決定，為了提高移動組網能力，必須提高單節(jié)點時間重用效率。時間重用效率提升的有效手段就是增加收發(fā)信機及采用頻分復用技術。此外，根據(jù)對現(xiàn)有技術成本的比較，頻分系統(tǒng)比空分系統(tǒng)的復雜度要高出許多，但頻率復用性價比優(yōu)勢明顯。由于移動系統(tǒng)的尺寸與溫度受限等原因，需要建立一套系統(tǒng)解決方案，即如何在非單一且數(shù)量有限的收發(fā)信機的條件下，最大限度地提升自組織移動互聯(lián)網的性能。

本文提出了一種基于雙收發(fā)信機三信道的移動互聯(lián)網終端系統(tǒng)，并論述了設計實現(xiàn)此類性能/代價比值較高的自組織移動互聯(lián)網系統(tǒng)的關鍵技術。這種設計思想既考慮到了收發(fā)信機數(shù)量與移動終端物理受限條件間的平衡問題，也考慮到了頻譜資源環(huán)境與頻率復用效率間的平衡問題，因此可以成為高性價比自組織移動互聯(lián)終端的一類典型發(fā)展方向。

1 綜合策略分析

1.1 應用場景定位

當前最常見的自組織移動互聯(lián)網大多基于地面應用場景。在不規(guī)則、不可預測的拓撲結構中，首先應當考慮以哪一種或哪幾種拓撲結構作為關鍵組網性能衡量的場景，當前最常見模式是鏈狀模式。網狀模式也相對常見，但網狀模式容易產生一個虛擬的相對中心，與純對等的自組織網模型有所差異，所以應用場景定位以鏈狀模式為主，兼顧網狀模式。

1.2 正交性復用

當前的各種復用模型大多基于正交模式，其中時分復用、頻分復用、空分復用、碼分復用大多基于完全正交的信道。正交是基礎，管理正交才是重要的支撐服務。在每個應用場景下最大限度地利用正交，也就能夠最大限度地提供組網服務。這就要求每個物理通道在各種環(huán)境條件下都可實現(xiàn)正交，不浪費任何可實現(xiàn)正交的通信單元。

1.3 快速入網問題

面對任務應用，關鍵在于兩類保障，一是如何盡快地獲得網絡服務，二是如何更好地獲得網絡服務。在嚴酷的挑戰(zhàn)環(huán)境中，快速入網是首要問題?；诖?，必須使系統(tǒng)具備相應能力，即在多個正交信道的基礎上，盡快實現(xiàn)信道發(fā)現(xiàn)、鄰居發(fā)現(xiàn)以完成相應的入網動作，并在信道環(huán)境產生振蕩時，能夠快速適應變化。

1.4 基本通信模式

在多點無線通信中，沖突域是不可回避的問題；正交的一大優(yōu)勢就是提供更多獨立域，從而避免沖突。在典型的鏈狀模型中，由于節(jié)點的對等性、移動性及鄰居節(jié)點方位的不可預知性，單個信道的無線覆蓋一般都是球型覆蓋，邏輯上看不同節(jié)點的相同信道的覆蓋情況是相同的。結合頻分復用分析，在保證相鄰沖突域域內不產生頻率沖突的情況下，至少需要3個物理信道來支撐鏈狀模型，以完成正交通信模式接力。

1.5 魯棒性與可擴展性的平衡

在系統(tǒng)框架設計與協(xié)議設計中，魯棒性與可擴展性是關鍵。魯棒性的一個優(yōu)勢是簡單；可擴展性的目標是服務更多的應用場景，這就意味著更多的邏輯處理挑戰(zhàn)。所以兩者間存在一定程度的矛盾，考慮到實用性，系統(tǒng)設計中在保障入網與在網的性能基礎上，略側重于魯棒性與可靠性。

2 現(xiàn)有相關技術

在基于多信道的移動互聯(lián)網終端系統(tǒng)的信道選擇算法中[1?10]，有通過手工配置信道的方式，有對具有層次關系的無線網狀網進行集中式的信道管理，也有對分布式無線網狀網中動態(tài)選擇的臨時根節(jié)點進行集中式的信道管理，其中：

（1） 手工配置信道在實際應用時不夠靈活；

（2） 集中式信道管理使網絡產生單點故障，關鍵節(jié)點易被摧毀而導致整網癱瘓；

（3） 對動態(tài)選擇的臨時根節(jié)點進行集中式信道管理需要在全網選擇的根節(jié)點，選擇時間長，并且在網絡重構后難以解決多個孤立子網之間的融合問題。

3 系統(tǒng)結構

3.1 節(jié)點功能描述

網絡中的每個節(jié)點既可以是終端，也可以是網絡設備。如果作為終端，它們具有7層協(xié)議棧，具有IP地址；如果作為網絡設備，它們則可以通過多個信道靈活組網，并為用戶提供數(shù)據(jù)轉發(fā)服務，此時，這個網絡相當于一臺二層網絡交換機，如圖1所示。

3.2 節(jié)點端口描述

每個節(jié)點都具有1個有線端口（eth0端口）和2個無線端口（ath0端口與ath1端口），節(jié)點內部還具有1個至上層協(xié)議棧的邏輯端口（local端口），如圖2所示?；陔p收發(fā)信機三信道的信道選擇算法就是對ath0端口與ath1端口所使用的信道進行選擇。

4 雙收發(fā)信機三信道算法

4.1 節(jié)點初始化

節(jié)點初始化硬件、加載操作系統(tǒng)鏡像后，從三個信道（如c1，c2，c3）中為兩個無線端口（ath0端口與ath1端口）隨機選擇兩個不同的信道（如c1，c2；c1，c3或c2，c3）。

4.2 信標發(fā)送

節(jié)點周期性發(fā)送信標，這些信標包含有信道信息與該信道下鄰居節(jié)點個數(shù)信息。

節(jié)點使用IEEE 802.11物理層與IEEE 802.11s組網技術，并在IEEE 802.11標準信標格式基礎上添加信道信息與該信道上的鄰居節(jié)點個數(shù)信息。信標需增加的信息見表1。

信道編號與鄰居數(shù)的范圍介于0～15之間。信標格式如圖3所示。

表1 信標需增加的信息

[序號＼&信息＼&長度＼&1＼&c1的編號與c1

下的鄰居數(shù)信息＼&1 B，其中信道編號占低4 b，

鄰居數(shù)占高4 b＼&2＼&c2的編號與c2下的鄰居數(shù)信息＼&1 B，其中信道編號占低4 b，

鄰居數(shù)占高4 b＼&]

4.3 信標收集

節(jié)點周期性收集周圍鄰居節(jié)點發(fā)出的信標。

每個節(jié)點通過設定一個隨機時間長度的定時器來收集鄰居節(jié)點發(fā)出的信標，定時器超時時間介于2～10 s之間。

4.4 雙收發(fā)信機三信道算法

節(jié)點信標收集定時器超時后將執(zhí)行雙收發(fā)信機三信道算法。

現(xiàn)以“[ci]”，“[cj]”表示當前節(jié)點的兩個信道，“[Nc_節(jié)點]”代表某個節(jié)點的某個信道選擇前的鄰居節(jié)點個數(shù)，“[Nc_節(jié)點]”代表某個節(jié)點的某個信道選擇后的鄰居節(jié)點個數(shù)。

（1） 當前節(jié)點在[ci，cj]兩個信道上的信標收集過程中[Nci_自己+Ncj_自己=1]

若[N非共有信道_對方節(jié)點=0]并且[N共有信道_對方節(jié)點>1]時，當前節(jié)點將自己的共有信道調整為對方節(jié)點的非共有信道。

（2） 當前節(jié)點在兩個信道[ci，cj]上的信標收集過程中[Nci_自己+Ncj_自己>1]

若當前節(jié)點周圍至少有一個鄰居節(jié)點具有一個空閑信道，當前節(jié)點計算出自己每個信道上發(fā)現(xiàn)的鄰居節(jié)點個數(shù)的差值和兩者中的較大者diff[（Nci，Ncj），]max[（Nci，Ncj），]并預測出將自己已經發(fā)現(xiàn)的鄰居節(jié)點個數(shù)較大的信道調整為周圍鄰居節(jié)點的空閑信道后的統(tǒng)計結果diff[（N′ci，N′cj）：]若diff[（N′ci，N′cj）<]diff[（Nci，Ncj），]則當前節(jié)點進行信道調整，否則不調整信道。

該算法相應的流程如圖4所示。

5 示例與效果評價

5.1 示例

（1） 示例1

由于節(jié)點A與B具有一個共有信道[c1，]對雙方而言[Nci_自己+Ncj_自己=1，]因此雙方都執(zhí)行信道調整算法的a分支。雙方的[N非共有信道_對方節(jié)點=0]但[N共有信道_對方節(jié)點=1，]因此都不做信道調整，如圖5所示。

（2） 示例2

由于節(jié)點A與B具有兩個共有信道[c1]與[c2，]對雙方而言，[Nci_自己+Ncj_自己=2，]因此雙方都執(zhí)行信道調整算法的b分支。雙方都沒有相對于對方的空閑信道，因此雙方都不做信道調整，如圖6所示。

（3） 示例3

節(jié)點C發(fā)現(xiàn)周圍只有鄰居節(jié)點B，按示例1，C不作信道調整。節(jié)點A發(fā)現(xiàn)周圍只有鄰居節(jié)點B，由于節(jié)點B沒有空閑信道，所以A不作信道調整。節(jié)點B發(fā)現(xiàn)周圍有鄰居節(jié)點A與C并且[Nci_自己+Ncj_自己=3，]因此B執(zhí)行信道調整策略的b分支。對于節(jié)點B，diff[（Nci，Ncj）]為1，max[（Nci，Ncj）]為2，而將發(fā)現(xiàn)鄰居節(jié)點個數(shù)較多的信道[c1]調整為[c2]后，diff[（N′ci，N′cj）]為0，因此節(jié)點B將信道[c1]調整為[c2。]節(jié)點B將信道調整后，三個節(jié)點均不再符合信道調整條件，因此均不再進行信道調整，如圖7所示。

（4） 示例4

在這種鏈狀三跳網絡中，節(jié)點B、C與D不具備信道調整條件，而節(jié)點A符合信道調整條件。圖8中右側部分給出了節(jié)點A調整信道后各節(jié)點信道的使用情況。調整后網絡的信道使用趨于穩(wěn)定，各節(jié)點均不再進行信道調整，如圖8所示。

5.2 效果評價

（1） 該算法能夠保證每一對可直接通信的節(jié)點在任意時刻至少具有一個共有信道，組網能力強。

（2） 該算法可對鏈狀多跳網絡以及其他結構的節(jié)點進行信道選擇，通過提高信道使用效率從而增加網絡帶寬。對于因節(jié)點移動而造成的網絡拓撲結構變化，該算法明顯優(yōu)于手工配置。

（3） 該算法是分布式算法，因此不存在單點故障，不存在集中式網絡中的選擇信道分配問題以及網絡重構時的孤立子網融合問題。

（4） 該算法基于鄰居節(jié)點的鄰居信息，全網節(jié)點執(zhí)行信道優(yōu)選算法的時間短，信道選擇的收斂速度快。

（5） 該算法復雜度低，易于實現(xiàn)。

6 結 語

上述基于雙收發(fā)信機三信道的移動互聯(lián)網終端系統(tǒng)是一種實用可行的解決方案，適用于能源、開采、水利、應急處突等多種需要自組織形態(tài)組網的應用領域。隨著半導體集成芯片技術的進一步發(fā)展，此系統(tǒng)還可在以下幾方面進行提升：

（1） 增強信道模式

增強信道包括增加收發(fā)信機數(shù)量和信道數(shù)兩個方面。當物理受限條件放松時，通過增加收發(fā)信機數(shù)量，可以提升多點平行網絡的傳輸能力；通過增加信道數(shù)量，可以支持連接域維度更高的應用。此外，增加一路信令信道，使其能夠專注服務于多節(jié)點間的協(xié)調入網，從而使入網信道的選擇收斂速度進一步提升。

（2） 引入同步機制

同步機制引入的主要用途在于能夠進一步加快入網收斂時間，可以采用衛(wèi)星授時的方式，也可采用自主同步的方式。從動態(tài)帶寬分配角度分析，僅在信令通道中利用同步服務，將獲得較高的協(xié)議性價比。

（3） 多層空間擴展

空間技術發(fā)展使人類探索太空的能力不斷提高，多層空間自組網在物理空間所面臨的問題將大幅增加，需要進一步提升信道收發(fā)單元與空間復用的融合能力。

自組織移動互聯(lián)網的未來發(fā)展空間仍很廣闊。短期來看，由于無線通信的基礎理論近年來沒有飛躍式發(fā)展，底層技術革新帶來的邊際效益逐漸遞減，但我們也看到太赫茲、空間光通信、量子通信等技術正不斷進步，移動互聯(lián)網的底層物理技術在未來有更多的創(chuàng)新選擇性，繼而使利用正交信道復用獲得性能提升的創(chuàng)新之路繼續(xù)向前延伸。

參考文獻

[1] 張民，李德敏，金康.一種多接口多信道VANET動態(tài)信道分配算法研究[J].計算機應用研究，2014，31（5）：1516?1519.

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[3] 楊玲，陳其松，吳茂念.無線Mesh網絡中路由與信道聯(lián)合分配研究[J].計算機技術與發(fā)展，2014，24（7）：66?68.

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[9] 李佳明，唐俊華.多信道無線通信功率分配的最優(yōu)化決策[J].計算機工程與應用，2014（1）：65?67.

[10] 李森，任曉娜.一種網絡多信道骨干節(jié)點調度均衡算法[J].科技通報，2013（10）：196?198.

（4） 示例4

在這種鏈狀三跳網絡中，節(jié)點B、C與D不具備信道調整條件，而節(jié)點A符合信道調整條件。圖8中右側部分給出了節(jié)點A調整信道后各節(jié)點信道的使用情況。調整后網絡的信道使用趨于穩(wěn)定，各節(jié)點均不再進行信道調整，如圖8所示。

5.2 效果評價

（1） 該算法能夠保證每一對可直接通信的節(jié)點在任意時刻至少具有一個共有信道，組網能力強。

（2） 該算法可對鏈狀多跳網絡以及其他結構的節(jié)點進行信道選擇，通過提高信道使用效率從而增加網絡帶寬。對于因節(jié)點移動而造成的網絡拓撲結構變化，該算法明顯優(yōu)于手工配置。

（3） 該算法是分布式算法，因此不存在單點故障，不存在集中式網絡中的選擇信道分配問題以及網絡重構時的孤立子網融合問題。

（4） 該算法基于鄰居節(jié)點的鄰居信息，全網節(jié)點執(zhí)行信道優(yōu)選算法的時間短，信道選擇的收斂速度快。

（5） 該算法復雜度低，易于實現(xiàn)。

6 結 語

上述基于雙收發(fā)信機三信道的移動互聯(lián)網終端系統(tǒng)是一種實用可行的解決方案，適用于能源、開采、水利、應急處突等多種需要自組織形態(tài)組網的應用領域。隨著半導體集成芯片技術的進一步發(fā)展，此系統(tǒng)還可在以下幾方面進行提升：

（1） 增強信道模式

增強信道包括增加收發(fā)信機數(shù)量和信道數(shù)兩個方面。當物理受限條件放松時，通過增加收發(fā)信機數(shù)量，可以提升多點平行網絡的傳輸能力；通過增加信道數(shù)量，可以支持連接域維度更高的應用。此外，增加一路信令信道，使其能夠專注服務于多節(jié)點間的協(xié)調入網，從而使入網信道的選擇收斂速度進一步提升。

（2） 引入同步機制

同步機制引入的主要用途在于能夠進一步加快入網收斂時間，可以采用衛(wèi)星授時的方式，也可采用自主同步的方式。從動態(tài)帶寬分配角度分析，僅在信令通道中利用同步服務，將獲得較高的協(xié)議性價比。

（3） 多層空間擴展

空間技術發(fā)展使人類探索太空的能力不斷提高，多層空間自組網在物理空間所面臨的問題將大幅增加，需要進一步提升信道收發(fā)單元與空間復用的融合能力。

自組織移動互聯(lián)網的未來發(fā)展空間仍很廣闊。短期來看，由于無線通信的基礎理論近年來沒有飛躍式發(fā)展，底層技術革新帶來的邊際效益逐漸遞減，但我們也看到太赫茲、空間光通信、量子通信等技術正不斷進步，移動互聯(lián)網的底層物理技術在未來有更多的創(chuàng)新選擇性，繼而使利用正交信道復用獲得性能提升的創(chuàng)新之路繼續(xù)向前延伸。

參考文獻

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（4） 示例4

在這種鏈狀三跳網絡中，節(jié)點B、C與D不具備信道調整條件，而節(jié)點A符合信道調整條件。圖8中右側部分給出了節(jié)點A調整信道后各節(jié)點信道的使用情況。調整后網絡的信道使用趨于穩(wěn)定，各節(jié)點均不再進行信道調整，如圖8所示。

5.2 效果評價

（1） 該算法能夠保證每一對可直接通信的節(jié)點在任意時刻至少具有一個共有信道，組網能力強。

（2） 該算法可對鏈狀多跳網絡以及其他結構的節(jié)點進行信道選擇，通過提高信道使用效率從而增加網絡帶寬。對于因節(jié)點移動而造成的網絡拓撲結構變化，該算法明顯優(yōu)于手工配置。

（3） 該算法是分布式算法，因此不存在單點故障，不存在集中式網絡中的選擇信道分配問題以及網絡重構時的孤立子網融合問題。

（4） 該算法基于鄰居節(jié)點的鄰居信息，全網節(jié)點執(zhí)行信道優(yōu)選算法的時間短，信道選擇的收斂速度快。

（5） 該算法復雜度低，易于實現(xiàn)。

6 結 語

上述基于雙收發(fā)信機三信道的移動互聯(lián)網終端系統(tǒng)是一種實用可行的解決方案，適用于能源、開采、水利、應急處突等多種需要自組織形態(tài)組網的應用領域。隨著半導體集成芯片技術的進一步發(fā)展，此系統(tǒng)還可在以下幾方面進行提升：

（1） 增強信道模式

增強信道包括增加收發(fā)信機數(shù)量和信道數(shù)兩個方面。當物理受限條件放松時，通過增加收發(fā)信機數(shù)量，可以提升多點平行網絡的傳輸能力；通過增加信道數(shù)量，可以支持連接域維度更高的應用。此外，增加一路信令信道，使其能夠專注服務于多節(jié)點間的協(xié)調入網，從而使入網信道的選擇收斂速度進一步提升。

（2） 引入同步機制

同步機制引入的主要用途在于能夠進一步加快入網收斂時間，可以采用衛(wèi)星授時的方式，也可采用自主同步的方式。從動態(tài)帶寬分配角度分析，僅在信令通道中利用同步服務，將獲得較高的協(xié)議性價比。

（3） 多層空間擴展

空間技術發(fā)展使人類探索太空的能力不斷提高，多層空間自組網在物理空間所面臨的問題將大幅增加，需要進一步提升信道收發(fā)單元與空間復用的融合能力。

自組織移動互聯(lián)網的未來發(fā)展空間仍很廣闊。短期來看，由于無線通信的基礎理論近年來沒有飛躍式發(fā)展，底層技術革新帶來的邊際效益逐漸遞減，但我們也看到太赫茲、空間光通信、量子通信等技術正不斷進步，移動互聯(lián)網的底層物理技術在未來有更多的創(chuàng)新選擇性，繼而使利用正交信道復用獲得性能提升的創(chuàng)新之路繼續(xù)向前延伸。

參考文獻

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