基于定向天線的數(shù)據(jù)鏈組網(wǎng)鄰居發(fā)現(xiàn)仿真*

劉宏波，孟 進(jìn)，趙 奎

（1.海軍工程大學(xué)艦船綜合電力技術(shù)國防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430033；2.海軍工程大學(xué)電子工程學(xué)院，武漢 430033）

0 引言

數(shù)據(jù)鏈組網(wǎng)主要采用全向天線，對(duì)于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)單播業(yè)務(wù)，存在泄露自身的位置信息的潛在風(fēng)險(xiǎn)；同時(shí)，對(duì)附近其他節(jié)點(diǎn)造成了通信干擾。艦艇編隊(duì)數(shù)據(jù)鏈體系采用一次中繼方式完成編隊(duì)內(nèi)部的超視距覆蓋，但是中繼艦船是事先人為指定配置的固定節(jié)點(diǎn)，帶寬開銷大，不具有組網(wǎng)靈活性，抗毀傷能力弱，具有單點(diǎn)失效的網(wǎng)絡(luò)風(fēng)險(xiǎn)?；谌蛱炀€的無中心移動(dòng)自組網(wǎng)（MANET）已經(jīng)采用了頻分多址（FDMA）、時(shí)分多址（TDMA）甚至碼分多址（CDMA），但是無法滿足戰(zhàn)術(shù)通信對(duì)網(wǎng)絡(luò)容量提升的需求。采用定向天線的空分多址（SDMA），可以大幅度提高信道空間復(fù)用度，成為新的技術(shù)趨勢(shì)。定向天線與全向天線相比，則具有以下優(yōu)勢(shì)：

1）能夠提高用戶容量。可以在特定的方向上形成窄波束，可以利用空間復(fù)用技術(shù)提高用戶容量。

2）能夠降低能量要求。定向天線增益高，在相同功率條件下定向天線比全向天線傳輸距離更遠(yuǎn)，這樣可以降低能量，對(duì)于戰(zhàn)術(shù)通信意義重大。

3）能夠避免節(jié)點(diǎn)之間的相互干擾。利用定向天線的方向性，能夠減少網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)間的互相干擾，從而達(dá)到有效抗干擾效果。

因此，需要對(duì)艦艇編隊(duì)采用定向天線的數(shù)據(jù)鏈組網(wǎng)協(xié)議進(jìn)行改進(jìn)，高頻段高速率收發(fā)器配以高增益定向天線就成為了技術(shù)發(fā)展方向?；诙ㄏ蛱炀€的鄰居發(fā)現(xiàn)技術(shù)是數(shù)據(jù)鏈組網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)，在分析定向數(shù)據(jù)鏈組網(wǎng)需求的基礎(chǔ)上，通過QualNet網(wǎng)絡(luò)仿真平臺(tái)，仿真評(píng)估采用定向天線的數(shù)據(jù)鏈組網(wǎng)協(xié)議支持業(yè)務(wù)傳輸?shù)哪芰Α?/p>

1 總體設(shè)計(jì)

1.1 定向天線參數(shù)設(shè)計(jì)

鄰居節(jié)點(diǎn)發(fā)現(xiàn)是定向數(shù)據(jù)鏈組網(wǎng)的基礎(chǔ)和前提，為了盡快發(fā)現(xiàn)自身周圍的鄰居節(jié)點(diǎn)，并讓鄰居節(jié)點(diǎn)發(fā)現(xiàn)自己，稱為鄰居發(fā)現(xiàn)過程。當(dāng)每個(gè)節(jié)點(diǎn)開機(jī)之后，節(jié)點(diǎn)在沒有鄰居節(jié)點(diǎn)位置等先驗(yàn)信息的條件下，可以在通信覆蓋范圍內(nèi)通過基于互盲算法或者自盲算法協(xié)議找到其他節(jié)點(diǎn)；同時(shí)，也可以被其他節(jié)點(diǎn)鄰居發(fā)現(xiàn)，建立基本通信連接。

定向波束方向圖模型如圖1所示，定向天線的方向圖為一個(gè)圓錐狀和同心球體，假設(shè)主瓣通信距離為30 km，旁瓣通信距離為7.5 km，水平波束寬度15°，垂直俯仰寬度 -40°～+40°。

1.2 鄰居發(fā)現(xiàn)過程設(shè)計(jì)

與全向天線不同，定向天線的波束寬度很窄，在任意時(shí)刻，任意兩個(gè)定向數(shù)據(jù)鏈節(jié)點(diǎn)各自所用的波束方向方位角需要滿足以下條件才能相互通信：

其中，θ是發(fā)送節(jié)點(diǎn)天線波束方向水平方位角，θ'是接收節(jié)點(diǎn)天線波束方向水平方位角。

發(fā)送和接收波束方向方位角互補(bǔ)關(guān)系示意圖如圖2所示，當(dāng)節(jié)點(diǎn)A和節(jié)點(diǎn)B兩者之間的發(fā)送與接收波束方向方位角具有互補(bǔ)關(guān)系才能通信。

圖1 定向波束方向圖模型

圖2 發(fā)送和接收波束方向方位角互補(bǔ)關(guān)系示意圖

定向數(shù)據(jù)鏈中采用定向波束的鄰居發(fā)現(xiàn)不同于采用全向天線的鄰居發(fā)現(xiàn)，每個(gè)窄波束僅能覆蓋一個(gè)扇面區(qū)域，而鄰居節(jié)點(diǎn)則根據(jù)實(shí)際使用要求分布在周圍360°范圍內(nèi)，需要安排好節(jié)點(diǎn)針對(duì)時(shí)隙、波束等資源的調(diào)度，節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)算法如圖3所示。

圖3 節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)算法流程

節(jié)點(diǎn)開機(jī)后，需要等待鄰居發(fā)現(xiàn)定時(shí)器中斷通知，相互發(fā)現(xiàn)的鄰居節(jié)點(diǎn)需要記錄發(fā)現(xiàn)對(duì)方的MAC地址、坐標(biāo)、方向、時(shí)隙、波束等所有信息，并相互約定在緊鄰隨后的時(shí)隙預(yù)約子時(shí)幀內(nèi)的某個(gè)預(yù)約時(shí)隙內(nèi)完成數(shù)據(jù)時(shí)隙信道的分配協(xié)商。

預(yù)約時(shí)隙到來時(shí)，鄰居節(jié)點(diǎn)雙方都立即切換到在最近一次鄰居發(fā)現(xiàn)子時(shí)幀內(nèi)記錄的波束方向上，完成一發(fā)一收數(shù)據(jù)時(shí)隙協(xié)商。協(xié)商的結(jié)果是鄰居節(jié)點(diǎn)間分配了一個(gè)或者多個(gè)單向的數(shù)據(jù)通信時(shí)隙，從而建立起通信鏈路，并可以開始數(shù)據(jù)通信過程。

2 鄰居發(fā)現(xiàn)過程分析

鄰居發(fā)現(xiàn)主要是以相鄰節(jié)點(diǎn)間的主瓣收發(fā)模式進(jìn)行的，但是實(shí)際當(dāng)中的定向天線無法做到點(diǎn)波束那樣完美，定向天線是具有一定的旁瓣輻射，且輻射強(qiáng)度為主瓣的1/4，故該旁瓣不能忽略，下面分析引入旁瓣干擾情況下的鄰居發(fā)現(xiàn)過程。

發(fā)射功率不變時(shí)，根據(jù)兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的通信間距，可以將節(jié)點(diǎn)間無線通信分為以下幾種情況：

1）節(jié)點(diǎn)間距（d）≤旁瓣-旁瓣通信距離（DS-S）

兩節(jié)點(diǎn)之間可通過主瓣發(fā)送-主瓣接收（MTMR）、主瓣發(fā)送 -旁瓣接收（MTSR）、旁瓣發(fā)送-主瓣接收（STMR）、旁瓣發(fā)送-旁瓣接收（STSR）4種方式進(jìn)行通信。此時(shí)節(jié)點(diǎn)間相當(dāng)于基于全向天線通信，一個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)射會(huì)影響同時(shí)刻另一節(jié)點(diǎn)的正確接收。圖4所示兩個(gè)節(jié)點(diǎn)可通過4種模式進(jìn)行通信，接收節(jié)點(diǎn)C總是能夠接收到發(fā)射節(jié)點(diǎn)A的信號(hào)。

圖4 當(dāng)d≤DS-S時(shí)，相鄰節(jié)點(diǎn)基于旁瓣-旁瓣、主瓣-旁瓣、主瓣-主瓣可通

2）旁瓣 - 旁瓣通信距離（DS-S）＜節(jié)點(diǎn)間距（d）≤主瓣-旁瓣通信距離（DM-S）

兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間可以通過主瓣發(fā)送-旁瓣接收（MTSR）、旁瓣發(fā)送-主瓣接收（STMR）這兩種情況進(jìn)行通信，即一個(gè)使用主瓣、一個(gè)使用旁瓣進(jìn)行通信。如圖5所示節(jié)點(diǎn)可以通過兩種模式通信，當(dāng)定向發(fā)射波束對(duì)準(zhǔn)全向接收波束，或者定向接收波束對(duì)準(zhǔn)全向發(fā)射波束，才能完成有效通信。

圖5 相鄰節(jié)點(diǎn)基于主瓣-旁瓣可通

3）主瓣-旁瓣通信距離（DM-S）＜節(jié)點(diǎn)間距（d）

兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間只能通過主瓣發(fā)送-主瓣接收（MTMR）進(jìn)行通信，即兩個(gè)節(jié)點(diǎn)只能通過主瓣通信。如圖6所示節(jié)點(diǎn)可以進(jìn)行通信，此時(shí)只有收發(fā)雙方的定向波束方向?qū)?zhǔn)才能完成通信。

圖6 相鄰節(jié)點(diǎn)基于主瓣-主瓣可通

3 鄰居發(fā)現(xiàn)算法仿真

為驗(yàn)證基于純定向波束收發(fā)掃描和鄰居發(fā)現(xiàn)算法的正確性，仿真想定的條件設(shè)置如表1所示。

表1 仿真想定的條件設(shè)置

基于QualNet網(wǎng)絡(luò)仿真平臺(tái)軟件，仿真想定的界面設(shè)置如圖7所示。自左向右依次為節(jié)點(diǎn)4、節(jié)點(diǎn)1、節(jié)點(diǎn)2和節(jié)點(diǎn)3，設(shè)定節(jié)點(diǎn)4和節(jié)點(diǎn)3通信距離超過視距。當(dāng)節(jié)點(diǎn)4和節(jié)點(diǎn)3相互通信的時(shí)候，需要中繼通信，可以利用節(jié)點(diǎn)1和節(jié)點(diǎn)2作為中繼節(jié)點(diǎn)進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)通信。

圖7 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

定向鄰居掃描過程記錄如下頁圖8所示。圖中從左向右可見，節(jié)點(diǎn)4與節(jié)點(diǎn)1、節(jié)點(diǎn)1與節(jié)點(diǎn)2、節(jié)點(diǎn)2與節(jié)點(diǎn)3之間都同時(shí)存在雙向箭頭，表明相距最遠(yuǎn)的節(jié)點(diǎn)4和節(jié)點(diǎn)3之間向?qū)Ψ桨l(fā)射的業(yè)務(wù)流正在進(jìn)行雙向通信。從波束指向來看，節(jié)點(diǎn)均為使用定向波束互通。由于數(shù)據(jù)源和接收端并非鄰居節(jié)點(diǎn)，所以必須通過路由協(xié)議進(jìn)行中繼轉(zhuǎn)發(fā)，建立了一條從節(jié)點(diǎn) 4＜--＞ 節(jié)點(diǎn) 1＜--＞ 節(jié)點(diǎn) 2＜--＞ 節(jié)點(diǎn)3的定向多跳鏈路。

圖8 鄰居發(fā)現(xiàn)掃描過程仿真記錄

業(yè)務(wù)消息收發(fā)統(tǒng)計(jì)如圖9和圖10所示。圖中橫軸為收發(fā)節(jié)點(diǎn)ID，縱軸為收發(fā)的數(shù)據(jù)包個(gè)數(shù)。可以看到，經(jīng)過多跳路由轉(zhuǎn)發(fā)后，數(shù)據(jù)發(fā)送成功率為100%。

圖9 業(yè)務(wù)源端發(fā)送消息個(gè)數(shù)

圖10 業(yè)務(wù)接收端接收消息個(gè)數(shù)

基于QualNet網(wǎng)絡(luò)仿真平臺(tái)，驗(yàn)證基于純定向天線的快速鄰居發(fā)現(xiàn)協(xié)議，仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，驗(yàn)證了基于純定向窄波束天線的鄰居發(fā)現(xiàn)過程的正確性，無需全向天線輔助，增強(qiáng)了艦艇編隊(duì)數(shù)據(jù)鏈抗干擾和抗毀傷能力。

4 結(jié)論

針對(duì)定向天線的數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)仿真波形基于 IEEE 802.11a，頻段為 5 GHz，速率為 6 Mb/s，通過Qualnet網(wǎng)絡(luò)仿真平臺(tái)進(jìn)行了網(wǎng)絡(luò)仿真驗(yàn)證。仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，基于定向天線的數(shù)據(jù)鏈鄰居發(fā)現(xiàn)協(xié)議滿足定向自組網(wǎng)的設(shè)計(jì)要求，該協(xié)議能夠?yàn)楦邉?dòng)態(tài)變化拓?fù)涞呐炌Ь庩?duì)，提供高速率、遠(yuǎn)距離、抗干擾的多跳自組網(wǎng)通信，滿足定位、數(shù)據(jù)、話音、視頻、圖像業(yè)務(wù)傳輸?shù)纫蟆Ｏ乱徊结槍?duì)面狀、球狀等多種形式的定向天線進(jìn)行建模分析和實(shí)際驗(yàn)證。