無(wú)人系統(tǒng)自組織集群網(wǎng)絡(luò)中網(wǎng)關(guān)選舉方法研究*

范喜全，白維學(xué)，毛建兵

（1.中國(guó)人民解放軍32180部隊(duì)，北京 100039；2.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十研究所, 四川 成都 610041）

0 引 言

無(wú)人系統(tǒng)是影響未來(lái)戰(zhàn)爭(zhēng)制勝機(jī)理的顛覆性技術(shù)，而集群化是無(wú)人系統(tǒng)的重要發(fā)展方向[1]。無(wú)人系統(tǒng)集群是指數(shù)十或數(shù)百套無(wú)人系統(tǒng)像“蜂群”那樣成群結(jié)隊(duì)執(zhí)行任務(wù)，在局部區(qū)域迅速集結(jié)形成大規(guī)模作戰(zhàn)裝備優(yōu)勢(shì)，顯著提高作戰(zhàn)效能。未來(lái)戰(zhàn)場(chǎng)空間將出現(xiàn)多種類型的無(wú)人系統(tǒng)大規(guī)模地聯(lián)合開(kāi)展作戰(zhàn)行動(dòng)，這些不同類型的無(wú)人系統(tǒng)將首先構(gòu)成一個(gè)個(gè)的小群體，由小群體再聯(lián)合形成更大規(guī)模的作戰(zhàn)群體[2]。

無(wú)人系統(tǒng)集群網(wǎng)絡(luò)中“蜂群”數(shù)量動(dòng)態(tài)可變，故其一般采用分層分群的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，如圖1所示。第一層為面向任務(wù)子群內(nèi)成員間通信的網(wǎng)絡(luò)，第二層為面向子群間通信的網(wǎng)絡(luò)，第二層網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)由第一層網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)動(dòng)態(tài)自適應(yīng)選舉產(chǎn)生，實(shí)現(xiàn)各個(gè)子群之間的互聯(lián)互通，因此也稱子群間網(wǎng)絡(luò)為“互聯(lián)群”[3]。

實(shí)現(xiàn)子群間互聯(lián)的關(guān)鍵就在于子群間網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的動(dòng)態(tài)選舉，動(dòng)態(tài)網(wǎng)關(guān)選舉主要包括鄰居子網(wǎng)發(fā)現(xiàn)、多點(diǎn)信號(hào)偵聽(tīng)分離、基于序列的相關(guān)能量檢測(cè)和網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)選取四部分組成[4]。

圖1 無(wú)人系統(tǒng)集群網(wǎng)絡(luò)分層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

1 鄰居子網(wǎng)發(fā)現(xiàn)機(jī)制

一級(jí)子網(wǎng)的建立將根據(jù)作者規(guī)劃的任務(wù)子群自動(dòng)建立，二級(jí)子網(wǎng)則需要由一級(jí)子網(wǎng)中的節(jié)點(diǎn)根據(jù)自身的能力和條件，有選擇地“站出來(lái)”承擔(dān)起子網(wǎng)間的通信任務(wù)。二級(jí)子網(wǎng)只有在有鄰居子網(wǎng)存在的時(shí)候才會(huì)主動(dòng)建立，因此需要一種適當(dāng)?shù)泥従幼泳W(wǎng)發(fā)現(xiàn)機(jī)制。

無(wú)人系統(tǒng)自組織網(wǎng)絡(luò)采用多信道分級(jí)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，不同子網(wǎng)工作在不同的信道上，為了能夠發(fā)現(xiàn)鄰居子網(wǎng)，二級(jí)子網(wǎng)和每個(gè)一級(jí)子網(wǎng)共同擁有一個(gè)基本持有信道，簡(jiǎn)稱為BCH信道（Basic Hold Channel）。

在BHC信道的時(shí)針結(jié)構(gòu)中，設(shè)計(jì)了數(shù)個(gè)子群探測(cè)（Detect）子時(shí)隙，每個(gè)一級(jí)子網(wǎng)對(duì)應(yīng)一個(gè)Detect子時(shí)隙，每個(gè)一級(jí)子網(wǎng)的所有節(jié)點(diǎn)共同占用一個(gè)相同的Detect子時(shí)隙，如圖2所示。在屬于某個(gè)一級(jí)子網(wǎng)的Detect子時(shí)隙，本子網(wǎng)內(nèi)所有節(jié)點(diǎn)在BCH信道執(zhí)行信號(hào)發(fā)送；在屬于其它一級(jí)子網(wǎng)的Detect子時(shí)隙，本子網(wǎng)所有節(jié)點(diǎn)切換到BCH信道執(zhí)行偵聽(tīng)和接收處理，以判斷是否有目標(biāo)子網(wǎng)存在。

圖2 鄰居子網(wǎng)探測(cè)發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)

2 多點(diǎn)信號(hào)偵聽(tīng)分離

鄰居子網(wǎng)發(fā)現(xiàn)機(jī)制讓子網(wǎng)內(nèi)所有節(jié)點(diǎn)在同一個(gè)Detect子時(shí)隙內(nèi)同時(shí)執(zhí)行發(fā)送操作，因此偵聽(tīng)接收節(jié)點(diǎn)將收到多個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)發(fā)送的信號(hào)，信號(hào)存在混疊的可能。如圖3所示，節(jié)點(diǎn)c和d同時(shí)在Detect子時(shí)隙內(nèi)發(fā)送，偵聽(tīng)節(jié)點(diǎn)a和b根據(jù)所處位置通信條件不同，節(jié)點(diǎn)a僅收到來(lái)自節(jié)點(diǎn)c的信號(hào)，而節(jié)點(diǎn)b可能同時(shí)接收到來(lái)自節(jié)點(diǎn)c和d的疊加信號(hào)。

圖3 子網(wǎng)探測(cè)時(shí)隙偵聽(tīng)接收

偵聽(tīng)節(jié)點(diǎn)通過(guò)接收處理Detect子時(shí)隙信號(hào)可以實(shí)現(xiàn)兩個(gè)目的：

1）判斷鄰居子網(wǎng)的存在性；

2）評(píng)估預(yù)期鏈路質(zhì)量。

經(jīng)研究分析可知，要達(dá)成目標(biāo)1），可以通過(guò)簡(jiǎn)單的能量檢測(cè)方式實(shí)現(xiàn)，該方法對(duì)是否存儲(chǔ)信號(hào)混疊并不敏感。要達(dá)成目標(biāo)2），可以通過(guò)將信號(hào)能量強(qiáng)度作為評(píng)估鏈路信噪比的依據(jù)來(lái)實(shí)現(xiàn)，但這種方法對(duì)信號(hào)混疊導(dǎo)致能量增強(qiáng)會(huì)形成誤判。如圖3中，若節(jié)點(diǎn)a偵聽(tīng)接收c的能量比節(jié)點(diǎn)b單獨(dú)偵聽(tīng)接收節(jié)點(diǎn)c或d的強(qiáng)，但節(jié)點(diǎn)b偵聽(tīng)接收節(jié)點(diǎn)c和d的能量疊加后比節(jié)點(diǎn)a偵聽(tīng)接收c的強(qiáng)，這可能使得網(wǎng)絡(luò)誤判認(rèn)為節(jié)點(diǎn)b更適合用于建立兩個(gè)子網(wǎng)間的通信。

為避免誤判，節(jié)點(diǎn)偵聽(tīng)接收需要對(duì)來(lái)自多個(gè)節(jié)點(diǎn)的信號(hào)采用基于序列的相關(guān)能量檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行一定程度的分離檢測(cè)。通過(guò)節(jié)點(diǎn)發(fā)送具有良好相關(guān)性的特定序列，接收節(jié)點(diǎn)利用相關(guān)檢測(cè)更為準(zhǔn)確地提取信號(hào)中的能量。如圖4、圖5所示，通過(guò)多點(diǎn)信號(hào)偵聽(tīng)分離后的相關(guān)峰強(qiáng)度準(zhǔn)確判斷出適合建立子網(wǎng)間通信的最佳節(jié)點(diǎn)。

圖4 單源信號(hào)相關(guān)能量檢測(cè)

圖5 多源信號(hào)相關(guān)能量檢測(cè)

3 基于序列的相關(guān)能量檢測(cè)

采用基于訓(xùn)練序列的同步檢測(cè)技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)相關(guān)能量的檢測(cè)[5]。網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)節(jié)點(diǎn)在Detcet時(shí)隙上發(fā)射訓(xùn)練序列符號(hào)，接收節(jié)點(diǎn)可以通過(guò)接收信號(hào)處理實(shí)現(xiàn)符號(hào)同步，同時(shí)實(shí)現(xiàn)相關(guān)能量的檢測(cè)，訓(xùn)練序列采用ZC（Zadoff-Chu）序列，ZC序列的定義為：

其中，μ為ZC序列的根指數(shù)，不同的根指數(shù)條件下，ZC序列的自相關(guān)峰均值比有較大不同。通過(guò)仿真分析發(fā)現(xiàn)，根指數(shù)為720時(shí)，可達(dá)到最大的自相關(guān)峰均值比，如圖6所示。故根指數(shù)設(shè)置為720[6]。

圖6 ZC序列不同根指數(shù)峰均值比

4 網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)選取

當(dāng)不同的任務(wù)子群子網(wǎng)工作的地理區(qū)域在同一區(qū)域或較近時(shí)，不同子網(wǎng)在位置空間上存在較大的重合，主要典型的應(yīng)用場(chǎng)景有地域空間高度重合場(chǎng)景（分為集結(jié)和覆蓋兩種樣式）和扁平分散邊緣鄰接場(chǎng)景（分為圍合和廣泛兩種樣式），如圖7、圖8所示。

圖7 地域空間高度重合場(chǎng)景

圖8 扁平分散邊緣鄰接場(chǎng)景

由于子網(wǎng)間位置空間上的重合，通過(guò)上述鄰居子網(wǎng)發(fā)現(xiàn)機(jī)制，網(wǎng)絡(luò)中將可能有大量的節(jié)點(diǎn)發(fā)現(xiàn)其它鄰居子網(wǎng)的存在，如果不加以選擇控制，大量的節(jié)點(diǎn)都參與到二級(jí)子網(wǎng)的建立中去，將造成二級(jí)子網(wǎng)擁塞甚至癱瘓，嚴(yán)重浪費(fèi)有限的信道資源，網(wǎng)絡(luò)分層分級(jí)的意義也將失去殆盡，難以取得良好的效益。因此，必須要在鄰居子網(wǎng)發(fā)現(xiàn)的基礎(chǔ)上對(duì)有條件的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行選擇控制[7]。

子網(wǎng)互聯(lián)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)選取的規(guī)則設(shè)計(jì)如下：

規(guī)則1：優(yōu)先選擇同時(shí)偵聽(tīng)發(fā)現(xiàn)了更多鄰居子網(wǎng)的節(jié)點(diǎn)；

規(guī)則2：優(yōu)先選擇信號(hào)偵聽(tīng)檢測(cè)中相關(guān)能量最強(qiáng)的節(jié)點(diǎn)；

規(guī)則3：面向每一個(gè)鄰接子群子網(wǎng)，同等條件下盡量避免同一子網(wǎng)兩跳范圍內(nèi)的節(jié)點(diǎn)同時(shí)成為互聯(lián)通信的二級(jí)子網(wǎng)節(jié)點(diǎn)；

規(guī)則4：與同一子群網(wǎng)絡(luò)連接的節(jié)點(diǎn)原則上不易過(guò)多，但當(dāng)網(wǎng)絡(luò)間通信業(yè)務(wù)強(qiáng)度增加而使得當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)資源不足時(shí)，適當(dāng)增加連接的節(jié)點(diǎn)數(shù)。

子網(wǎng)節(jié)點(diǎn)發(fā)現(xiàn)鄰居子網(wǎng)后，通過(guò)基于相關(guān)序列的能量檢測(cè)，并進(jìn)行多點(diǎn)偵聽(tīng)分離后，依據(jù)以上四個(gè)規(guī)則，完成子網(wǎng)間網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的選擇，從而實(shí)現(xiàn)多子網(wǎng)的互聯(lián)互通[8]。

5 結(jié) 語(yǔ)

無(wú)人系統(tǒng)在未來(lái)軍事發(fā)展中具有廣泛的應(yīng)用需求，而集群化是無(wú)人系統(tǒng)的重要發(fā)展方向。無(wú)人系統(tǒng)集群技術(shù)通過(guò)聚合大規(guī)模低成本小型無(wú)人系統(tǒng)，形成大型無(wú)人系統(tǒng)，可有效增加戰(zhàn)斗中傳感器和攻擊武器的數(shù)量，形成規(guī)模優(yōu)勢(shì)，提高作戰(zhàn)效能。無(wú)人系統(tǒng)的集群化將使得網(wǎng)絡(luò)不僅要解決可靠、大容量自組織及可配置網(wǎng)絡(luò)等問(wèn)題，而且要根據(jù)無(wú)人集群特性，實(shí)現(xiàn)高速高動(dòng)態(tài)拓?fù)渥兓淖灾鹘M網(wǎng)、高實(shí)時(shí)信息傳輸。

通常應(yīng)用中，無(wú)線網(wǎng)絡(luò)分為平面網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和分級(jí)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)兩大類。平面網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中所有節(jié)點(diǎn)具有系統(tǒng)的級(jí)別權(quán)限和路由機(jī)制，易于組織且健壯性強(qiáng)，但隨著節(jié)點(diǎn)數(shù)量的增加其路由信息的交互量成指數(shù)級(jí)上漲，會(huì)導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)處理能力不足，資源過(guò)度消耗，故其主要適用于中小型網(wǎng)絡(luò)。分級(jí)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，按照一定的規(guī)則將網(wǎng)絡(luò)劃分為多個(gè)組群，其計(jì)具有分級(jí)、分布式和群組化的特點(diǎn)，特別適用于大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)。而實(shí)現(xiàn)分級(jí)網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵是采用高效的網(wǎng)關(guān)選舉算法選舉網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)各個(gè)子群的互聯(lián)互通。