基于探通識共生的無線自組織網(wǎng)絡(luò)快速組網(wǎng)協(xié)議

摘要：近年來，研究人員提出將通感一體化技術(shù)應(yīng)用于無線自組織網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)過程中，以加快組網(wǎng)速度。但是，現(xiàn)有方法要么將探測和通信分時工作，要么以吞吐量為約束選擇一體化波形，導致這些方法難以滿足組網(wǎng)信令對更大覆蓋范圍和更少傳輸次數(shù)的要求。針對此，文章充分考慮組網(wǎng)信令數(shù)據(jù)量小、傳輸頻率低的特點，提出一種基于探通識一體化的無線自組織網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)方法。在該方法中，數(shù)據(jù)按照設(shè)計的幀格式被調(diào)制在雷達信號上，以充分利用雷達信號窄波束、高威力的優(yōu)勢。同時為了實現(xiàn)雙向信息交換和身份識別，文章方法進一步將敵我識別（Identify Friend or Foe，IFF）機制應(yīng)用在探通信號上，給出了探通識一體化信號的發(fā)送和響應(yīng)原則。理論分析和仿真實驗證明，與傳統(tǒng)方法相比，文章方法具有更快的組網(wǎng)速度和更小的信令開銷。

關(guān)鍵詞：自組織網(wǎng)絡(luò)；探測；通信；識別

中圖分類號：TN929.5 "文獻標志碼：A

0 引言

無人機物流、應(yīng)急通信、無人機突防等應(yīng)用正在成為生活、經(jīng)濟和軍事活動中不可或缺的一部分。無線自組織網(wǎng)絡(luò)因可突破節(jié)點間通信距離限制，實現(xiàn)跨點通信，被認為是支撐上述應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)之一［1］。自組織網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點間的互認互知須要通過分布式的信息交換（即組網(wǎng)）來實現(xiàn)。如何減少組網(wǎng)時間，以提升網(wǎng)絡(luò)吞吐量，增強拓撲適應(yīng)性，是自組織網(wǎng)研究中的一個重要方向［2］。

近年來，探通一體化被認為可以加快無線自組織網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)速度，得到了廣泛的關(guān)注［3-12］。其中，Liu等［3］提出利用相控陣雷達來提升鄰節(jié)點的發(fā)現(xiàn)效率，展示了其在半雙工工作模式下的性能優(yōu)勢。劉寧昕等［4］針對車聯(lián)網(wǎng)，提出利用自身的雷達掃描一跳鄰節(jié)點信息，然后根據(jù)探測信息構(gòu)造散列函數(shù)，再結(jié)合隨機選擇機制完成對通信時隙的分配。Liu等［5］則提出結(jié)合雷達探測信息和卡爾曼濾波技術(shù)來預測和跟蹤節(jié)點。上述工作考慮使用雷達探測節(jié)點的狀態(tài)信息，但沒有討論這些信息在網(wǎng)絡(luò)中的擴散問題。Wei等［6］針對不同的雷達探測精度，提出了多種鄰居發(fā)現(xiàn)過程中節(jié)點間的信息交互方法。Wei等［7］提出一種節(jié)點間使用Gossip方法進行雷達探測信息交換的方法。但Wei等［6］和Wei等［7］中的工作只探討了Mesh網(wǎng)絡(luò)（所有節(jié)點兩兩可直接通信）中的組網(wǎng)問題。Cheng等［8］和Fan等［9］則針對存在多跳的無線自組織網(wǎng)絡(luò)，證明通過探測輔助通信的方式，可以提升多跳傳輸?shù)哪芰啃省５?，上述所有工作所提方法中探測和通信是分時進行的。

另一方面，研究人員考慮在自組織網(wǎng)中使用通感一體化波形，以增加資源利用率，同時降低成本［10-12］。韓晨等［11］設(shè)計了一個基于一體化信號鄰居發(fā)現(xiàn)方法。該方法首先利用目標的RIS（Reconfigurable Intelligent Surfaces）反射信息對其進行識別，然后再使用一體化信號與合法目標通信。Han等［12］提出利用探測到的節(jié)點數(shù)優(yōu)化回退窗口大小，提升網(wǎng)絡(luò)吞吐量并給出時頻資源在單雷達和雷達通信一體化2個工作模式下的分配方法。但該方法只適用于采用CSMA接入的網(wǎng)絡(luò)。需要注意的是，上述工作都沒有討論節(jié)點間的通信內(nèi)容。此外，由于要求要盡量避免通信性能下降，一體化信號的通信距離被限制在傳統(tǒng)通信信號的范圍內(nèi)。

但是，組網(wǎng)中的控制信令數(shù)據(jù)量小、傳輸頻率低，因此，實際應(yīng)用中一般不以吞吐量來衡量和指導信令的傳輸。針對節(jié)點ID等須要在全網(wǎng)擴散的內(nèi)容，則往往以信令的發(fā)送次數(shù)作為性能指標［13］。因此，本文考慮不以通信容量為約束，而是充分利用雷達信號窄波束、高威力的特點選擇和構(gòu)造一體化波形，通過突破傳統(tǒng)通信距離的限制，以實現(xiàn)增加信令覆蓋范圍、減少節(jié)點信息轉(zhuǎn)發(fā)次數(shù)的目標。

例如，圖1（a）中，當采用傳統(tǒng)方法時，由于只能在相鄰節(jié)點間傳遞信息，組網(wǎng)過程中節(jié)點3和6想要知曉對方的消息，至少需要3次轉(zhuǎn)發(fā)過程，如圖中箭頭指示。圖1（b）給出了一個利用一體化波形加速信息擴散的例子。圖中，節(jié)點3利用一體化波形可以無需中轉(zhuǎn)即可將自身信息傳遞給節(jié)點1，因此只需2次轉(zhuǎn)發(fā)即可被擴散到全網(wǎng)。

需要注意的是，在圖1（b）所示例子中，節(jié)點6的信息依然需要傳輸3次才能被所有節(jié)點獲得。為了進一步加速節(jié)點6信息的擴散，需要節(jié)點1收到節(jié)點3的一體化信號后，立即對其應(yīng)答并廣播節(jié)點6的信息。為實現(xiàn)這一點，可借助敵我識別（Identify Friend or Foe，IFF）機制，采用詢問-應(yīng)答的方式，一方面實現(xiàn)節(jié)點的雙向信息交換，另一方面還可以同時完成對各自身份的認證。

基于此，本文提出一種基于探通識一體化的無線自組織網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)方法。該方法針對組網(wǎng)過程中節(jié)點信息擴散的需求，設(shè)計了探通識一體化信息的幀格式。接著，在此基礎(chǔ)上給出使用探通識一體化信號進行組網(wǎng)的流程，討論了探通識一體化信號的發(fā)送和響應(yīng)原則。針對該方法，本文還從轉(zhuǎn)發(fā)次數(shù)出發(fā)，分析了感知距離和一體化信號中信息量與組網(wǎng)性能間的關(guān)系。最后，通過仿真驗證了相比傳統(tǒng)方法，本文所提方法具有更快的組網(wǎng)速度和更小的信令開銷。

1 系統(tǒng)符號與定義

令N表示節(jié)點數(shù)，距離d（i，j），（i≠j）表示節(jié)點i和j之間信息傳輸所需的最小轉(zhuǎn)發(fā)次數(shù)，d（i，j）=1表示節(jié)點i和j直連，d（i，j）=∞表示節(jié)點i和j不連通。（i;k）={j|d（i，j）=k，j=1，2，…，N}包含節(jié)點i的所有k階鄰節(jié)點。節(jié)點同時具有一套通信系統(tǒng)和一套雷達系統(tǒng)。所有節(jié)點的通信設(shè)備都裝配全向天線且工作在同一頻段。通信和雷達工作在不同頻段。

定義1：網(wǎng)絡(luò)寬度Γ為網(wǎng)絡(luò)中任意兩點間傳遞信息所需經(jīng)過的最大轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)，如式（1）所示。

Γ=maxi，j（d（i，j））（1）

例如圖1中，網(wǎng)絡(luò)的寬度為Γ=3。

時分多址（Time Division Multiple Access，TDMA）被認為是減少多節(jié)點同時同頻干擾的重要手段之一［13］。因此，本文將討論在使用TDMA的無線自組織網(wǎng)絡(luò)中的探通識一體化組網(wǎng)方法。本節(jié)給出本文設(shè)計的時幀結(jié)構(gòu)，如圖2所示。每個時幀包括3個階段，鄰居發(fā)現(xiàn)階段、業(yè)務(wù)申請階段和業(yè)務(wù)傳輸階段。

1.1 鄰居發(fā)現(xiàn)階段

每個節(jié)點會通過通信設(shè)備發(fā)送通告信息以向鄰節(jié)點告知自己的網(wǎng)絡(luò)信息。節(jié)點在收到其他節(jié)點的信息后，會更新自己的網(wǎng)絡(luò)信息。鄰居發(fā)現(xiàn)階段始終存在于每個時幀中，以便各個節(jié)點能及時獲知網(wǎng)絡(luò)拓撲的變化情況。

1.2 業(yè)務(wù)申請階段

每個節(jié)點會在自己的時隙發(fā)送自身業(yè)務(wù)申請和在當前階段已收到的其他節(jié)點的業(yè)務(wù)申請信息。

1.3 業(yè)務(wù)傳輸階段

每個節(jié)點會在自己申請到的時隙中發(fā)送業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)。

當采用TDMA時，須要保證每個節(jié)點處的時幀結(jié)構(gòu)一致，包括階段數(shù)和每個階段的時隙數(shù)，同時還要求所有節(jié)點有相同的時幀起始時間。這須要通過分布式申請和協(xié)商實現(xiàn)節(jié)點間時間和時隙的對齊。為此，每個節(jié)點都須要向全網(wǎng)通告自身的ID和時幀情況，以保證網(wǎng)絡(luò)中的所有節(jié)點都具有相同的網(wǎng)絡(luò)信息。這既是組網(wǎng)過程要達到的一個重要目標，也是組網(wǎng)過程收斂的標志。因此，本文定義組網(wǎng)過程收斂如下。

定義2：組網(wǎng)過程收斂是指網(wǎng)絡(luò)中任一節(jié)點都已知網(wǎng)絡(luò)中的其他節(jié)點。

2 基于探通識一體化的無線自組織網(wǎng)絡(luò)快速組網(wǎng)協(xié)議

本節(jié)將首先描述面向組網(wǎng)的信息幀格式，然后設(shè)計結(jié)合探通識一體化技術(shù)的無線自組織網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)協(xié)議，最后分析該組網(wǎng)過程的性能。

2.1 探通識一體化

探通識共生波形包含2個關(guān)鍵部分：一體化波形和數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)。目前，一體化波形的研究有2個方向［14］，一是設(shè)計具有探測能力的通信波形，二是設(shè)計具有通信能力的探測波形。前一方向以通信系統(tǒng)為主，因此，一體化信號的通信距離無法超越傳統(tǒng)通信范圍。為了突破傳統(tǒng)通信范圍，本文考慮采用在探測信號中加入通信信息的方向來生成一體化波形。

雖然利用探測波形傳輸數(shù)據(jù)存在數(shù)據(jù)率低、占空比低等問題，但是在無線自組織網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)過程中，傳 "輸節(jié)點ID和時幀信息的數(shù)據(jù)量小、傳輸頻率低。因此，使用探測波形傳輸信令數(shù)據(jù)，可以充分利用探測系統(tǒng)的優(yōu)勢且不受前述問題的限制。須要注意的是，本文所提出的基于探通識共生的組網(wǎng)方法不限于某個一體化波形。在使用本文方法時，可根據(jù)實際情況選用與探測系統(tǒng)適配的一體化波形。

另一方面，在將數(shù)據(jù)加載在探測波形前，須要先對數(shù)據(jù)進行封裝。本文設(shè)計的數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)包括圖3所示部分。其中，同步頭的作用是實現(xiàn)完成對信號頻率、時間和相位的同步。

（1）同步頭：對信號頻率、時間和相位的同步并界定數(shù)據(jù)幀的邊界。

（2）幀頭：用以給出數(shù)據(jù)幀的性質(zhì)，以此確定接收端處理該段數(shù)據(jù)的方法。

（3）識別數(shù)據(jù)段：存放識別數(shù)據(jù)。

（4）網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)段：存放網(wǎng)絡(luò)控制信令數(shù)據(jù)。

（5）校驗段：確保數(shù)據(jù)的正確性和完整性，可以使用CRC校驗碼、消息完整碼（Message Integrity Code，MIC）等方式生成。

2.2 探識通共生組網(wǎng)協(xié)議

2.2.1 探識通共生的組網(wǎng)過程

從定義2可知，要滿足組網(wǎng)過程結(jié)束的條件，每個節(jié)點的信息都要被傳遞到網(wǎng)絡(luò)中的其他所有節(jié)點。此傳遞過程所需時間與網(wǎng)絡(luò)寬度呈正比。因此，通過采用探通識一體化波形，利用探測信號有更大的覆蓋范圍來減小網(wǎng)絡(luò)寬度，即能有效地減少組網(wǎng)過程所需時間。探通識共生的組網(wǎng)流程如圖4所示。

圖4（a）中，每次啟動探測時，節(jié)點會判斷是否使用探通識一體化波形。當決定啟用探通識一體化波形時，節(jié)點首先根據(jù)如圖3所示的數(shù)據(jù)幀格式生成詢問幀。其中，目的節(jié)點字段置為0，幀類型置為詢問信號。同時節(jié)點會將新收到的節(jié)點入網(wǎng)請求放入數(shù)據(jù)字段。然后，將生成的數(shù)據(jù)幀經(jīng)過加密處理再通過編碼調(diào)制加載在探測信號上發(fā)送出去。最后，節(jié)點持續(xù)偵聽信道。

同時，在鄰居發(fā)現(xiàn)階段，當節(jié)點有自身和鄰居節(jié)點的信息須要發(fā)送時，也會生成通告信息并在指定的時隙內(nèi)廣播給鄰節(jié)點。

圖4（b）中，當一個節(jié)點收到一段探測信號后，首先會檢測該信號中是否存在詢問信息的同步頭。其次，檢測到同步頭后，對通過解調(diào)解碼從后續(xù)信號中獲得加密后的詢問信息。最后，做解密操作并比對校驗數(shù)據(jù)，比對成功則判定為合法信息，否則丟棄該數(shù)據(jù)。

如圖4（c）所示，在詢問端，當一個節(jié)點收到一段信號后，首先會檢測該信號中是否存在應(yīng)答信息的同步頭。其次，檢測到同步頭后，對通過解調(diào)解碼從后續(xù)信號中獲得加密后的應(yīng)答信息。最后，做解密操作并比對校驗數(shù)據(jù)，比對成功則判定為合法信息，否則丟棄該數(shù)據(jù)。對于合法的應(yīng)答信息，節(jié)點會根據(jù)其內(nèi)容更新自己的網(wǎng)絡(luò)信息。

2.2.2 探識通共生波形的調(diào)度方法

在使用探識通共生波形時，2個重要的問題是，何時使用探通識一體化波形以及如何回應(yīng)探通識一體化信號。為解決上述問題，每個節(jié)點都須要運行如圖5所示的流程。

圖5（a）中，節(jié)點i（i = 1，2，…，N）有探測任務(wù)后，首先須要判斷自己是否處在鄰居發(fā)現(xiàn)階段。因為只有處于該階段才會處理入網(wǎng)請求信息并對業(yè)務(wù)申請階段和業(yè)務(wù)傳輸階段的時隙數(shù)進行調(diào)整。接著，節(jié)點i通過式（2）判斷探測方向是否指向網(wǎng)絡(luò)邊緣。

ωi=（UNk=2（i;k））∩（）（2）

其中，集合（）表示節(jié)點i下次執(zhí)行探測任務(wù)時，探測范圍內(nèi)所包含的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點。節(jié)點通過下式還須判斷探測方向。如果ωi=0，則表示節(jié)點i的下次探測范圍不包含大于等于2階的鄰節(jié)點。此時，節(jié)點i不啟用探通識一體化波形。

在此種情況下節(jié)點i通過發(fā)送探通識一體化波形只能與未入網(wǎng)節(jié)點交互信息。假設(shè)存在這樣的點a，因為（a;1）=，所以將節(jié)點a的信息傳遞給網(wǎng)絡(luò)中其他節(jié)點，不僅不能加快組網(wǎng)過程，反而會導致其他節(jié)點誤以為節(jié)點a可通過i到達，即d（i，a）≤Γ+1。

當ωigt;0，最后還須判斷探通識有效距離大于自身通信范圍。因為只有與UNk=2（i;k）中的節(jié)點交換信息才能加速組網(wǎng)。當上述條件都滿足時，節(jié)點i即會生成和發(fā)送探通識一體化波形。

另一方面，對于合法的詢問信息，節(jié)點會依據(jù)5（b）判斷是否在應(yīng)答中加入網(wǎng)絡(luò)節(jié)點信息。從加速組網(wǎng)的角度出發(fā)，以下情況須要節(jié)點j應(yīng)答節(jié)點i的詢問。

（1）即i∈UNk=2（j;k）且自己有新收到的入網(wǎng)請求；

（2）即i∈UNk=2（j;k）且詢問信息數(shù)據(jù)段中有記錄自己未知的節(jié)點；

（3）發(fā)送節(jié)點在自己預加入的網(wǎng)絡(luò)中且自己已發(fā)送入網(wǎng)請求信息。

當上述情況發(fā)生時，節(jié)點首先根據(jù)圖3所示的數(shù)據(jù)幀生成應(yīng)答信息。其中，目的節(jié)點字段置為詢問信息的發(fā)送節(jié)點，幀類型置為應(yīng)答幀。然后，根據(jù)不同的情況設(shè)置網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)段內(nèi)容。其中，情況（1）中節(jié)點會將新收到的節(jié)點入網(wǎng)請求放入網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)字段；情況（2）中不生成網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)段；情況（3）中將自己的入網(wǎng)請求放入網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)段。

最后，當一個節(jié)點a打算加入一個網(wǎng)絡(luò)時，會首先廣播入網(wǎng)請求信息。但是，在收到響應(yīng)信息前，該節(jié)點不應(yīng)在一體化信號中加入網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)段。首先，節(jié)點a與網(wǎng)絡(luò)中的任一節(jié)點可能都無法通信，d（i，a）=∞（i=1，…，N）。但是，當有節(jié)點i收到a的一體化信號并從中獲得了網(wǎng)絡(luò)信息，則節(jié)點i誤以為節(jié)點a可達，即d（i，a）≤（Γ+1）。此時，節(jié)點i會更新業(yè)務(wù)申請階段和業(yè)務(wù)傳輸階段的時隙數(shù)，造成時隙的浪費。其次，即使節(jié)點a與網(wǎng)絡(luò)中某節(jié)點可通信，但是可能出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)拒絕接納新節(jié)點的情況。因此，同樣可能出現(xiàn)上面誤判的情況。

3 仿真驗證

本小節(jié)將分別對線形網(wǎng)絡(luò)和一般網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)過程進行仿真。圖6 給出了在不同線形網(wǎng)絡(luò)中本文所提方法與傳統(tǒng)方法在組網(wǎng)時間和信令開銷上的比較。實驗中，網(wǎng)絡(luò)中有N個節(jié)點，網(wǎng)絡(luò)寬帶為N-1，網(wǎng)絡(luò)中任一節(jié)點i至多有2個鄰節(jié)點，通信信號的丟幀率都置為0.1。每個節(jié)點在鄰居發(fā)現(xiàn)階段以0.2的概率啟動探測任務(wù)，探測距離分別為通信距離的2、3和4倍。為了避免沖突，每個節(jié)點會隨機后退一段時間后再發(fā)送應(yīng)答信號。

從圖6（a）和（b）中可以看到，與傳統(tǒng)方法相比，本文所提方法可以減少組網(wǎng)時間和通信信令的數(shù)量。而且，探測信號的距離越遠，本文所提方法的性能越好。

圖7給出了在一般網(wǎng)絡(luò)中本文所提方法與傳統(tǒng)方法在組網(wǎng)時間和信令開銷上的比較。實驗中，節(jié)點被隨機放置在一個半徑為100的圓中，節(jié)點的通信半徑為20，通信信號的丟幀率都置為0.1。在實驗開始時，每個節(jié)點會隨機在第一和第二象限范圍內(nèi)選擇一個方向執(zhí)行探測任務(wù)，探測信號寬度為3度，探測距離分別為30、40和50，在整個實驗中節(jié)點的探測方向、角度和距離都不改變。每個節(jié)點在鄰居發(fā)現(xiàn)階段以0.2的概率啟動探測任務(wù)。每種節(jié)點數(shù)量的實驗進行100次，圖中結(jié)果為平均值。

與圖6相似，圖7也顯示出本文所提方法可以減少組網(wǎng)時間和通信信令的數(shù)量。而且，探測信號的距離越遠，本文所提方法的性能越好。但是，與前一實驗結(jié)果不同，無論是組網(wǎng)時間還是通信信令的減少幅度要遠小于理論情況。這是因為本實驗中選擇的探測波束參數(shù)無法覆蓋一個節(jié)點的全部2階及其以上鄰居，所以存在探測盲區(qū)而導致位于該區(qū)域的節(jié)點無法獲得一體化后的增益。

4 結(jié)語

本文針對無線自組織網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)過程，在充分考慮組網(wǎng)信令數(shù)據(jù)量小、傳輸頻率低等的基礎(chǔ)上，提出一種基于探通識一體化的無線自組織網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)方法。該方法設(shè)計了面向一體化波形的信息幀格式，以實現(xiàn)在雷達信號上調(diào)制數(shù)據(jù)比特。進一步，本文提出將IFF機制應(yīng)用在一體化信號的收發(fā)過程中，實現(xiàn)了雙向信息交換和身份識別功能。因此，本文所提方法能夠充分利用雷達信號窄波束、高威力的優(yōu)勢，從而達到提升組網(wǎng)性能的目標。最后，理論分析和仿真實驗表明，本文所提方法具有更短的組網(wǎng)時間和更小的信令開銷。

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（編輯 王雪芬）

Fast networking protocol for wireless adhoc networks based on integrated sensing， communication and IFF

YANG" Xuezhou1， ZHOU" Zhiheng2*， BAO" Qinghong1

（1.Sichuan Jiuzhou Electrical Group Co.， Ltd.， Mianyang 621000， China; 2.University of Electronic

Science amp; Technology of China， Chengdu 611731，China）

Abstract： Recent research has focused on integrated sensing and communication for wireless ad hoc networks to enhance networking speed. However， existing approaches either deal with sensing and communication in a time-sharing manner or select integrated waveforms based on throughput constraints. This limitation hampers the ability to meet network signaling requirements for larger coverage range and fewer transmission times. To address this issue， this paper proposes a method for wireless ad hoc networks based on probe integration， which takes into account the characteristics of signaling that are of small data and low transmission rate. In this approach， data is integrated into radar signals according to a specially designed frame format， leveraging the narrow beamwidth and high power of radar signals. Furthermore， to facilitate two-way information exchange and identity verification， the Identify Friend or Foe （IFF） mechanism is incorporated into the integrated signal， outlining the principles for sending and responding to integrated probe signals. Through theoretical analysis and simulations， it demonstrates that the proposed method can achieve faster networking speed and reduce signaling overhead compared to traditional methods.

Key words： Ad hoc networks; sensing; communication; IFF