定向Ad hoc網絡MAC組網技術研究*

景中源,曾浩洋,李大雙,張 浪

(中國電子科技集團公司第三十研究所,四川成都610041)

定向Ad hoc網絡MAC組網技術研究*

景中源,曾浩洋,李大雙,張 浪

(中國電子科技集團公司第三十研究所,四川成都610041)

定向天線利用數字信號處理技術產生空間定向波束,將發射信號能量集中在某一個或者某些特定的方向上進行輻射,其應用于傳統的Ad hoc網絡中能夠有效減少相鄰節點間的互干擾,并能通過增加同時傳輸的節點對數達到顯著提升網絡空間復用率和容量的目的。首先簡單介紹了定向天線和定向通信特點,然后對定向Ad hoc網絡MAC層組網關鍵技術進行了綜述,并對定向鄰居發現協議、空分TDMA動態時隙分配機制、定向波束對準與跟蹤技術等進行介紹和梳理,最后總結現有研究不足并指出未來重點研究方向。

移動自組網 定向天線 MAC層 鄰居發現 TDMA 波束對準與跟蹤

0 引 言

基于全向天線(Omnidirectional Antenna)傳輸的無線Ad hoc網絡中,通信節點將射頻能量均勻地分布在其周圍空間,為避免干擾,節點通信距離覆蓋范圍內的其他節點不能同時進行傳輸,同時由于多跳中繼、網絡自干擾嚴重等原因,無論是采用劃分子信道的方式,還是改進路由算法和MAC協議的方式,網絡的吞吐量都不會超過其上限值(ω為數據速率,n為節點數)[1-2],網絡空間復用率和無線信道利用率均處于較低水平。

定向天線(Directional Antenna)利用數字信號處理技術,采用先進的波束轉換技術(Switched Beam Technology)和自適應空間數字處理技術(A-daptive Spatial Digital Processing Technology),產生空間定向波束,將射頻信號能量集中在特定的窄波束內進行傳輸,能有效地減少對非波束方向內的其他節點的干擾[3],并能顯著地增加數據傳輸速率和傳輸距離,同時使1跳和2跳領域范圍內互不干擾的多個節點對同時傳輸成為可能,從而極大地增加了Ad hoc網絡的空間復用率、頻譜效率和網絡吞吐容量。

鑒于全向天線自身存在的諸多瓶頸問題,國內外眾多研究者開始逐漸將目光投向增益更高、空間復用率更好的定向天線研究。但同時也應該注意到,相比于全向天線,利用定向天線通信的節點必須同時將定向波束指向對方且收發模式相反才能進行有效的通信,這使得許多原本簡單的通信過程,如鄰居發現、廣播等,變得十分困難。為充分利用和發揮定向天線傳輸的潛在優勢,迫切需要根據定向通信相關特點,為通信節點的各協議棧層設計新的通信協議和機制以控制定向天線系統。

本文首先介紹了定向天線及定向通信的特點,然后分析了定向Ad hoc網絡MAC層組網的若干關鍵技術點,并對關鍵技術中的定向鄰居發現協議、空分TDMA動態時隙分配機制、定向波束對準與跟蹤技術等進行詳細的介紹和梳理,最后總結現有研究不足并指出未來重點研究方向。

1 定向通信技術

1.1 定向天線的特性

定向天線利用數字信號處理技術產生空間定向波束,將發射信號能量集中在某一個或者某些特定的方向上進行輻射,而不會干擾到其他方向上節點收發信號,并通過增加信號傳輸速率和傳輸距離,來提高無線網絡的空間復用度和網絡的整體性能。

如圖1所示,定向天線的增益圖通常由一個主瓣和若干個副瓣組成,發射信號能量高度集中在主瓣上面。在主瓣上面,用中心軸線所指的方向作為此波瓣的方向,離中心軸線越近的地方能量越高,而靠近邊緣的地方能量則相對較低。在具體的問題研究中,為了簡化問題的復雜性,有時會忽略副瓣的存在,而只考慮主瓣,因而又稱之為波束。

定向天線按照波束的形成方式可以分為波束切換天線(Switched Beam Antenna)和自適應陣列天線(Adaptive Beam Antenna)兩種[4-5]。

(1)波束切換天線

波束切換天線利用天線陣列發射固定和相互重疊的有限數目波束覆蓋整個區域,這些用來傳輸數據包的波束是預先定義好的,即波束的數量和方向都是固定好的,發送節點只需在這些波束中選擇最合適的波束進行數據傳輸即可。

圖1 定向天線的主瓣和副瓣Fig.1 Main lobe and side lobes of directional antennas

圖2為理想的K扇區波束切換天線,它的每個波束指向是固定的,波束寬度隨陣元數目的確定而確定,波瓣數越多,波瓣寬度越窄,天線發射增益越大,覆蓋距離越遠。

圖2 理想的K扇區波束切換天線[6]Fig.2 Idealized K sectored-antenna

(2)自適應陣列天線

自適應陣列天線是由天線陣列和實時自適應信號接收處理器所組成的一個閉環反饋控制系統,它形成的波束寬度和波束指向均是不固定的,可根據網絡傳輸過程中的各種反饋信息,如信道狀況、節點地理位置等,動態地調節各陣元信號的加權幅度和相位來改變陣列的天線方向圖,以做到精確地覆蓋。

自適應陣列天線可以動態地調整天線方向,所以即使節點移動,也不需要切換,減少了切換所產生的網絡負載,但由于自適應過程實現中影響因素復雜,難于動態捕獲并跟蹤用戶信號,同時移動用戶及多徑情況下的時空信道盲辨識也是一大難點。

與自適應陣列天線相比,波束切換天線結構簡單、體積小、成本低,更適用于車載和無人機等小型移動平臺,應用更為廣泛。

1.2 定向通信及特點

定向通信是指完全采用定向天線進行數據收發的通信,它利用了定向天線的高增益、方向性、大容量、遠距離和低截獲等特點。

(1)空間復用率高

定向天線利用空間窄波束通信,既保證了能量的高度集中,又不會干擾到其他方向上節點的傳輸,允許多個節點對同時傳輸而不會造成相互干擾,能夠極大地增加無線網絡的空間復用率和網絡容量。

(2)功耗低

全向天線是將能量均勻地分布在節點周圍,而使用定向天線則可以用少于全向天線的能量即可覆蓋目標節點,同時可以減少通信間干擾、延長電池的使用壽命和延長網絡的生存周期。

(3)延遲小

高增益定向天線可以顯著地增加傳輸距離,使遠距離節點間的通信成為可能,從而減少節點間的跳數和轉發次數,并降低轉發成本和端到端延遲。

(4)保密性好

利用空間定向窄波束傳輸,具有內在的低截獲概率(LPI,Low Probability of Interception)和低探測概率(LPD,Low Probability of Detection),使敵方難于在通信中探測、截取、阻塞或“造假”傳輸信號,增強了通信的隱蔽性和抗干擾、抗入侵能力,具有較好的安全保密性能,特別適用于戰場通信網絡等場合。

同時,利用高增益的定向天線傳輸能使天線主瓣波束即最大增益點對準目標節點方向,而旁瓣或零陷對準干擾信號到達方向,達到高效利用傳輸信號并抑制干擾信號的目的,從而有效地減少多徑影響和互信道干擾(CCI,Cochannel Interference)[7]。

1.3 定向網絡MAC組網關鍵技術

近年來,隨著商用LTE網絡的逐漸部署和投入使用,以智能天線技術為代表的定向天線技術研究取得了長足的進展和不菲的成績,但將其應用于無固定通信基礎設施的自組織網絡場景時,MAC組網仍面臨諸多的關鍵技術和難點的挑戰,如圖3所示主要表現在以下幾個方面。

圖3 定向組網MAC層關鍵技術Fig.3 Key technologies of directional ad hoc network MAC layer networking

(1)定向鄰居發現技術

鄰居節點發現是指每個節點開機后,在沒有任何鄰節點先驗信息的條件下,通過基于一定的互盲或自盲算法協議迅速找到其通信覆蓋范圍內的所有其他節點(同時被其他節點所發現),并建立基本通信連接的過程[8]。鄰居節點發現是Ad hoc網絡組網的基礎和前提,是網絡初始化中的重要步驟之一,鄰居節點信息對于時隙分配和路由算法等都有著重要的影響。在基于定向天線傳輸的網絡中,由于定向波束較窄且只有節點同時將波束指向對方且收發模式相反時,才能成功發現對方,致使鄰居發現過程變得十分困難,因此定向鄰居發現是進行MAC層相關協議設計時應首先需要考慮和解決的問題。

(2)定向TDAM時隙動態分配技術

無線信道接入控制,使各定向節點按照時分多路訪問(TDMA)的媒體接入方法接入共享的無線信道,并協調節點之間的信道接入沖突。

(3)定向波束對準與鏈路動態跟蹤技術

裝甲車輛或無人機(UAV)等移動載體通常處于快速移動狀態,載體的橫滾、俯仰和方位角等運動狀態的變化會造成已建立的定向鏈路的方向指向產生偏離[9],需要設計一種波束指向校準和定向鏈路動態跟蹤機制,以實時糾正波束指向偏差并維持已建立的定向鏈路,確保通信過程不發生中斷。

(4)定向同步技術

定向網絡節點時鐘同步,使各網絡節點與網絡中的基準時鐘節點同步,確保各節點對TDMA幀與TDMA時隙的起止時刻有統一的認識,實現高效的信道收發行為調度控制。

2 定向網絡MAC組網技術研究現狀

目前國內外有關定向網絡MAC組網技術的研究主要集中在:定向鄰居發現技術、定向網絡TDAM時隙動態分配技術、定向鏈路動態跟蹤技術和定向網絡同步技術等。

2.1 定向鄰居發現技術

多跳無線自組網中,鄰居信息在路由、分群和MAC控制等方面起著至關重要的作用[6]。在使用全向天線的網絡中,一個節點的廣播消息可以被其通信覆蓋范圍內的所有鄰居節點同時收到,因而其鄰居發現過程是一個相對簡單的問題,不需要專門為其設計相應的通信協議。但是,當使用定向天線進行通信時,鄰居發現問題將變得十分困難,因為:

1)定向天線波束寬度較窄,只能覆蓋較小的局部空間范圍,這使得定向鄰居發現過程必須通過多次調度才能覆蓋整個空間。

2)定向鄰居節點必須同時將波束指向對方且收發模式相反,才能發現對方。

3)非理想的定向天線存在旁瓣,導致兩個鄰居節點間可能發現位于不同波束扇區的多條定向鏈路。

公開文獻中已經提出了多種定向鄰居發現協議,根據鄰居發現的不同思路,大致可將這些定向鄰居發現協議分為以下3類:第一類,全向天線與定向天線結合,利用全向天線輔助定向鄰居發現過程,如文獻[10-12];第二類,基于時間同步的前提,進行定向鄰居發現,如文獻[10,13,14];第三類,基于隨機調度的定向鄰居發現協議,節點隨機選擇一個波束方向發送hello消息,然后在另一個隨機選取的波束方向進行偵聽,如文獻[15]。上述3種定向鄰居發現協議,雖然在特定的應用場景下都能夠成功發現節點周圍大部分鄰居節點,但同時也各自存在一些顯著的缺點和不足,下面簡要的進行分析。

文獻[10-12]中的提出的定向鄰居發現協議,利用全向天線輔助定向鄰居發現過程,存在下述幾個方面的不足:

(1)天線增益不匹配

由于定向天線和全向天線增益存在較大差異,將造成使用這兩種天線進行通信的節點其通信距離的不對稱,這可能導致兩種節點無法正常交換握手信息(如RTS/CTS信息),從而引發定向隱藏終端和聾聽節點等問題。

(2)系統復雜度高、成本增加

全向天線的使用,需要相應的軟件和硬件作為支持,不僅使天線系統變得更加復雜,同時也會一定程度上增加系統建設成本,這對于那些成本有嚴格限制的網絡是不可想象的。

文獻[10,13,14]中的提出的定向鄰居發現協議,假設所有節點是時間同步的,以保證同步地進行天線扇區切換。這種時間同步的假設,在實際組網過程中通常是較難滿足和實現的,需要在組網之初運行復雜的分布式同步機制,這又會給整個網絡增加額外的硬件和控制消息負擔。

文獻[1,15]中提出了一種異步的、完全基于定向天線的鄰居發現協議,每個節點首先在一個隨機選取的波束內隨機偵聽一段時間,然后隨機選取一個波束方向發送hello消息,最后又隨機選取一個波束方向切換至偵聽狀態,并依次循環執行上述鄰居發現過程。上述鄰居發現的思路簡單、直接,但是由于它是基于概率的隨機方法,鄰居發現的時間具有不確定性,且其鄰居發現過程不是雙向的,存在孤立節點無法入網的可能,協議可靠性較低。

2.2 定向網絡TDMA時隙動態分配技術

在使用定向天線傳輸的多跳移動Ad hoc網絡中,為了充分利用定向天線傳輸的空分特性,并顯著提高網絡的吞吐量和網絡容量,需要基于定向鏈路來進行時隙資源的動態分配和調度,使2跳鄰域范圍內節點間鏈路共享一個或多個時隙資源。

Martha E.Steenstrup等人在文獻[16]中,提出一種基于相鄰節點可用時隙列表和預期通信負載進行時隙資源預留的TDMA時隙分配協議,將時間劃分為連續的、周期重復的TDMA幀,每幀由協商時隙、預留時隙和競爭時隙三部分構成。其中協商時隙由請求和響應兩個微時隙組成,用于對預留時隙的申請和應答;預留時隙用于傳輸、接收數據消息和Ack確認消息;競爭時隙用于重傳未收到Ack確認消息的數據包,以及當通信業務量超過預留時隙承載能力時的數據消息傳輸。

仿真結果表明,Martha E.Steenstrup等人提出的基于TDMA的MAC協議,相比于基于競爭的定向CSMA/CA協議[17],在吞吐量、端到端延遲等方面均有較大的改進和提高,但是協議本身未考慮定向鄰居發現問題,且在協商時隙的預約請求微時隙內采用定向發送和全向接收,存在2.1節所述的諸多問題,協議實用性不強。

2.3 定向波束對準與定向鏈路動態跟蹤技術

在完全基于定向天線傳輸的Ad hoc網絡中,天線波束對準指通信雙方的天線主瓣波束相互指向對方,以達到最大的天線發送和接收增益;定向鏈路跟蹤則是指在通信雙方的相對位置或姿態發生變化時,定向波束始終保持對準狀態,這一過程依賴于天線指向控制。在定向波束對準的情況下,外部干擾和通信節點間干擾的影響都會降至最小。

在移動Ad Hoc網絡中,為了實現有效的定向媒體訪問控制協議和路由協議,網絡內的每個節點應該知道如何設置其傳輸方向,以便準確地向其鄰居們傳輸分組。因此,在具有移動性的環境下,每個節點都需要一種機制來調整天線指向,實現波束對準與定向鏈路動態跟蹤。

定向天線對準與動態跟蹤是通過調整天線指向來實現的,現有文獻中提出的天線指向控制方法主要有全域掃描、局域掃描、GPS坐標預測、軌跡預測和姿態修正等,表1為各天線指向控制方法原理介紹和性能對比分析。

從表1可以看出,不同的天線指向控制方法各具其優缺點,因此有各自的適用范圍。在系統啟動初期,或因某種原因丟失對方位置并失去聯系時,只能通過全域掃描來搜尋,但是其動態跟蹤能力較差;在知道對方大致位置時,可采用局域掃描,其動態跟蹤能力比全域掃描強;在可以持續獲得對方實時位置時可采用GPS坐標預測,該方式易于實現,其動態性能較好,但是坐標值的獲取依賴于節點間數據鏈網絡已經組成,或者通過其它通信方式間接獲取。在可以獲得對方位置、速度和加速度時可采用運動軌跡預測,但是數據如何獲取存在與GPS法同樣的問題,另外計算方法比較復雜,但是它可以提前預測節點位置,因此具有良好的動態性能。姿態修正,即俯仰及搖擺修正,是指根據本節點姿態變化參數,包括俯仰角、搖擺角等,計算出天線指向因姿態變化引起偏差,并予以修正,使天線始終保持對準或跟蹤,這一方法的動態特性只受節點總線數據分發及傳輸速率影響,對于解決因本節點翻滾、上拉或俯仰等動作造成的天線對準及跟蹤問題具有明顯效果[18]。

應當注意,根據具體應用場景的不同需要,上述幾種天線指向控制方法可以組合起來靈活使用,以確保定向通信節點在快速機動過程中其天線波束始終處于對準狀態。

表1 天線指向控制方法對比Table 1 Comparison of different directional beam pointing algorithms

2.4 定向網絡同步技術

在定向Ad hoc網絡中,節點基于高增益的空間定向窄波束進行數據傳輸,為了最大化信道利用率,通常采用TDMA信道訪問控制機制進行時隙資源的動態分配和調度,網絡內各節點必須保持時幀的精確同步才能實現無沖突地信道接入和通信。可見,時幀同步技術是定向Ad hoc網絡組網的前提,是定向節點正常運行鄰居發現、動態時隙分配和定向鏈路跟蹤等MAC協議的基礎。

現有定向Ad Hoc組網方法中,大多依賴于精確的、全球性的、外部產生的時鐘基準,如采用衛星(GPS、北斗)等授時方式來實現所有網絡節點的時幀同步,在干擾嚴重的戰場環境下,這種對GPS/北斗等外部授時的過分依賴,將導致自組織網絡的抗毀性和頑存性差,同時也會極大地降低網絡的可靠性和縮短網絡的生存周期。

無線TDMA網絡的自同步技術多年來一直都是一個活躍的研究方向,但其大多數研究的重點都集中在全向網絡方面,相關研究成果若不進行修改則不能應用到定向TDMA網絡中。文獻[19]提出一種不依賴于外部時間基準的自同步方法,它僅依靠從該網絡中能夠得到的信息,實現時鐘粗同步、時鐘精同步以及時鐘漂移校正,最終達到與時鐘基準節點的完全同步。

3 定向通信MAC組網技術應用展望

定向天線以其獨有的特性,使定向通信相比傳統的全向通信擁有眾多的優勢,決定了定向通信MAC組網技術在寬帶無線通信、機間數據鏈、mesh骨干網和隱蔽通信等領域具有廣闊的應用前景。

(1)寬帶無線通信

定向通信通常選擇頻譜資源相對豐富的高波段(C/Ku波段,C波段:4.5～4.99 GHz;Ku波段: 14.4～15.4 GHz),并通過采用高調制效率的波形技術體制和MAC組網技術,實現頻率資源的空間復用和合理的通信規劃,可實現地-地30 km、地-空70 km的通信距離,傳輸速率最高可達110 Mb/s。

(2)機間數據鏈

機間數據鏈網絡具有網絡拓撲動態變化、無中心自組織、低時延高帶寬、空中節點快速入/退網和組網方式機動靈活等特點,基于定向天線傳輸的移動Ad hoc組網技術能夠很好滿足上述要求,因而定向MAC組網技術正逐漸成為下一代航空數據鏈組網技術的研究重點。

(3)mesh骨干網

隨著戰場態勢的日趨復雜和戰場數據業務的日漸豐富,人們對不依賴于固定基礎設施的無線mesh骨干網通信能力提出了更高的期望和要求。當前, mesh骨干網使用的基于全向天線通信的無線傳輸和組網設備,其通信距離和通信帶寬都較低,已漸漸無法適應戰場環境對更高帶寬、更遠通信距離的需求。定向通信由于其具有高頻段、高帶寬和遠距離通信的特點,能夠很好地滿足mesh骨干網不斷增長的頻譜和帶寬要求。因此,構建高機動無線mesh骨干網絡將是定向通信的重要應用場景之一。

(4)隱蔽通信

定向通信具有方向性強、低探測和低截獲概率的優勢,并且頻段高、帶寬寬,具有保密通信和抗干擾能力,通過定向MAC組網技術可快速構建具有自組織、自愈能力的隱蔽通信網絡。

4 結 語

在過去的十年中,將定向窄波束天線應用到移動Ad Hoc網絡來創建遠距離、高容量、無線通信網絡的思想,正從實驗室概念向可以實用的商用技術演進。但將定向天線技術直接引入傳統的Ad hoc網絡,也帶來了許多新的挑戰和技術難題,這在一定程度上限制了定向天線傳輸對網絡性能的改善、提高程度,因而迫切需要根據定向天線和定向通信的特點設計新的通信協議和算法。國內對定向通信的研究尚處于探索階段,尤其是在定向鄰居發現、定向天線波束對準與定向鏈路自動跟蹤等MAC組網關鍵技術方面的研究更是少有涉及,因此對其展開研究具有一定的理論意義和實際應用價值。

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JING Zhong-yuan(1988-),male,graduate student,mainly engaged in the research of tactical networking.

曾浩洋(1968—),男,碩士,研究員,主要研究方向為戰術通信網絡;

ZENG Hao-yang(1968-),male,M.Sci,research fellow, mainly engaged in the research of tactical network.

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 of tactical networking and routing technology.

張 浪(1987—),男,碩士研究生,主要研究方向為戰術網絡組網。

ZHANG Lang(1987-),male,graduate student,mainly engaged in the research of tactical networking.

MAC Layer Networking Technology in Ad hoc Network with Directional Antennas

JING Zhong-yuan,ZENG Hao-yang,LI Da-shuang,ZHANG Lang
(No.30 Institute of CETC,Chengdu Sichuan 610041,China)

Directional antenna produces spatial directional beams with digital signal processing technology, and radiates the signal energy in a certain or some special directions.When applied in traditional ad hoc network,directional antennas can dramatically reduce the interference between neighboring nodes and by increasing the node pairs for simultaneous transmissions,enhance the spatial reuse rate and capacity of the network.Firstly,the basic characteristics of directional antennas and directional communications are briefly introduced in this paper.Then the key networking technologies of directional ad hoc network in MAC layer, such as the protocol of neighbor discovery,TDMA and directional beam pointing and tracking,are summarized.Finally,problems in research and development are discussed in detail.

ad hoc network;directional antennas;MAC layer;neighbor discovery;TDMA;directional beam pointing and tracking

TN929.5

A

1002-0802(2014)09-1041-07

10.3969/j.issn.1002-0802.2014.09.013

景中源(1988—),男,碩士研究生,主要研究方向為戰術網絡組網;

2014-06-01;

2014-07-22 Received date：2014-06-01;Revised date：2014-07-22