一種基于定向天線的自組網多址接入協議*

宋 滔,白 翔(中國電子科技集團公司第三十研究所,四川成都610041)

一種基于定向天線的自組網多址接入協議*

宋 滔,白 翔
(中國電子科技集團公司第三十研究所,四川成都610041)

文中提出一種基于定向天線的自組織網多址接入協議DA-STDMA。該協議利用方向性天線定向波束增益特性,保證在高速可靠傳輸條件下,提升系統的容量,同時可以防止信息截獲,提升系統的抗干擾性能。經過理論計算,DA-STDMA協議在信道利用率上與采用全向天線相比有顯著提高。文中建立了DA-STDMA協議仿真模型,通過對比空間復用度、網絡吞吐量等系統性能,DASTDMA協議利用定向天線比全向天線性能有明顯提升。同時仿真研究也表明,定向天線的定位算法對整個系統建鏈的收斂時間產生一定影響。

定向天線 多址接入控制 信道利用率 空間復用度

0 引 言

目前,將自組織網絡應用于戰術軍事系統的大多數研究都是使用基于全向天線[1]的簡單射頻物理層方案。采用全向天線會帶來如下問題:1)低數據速率;2)在業務流量需要的范圍內鏈路的富余量不足;3)不可控制的空間射頻信號;4)對干擾極其敏感以致無法工作;5)信道復用共享效率低。因此,很多文獻[2-5]研究了利用高增益定向天線來解決上述問題。但是,在由移動節點構成的動態網絡中應用定向天線時,要求在鏈路的發送和接收兩端保持天線方向的協調一致。為了支持快響應和高動態的網絡,需要應用一種算法或協議來控制大量具有定向天線的移動節點之間的通信。

基于定向天線的通信協議研究由鏈路調度由算法、協議和軟件組成,它們能夠從網狀網絡的定向天線對中自適應地調度各個連接,以提供完整的網絡連通性,滿足聚集業務流的通信要求,支持與鄰居節點之間的業務量流量高度變化的數據交換。

目前,很多文獻重點研究[6-8]了利用CSMA (Carrier Sense Multiple Access)競爭協議實現定向天線在自組織網中的應用。本文研究的重點是在高速率數據鏈路兩端(如發送和接收端)使用定向天線,結合TDMA(Time Division Multiple Access)機制,對上述5種問題提出了合理的解決辦法。鏈路兩端的定向增益提供了更多的鏈路功率裕度[9],以支持空-空、空-地實現更高數據率和更遠距離的通信。它能大大降低射頻信號在不需要方向上的強度,減輕接收機的易受干擾性(雖然這在一定程度上取決于天線的旁瓣特性)。最后,由于天線的定向增益決定了輻射能量的空間抑制特點,使多對節點能夠同時無干擾地占有相同的空-時-頻域。

本文提出了一種新的媒體接入層協議—DASTDMA(Direction Antenna based Space Time Division Multiple Access),結合天線的全向與定向應用模式,實現TDMA機制下的空間復用。利用定向天線特性,使同時使用的射頻信道的數量最大化。結合全向天線獲得鄰居節點的定位信息。該協議能夠同時支持每個節點處的多束電波和射頻信道,因而創建了一個低時延的充分連通的網絡,而非創建一個每個節點只有單波束單射頻信道的網絡。通過仿真驗證了在定向與全向天線時協議的性能提升。

1 基于定向天線的多址接入協議

1.1 鏈路空分原理

DA-STDMA協議利用方向性天線,實現沒有干擾的兩對節點之間的同時通信,有效提高信道利用率。該協議采用基于鏈路空分的方法實現更高的網絡吞吐量。基于鏈路的空分原理如圖1所示:

圖1 基于鏈路的空分原理Fig.1 Space division theory based on links

從圖1與圖2中可以看到,節點A與B占用了時隙1的鏈路,同時節點D與E也占用了時隙1的鏈路,利用定向天線倆倆對齊,沒有干擾,實現空分通信。STDMA協議采用基于鏈路的空分技術就利用了定向天線的特點,有效提高網絡吞吐量。

圖2 每條鏈路占用時隙Fig.2 Assigned slot for each link

1.2 節點初始同步入網流程

DA-STDMA協議實現的基礎是時間同步。同步信息攜帶TOD信息(TOD信息精確到ms級,在DS-STDMA協議中保留足夠多的比特位攜帶TOD信息),通過網絡基準節點時鐘,隨著網絡拓撲跳數的增加逐級擴展時間信息,實現全網同步。初始組網時,設置主節點時間等級最高,其他節點時間等級最低,時間等級隨著與主節點的網絡拓撲跳數增加而逐級降低。

準備入網的節點首先要完成時間同步后才能實施鏈路層協議,實現對信道接入的公平分配。發起組網的節點設置為主節點,同時設置一個備用節點防止主節點失效時,由備用節點發起全網同步。為了避免節點之間同步的通信“死區”,要求準備入網的所有節點開機時都按民用時間校準一次,使得節點之間的時間誤差小于同步雙方允許的最大時間偏差,保證全網能正常同步組網。

主節點的時間等級最高,與之拓撲距離為1跳范圍內的節點時間等級次之,2跳節點比1跳節點的時間等級再低些,依次類推。時間同步信息中包含有節點的等級信息,當某個節點接收到的時間等級信息高于本地,則修改本地時間;如果接收到的時間信息等級低于或等于本地,則本地時間信息不作修改。網絡同步完成標志是整個網絡節點的時間都完成了校準。

1.3 鄰居節點的全向定位機制

如圖2所示,TDMA的一個時元結構中包含全向開銷和定向傳輸時隙。全向開銷分配給每個節點發送本地的位置信息,接收到鄰居節點的位置信息,本地節點更新自己的鄰居節點位置信息表,從而為后續的定向鏈路分配做準備。

在DA-TDMA協議中,一個時元分為全向開銷時隙和定向鏈路時隙,如圖2所示,在全向開銷時隙中,每個節點分配固定的時隙,在該時隙內發送本地節點的位置信息,鄰居節點接收到該信息后,更新自己的鄰居節點信息表,全向開銷中全網節點都能發送一次本地的位置信息。通過接全向時隙獲得鄰居節點的位置信息,在定向鏈路時隙內,節點將定向波束對準鄰居節點。

定向天線采用多波束,如采用60度波束寬度,則全向一共有6個波束,當節點需要對準某個方向的鄰居節點時,該方向上的波束有效,其他方向上的波束增益受到天線抑制,實現定向傳輸。

在定向鏈路階段,每個節點根據獲得的鄰居節點位置信息表,完成鏈路的干擾探測與建鏈過程,干擾探測與鏈路的建立時間與網絡規模有關。

1.4 鏈路干擾探測與建鏈

基于方向性天線的建鏈過程關鍵技術是干擾判斷,通過借鑒CSMA機制干擾探測的方式,DA-STDMA協議采用主動探測的方法,通過發送干擾探測包,判斷是否接收到正確的回復確定該條鏈路是否有干擾。主鏈干擾探測流程如下:

1)本地節點依據本地鏈路使用情況以及需要建鏈的目的節點鏈路使用情況,選擇可用鏈路號。

2)本地節點在全向時隙內發起建鏈探測申請,該申請攜帶本地節點位置信息、目的鄰居節點地址、選擇的鏈路號。目的節點接收到該申請后,在該時元后續對應的TDMA時隙號中將定向天線對準源節點。本地節點通過全向階段獲得的目的節點位置信息,在該時隙中將天線對準目的節點。

3)在本時元內探測鏈路號對應的時隙中兩個節點的天線對準,判斷是否受到干擾,這類干擾主要判斷是否收到其他節點發出的數據包。

4)兩個節點的天線在申請鏈路內一直對準,一直探測至少3表時元。如果目的節點如果沒有受到干擾,則在此時幀內回復無干擾,并在對應的鏈路時隙內與源節點相互發探測包,發探測包有2個目的:一是幫助別對節點建鏈探測是否受到該對節點的干擾;二是目的節點是否正確接收到探測包能判斷是否受到其他節點的干擾。

5)探測3個時元中,源節點和目的節點至少有一個都受到干擾,則回到1),否則到4)。

6)如果建鏈的源節點與目的節點都沒有受到干擾,則源節點更新本地的鏈路信息表以及將鏈路信息表廣播出去,目的節點接收到廣播信息后更新自身的鏈路信息表。

當節點與目標節點成功建立主鏈后,信道上有多余資源時,可以按照主鏈的干擾探測機制繼續向主鏈目標節點申請副鏈,副鏈的使用可以有效地利用信道資源。同時,定向天線的使用與主鏈相同。

節點分配好鏈路時隙后,通過全向信息,將該分配的鏈路時隙分配情況廣播給鄰居節點,保證該鏈路時隙在2跳范圍內不得重新申請,防止鏈路干擾。

1.5 節點遲入網處理流程

遲入網節點首先接收來自周圍鄰居節點的同步信息,更新自身的時間完成入網前的時間同步。隨后節點按同步的時間啟動時元、時幀和時隙記數,當時幀號與遲入網節點號不相同時,接收周圍鄰居節點全向信令信息,將相關信息填入對應表格。時幀號與遲入網節點號相同時,則按一幀中的時隙次序發送相關信令包。遲入網流程見圖3所示:

圖3 節點遲入網處理流程Fig.3 Procedure of late entry network

2 信道利用率分析

2.1 網絡吞吐量公式

在產業組織理論中，市場集中度是衡量市場壟斷力量、考察市場結構的首要因素。房地產業作為國民經濟的支柱產業，同其他產業的關聯度很高，也是中國當前供給側結構性改革的重要一環，精準分析房地產業的市場集中度，有助于深刻了解房地產市場結構和資源配置情況，進而推動房地產業供給側改革，優化市場結構，防范金融風險，促進國民經濟健康發展。

定義信道的帶寬為channel_data_rate,在DASTDMA協議中一個時幀周期內劃分的時隙數為slot _num,假定網絡中節點i的鄰居個數為neibor_num_ i,每個鄰居中副鏈的使用數為neibor_anti_num_i,定義節點i的信道利用率為channel_used_rate_i,則節點i的信道利用率為:

定義節點i占用的帶寬為node_data_rate_i: node_data_rate_i=channel_used_rate_i×channel_date_ rate網絡總節點個數為node_num,則網絡的總吞吐量net_data_rate為:

2.2 信道利用率

如圖4所示,節點A與節點B,依據DA-STDMA協議,能建立主鏈link 0,在網絡滿負載情況下(節點A與節點B在link 0上一直都負載),節點A與B都在申請副鏈的使用,圖4也標示了2個節點的主要使用情況以及副鏈使用情況。

圖4 節點A和節點B的主鏈和副鏈Fig.4 Major link and assistant links of node A and node B

如圖4所示,節點A的信道利用率為44%,節點B的信道利用率為44%,則整個網絡(只有2個節點)最大信道利用率為88%,依據2.1小節的公式,網絡中1對節點最大吞吐量為1.76 Mb/s。

3 DA-STDMA協議的仿真研究

3.1 仿真系統模型

為了體現DA-STDMA協議的技術優勢,分別對DA-STDMA協議流程以及幾項關鍵技術進行了仿真。采用DA-STDMA協議,就是為了充分利用定向天線的特點,實現空分組網,提高網絡的吞吐量、數據包傳輸時延以及網絡復用度與連通性。

采用OPNET對DA-STDMA協議進行仿真。這里設置2類天線,一類為實際定向天線,主瓣方向增益最大為16 dB,副瓣方向上增益為-3 dB,其天線模型見圖5。另一類為全向天線,增益為7 dB,天線模型見圖5。

圖5 全向天線模型與定向天線模型Fig.5 Models of directional and omni-directional antenna

3.2 仿真參數設置

仿真參數如下表所示。

表1 仿真參數設置Table 1 Simulation references of output and input

在無線信道建模仿真中加入了人為干擾,模擬實際場景中出現的各種阻擋、多徑衰落等損耗。能有效地模擬整個實際場景中的干擾環境。

4 仿真結果分析

4.1 仿真目標

通過仿真,驗證基于定向天線的DA-STDMA主鏈建鏈流程的可實現性。分別在網絡中節點數為8、16、32、64的情況下,在基于DA-STDMA協議的自組織網絡中,收集網絡的建鏈收斂時間,空間復用度、網絡吞吐量,以及分組傳輸時延,分析網絡的性能。

分別將實際天線模型的仿真結果與理想天線模型的仿真結果作比較。

4.2 仿真結果分析

不同節點數的拓撲場景下的建鏈仿真及相關性能如圖6到圖8所示。

圖6 8個節點拓撲下的定向建鏈性能Fig.6 Performance of link setup in 8 nodes network

圖7 16個節點拓撲下的定向建鏈性能Fig.7 Performance of link setup in 16 nodes network

圖8 32個節點拓撲下的定向建鏈性能Fig.8 Performance of link setup in 32 nodes network

圖9 DA-STDMA協議建主鏈的空間復用度Fig.9 Space reuse rate of DA-STDMA setting-up link

圖10 DA-STDMA協議建主鏈的吞吐量Fig.10 Throughput of DA-STDMA setting-up link

從圖6到圖8可以看出,節點數越高,空間復用度也越高,這是因為可使用的鏈路時隙增加,可復用的鏈路時隙也隨之增加,提升了整個拓撲的空間復用度。但是網絡規模的增加,會帶來鏈路建立的收斂時間增加,如32個節點時,收斂時間達到了178 s,對系統初始化產生一定的影響。

圖9到圖11給出了在不同網絡規模條件下,定向天線與全向天線的性能對比。

從仿真結果可以看出,定向天線的使用在性能上明顯優于全向天線,定向天線的窄帶波束,可以將信號固定在一定的范圍內,這樣可以防止信息泄露和干擾,提升了空間復用度。由于系統的空間復用度提高,系統的容量也得到提升。由于全向天線導致的干擾,也會給整個系統的建鏈收斂時間產生影響,因此定向天線的使用可以有效地提升系統性能。

圖11 DA-STDMA協議建主鏈的收斂時間Fig.11 Convergency time of DA-STDMA setting-up link

5 結束語

本文提出了一個新的分布式的、自適應的時分多路訪問(TDMA)鏈路調度協議。采用TDMA機制結合定向天線,在空間復用度上更能體現定向天線的性能。該協議基于每對相鄰節點的協作決策來確定調度時間表。該協議利用高增益定向天線的優勢,即更高的信道重用效率和更高的網絡吞吐量。若采用的定向天線波束寬度很窄并且干擾接近于零,將能產生好得多的性能和更高的網絡吞吐量。

在移動自組織網絡中,節點的移動速率導致網絡拓撲變化較快,給定向天線的定位算法帶來了復雜性,定向天線的波束快速對準算法是定向天線在自組織網絡中實際應用的關鍵,波束快速對準算法也是后續該協議的進一步研究方向。

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SONG Tao(1973-),male,M.Sci.,senior engineer,majoring in wireless and mobile communication,cognitive radio,network protocol architecture etc.

白 翔(1977—),男,博士,高級工程師,主要研究方向:網絡協議體系分析、數據鏈系統等。

Bai Xiang(1977-),male,Ph.D.,senior engineer,maily working at analysis of network protocol architecture and data link system.

Ad-Hoc Network M ulti-Acccess Protocol based on Directional Antenna

SONG Tao,BAIXiang
(No.30 Institute of CETC,Chengdu Sichuan 610041,China)

The DA-STDMA(directional antenna based space time division access)protocol is proposed. DA-STDMA protocol,by employing directional antennawith stronger signal transmission gain,can ensure high-rate and reliable transmission condition,improve system capability,prevent information interception and enhance the anti-inteference performance of the system.Theoretical analysis indicates that,the channel utility rate of directional antenna enjoys an obvious increase as compared with that of omni-directional antenna.Simulation model on DA-STDMA protocol is constructed,and the comparison of system performance,such as space reuse rate and network throughput,indicates that DA-STDMA protocolwith directional antenna is much better in performance than with omni-directional antenna.Meanwhile,simulation shows that the location algorithm of directional antenna would exerts certain influence on the convergence time of the whole system.

directional antenna;multi-access control;channel utility rate;space reuse rate

date：2014-09-17;Revised date：2014-12-27

TN93

A

1002-0802(2015)02-0175-06

宋 滔(1973—),男,碩士,高級工程師,主要研究方向:無線與移動通信、網絡協議體系結構等;

10.3969/j.issn.1002-0802.2015.02.012

2014-09-17;

2014-12-27