基于短波信道的無線自組網(wǎng)鏈路層協(xié)議研究

余 海，周安棟

(海軍工程大學(xué)電子工程學(xué)院，武漢 430033)

短波通信的研究中認(rèn)為短波信道是一個(gè)多徑衰落信道。短波信道中，多徑效應(yīng)、頻率選擇性衰落和其他干擾源的存在會影響數(shù)據(jù)通信傳輸質(zhì)量，同時(shí)傳輸距離越遠(yuǎn)，無線電波傳輸?shù)馁|(zhì)量越難以保證［10］。因此，短波遠(yuǎn)距離通信和傳統(tǒng)無線自組網(wǎng)的多跳、信道接入技術(shù)整合，將有助于改善短波傳輸質(zhì)量。

1 基于短波信道的無線自組網(wǎng)

通過在傳統(tǒng)無線移動自組網(wǎng)數(shù)據(jù)鏈鏈路層協(xié)議TDMA基礎(chǔ)上，結(jié)合短波通信提出一種基于短波信道無線自組網(wǎng)的鏈路層協(xié)議HMCTDMA(HF Multi Channel—TDMA)。主要利用短波信道特點(diǎn)以及定向天線在網(wǎng)絡(luò)空分復(fù)用、天線增益、抗干擾等方面的優(yōu)勢，分析了定向天線用于無線自組網(wǎng)的可能性。

由于短波信道的數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議與傳統(tǒng)無線移動自組網(wǎng)的數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議相比有較大的差異。因此本文HMCTDMA功能架構(gòu)主要劃分為數(shù)據(jù)鏈路層、物理層兩層。

2 HMCTDMA協(xié)議設(shè)計(jì)

2.1 HMCTDMA協(xié)議空分復(fù)用設(shè)計(jì)

HMCTDMA 協(xié)議所采用的天線系統(tǒng)為定向天線技術(shù)，定向天線技術(shù)在無線移動自組網(wǎng)多信道傳輸中的應(yīng)用能夠進(jìn)一步提升網(wǎng)絡(luò)容量。普通多接口多信道網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)m不能大于信道數(shù)量c(1≤m≤c)，這是因?yàn)槿鬽大于c會產(chǎn)生浪費(fèi)［5］。但是如果網(wǎng)絡(luò)采用定向天線，該條件將得到松弛，在采用定向天線的網(wǎng)絡(luò)，節(jié)點(diǎn)m可以大于信道數(shù)量c，具體來說，其中θ為定向天線的波束角度(一般小于π)，由于網(wǎng)卡數(shù)量選擇的范圍更寬天線的放置也就更靈活，由于額外的天線，無線移動自組網(wǎng)絡(luò)能夠獲得更高的容量［8］。

在HMCTDMA協(xié)議中假設(shè)定向天線模型的波束角度為θ。天線在任意時(shí)刻只能指向一個(gè)特定的方向，如圖1所示，圖1中天線角度指向右邊，此時(shí)，天線波束能夠覆蓋的范圍為

圖1 天線模型

如圖2說明了由于節(jié)點(diǎn)Xk的天線波束沒有覆蓋到接收節(jié)點(diǎn)Xj，因此節(jié)點(diǎn)Xk發(fā)送數(shù)據(jù)的行為不會給Xi的傳輸帶來干擾。

假設(shè)節(jié)點(diǎn)Xi通過信道fm向節(jié)點(diǎn)Xj，節(jié)點(diǎn)Xj能夠成功接收該數(shù)據(jù)包的條件為節(jié)點(diǎn)Xi天線波束內(nèi)部不存在任何節(jié)點(diǎn)干擾節(jié)點(diǎn)Xj的接收。因此，對于其他任意節(jié)點(diǎn)Xk同時(shí)在同一個(gè)信道上進(jìn)行傳輸存在保護(hù)距離，且滿足節(jié)點(diǎn)Xk的傳輸信號不會覆蓋節(jié)點(diǎn)Xj。

其中，節(jié)點(diǎn)Xi不僅表示節(jié)點(diǎn)位置同時(shí)還表示節(jié)點(diǎn)本身。在本模型中，每一個(gè)節(jié)點(diǎn)都有一個(gè)定向天線能夠工作在fm信道上。

圖2 基于定向接收的干擾模型

2.2 信道分配策略

提出的HMCTDMA協(xié)議主要從信道分配的干擾最小化方面入手，通過研究多信道環(huán)境下信道干擾及網(wǎng)絡(luò)負(fù)載情況，為達(dá)到充分利用信道資源、減少傳輸干擾等目標(biāo)，綜合考慮信道干擾及負(fù)載均衡等因素，研究得出一種最小干擾的信道分配方法［7］。

通過綜合考慮現(xiàn)有分配方式的優(yōu)劣勢以及無線移動自組網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)，本文采用動態(tài)多信道分配算法。

如圖3中為無線移動自組網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)示意圖?？梢钥闯鰺o線移動自組網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)顯著特點(diǎn)，其流量基本是傾斜的，即越是靠近有線網(wǎng)接入點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)其所負(fù)載的流量越大，其信道間的干擾情況就當(dāng)優(yōu)先考慮。［1］針對這一特征，對各節(jié)點(diǎn)進(jìn)行分層劃分。因此對于越接近根節(jié)點(diǎn)控制器的節(jié)點(diǎn)，即到根節(jié)點(diǎn)最小跳數(shù)越小的節(jié)點(diǎn)，其層次等級越高，同時(shí)在短波通信中一般只存在兩跳的現(xiàn)象，因此一條鏈路中源節(jié)點(diǎn)的層次等級最低定為下層，而到根節(jié)點(diǎn)的層級定為上層。

圖3 無線移動自組網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖

在信道分配時(shí)，上層節(jié)點(diǎn)具有優(yōu)先選擇權(quán)，并且不得對較自己層級高的節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生關(guān)聯(lián)作用，即本節(jié)點(diǎn)的信道重新分配，不會導(dǎo)致上層節(jié)點(diǎn)聯(lián)帶重新分配。［3］這樣可以有效避免某一節(jié)點(diǎn)的信道變換擴(kuò)散全網(wǎng)節(jié)點(diǎn)。

信道分配時(shí)除考慮該節(jié)點(diǎn)的層級外，還需考慮q+1跳內(nèi)節(jié)點(diǎn)的信道使用情況、準(zhǔn)備選用的信道i于全網(wǎng)使用次數(shù)n、信道i于負(fù)載率［6］。結(jié)合實(shí)際情況，選取記錄2跳內(nèi)節(jié)點(diǎn)的信道使用情況。

其中節(jié)點(diǎn)間信道負(fù)載率η為

式(1)中:C( i)是指信道i的最大傳輸速率;f[ u( i) ]是指節(jié)點(diǎn)u上對應(yīng)信道i的傳輸速率，且 f[ u( i) ]≤C( i)。

定義信道i全網(wǎng)負(fù)載率∑η:

2.3 路徑建立與信道分配

網(wǎng)絡(luò)建立后，各節(jié)點(diǎn)須記錄并傳遞相關(guān)數(shù)據(jù)信息，以便后期進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)維護(hù)等提供依據(jù)［2］。這些信息包括:

節(jié)點(diǎn)u可用信道集合A( u):初始狀態(tài)下為全信道集合，節(jié)點(diǎn)傳輸數(shù)據(jù)時(shí)選取某一信道后，從該集合中剔除該信道，傳輸結(jié)束后重新加入該信道;

已用信道集合B( u):初始狀態(tài)下B( u)=φ，節(jié)點(diǎn)傳輸數(shù)據(jù)時(shí)選取某一信道后，將該信道加入集合，傳輸結(jié)束后剔除該信道;

一跳范圍內(nèi)節(jié)點(diǎn)集C( u)內(nèi)各節(jié)點(diǎn)信道使用集Cu(k):Cu(k)初始狀態(tài)為空集;

兩跳范圍內(nèi)節(jié)點(diǎn)集D( u)內(nèi)各節(jié)點(diǎn)信道使用集Du(k):Du(k)初始狀態(tài)下為空集;

信道i使用次數(shù)ni:ni采用“逢2進(jìn)1”方式，即對于通信中的上下兩節(jié)點(diǎn)u和v各自發(fā)出的廣播信息，即屬于節(jié)點(diǎn)u一跳范圍內(nèi)也屬于節(jié)點(diǎn)v一跳范圍內(nèi)的第三節(jié)點(diǎn)w，ni兩次增量才計(jì)數(shù)為ni+1，這樣是為了確保使用次數(shù)ni與信道實(shí)際使用次數(shù)相匹配，初始狀態(tài)下ni=0;

信道i負(fù)載率ηi:初始狀態(tài)下ηi=0;

節(jié)點(diǎn)u設(shè)備負(fù)載率η(u):該值為設(shè)備當(dāng)前工作功率與額定功率比值。

3 性能評估

本文建立的HMCTDMA無線自組網(wǎng)仿真系統(tǒng)為例，利用OPNET仿真軟件對其進(jìn)行仿真。主要通過選取吞吐量(Throughput，bit)，時(shí)延(Delay，s)性能參數(shù)指標(biāo)比較來反映HMCTDMA協(xié)議網(wǎng)絡(luò)性能。

3.1 仿真模型

HMCTDMA協(xié)議無線自組網(wǎng)仿真系統(tǒng)主要包括2個(gè)場景，分別是24個(gè)移動節(jié)點(diǎn)場景和48個(gè)節(jié)點(diǎn)場景，采用Opnet里面經(jīng)典的office場景模式，場景范圍為500 km×500 km，拓?fù)洵h(huán)境為無線移動自組網(wǎng)，信道帶寬為3 kHz，仿真模式為Development，并且強(qiáng)制編譯模式。時(shí)隙為16 ms。具體的仿真環(huán)境主場景圖和仿真參數(shù)具體如圖4和圖5所示。

圖4 24個(gè)移動節(jié)點(diǎn)場景

圖5 48個(gè)移動節(jié)點(diǎn)場景

3.2 HMCTDMA和TDMA性能比較

1)時(shí)延性能比較。HMCTDMA協(xié)議和TMDA協(xié)議在24節(jié)點(diǎn)和48節(jié)點(diǎn)場景的時(shí)延性能結(jié)果圖如圖6所示?？梢奌MCTDMA協(xié)議在時(shí)延穩(wěn)定性和延時(shí)長度上都優(yōu)于TDMA協(xié)議，尤其隨著節(jié)點(diǎn)的增加，HMCTDMA協(xié)議的優(yōu)勢更加明顯。

2)吞吐量性能比較。HMCTDMA采用多信道分配和無線自組網(wǎng)多跳技術(shù)，提高吞吐量。從圖7可見HMCTDMA協(xié)議在吞吐量性能上明顯由于TDMA協(xié)議。

圖6 TDMA-HMCTDMA時(shí)延性能比較結(jié)果

圖7 TDMA-HMCTDMA吞吐量性能比較結(jié)果

4 結(jié)束語

本文主要研究基于短波信道無線自組網(wǎng)數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議研究，傳統(tǒng)TDMA協(xié)議單向信道傳輸降低了網(wǎng)絡(luò)傳輸性能，同時(shí)無線移動自組網(wǎng)存在移動多跳問題，容易造成信號傳輸間斷［4］。因此，在傳統(tǒng)無線移動自組網(wǎng)數(shù)據(jù)鏈鏈路層協(xié)議TDMA基礎(chǔ)上，結(jié)合上述問題引入新技術(shù)，提出了一種基于短波多信道的無線自組網(wǎng)的數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議HMCTDMA。對短波信道特征、協(xié)議架構(gòu)、信道分配方法和天線干擾模式進(jìn)行了深入研究為拓展短波的應(yīng)用具有深遠(yuǎn)意義。

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