一種低速超短波自組網(wǎng)MAC層協(xié)議研究

李書杰，榮 柱，呂玉靜，秦 茜

(1.海軍參謀部信息通信局，北京 100841；2.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

0 引言

無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)無(wú)需架設(shè)固定線路，并能夠靈活、方便地為用戶提供隨時(shí)隨地的通信服務(wù)。近年來(lái)，無(wú)線通信不論在商業(yè)應(yīng)用還是軍事應(yīng)用上均得到了巨大的發(fā)展。無(wú)線通信可以分為有基礎(chǔ)設(shè)施的無(wú)線通信(大多數(shù)的民用無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，例如GSM，WiFi等等)和無(wú)基礎(chǔ)設(shè)施的無(wú)線通信，這里的基礎(chǔ)設(shè)施一般是指基站[1]。由于戰(zhàn)術(shù)應(yīng)用環(huán)境的特殊性，即缺乏通信基礎(chǔ)設(shè)施的支撐，戰(zhàn)術(shù)電臺(tái)通常需要符合無(wú)中心、自組織、自愈合的要求，同時(shí)節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)性使得網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)具有高度動(dòng)態(tài)變化的特征。另一方面，在作戰(zhàn)集結(jié)、行軍、作戰(zhàn)展開等不同應(yīng)用場(chǎng)景和地域環(huán)境里，節(jié)點(diǎn)規(guī)模和節(jié)點(diǎn)密度也會(huì)呈現(xiàn)很大的變化[2-4]。因此，自組網(wǎng)(MANET)技術(shù)在軍事上的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。

MANET的起源可追溯到20世紀(jì)70年代。最早的MANET技術(shù)脫胎于ALOHA技術(shù)[5]。所謂ALOHA協(xié)議就是最早最基本的無(wú)線數(shù)據(jù)通信協(xié)議，可實(shí)現(xiàn)單點(diǎn)到多點(diǎn)的數(shù)據(jù)通信。但是ALOHA協(xié)議因?yàn)闆](méi)有路由訪問(wèn)功能，所以屬于單跳協(xié)議，相比之下，MANET的協(xié)議則可以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)的多跳功能[5-6]。MANET由于其自組織、自愈合和抗毀性強(qiáng)等自身特點(diǎn)，從一誕生開始就倍受各國(guó)軍方用戶的重視，當(dāng)前MANET的研究成果主要集中在美國(guó)，在過(guò)去將近半個(gè)世紀(jì)的不斷探索中，積累了豐富的實(shí)戰(zhàn)經(jīng)驗(yàn)[7]。特別是近30年，美軍舉行了多次基于MANET的演習(xí)，并且不斷提升演習(xí)的規(guī)模和復(fù)雜程度，進(jìn)一步驗(yàn)證了MANET在野戰(zhàn)環(huán)境下的優(yōu)異性能[8]。不過(guò)歐洲也已經(jīng)開始考慮將MANET網(wǎng)作為中繼，用以擴(kuò)大第二代及第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)的覆蓋范圍和提高在網(wǎng)絡(luò)或鏈路發(fā)生故障時(shí)系統(tǒng)的魯棒性，目前已建立了一種稱為A-GSM的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)[9]。雖然我方在MANET技術(shù)方面做了一定的預(yù)研，也有了一定的技術(shù)儲(chǔ)備，但是距離真正將MANET組網(wǎng)方式應(yīng)用于現(xiàn)有的戰(zhàn)術(shù)通信網(wǎng)，還需要一定的時(shí)間[10]。

在自組網(wǎng)所使用的波段內(nèi)，頻譜資源異常寶貴，而電磁環(huán)境又往往十分惡劣，超短波信道具有以下優(yōu)勢(shì)：① 超短波波長(zhǎng)較長(zhǎng)，能繞射過(guò)信道中的高大建筑物，通信距離可達(dá)幾十km[11-12]。② 超短波通信相比于短波通信，帶寬更寬、信噪比更高，比較適合寬帶業(yè)務(wù)傳輸[13-14]。因此，超短波技術(shù)在自組網(wǎng)設(shè)備中的應(yīng)用越來(lái)越受到關(guān)注。

低速自組網(wǎng)波形雖然不支持寬帶業(yè)務(wù)傳輸，但是具有極高的接收靈敏度和穩(wěn)定性，以及非常好的隱蔽性，可應(yīng)用于新型多頻段電臺(tái)的研制，支撐聯(lián)合戰(zhàn)術(shù)通信系統(tǒng)型號(hào)研制[15]。

本文提出了一種新的低速自組網(wǎng)波形MAC層協(xié)議，該協(xié)議采用TDMA作為MAC層協(xié)議基礎(chǔ)，以及改進(jìn)的OLSR作為路由協(xié)議。另外，該協(xié)議容易在軟件無(wú)線電(SDR)平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)，而SDR平臺(tái)技術(shù)具有低功耗、方便加載不同波形的優(yōu)點(diǎn)。仿真結(jié)果表明，本文提出的低速自組網(wǎng)波形協(xié)議可以容納較大的網(wǎng)絡(luò)規(guī)模、較小的開銷、較短的組網(wǎng)時(shí)間和傳輸時(shí)延。

1 低速超短波自組網(wǎng)協(xié)議

1.1 時(shí)隙幀結(jié)構(gòu)

本文研究的低速超短波自組網(wǎng)協(xié)議，選擇基于TDMA架構(gòu)進(jìn)行MAC層接入算法設(shè)計(jì)。基于TDMA 技術(shù)的架構(gòu)在自組織網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)中最為成熟。FDMA 的多址方式，頻點(diǎn)管理與節(jié)點(diǎn)硬件復(fù)雜度非常高，節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)受限，極少被MANET 組網(wǎng)設(shè)計(jì)采用；CDMA 的多址方式，由于其“遠(yuǎn)近效應(yīng)”，需要在終端節(jié)點(diǎn)與中心節(jié)點(diǎn)之間進(jìn)行功率控制，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度高、成本巨大，且更適用于大規(guī)模節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)。相對(duì)于上述2種多址接入方式，TDMA 最為適用于本文的低速超短波自組網(wǎng)協(xié)議。

在該組網(wǎng)系統(tǒng)中，每個(gè)時(shí)幀由3部分組成：上行預(yù)約時(shí)隙(Uplink Reservation Slot，URS)、下行控制時(shí)隙(Downlink Control Slot，DCS)和數(shù)傳時(shí)隙(Data Transmmition Slot，DTS)，如圖1所示。其中，URS與DCS作為網(wǎng)絡(luò)的控制信道，其功能是在中心節(jié)點(diǎn)與普通節(jié)點(diǎn)之間進(jìn)行鄰居發(fā)現(xiàn)信息的傳輸、網(wǎng)絡(luò)的建立以及普通節(jié)點(diǎn)向中心節(jié)點(diǎn)預(yù)約數(shù)傳時(shí)隙。

圖1 時(shí)隙幀結(jié)構(gòu)

URS的傳輸方向是從終端節(jié)點(diǎn)到中心節(jié)點(diǎn)方向，或者是從終端節(jié)點(diǎn)到(相對(duì)于中心節(jié)點(diǎn))下一跳普通節(jié)點(diǎn)方向，其作用是節(jié)點(diǎn)進(jìn)行預(yù)約信息、轉(zhuǎn)發(fā)信息的傳輸。

DCS的傳輸方向是從中心節(jié)點(diǎn)到終端節(jié)點(diǎn)方向，其作用是對(duì)預(yù)約進(jìn)行確認(rèn)，并且下發(fā)廣播時(shí)隙占用表以及網(wǎng)絡(luò)維護(hù)等信息。

DTS的傳輸方向是從終端節(jié)點(diǎn)到終端節(jié)點(diǎn)方向，其作用是通過(guò)傳輸包內(nèi)的目的地址域，實(shí)現(xiàn)點(diǎn)到點(diǎn)的傳輸，以及在鄰居發(fā)現(xiàn)階段為節(jié)點(diǎn)上行申請(qǐng)時(shí)隙，網(wǎng)絡(luò)建立后為話音、數(shù)據(jù)信息業(yè)務(wù)傳輸?shù)臅r(shí)隙。

時(shí)幀為連續(xù)設(shè)置，一個(gè)時(shí)幀時(shí)長(zhǎng)Tframe=200 ms，其中上行預(yù)約時(shí)隙時(shí)長(zhǎng)TURS=35 ms，下行控制時(shí)隙時(shí)長(zhǎng)TDCS=35 ms，數(shù)傳時(shí)隙時(shí)長(zhǎng)TDTS=130 ms。

因此，

Tframe=TURS+TDCS+TDTS。

其中控制時(shí)隙實(shí)際有效傳輸為34.42 ms，預(yù)留0.58 ms保護(hù)間隔，數(shù)傳子時(shí)隙預(yù)留0.29 ms，作為時(shí)隙同步、傳輸延遲、設(shè)備處理延遲的保護(hù)時(shí)間間隔。

URS，DCS具體信息內(nèi)容格式如表1和表2所示。

表1 URS上行時(shí)隙控制字設(shè)計(jì)

狀態(tài)字(4 bits)源ID計(jì)數(shù)字(5 bits)目的ID計(jì)數(shù)字(5 bits)CRC校驗(yàn)(8 bits)說(shuō)明(共20 bits)000000010010自身節(jié)點(diǎn)ID幀號(hào)計(jì)數(shù)器1^11循環(huán)計(jì)數(shù)收到的最近的終端節(jié)點(diǎn)的ID號(hào)。幀號(hào)計(jì)數(shù)器對(duì)前13 bits的CRC校驗(yàn)該狀態(tài)表示IDLE狀態(tài),未有業(yè)務(wù)發(fā)送該狀態(tài)表示收到終端節(jié)點(diǎn)的URS信息,在IDLE狀態(tài)下對(duì)其進(jìn)行回應(yīng)/轉(zhuǎn)發(fā)收到自身業(yè)務(wù)需求,申請(qǐng)時(shí)隙占用

表2 DCS下行時(shí)隙控制字設(shè)計(jì)

狀態(tài)字(4 bits)ID計(jì)數(shù)字(5 bits)CRC校驗(yàn)(8 bits)說(shuō)明(共16 bits)0000幀號(hào)計(jì)數(shù)器1^11循環(huán)計(jì)數(shù)0001允許其使用信道的節(jié)點(diǎn)ID0010最近一次使用信道的節(jié)點(diǎn)ID對(duì)前8 bits的CRC校驗(yàn)該狀態(tài)表示IDLE狀態(tài),允許節(jié)點(diǎn)發(fā)送時(shí)隙申請(qǐng)?jiān)摖顟B(tài)表示接收到節(jié)點(diǎn)的時(shí)隙使用申請(qǐng),且允許使用(此時(shí)信道對(duì)別的節(jié)點(diǎn)禁止發(fā)送)“信道釋放中”狀態(tài),該狀態(tài)表示下一幀進(jìn)入“0000”狀態(tài),當(dāng)前幀不可用

1.2 網(wǎng)絡(luò)建立過(guò)程

網(wǎng)絡(luò)建立過(guò)程為各個(gè)節(jié)點(diǎn)從開機(jī)至各節(jié)點(diǎn)形成網(wǎng)絡(luò)的過(guò)程。本文提出的低速超短波自組網(wǎng)MAC層協(xié)議支持無(wú)衛(wèi)星授時(shí)的網(wǎng)絡(luò)同步，由中心節(jié)點(diǎn)與終端節(jié)點(diǎn)共同完成網(wǎng)絡(luò)建立過(guò)程。節(jié)點(diǎn)開機(jī)以后，在網(wǎng)絡(luò)建立之前，各個(gè)節(jié)點(diǎn)完成參數(shù)預(yù)設(shè)。網(wǎng)絡(luò)建立的過(guò)程：各個(gè)節(jié)點(diǎn)將自身的時(shí)隙調(diào)整到與中心節(jié)點(diǎn)對(duì)齊，中心節(jié)點(diǎn)獲取整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)信息，包括節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)、ID與拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。該過(guò)程利用幀結(jié)構(gòu)中的URS和DCS時(shí)隙。

在本文提出的低速超短波自組網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)建立過(guò)程中，各個(gè)終端節(jié)點(diǎn)使用與其ID對(duì)應(yīng)的幀號(hào)，發(fā)送URS信息，這樣可以保證全網(wǎng)所有節(jié)點(diǎn)在開機(jī)的情況下可發(fā)送URS信息，且可以得到有效的轉(zhuǎn)發(fā)，并在中心節(jié)點(diǎn)完成注冊(cè)，使網(wǎng)絡(luò)建立收斂于一個(gè)完備的狀態(tài)，各個(gè)節(jié)點(diǎn)的信息均記錄于中心節(jié)點(diǎn)。

拓?fù)涫纠龍D如圖2所示。以圖2為例進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)建立的說(shuō)明，其中0號(hào)節(jié)點(diǎn)為中心節(jié)點(diǎn)，1/2/3號(hào)節(jié)點(diǎn)為終端節(jié)點(diǎn)，連線表示節(jié)點(diǎn)之間可通信，因此2號(hào)節(jié)點(diǎn)在中心節(jié)點(diǎn)2跳距離。為方便起見(jiàn)，在本節(jié)后續(xù)的原理說(shuō)明過(guò)程中，均以圖2為例。

圖2 拓?fù)涫纠?/p>

中心節(jié)點(diǎn)(0號(hào)節(jié)點(diǎn))開機(jī)后進(jìn)入“網(wǎng)絡(luò)建立”狀態(tài)。該狀態(tài)下，中心節(jié)點(diǎn)在每幀的“ID計(jì)數(shù)字”域，發(fā)送循環(huán)計(jì)數(shù)器，計(jì)數(shù)范圍為1～11，表示自身計(jì)數(shù)的幀號(hào)，對(duì)應(yīng)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)其余節(jié)點(diǎn)數(shù)；當(dāng)中心節(jié)點(diǎn)收到其他節(jié)點(diǎn)的URS信息時(shí)解讀其狀態(tài)，若是自身節(jié)點(diǎn)ID在其對(duì)應(yīng)的時(shí)隙發(fā)送，則表示該節(jié)點(diǎn)在一跳范圍內(nèi)，中心節(jié)點(diǎn)將其記錄于自身的節(jié)點(diǎn)登記緩存；若接收到的信息為該節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)的節(jié)點(diǎn)信息，則表示發(fā)送節(jié)點(diǎn)在一跳范圍外，中心節(jié)點(diǎn)讀取同樣其“目的ID記數(shù)字”域，并記錄于自身節(jié)點(diǎn)登記緩存。經(jīng)過(guò)多個(gè)周期的上述過(guò)程的迭代，中心節(jié)點(diǎn)將自身狀態(tài)更新為“網(wǎng)絡(luò)建立”狀態(tài)。

該網(wǎng)絡(luò)支持4跳范圍的節(jié)點(diǎn)距離。設(shè)定中心節(jié)點(diǎn)距最遠(yuǎn)的節(jié)點(diǎn)為4跳距離，那么一次迭代的時(shí)間可以定義為中心節(jié)點(diǎn)的DCS信息到達(dá)“最遠(yuǎn)”節(jié)點(diǎn)，且最遠(yuǎn)節(jié)點(diǎn)在其對(duì)應(yīng)的幀發(fā)送了URS信息并返回至中心節(jié)點(diǎn)的時(shí)間。一次迭代時(shí)間為7個(gè)循環(huán)時(shí)幀，即15.4 s。不同的拓?fù)浣Y(jié)果，在轉(zhuǎn)發(fā)URS信息上花費(fèi)的時(shí)長(zhǎng)不同。綜合考慮，經(jīng)過(guò)6次上述信息的發(fā)送、反饋與收集過(guò)程，網(wǎng)絡(luò)建立結(jié)束。總時(shí)長(zhǎng)92.4 s，該時(shí)長(zhǎng)對(duì)滿足各種拓?fù)湎翫CS/URS的轉(zhuǎn)發(fā)與通信，余量完備，且支持網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的先后開機(jī)流程。

終端節(jié)點(diǎn)在開機(jī)后進(jìn)入“等待接收DCS”狀態(tài)。對(duì)于與中心節(jié)點(diǎn)在一跳范圍內(nèi)的終端節(jié)點(diǎn)，如節(jié)點(diǎn)1，3，在接收到中心節(jié)點(diǎn)的DCS信息后，在對(duì)應(yīng)于自己ID號(hào)的幀內(nèi)(1號(hào)幀、3號(hào)幀，幀號(hào)已經(jīng)經(jīng)過(guò)中心節(jié)點(diǎn)同步)發(fā)送URS信息，表示狀態(tài)為“接收到DCS”；若終端節(jié)點(diǎn)(2號(hào)節(jié)點(diǎn))不在中心節(jié)點(diǎn)一跳范圍內(nèi)，則該節(jié)點(diǎn)不會(huì)收到DCS信息，只會(huì)收到3節(jié)點(diǎn)的URS信息，該節(jié)點(diǎn)將以此收到URS信息的時(shí)刻進(jìn)行自身計(jì)時(shí)器的同步。而后在緊接著在下一個(gè)自身的幀內(nèi)發(fā)送URS信息，表示狀態(tài)為“接收到URS信息，回應(yīng)URS信息”。3號(hào)節(jié)點(diǎn)在2號(hào)幀收到該URS信息，則在自身的3號(hào)幀上報(bào)URS信息，修改其狀態(tài)，表示轉(zhuǎn)發(fā)2號(hào)節(jié)點(diǎn)的信息，“目的ID記數(shù)字”發(fā)送ID2，完成URS信息的轉(zhuǎn)發(fā)。此時(shí)中心節(jié)點(diǎn)收到該URS信息，解析包的內(nèi)容，將2號(hào)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行登記。

該網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)經(jīng)過(guò)多個(gè)幀周期的遍歷后，各個(gè)節(jié)點(diǎn)均可收到中心節(jié)點(diǎn)的DCS，中心節(jié)點(diǎn)亦可通過(guò)其一跳范圍的節(jié)點(diǎn)的URS收到網(wǎng)絡(luò)內(nèi)所有節(jié)點(diǎn)的信息，并將其更新、記錄于自身的節(jié)點(diǎn)信息緩存中。狀態(tài)計(jì)時(shí)結(jié)束，中心節(jié)點(diǎn)與終端節(jié)點(diǎn)均將自身狀態(tài)變?yōu)椤熬W(wǎng)絡(luò)建立”，則網(wǎng)絡(luò)完成網(wǎng)絡(luò)建立。

1.3 時(shí)隙接入原理

在網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行過(guò)程中，各個(gè)終端節(jié)點(diǎn)無(wú)業(yè)務(wù)的情況居多，而突發(fā)的業(yè)務(wù)又需要得到快速的響應(yīng)?；谏鲜鎏攸c(diǎn)，本文的協(xié)議采用“動(dòng)態(tài)預(yù)約和隨機(jī)競(jìng)爭(zhēng)”的方式。每個(gè)終端節(jié)點(diǎn)根據(jù)自身業(yè)務(wù)需求對(duì)時(shí)隙發(fā)起申請(qǐng)，MAC層在收到業(yè)務(wù)請(qǐng)求后立即發(fā)送URS信息，而無(wú)需等到與自身ID對(duì)應(yīng)的幀內(nèi)發(fā)URS，這樣即是“動(dòng)態(tài)”地進(jìn)行預(yù)約，使得響應(yīng)速度更加快速。對(duì)可能出現(xiàn)的時(shí)隙沖突情況，則采用802.11協(xié)議中的CSMA/CD機(jī)制進(jìn)行沖突檢測(cè)與規(guī)避，從而能夠保證節(jié)點(diǎn)的可靠接入，不失公平性，達(dá)到“隨機(jī)競(jìng)爭(zhēng)”的效果。

中心節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)建立的過(guò)程中，通過(guò)其一跳鄰居的URS信息收集，建立了全網(wǎng)的節(jié)點(diǎn)狀態(tài)表。中心節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)建立后會(huì)一直維護(hù)該表格，并記錄網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的拓?fù)湫畔?，若某?jié)點(diǎn)要往另一節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息，則中心節(jié)點(diǎn)可知其路徑。4號(hào)節(jié)點(diǎn)時(shí)隙接入拓?fù)涫纠鐖D3所示。

圖3 4號(hào)節(jié)點(diǎn)時(shí)隙接入拓?fù)涫纠?/p>

圖3是在圖2的基礎(chǔ)上增加了一跳鄰居4號(hào)節(jié)點(diǎn)，以說(shuō)明3/4跳節(jié)點(diǎn)的時(shí)隙接入流程。

中心節(jié)點(diǎn)(0號(hào)節(jié)點(diǎn))在網(wǎng)絡(luò)建立的過(guò)程中，通過(guò)其一跳鄰居的URS信息收集，建立了全網(wǎng)的節(jié)點(diǎn)狀態(tài)表。該表格在一直保持更新維護(hù)狀態(tài)，若某節(jié)點(diǎn)要往另一節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息，則中心節(jié)點(diǎn)可知其路徑。

中心節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)機(jī)開始運(yùn)行于“網(wǎng)絡(luò)建立”的狀態(tài)，完成網(wǎng)絡(luò)建立后跳轉(zhuǎn)至工作的IDLE狀態(tài)，表示允許網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)申請(qǐng)時(shí)隙。以圖3為例，在網(wǎng)絡(luò)完成建立以后的某時(shí)刻，1號(hào)節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生了業(yè)務(wù)需求，目的節(jié)點(diǎn)為2號(hào)節(jié)點(diǎn)，則1號(hào)節(jié)點(diǎn)立即發(fā)起URS信息，表示申請(qǐng)使用數(shù)傳時(shí)隙。0號(hào)節(jié)點(diǎn)收到1號(hào)節(jié)點(diǎn)發(fā)送的URS信息后，會(huì)進(jìn)行判決、鏈路轉(zhuǎn)發(fā)計(jì)算，并更新狀態(tài)機(jī)狀態(tài)，在下一個(gè)DCS發(fā)送信息，將計(jì)算結(jié)果廣播“全網(wǎng)”，DCS的使用流程如下：

① 下發(fā)DCS信息，表示后續(xù)N幀由1號(hào)節(jié)點(diǎn)占用數(shù)傳時(shí)隙；若在N幀時(shí)間內(nèi)1號(hào)節(jié)點(diǎn)業(yè)務(wù)發(fā)送完成，則1號(hào)節(jié)點(diǎn)將在其URS信息中發(fā)送釋放時(shí)隙信息，否則中心節(jié)點(diǎn)通過(guò)DCS強(qiáng)制結(jié)束其使用時(shí)隙，并安排轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)3號(hào)節(jié)點(diǎn)占用時(shí)隙。通知時(shí)隙占用的DCS信息在第N幀發(fā)出，即在第(N+1)幀1號(hào)時(shí)隙將不能再使用數(shù)傳時(shí)隙。

② 3號(hào)節(jié)點(diǎn)使用時(shí)隙后，在自身的URS信息中發(fā)送時(shí)隙占用的時(shí)長(zhǎng)、路由信息，“告知”2號(hào)節(jié)點(diǎn)，起到DCS的作用，完成多跳鏈路的建立。同時(shí)在數(shù)據(jù)時(shí)隙對(duì)1號(hào)節(jié)點(diǎn)的信息進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，數(shù)據(jù)信息發(fā)送至2號(hào)節(jié)點(diǎn)，則完成數(shù)據(jù)傳輸。

③ 在上述過(guò)程中，N作為中心節(jié)點(diǎn)內(nèi)部設(shè)置的參數(shù)，表示某節(jié)點(diǎn)占用時(shí)隙的超時(shí)上限，若某時(shí)隙開始占用當(dāng)前幀進(jìn)行傳輸，且在第N幀時(shí)間內(nèi)未收到來(lái)自該節(jié)點(diǎn)的釋放時(shí)隙的URS信息，就發(fā)送包含強(qiáng)制釋放信息的DCS。

④ 對(duì)于目的節(jié)點(diǎn)在多跳的傳輸情景。中心節(jié)點(diǎn)的DCS信息將在轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)被轉(zhuǎn)發(fā)(如步驟②中所述)，3號(hào)節(jié)點(diǎn)將對(duì)該信息進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，在自己的URS信息中，起到DCS的作用。假設(shè)3跳情景，2號(hào)節(jié)點(diǎn)仍有一個(gè)單獨(dú)連接的4號(hào)節(jié)點(diǎn)，則在上述過(guò)程中，在3號(hào)節(jié)點(diǎn)釋放時(shí)隙后，2號(hào)節(jié)點(diǎn)使用時(shí)隙。2號(hào)節(jié)點(diǎn)使用時(shí)隙的行為，由中心節(jié)點(diǎn)做出，并通過(guò)DCS下發(fā)，由3號(hào)節(jié)點(diǎn)在其URS中發(fā)送至2號(hào)節(jié)點(diǎn)。2號(hào)節(jié)點(diǎn)在第3個(gè)N幀時(shí)長(zhǎng)內(nèi)，轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)信息，到達(dá)3跳的目的節(jié)點(diǎn)。

1.4 沖突退避機(jī)制

方案在時(shí)隙競(jìng)爭(zhēng)的沖突處理方面，采用802.11協(xié)議中的CSMA/CD機(jī)制，進(jìn)行沖突檢測(cè)與規(guī)避，從而能夠保證節(jié)點(diǎn)的可靠接入，不失公平性，解決“隱藏節(jié)點(diǎn)”與“競(jìng)爭(zhēng)沖突”的問(wèn)題。該機(jī)制可進(jìn)一步提高信道的利用效率及網(wǎng)絡(luò)吞吐率。

節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)建立之后，所有的URS均為共用狀態(tài)，共同偵聽與發(fā)送申請(qǐng)，以保證信息傳輸、時(shí)隙占用的時(shí)效性。對(duì)于可能的數(shù)據(jù)沖突，進(jìn)行的沖突退避控制，其過(guò)程包含偵聽、發(fā)送、檢測(cè)和沖突處理4個(gè)處理內(nèi)容。

偵聽：節(jié)點(diǎn)在公共信道上接收信息，是否收到其他節(jié)點(diǎn)的URS時(shí)隙占用申請(qǐng)、或中心節(jié)點(diǎn)下發(fā)的時(shí)隙分配信息，線路是否被占用；若“忙”則進(jìn)入后述的“退避”處理程序，進(jìn)行反復(fù)偵聽工作。若“閑”，則根據(jù)一定算法原則，在業(yè)務(wù)到達(dá)后決定如何發(fā)送。

發(fā)送：當(dāng)確定要發(fā)送后，在URS發(fā)送時(shí)隙占用申請(qǐng)的信息。

檢測(cè)：數(shù)據(jù)發(fā)送后，可能發(fā)生數(shù)據(jù)碰撞。若M幀內(nèi)未收到來(lái)自中心節(jié)點(diǎn)的DCS信息(DCS信息應(yīng)對(duì)URS的時(shí)隙申請(qǐng)給予明確的應(yīng)答)，則判定數(shù)據(jù)發(fā)生碰撞。

沖突處理：當(dāng)確認(rèn)發(fā)生沖突后，網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)進(jìn)入沖突處理程序。沖突情況可分為2種：一是業(yè)務(wù)到達(dá)后偵聽，發(fā)現(xiàn)信道忙；二是發(fā)送URS后發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)碰撞。對(duì)于第1種情況，則等待一個(gè)延時(shí)后再次偵聽，若仍然忙，則繼續(xù)延遲等待，一直到可以發(fā)送為止。每次延時(shí)的時(shí)間不一致，由退避算法確定延時(shí)值；第2種情況，若發(fā)送過(guò)程中發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)碰撞，先發(fā)送阻塞信息，強(qiáng)化沖突，再進(jìn)行偵聽工作，以待下次重新發(fā)送。

2 仿真與分析

2.1 仿真環(huán)境及參數(shù)設(shè)置

OPNET Modeler是一套集開發(fā)和應(yīng)用為一體的通信系統(tǒng)模擬軟件，能夠準(zhǔn)確地分析復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的性能和行為，在網(wǎng)絡(luò)模型中的任意位置都可以插入標(biāo)準(zhǔn)的或用戶指定的探頭，以采集數(shù)據(jù)和進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。本文使用版本號(hào)為14.5的OPNET Modeler，通過(guò)設(shè)計(jì)節(jié)點(diǎn)模型、進(jìn)程模型與核心狀態(tài)機(jī)機(jī)制的算法對(duì)場(chǎng)景進(jìn)行仿真。

圖4 12節(jié)點(diǎn)4跳拓?fù)?/p>

為了測(cè)試本文提出的協(xié)議的合理性和性能，仿真設(shè)計(jì)4種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：12節(jié)點(diǎn)4跳拓?fù)洹?節(jié)點(diǎn)4跳拓?fù)?、?節(jié)點(diǎn)3跳拓?fù)浜?節(jié)點(diǎn)2跳拓?fù)?，并且同時(shí)測(cè)試了其網(wǎng)絡(luò)建立時(shí)間，拓?fù)浣r(shí)間以及突發(fā)業(yè)務(wù)的傳輸端到端延遲(ETEL)，如圖4～圖7所示。

圖5 7節(jié)點(diǎn)4跳拓?fù)?/p>

圖6 7節(jié)點(diǎn)3跳拓?fù)?/p>

圖7 7節(jié)點(diǎn)2跳拓?fù)?/p>

2.2 仿真結(jié)果與分析

7節(jié)點(diǎn)4跳拓?fù)湎戮W(wǎng)絡(luò)建立時(shí)間如圖8所示，7節(jié)點(diǎn)3跳拓?fù)湎戮W(wǎng)絡(luò)建立時(shí)間如圖9所示，7節(jié)點(diǎn)2跳拓?fù)湎戮W(wǎng)絡(luò)建立時(shí)間如圖10所示。各圖的橫軸表示時(shí)間，單位為s，縱軸表示狀態(tài)，從0→1表示收到了DCS信息對(duì)自己的回復(fù)，或是URS信息對(duì)自己的回復(fù)，此時(shí)各個(gè)節(jié)點(diǎn)將自身狀態(tài)設(shè)置為網(wǎng)絡(luò)建立。

圖8 7節(jié)點(diǎn)4跳拓?fù)湎戮W(wǎng)絡(luò)建立時(shí)間

圖9 7節(jié)點(diǎn)3拓?fù)湎戮W(wǎng)絡(luò)建立時(shí)間

圖10 7節(jié)點(diǎn)2跳拓?fù)湎戮W(wǎng)絡(luò)建立時(shí)間

7節(jié)點(diǎn)4跳拓?fù)湎翯NS完成拓?fù)浣r(shí)間如圖11所示，7節(jié)點(diǎn)3跳拓?fù)湎翯NS完成拓?fù)浣r(shí)間如圖12所示，7節(jié)點(diǎn)2跳拓?fù)湎翯NS完成拓?fù)浣r(shí)間如圖13所示?？梢钥闯觯S著時(shí)間變化，距離中心節(jié)點(diǎn)一跳的網(wǎng)絡(luò)最先完成注冊(cè)，而后隨著跳數(shù)增加，注冊(cè)時(shí)間逐漸推后。

圖11 7節(jié)點(diǎn)4跳拓?fù)湎翯NS完成拓?fù)浣r(shí)間

圖12 7節(jié)點(diǎn)3跳拓?fù)湎翯NS完成拓?fù)浣r(shí)間

圖13 7節(jié)點(diǎn)2跳拓?fù)湎翯NS完成拓?fù)浣r(shí)間

7節(jié)點(diǎn)3跳拓?fù)渲幸粋€(gè)1號(hào)節(jié)點(diǎn)到11號(hào)節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)突發(fā)業(yè)務(wù)如圖13所示。該包數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中各個(gè)節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)變化如圖14所示，不同節(jié)點(diǎn)收到數(shù)據(jù)包時(shí)刻的延遲如圖15所示。

圖14 發(fā)業(yè)務(wù)傳輸各節(jié)點(diǎn)狀態(tài)變化

圖15 不同節(jié)點(diǎn)收到數(shù)據(jù)包時(shí)刻的延遲

由仿真結(jié)果可知，最終11號(hào)節(jié)點(diǎn)收到數(shù)據(jù)包延遲在400 ms以內(nèi)。在本文針對(duì)不同拓?fù)?、不同業(yè)務(wù)進(jìn)行了多次仿真，得出了數(shù)據(jù)取平均值作為MAC協(xié)議的最后性能指標(biāo)如表3所示。

表3 MAC協(xié)議的性能指標(biāo)

跳數(shù)網(wǎng)絡(luò)建立時(shí)間(不含拓?fù)浣?/s網(wǎng)絡(luò)建立時(shí)間(包括拓?fù)浣?/s平均ETEL/ms2跳4.87.42603跳7.411.93804跳11.418.0489

由本節(jié)仿真結(jié)果可以看出，本文提出的低速超短波自組網(wǎng)MAC層協(xié)議通過(guò) “動(dòng)態(tài)預(yù)約和隨機(jī)競(jìng)爭(zhēng)”的分配策略，可以在較大的網(wǎng)絡(luò)規(guī)模中適用，取得較小的開銷、較短的組網(wǎng)時(shí)間以及傳輸時(shí)延，從而提高了傳統(tǒng)自組網(wǎng)設(shè)備的靈敏度和隱蔽性，在低速網(wǎng)絡(luò)中的作用非常重要，具有一定的先進(jìn)性。

3 結(jié)束語(yǔ)

雖然低速自組網(wǎng)波形具有很多優(yōu)點(diǎn)，但目前在國(guó)內(nèi)還處于預(yù)研階段。相信其巨大的潛能會(huì)在不久的將來(lái)得到人們?cè)絹?lái)越多的重視。未來(lái)，低速自組網(wǎng)波形會(huì)朝著3個(gè)方向來(lái)發(fā)展：進(jìn)一步減小協(xié)議開銷、提高波形的隱蔽性和提高組網(wǎng)性能。