對WNW中使用的USAP MAC協議的研究*

孫超山,李大雙,鄭 恩,姜永廣

(中國電子科技集團公司第三十研究所,四川成都610041)

對WNW中使用的USAP MAC協議的研究*

孫超山,李大雙,鄭 恩,姜永廣

(中國電子科技集團公司第三十研究所,四川成都610041)

寬帶組網波形(WNW)為美軍聯合戰術無線電系統(JTRS)中的一個重要波形,它采用了統一的資源指派協議(USAP)作為媒介訪問控制(MAC)協議。USAP為一種支持多信道的動態分布式時分多址(TDMA)MAC協議,其協議內容除了在2-跳鄰域內無沖突指派時隙的方法以外,還包括引導時隙管理通信資源的使用方法、自適應廣播循環管理通信資源的使用方法、備用時隙來管理通信資源的使用方法、機會時隙通信資源的使用方法、信道化鄰域管理通信資源的使用方法、以鄰居隔離來管理通信資源的方法。

鄰域引導 循環廣播 信道化鄰域 備用時隙

0 引 言

MAC協議為多跳戰術自組織網絡設計的一個關鍵技術[1-2]。美軍JTRS中寬帶接入組網波形(WNW)采用了統一資源指派協議(USAP)這種MAC協議,它采用了由發送節點發起的多跳分布式按需指派動態時隙的MAC機制,用于基于鏈路激活TDMA時隙的多跳自組織戰術網絡。USAP允許發送節點從未分配的時隙池中選擇一個或多個時隙,通過各鄰節點之間對時隙指派的聲明和確認,將時隙指派信息傳至兩跳范圍。在2-跳范圍鄰域內,即使存在因不合適的時間調度安排和節點的移動性引起暫時的時隙指派沖突,也可以很快發現并加以解決。

USAP為一個完備的協議系列,在這篇文章中,將分別敘述已公布的USAP系列協議簇中的幾個主要專利包含的基本技術思想。

1 USAP MAC協議的TDMA幀結構

圖1為USAP MAC協議的一種TDMA幀結構示意圖,它由3種獨立的循環周期組成,包括一個引導循環周期、一個廣播循環周期以及一個預約循環周期[3]。每一種循環周期最好采用1 s的循環,每一種循環分割為8個幀,每幀125 ms長(循環周期的個數、循環周期的長度以及每幀的長度由設計來選擇,也可以采用其它的循環周期數、幀長度以及循環周期長度)。每個125 ms幀包含了多個引導微時隙、廣播時隙以及預約/備用時隙。此外,每幀包括了顯示為信道的眾多信道。

圖1 USAP TDMA幀結構Fig.1 Frame structure for USAP TDMA

引導(自舉)微時隙用于共享關鍵的USAP信息,這些信息是實現動態分配其余時隙所需要的。廣播時隙基于節點分配的模式來使用,用于支持數據報服務和節點需要共享的任何其它控制業務流。

2 USAP協議相關的其它資源管理方法

USAP協議的內容除了基本的2-跳鄰域內無沖突動態指派鄰居鏈路TDMA時隙的方法[3]以外,還包括引導時隙管理通信資源的使用方法[4]、自適應廣播循環管理通信資源的使用方法[5]、備用時隙來管理通信資源的使用方法[6]、機會時隙通信資源的使用方法[7]、信道化鄰域來管理通信資源的使用方法、以鄰居隔離來管理通信資源的方法。

2.1 引導時隙循環的使用方法

對于小型戰術網絡,最有效率的方法是為每個節點指派一個永久的引導時隙。但是,隨著戰術網絡規模的增大,這種方法會導致業務流容量變得越來越小。因此,最好是采用一種技術來動態地指派這些時隙。可是,由于引導分組承載USAP無競爭指派所需要的信息,每個節點需要初始化信息與其鄰居們進行協調。每個新的或正在加入的節點,在為自己指派一個時隙和傳輸自己的引導信息之前,先收聽其鄰居們的引導信息。如果發生了一次沖突,受影響的那些節點將從它們的鄰接節點們傳輸的USAP信息中了解到這個情況,然后選擇另一個時隙。

在圖1所示的幀結構中,若每幀使用13個引導時隙,并且其引導周期為4個幀,則最多可以支持52個節點。

2.2 自適應廣播循環的使用方法

在圖1所示的幀結構中,采用4個幀的廣播周期,在一個鄰域內,最多有8個節點可以在這2個廣播時隙內傳輸,或者最多40個節點可以在5個不同的廣播信道上傳輸。每一幀的預約時隙都是重復的,其時延為125 ms。當一個預約時隙未被分配時,它則擔任備用(或應急)的廣播時隙,每一幀內的預約時隙被分配給同一個發射機作為相應的廣播時隙。此外,其對應關系是每幀位移一個時隙,使其對廣播容量和分配了一個預約時隙的任何一個節點的時延影響最小化。

圖2描繪了在1 s時間寬度內在單個信道上的8個幀。每幀含有8個預約/備用廣播時隙。這些時隙中的每一個都可以作為一個廣播時隙(以(B0)～(B7)表示)來使用,也可以作為一個預約時隙(以R0～R7表示)來使用。在第一個幀F0內,(B0)是在第一列的位置上;在第二個幀F1中(B0)滑移了一個時隙位置即移位到了第8列去了;在第三個幀F2中,(B0)在第七列上,一直到第八幀F7中,B0移位到了第二列。

圖2 單個信道上的自適應廣播循環Fig.2 Adaptive broadcast cycle one single channel

2.3 機會時隙的方法

在一些戰術應用環境中,其業務流具有零星的和突發的特性。傳統上,這種情形采用最有效的競爭訪問方式來應對,而在重負荷下預約訪問方式才最有效。在還沒有進行任何分配的情況下,USAP多址接入(USAP-MA)以永久的或暫時的方式有效地向鄰居們廣播預約所有的時隙。但是,在競爭訪問最讓人滿意的情況下,允許各節點在不屬于它們的、因缺乏業務流而空閑的備用時隙內傳輸,這樣效率將會更高。換句話說,如果一個節點知道在其即將產生的幀中它將不需要其備用時隙了,那么它可以在幀的開頭由引導分組(其StandbyFree比特設置為“1”)來宣告,使得另一個有需要的節點能夠在那個時隙內傳輸。然后,其它節點可以決定:①它是否能有效地使用該時隙;②是否存在著意向的接收機將收聽到其傳輸的一個好機會,這就是“機會時隙”的由來。由于該時隙存在競爭,因而可能會出現碰撞,但這些可以通過前述的差錯檢測來彌補。

一個節點在接收到StandbyFree比特設置為1的引導信息時,如果它目前等待傳輸的業務量超過了它在這一幀內的那些預約時隙的總傳輸容量,將考慮使用這個鄰居的備用時隙。如果是那樣的話,它將確定在其發送隊列中是否存在要向那些正在正確的信道上收聽的鄰居們傳輸的業務數據。這樣的鄰居包括最早的鄰居和它與這個節點共有的任何其它鄰居?，F在,如果這些共同鄰居中的任何一個碰巧也機會地使用這個時隙,那么將會發生一次碰撞,這取決于意向的那些接收機相對于這兩個發射機的位置情況。為了確定是否其鄰居中有一個正在正確的信道上收聽,一個節點可參考針對每個鄰居的USAP私有接收表(SRj)。作為選擇,如果引導分配時隙記錄(ASR)也包含有NRi(鄰居接收表,確定一個鄰居是否允許傳輸),一個節點可以對碰撞的可能性進行更精確的計算。更進一步地,為了確定這些鄰居是否為與最初的傳輸節點共同擁有的鄰居,節點將需要參考其路由信息。一旦確定了那些合格的鄰居,則要向它們傳遞的業務數據將排隊等待在那個時隙傳輸。

以圖3所示的多跳點為例,節點2可能通過設置備用空閑比特進行申明。如果節點1要發送到節點2、5與/或8的業務數據過多,假如節點3沒有在相同的信道-時隙上傳輸,它能將節點2的備用時隙用作機會時隙。否則,在節點9和13處可能發生一次碰撞。這樣做是為了核對節點1進行機會傳輸的所有潛在接收機是否節點2的鄰居。

圖3 機會時隙傳輸Fig.3 Opportunistic slot transmission

2.4 信道化鄰域機制

如果將廣播時隙數限制為8,則與多于7個的鄰居通信時將需要使用額外的廣播周期,可以在時間上或信道上將多個循環周期分隔開來。USAPMA采用后一種方法,以達到最大化的信道利用率。為了使一個接收機收聽到每個發射機的傳輸,它根據這個(時隙-信道)調度循環地從一個信道轉換到另一個信道上去接收,按照這個方式,將一個2 s時元分割為4個循環周期,每個循環周期包含4幀。

USAP-MA采用一種更進一步的優化方法來減少指派單播預約時隙對廣播信道的影響。如圖4所示,USAP-MA首選5個可用的信道,編號為0～4 (即C0～C4)。如果各個廣播信道以從0到4的順序而各信道上的預約時隙以從4到0的相反順序來指派,則在網絡變成為重負荷之前,在廣播和預約時隙之間僅存在最少的交疊。事實上,當在信道4上完成了一個單播預約時,除了這兩個單播節點不能在那個時隙上進行廣播以外,對廣播信道沒有任何的影響。此外,如果將這些預約限制在兩個信道上進行,它仍然能給予單播指派很大的靈活性,直到該鄰域密度達到了24且該廣播信道溢出到了信道3,都沒有減小廣播容量的任何可能性。這是USAPMA如何在相同鄰域同時進行無競爭單播與廣播傳輸時使信道利用率最大化的一個例子。

圖4 信道化鄰域Fig.4 Channelized neighborhood

USAP協議可以結合正交域多址訪問(ODMA)使用。采用圖5所示的幀結構,其中的Synch、NiB以及CNiB時隙用于傳輸管理業務流,而RBS/FRS時隙用于發送用戶業務流。對于每類時隙,每幀的時隙數由確定其循環周期的總時隙數確定。同步(Synch)時隙位于全網絡內的一個公共信道上,這些時隙用于載送網絡融合信息,使處于割裂狀態的幾個分塊網絡能融合在一起。預先為每個節點在一個公共信道上指定一個鄰域引導(NiB)時隙,并給予其最長的循環周期。NiB時隙用于分配在信道之間長時間預約的固定預約時隙(FRS)。以空間重用的方式在不同的默認ODMA信道(DOCk)上為每個節點動態地分配一個信道化鄰域引導(CNiB)時隙,因而其周期時間通常要比NiB的周期短得多。NiB時隙用于以足夠快的響應時間分配若干廣播時隙即CNiB和輪流廣播時隙(RBS),以跟蹤移動性引起的拓撲變化。需要注意,在該幀內各時隙的布置并非如所描繪的那樣,而是分散的和混雜的,以便使RBS之間的最大時延最小化,RBS時隙用于廣播用戶業務流以及交換鄰居表與某些狀態信息的監視分組。

在ODMA幀中,FRS和RSB共享幀內的相同時隙部分,但FRS的優先權高于RBS。為了減輕FRS對所有RBS的影響,每個FRS在每幀移動一個時隙位置,使得RBS的輪循周期為RBS/FRS時隙的總數。

圖5 USAP與ODMA結合使用的幀結構Fig.5 Frame structure for combining USAP and ODMA

兩個DOCk之間的業務流通信,通過在不同的DOCk內的節點之間在幀內的FRS使用接收節點的DOCk信道建立單播鏈路來實現。因而,在兩個鄰接的信道化鄰域CN1(DOC1信道上)和CN2(DOC2信道上)之間需要路由轉發業務信息時,首先使用RBS在DOC1信道上經過幾個節點中繼到CN1的一個邊界節點。然后,使用RBS在DOC2上將該業務信息從CN1內的這個邊界節點單播到CN2內的一個邊界節點。最后,使用RBS在DOC2信道上經由CN2內的幾個中繼節點將該業務信息傳遞到CN2內的目的節點。

2.5 鄰居隔離的機制

在一個廣播信道上采用自適應傳輸參數的問題,是一個節點必須使用與信號最差鄰居通信的參數,以確保所有的節點接收到該廣播。一個最差的播送場景是:一個節點具有一組信號質量優良、通常能以高速傳輸的鄰居,但是由于受單個信號質量差的鄰居的影響,為實現可靠傳輸只好采用一個較低的速率。USAP-MA的解決方法是將鄰居隔離為2個(或更多個)群(由鄰居分割啟發式試探算法來控制),并且對每個群單獨調整傳輸參數。采用這種方式,一個節點能夠以高效率的高速率向其信號質量優良的鄰居傳輸,同時以一個健壯的較低速率向信號質量差的鄰居傳輸。

當然,為了使用兩種不同的速率,一個節點要么需要具有不同的傳輸機會,要么能夠在傳輸一個分組的中間改變速率。在廣播和備用時隙之間,一個節點名義上具有兩次廣播機會。由于備用時隙具有較低的延遲并且具有提高吞吐率的潛力,因而針對信號質量高的鄰居使用備用時隙、針對信號質量較差的鄰居使用廣播時隙,這是有實際意義的。當然,如果所有鄰居的信號質量相同,則這兩種時隙可以交替使用。

必須到達所有鄰居的那些分組(如路由更新),或必須到達一個或多個較差信號質量鄰居的那些分組,將使用廣播時隙進行傳輸。除非廣播時隙中有剩余空間,去往高信號質量鄰居們的那些分組才會使用備用時隙進行傳輸。需要注意的是,路由選擇往往偏向于高信號質量的鄰居,因而將大多數的分組指引到速率更高的備用時隙去傳輸。

除了以更高速率來增加傳輸效率以外,鄰居分隔也允許各接收機采用一個更高的數據采樣率,使得它們能更好地為其鄰居選擇合適的傳輸參數。

3 結 語

USAP已發展成為了一種完備的多信道MAC協議,它能夠動態自適應不同規模的戰術網絡、動態自適應不同的傳輸信道質量,并最終成為了WIN-T部署的主要波形MAC協議之一。仔細研究并透徹、深入地了解其MAC協議機制與技術原理,對于我軍下一代寬帶無線戰術網絡的設計將具有重要的參考價值。此外,在設計戰術多跳自組織網絡的MAC協議時,對其安全性也應該做進一步的一體化考慮。

[1] 祁志娟,劉偉,張麗麗.無線Ad Hoc網絡MAC層速率自適應技術研究[J].通信技術,2010,43(02):172-144.

QI Zhi-juan,LIU Wei,ZHANG Li-li.Rate Adaptation Technology of MAC Layer for Wireless Ad Hoc Network[J]. Communications Technology,2010(2),43(02):172-144.

[2] 馬鵬飛,常書杰,黃成亮,等.無線自組織網絡MAC幀傳輸技術研究[J].通信技術,2012,45(01):75-77.

MA Peng-fei,CHANG Shu-jie,HUANG Cheng-liang, YANG Hai-bo.Study on MAC Frames Transmitting Technology based on Router in Wireless Ad Hoc Network[J]. Communications Technology,2012(01),45(01):75-77.

[3] Young David,James A.Stevens et al.Method and Apparatus for Managing Communication Resources using Bootstrap Slots[EB/OL].(2002-11-26)[2013-11-10]. http://www.lens.org/lens/patent/US_6487186.

[4] Young David,James A.Stevens et al.Method and Apparatus for Managing Communication Resources using an A-daptive Broadcast Cycle(ABC)[EB/OL].(2001-11-13)[2013-11-10].http://www.lens.org/lens/patent/US_6317436.

[5] Young David.Method and Apparatus for Managing Communication Resources upon Speculation Slots[EB/OL]. (2003-06-03)[2013-11-10].http://www.lens.org/ lens/patent/US_6574206.

[6] Young David,James A.Stevens et al.Method and Apparatus for Managing Communication Resources using Channelized Neighborhoods[EB/OL].(2003-01-07) [2013-11-10].http://www.lens.org/lens/patent/US_ 6504829.

[7] Young David.Method and Apparatus for Managing Communication Resources Using Neighbor Segregation[EB/ OL].(2003-09-30)[2013-11-10].http://www. lens.org/lens/patent/US_6628636.

SUN Chao-shan(1982-),male,M.Sci., engineer,mainly engaged intactical communication technology.

李大雙(1963—),男,博士,研究員,主要研究方向為戰術網絡組網與路由技術;

LI Da-shuang(1963-),male,Ph.D,research fellow,

mainly engaged in the research oftactical networking and routing technology.

鄭 恩(1985—),男,碩士,助理工程師,主要研究方向為戰術通信技術;

ZHENG En(1986-),male,M.Sci.,assistant engineer, mainly engaged intactical communication technology.

姜永廣(1976—),男,碩士,研究員,主要研究方向為戰術通信與交換技術。

JIANG Yong-guang(1976-),male,M.Sci.,research

fellow,mainly engaged in the research oftactical communication and switching technology.

Study on USAP MAC Protocol Used in WNW

SUN Chao-shan,LI Da-shuang,ZHENG En,JIANG Yong-guang
(No.30 Institute of CETC,Chengdu Sichuan 610041,China)

WNW is an important waveform in JTRS,where the Unifying Slot Assignment Protocol(USAP) is used as it’s MAC protocol.USAP is a MAC protocol for dynamic distributed TDMA with multi-channel,in addition to the basic method of conflict free slot assignment in two hops,USAP also includes the method for managing communication resources using bootstrap slots,the method for managing communication resources with an adaptive broadcast cycle,the method for managing communication resources upon speculation slots,the method for managing communication resources with channelized neighborhoods,as well as the method for managing communication resources using neighbor segregation.

neighborhood bootstrap;rotating broadcast;channelized neighborhood;standby slot

TN393

A

1002-0802(2014)08-0900-05

10.3969/j.issn.1002-0802.2014.08.012

孫超山(1983—),男,碩士,工程師,主要研究方向為戰術通信技術;

2014-05-06;

2014-06-24 Received date：2014-05-06;Revised date：2014-06-24