基于短波信道的無線自組網鏈路層協議研究

余 海，周安棟

(海軍工程大學電子工程學院，武漢 430033)

短波通信的研究中認為短波信道是一個多徑衰落信道。短波信道中，多徑效應、頻率選擇性衰落和其他干擾源的存在會影響數據通信傳輸質量，同時傳輸距離越遠，無線電波傳輸的質量越難以保證［10］。因此，短波遠距離通信和傳統無線自組網的多跳、信道接入技術整合，將有助于改善短波傳輸質量。

1 基于短波信道的無線自組網

通過在傳統無線移動自組網數據鏈鏈路層協議TDMA基礎上，結合短波通信提出一種基于短波信道無線自組網的鏈路層協議HMCTDMA(HF Multi Channel—TDMA)。主要利用短波信道特點以及定向天線在網絡空分復用、天線增益、抗干擾等方面的優勢，分析了定向天線用于無線自組網的可能性。

由于短波信道的數據鏈路層協議與傳統無線移動自組網的數據鏈路層協議相比有較大的差異。因此本文HMCTDMA功能架構主要劃分為數據鏈路層、物理層兩層。

2 HMCTDMA協議設計

2.1 HMCTDMA協議空分復用設計

HMCTDMA 協議所采用的天線系統為定向天線技術，定向天線技術在無線移動自組網多信道傳輸中的應用能夠進一步提升網絡容量。普通多接口多信道網絡的節點m不能大于信道數量c(1≤m≤c)，這是因為若m大于c會產生浪費［5］。但是如果網絡采用定向天線，該條件將得到松弛，在采用定向天線的網絡，節點m可以大于信道數量c，具體來說，其中θ為定向天線的波束角度(一般小于π)，由于網卡數量選擇的范圍更寬天線的放置也就更靈活，由于額外的天線，無線移動自組網絡能夠獲得更高的容量［8］。

在HMCTDMA協議中假設定向天線模型的波束角度為θ。天線在任意時刻只能指向一個特定的方向，如圖1所示，圖1中天線角度指向右邊，此時，天線波束能夠覆蓋的范圍為

圖1 天線模型

如圖2說明了由于節點Xk的天線波束沒有覆蓋到接收節點Xj，因此節點Xk發送數據的行為不會給Xi的傳輸帶來干擾。

假設節點Xi通過信道fm向節點Xj，節點Xj能夠成功接收該數據包的條件為節點Xi天線波束內部不存在任何節點干擾節點Xj的接收。因此，對于其他任意節點Xk同時在同一個信道上進行傳輸存在保護距離，且滿足節點Xk的傳輸信號不會覆蓋節點Xj。

其中，節點Xi不僅表示節點位置同時還表示節點本身。在本模型中，每一個節點都有一個定向天線能夠工作在fm信道上。

圖2 基于定向接收的干擾模型

2.2 信道分配策略

提出的HMCTDMA協議主要從信道分配的干擾最小化方面入手，通過研究多信道環境下信道干擾及網絡負載情況，為達到充分利用信道資源、減少傳輸干擾等目標，綜合考慮信道干擾及負載均衡等因素，研究得出一種最小干擾的信道分配方法［7］。

通過綜合考慮現有分配方式的優劣勢以及無線移動自組網網絡特點，本文采用動態多信道分配算法。

如圖3中為無線移動自組網網絡示意圖。可以看出無線移動自組網網絡的一個顯著特點，其流量基本是傾斜的，即越是靠近有線網接入點的節點其所負載的流量越大，其信道間的干擾情況就當優先考慮。［1］針對這一特征，對各節點進行分層劃分。因此對于越接近根節點控制器的節點，即到根節點最小跳數越小的節點，其層次等級越高，同時在短波通信中一般只存在兩跳的現象，因此一條鏈路中源節點的層次等級最低定為下層，而到根節點的層級定為上層。

圖3 無線移動自組網網絡結構示意圖

在信道分配時，上層節點具有優先選擇權，并且不得對較自己層級高的節點產生關聯作用，即本節點的信道重新分配，不會導致上層節點聯帶重新分配。［3］這樣可以有效避免某一節點的信道變換擴散全網節點。

信道分配時除考慮該節點的層級外，還需考慮q+1跳內節點的信道使用情況、準備選用的信道i于全網使用次數n、信道i于負載率［6］。結合實際情況，選取記錄2跳內節點的信道使用情況。

其中節點間信道負載率η為

式(1)中:C( i)是指信道i的最大傳輸速率;f[ u( i) ]是指節點u上對應信道i的傳輸速率，且 f[ u( i) ]≤C( i)。

定義信道i全網負載率∑η:

2.3 路徑建立與信道分配

網絡建立后，各節點須記錄并傳遞相關數據信息，以便后期進行網絡維護等提供依據［2］。這些信息包括:

節點u可用信道集合A( u):初始狀態下為全信道集合，節點傳輸數據時選取某一信道后，從該集合中剔除該信道，傳輸結束后重新加入該信道;

已用信道集合B( u):初始狀態下B( u)=φ，節點傳輸數據時選取某一信道后，將該信道加入集合，傳輸結束后剔除該信道;

一跳范圍內節點集C( u)內各節點信道使用集Cu(k):Cu(k)初始狀態為空集;

兩跳范圍內節點集D( u)內各節點信道使用集Du(k):Du(k)初始狀態下為空集;

信道i使用次數ni:ni采用“逢2進1”方式，即對于通信中的上下兩節點u和v各自發出的廣播信息，即屬于節點u一跳范圍內也屬于節點v一跳范圍內的第三節點w，ni兩次增量才計數為ni+1，這樣是為了確保使用次數ni與信道實際使用次數相匹配，初始狀態下ni=0;

信道i負載率ηi:初始狀態下ηi=0;

節點u設備負載率η(u):該值為設備當前工作功率與額定功率比值。

3 性能評估

本文建立的HMCTDMA無線自組網仿真系統為例，利用OPNET仿真軟件對其進行仿真。主要通過選取吞吐量(Throughput，bit)，時延(Delay，s)性能參數指標比較來反映HMCTDMA協議網絡性能。

3.1 仿真模型

HMCTDMA協議無線自組網仿真系統主要包括2個場景，分別是24個移動節點場景和48個節點場景，采用Opnet里面經典的office場景模式，場景范圍為500 km×500 km，拓撲環境為無線移動自組網，信道帶寬為3 kHz，仿真模式為Development，并且強制編譯模式。時隙為16 ms。具體的仿真環境主場景圖和仿真參數具體如圖4和圖5所示。

圖4 24個移動節點場景

圖5 48個移動節點場景

3.2 HMCTDMA和TDMA性能比較

1)時延性能比較。HMCTDMA協議和TMDA協議在24節點和48節點場景的時延性能結果圖如圖6所示。可見HMCTDMA協議在時延穩定性和延時長度上都優于TDMA協議，尤其隨著節點的增加，HMCTDMA協議的優勢更加明顯。

2)吞吐量性能比較。HMCTDMA采用多信道分配和無線自組網多跳技術，提高吞吐量。從圖7可見HMCTDMA協議在吞吐量性能上明顯由于TDMA協議。

圖6 TDMA-HMCTDMA時延性能比較結果

圖7 TDMA-HMCTDMA吞吐量性能比較結果

4 結束語

本文主要研究基于短波信道無線自組網數據鏈路層協議研究，傳統TDMA協議單向信道傳輸降低了網絡傳輸性能，同時無線移動自組網存在移動多跳問題，容易造成信號傳輸間斷［4］。因此，在傳統無線移動自組網數據鏈鏈路層協議TDMA基礎上，結合上述問題引入新技術，提出了一種基于短波多信道的無線自組網的數據鏈路層協議HMCTDMA。對短波信道特征、協議架構、信道分配方法和天線干擾模式進行了深入研究為拓展短波的應用具有深遠意義。

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