一種低速超短波自組網MAC層協議研究

李書杰，榮 柱，呂玉靜，秦 茜

(1.海軍參謀部信息通信局，北京 100841；2.中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

0 引言

無線通信網絡無需架設固定線路，并能夠靈活、方便地為用戶提供隨時隨地的通信服務。近年來，無線通信不論在商業應用還是軍事應用上均得到了巨大的發展。無線通信可以分為有基礎設施的無線通信(大多數的民用無線網絡，例如GSM，WiFi等等)和無基礎設施的無線通信，這里的基礎設施一般是指基站[1]。由于戰術應用環境的特殊性，即缺乏通信基礎設施的支撐，戰術電臺通常需要符合無中心、自組織、自愈合的要求，同時節點的移動性使得網絡拓撲結構具有高度動態變化的特征。另一方面，在作戰集結、行軍、作戰展開等不同應用場景和地域環境里，節點規模和節點密度也會呈現很大的變化[2-4]。因此，自組網(MANET)技術在軍事上的應用越來越廣泛。

MANET的起源可追溯到20世紀70年代。最早的MANET技術脫胎于ALOHA技術[5]。所謂ALOHA協議就是最早最基本的無線數據通信協議，可實現單點到多點的數據通信。但是ALOHA協議因為沒有路由訪問功能，所以屬于單跳協議，相比之下，MANET的協議則可以實現大規模網絡的多跳功能[5-6]。MANET由于其自組織、自愈合和抗毀性強等自身特點，從一誕生開始就倍受各國軍方用戶的重視，當前MANET的研究成果主要集中在美國，在過去將近半個世紀的不斷探索中，積累了豐富的實戰經驗[7]。特別是近30年，美軍舉行了多次基于MANET的演習，并且不斷提升演習的規模和復雜程度，進一步驗證了MANET在野戰環境下的優異性能[8]。不過歐洲也已經開始考慮將MANET網作為中繼，用以擴大第二代及第三代移動通信系統的覆蓋范圍和提高在網絡或鏈路發生故障時系統的魯棒性，目前已建立了一種稱為A-GSM的實驗系統[9]。雖然我方在MANET技術方面做了一定的預研，也有了一定的技術儲備，但是距離真正將MANET組網方式應用于現有的戰術通信網，還需要一定的時間[10]。

在自組網所使用的波段內，頻譜資源異常寶貴，而電磁環境又往往十分惡劣，超短波信道具有以下優勢：① 超短波波長較長，能繞射過信道中的高大建筑物，通信距離可達幾十km[11-12]。② 超短波通信相比于短波通信，帶寬更寬、信噪比更高，比較適合寬帶業務傳輸[13-14]。因此，超短波技術在自組網設備中的應用越來越受到關注。

低速自組網波形雖然不支持寬帶業務傳輸，但是具有極高的接收靈敏度和穩定性，以及非常好的隱蔽性，可應用于新型多頻段電臺的研制，支撐聯合戰術通信系統型號研制[15]。

本文提出了一種新的低速自組網波形MAC層協議，該協議采用TDMA作為MAC層協議基礎，以及改進的OLSR作為路由協議。另外，該協議容易在軟件無線電(SDR)平臺上實現，而SDR平臺技術具有低功耗、方便加載不同波形的優點。仿真結果表明，本文提出的低速自組網波形協議可以容納較大的網絡規模、較小的開銷、較短的組網時間和傳輸時延。

1 低速超短波自組網協議

1.1 時隙幀結構

本文研究的低速超短波自組網協議，選擇基于TDMA架構進行MAC層接入算法設計。基于TDMA 技術的架構在自組織網絡實現中最為成熟。FDMA 的多址方式，頻點管理與節點硬件復雜度非常高，節點個數受限，極少被MANET 組網設計采用；CDMA 的多址方式，由于其“遠近效應”，需要在終端節點與中心節點之間進行功率控制，實現復雜度高、成本巨大，且更適用于大規模節點網絡。相對于上述2種多址接入方式，TDMA 最為適用于本文的低速超短波自組網協議。

在該組網系統中，每個時幀由3部分組成：上行預約時隙(Uplink Reservation Slot，URS)、下行控制時隙(Downlink Control Slot，DCS)和數傳時隙(Data Transmmition Slot，DTS)，如圖1所示。其中，URS與DCS作為網絡的控制信道，其功能是在中心節點與普通節點之間進行鄰居發現信息的傳輸、網絡的建立以及普通節點向中心節點預約數傳時隙。

圖1 時隙幀結構

URS的傳輸方向是從終端節點到中心節點方向，或者是從終端節點到(相對于中心節點)下一跳普通節點方向，其作用是節點進行預約信息、轉發信息的傳輸。

DCS的傳輸方向是從中心節點到終端節點方向，其作用是對預約進行確認，并且下發廣播時隙占用表以及網絡維護等信息。

DTS的傳輸方向是從終端節點到終端節點方向，其作用是通過傳輸包內的目的地址域，實現點到點的傳輸，以及在鄰居發現階段為節點上行申請時隙，網絡建立后為話音、數據信息業務傳輸的時隙。

時幀為連續設置，一個時幀時長Tframe=200 ms，其中上行預約時隙時長TURS=35 ms，下行控制時隙時長TDCS=35 ms，數傳時隙時長TDTS=130 ms。

因此，

Tframe=TURS+TDCS+TDTS。

其中控制時隙實際有效傳輸為34.42 ms，預留0.58 ms保護間隔，數傳子時隙預留0.29 ms，作為時隙同步、傳輸延遲、設備處理延遲的保護時間間隔。

URS，DCS具體信息內容格式如表1和表2所示。

表1 URS上行時隙控制字設計

狀態字(4 bits)源ID計數字(5 bits)目的ID計數字(5 bits)CRC校驗(8 bits)說明(共20 bits)000000010010自身節點ID幀號計數器1^11循環計數收到的最近的終端節點的ID號。幀號計數器對前13 bits的CRC校驗該狀態表示IDLE狀態,未有業務發送該狀態表示收到終端節點的URS信息,在IDLE狀態下對其進行回應/轉發收到自身業務需求,申請時隙占用

表2 DCS下行時隙控制字設計

狀態字(4 bits)ID計數字(5 bits)CRC校驗(8 bits)說明(共16 bits)0000幀號計數器1^11循環計數0001允許其使用信道的節點ID0010最近一次使用信道的節點ID對前8 bits的CRC校驗該狀態表示IDLE狀態,允許節點發送時隙申請該狀態表示接收到節點的時隙使用申請,且允許使用(此時信道對別的節點禁止發送)“信道釋放中”狀態,該狀態表示下一幀進入“0000”狀態,當前幀不可用

1.2 網絡建立過程

網絡建立過程為各個節點從開機至各節點形成網絡的過程。本文提出的低速超短波自組網MAC層協議支持無衛星授時的網絡同步，由中心節點與終端節點共同完成網絡建立過程。節點開機以后，在網絡建立之前，各個節點完成參數預設。網絡建立的過程：各個節點將自身的時隙調整到與中心節點對齊，中心節點獲取整個網絡的節點信息，包括節點個數、ID與拓撲結構。該過程利用幀結構中的URS和DCS時隙。

在本文提出的低速超短波自組網的網絡建立過程中，各個終端節點使用與其ID對應的幀號，發送URS信息，這樣可以保證全網所有節點在開機的情況下可發送URS信息，且可以得到有效的轉發，并在中心節點完成注冊，使網絡建立收斂于一個完備的狀態，各個節點的信息均記錄于中心節點。

拓撲示例圖如圖2所示。以圖2為例進行網絡建立的說明，其中0號節點為中心節點，1/2/3號節點為終端節點，連線表示節點之間可通信，因此2號節點在中心節點2跳距離。為方便起見，在本節后續的原理說明過程中，均以圖2為例。

圖2 拓撲示例

中心節點(0號節點)開機后進入“網絡建立”狀態。該狀態下，中心節點在每幀的“ID計數字”域，發送循環計數器，計數范圍為1～11，表示自身計數的幀號，對應網絡內其余節點數；當中心節點收到其他節點的URS信息時解讀其狀態，若是自身節點ID在其對應的時隙發送，則表示該節點在一跳范圍內，中心節點將其記錄于自身的節點登記緩存；若接收到的信息為該節點轉發的節點信息，則表示發送節點在一跳范圍外，中心節點讀取同樣其“目的ID記數字”域，并記錄于自身節點登記緩存。經過多個周期的上述過程的迭代，中心節點將自身狀態更新為“網絡建立”狀態。

該網絡支持4跳范圍的節點距離。設定中心節點距最遠的節點為4跳距離，那么一次迭代的時間可以定義為中心節點的DCS信息到達“最遠”節點，且最遠節點在其對應的幀發送了URS信息并返回至中心節點的時間。一次迭代時間為7個循環時幀，即15.4 s。不同的拓撲結果，在轉發URS信息上花費的時長不同。綜合考慮，經過6次上述信息的發送、反饋與收集過程，網絡建立結束。總時長92.4 s，該時長對滿足各種拓撲下DCS/URS的轉發與通信，余量完備，且支持網絡節點的先后開機流程。

終端節點在開機后進入“等待接收DCS”狀態。對于與中心節點在一跳范圍內的終端節點，如節點1，3，在接收到中心節點的DCS信息后，在對應于自己ID號的幀內(1號幀、3號幀，幀號已經經過中心節點同步)發送URS信息，表示狀態為“接收到DCS”；若終端節點(2號節點)不在中心節點一跳范圍內，則該節點不會收到DCS信息，只會收到3節點的URS信息，該節點將以此收到URS信息的時刻進行自身計時器的同步。而后在緊接著在下一個自身的幀內發送URS信息，表示狀態為“接收到URS信息，回應URS信息”。3號節點在2號幀收到該URS信息，則在自身的3號幀上報URS信息，修改其狀態，表示轉發2號節點的信息，“目的ID記數字”發送ID2，完成URS信息的轉發。此時中心節點收到該URS信息，解析包的內容，將2號節點進行登記。

該網絡系統經過多個幀周期的遍歷后，各個節點均可收到中心節點的DCS，中心節點亦可通過其一跳范圍的節點的URS收到網絡內所有節點的信息，并將其更新、記錄于自身的節點信息緩存中。狀態計時結束，中心節點與終端節點均將自身狀態變為“網絡建立”，則網絡完成網絡建立。

1.3 時隙接入原理

在網絡運行過程中，各個終端節點無業務的情況居多，而突發的業務又需要得到快速的響應。基于上述特點，本文的協議采用“動態預約和隨機競爭”的方式。每個終端節點根據自身業務需求對時隙發起申請，MAC層在收到業務請求后立即發送URS信息，而無需等到與自身ID對應的幀內發URS，這樣即是“動態”地進行預約，使得響應速度更加快速。對可能出現的時隙沖突情況，則采用802.11協議中的CSMA/CD機制進行沖突檢測與規避，從而能夠保證節點的可靠接入，不失公平性，達到“隨機競爭”的效果。

中心節點在網絡建立的過程中，通過其一跳鄰居的URS信息收集，建立了全網的節點狀態表。中心節點在網絡建立后會一直維護該表格，并記錄網絡節點的拓撲信息，若某節點要往另一節點發送信息，則中心節點可知其路徑。4號節點時隙接入拓撲示例如圖3所示。

圖3 4號節點時隙接入拓撲示例

圖3是在圖2的基礎上增加了一跳鄰居4號節點，以說明3/4跳節點的時隙接入流程。

中心節點(0號節點)在網絡建立的過程中，通過其一跳鄰居的URS信息收集，建立了全網的節點狀態表。該表格在一直保持更新維護狀態，若某節點要往另一節點發送信息，則中心節點可知其路徑。

中心節點的狀態機開始運行于“網絡建立”的狀態，完成網絡建立后跳轉至工作的IDLE狀態，表示允許網絡中的節點申請時隙。以圖3為例，在網絡完成建立以后的某時刻，1號節點產生了業務需求，目的節點為2號節點，則1號節點立即發起URS信息，表示申請使用數傳時隙。0號節點收到1號節點發送的URS信息后，會進行判決、鏈路轉發計算，并更新狀態機狀態，在下一個DCS發送信息，將計算結果廣播“全網”，DCS的使用流程如下：

① 下發DCS信息，表示后續N幀由1號節點占用數傳時隙；若在N幀時間內1號節點業務發送完成，則1號節點將在其URS信息中發送釋放時隙信息，否則中心節點通過DCS強制結束其使用時隙，并安排轉發節點3號節點占用時隙。通知時隙占用的DCS信息在第N幀發出，即在第(N+1)幀1號時隙將不能再使用數傳時隙。

② 3號節點使用時隙后，在自身的URS信息中發送時隙占用的時長、路由信息，“告知”2號節點，起到DCS的作用，完成多跳鏈路的建立。同時在數據時隙對1號節點的信息進行轉發，數據信息發送至2號節點，則完成數據傳輸。

③ 在上述過程中，N作為中心節點內部設置的參數，表示某節點占用時隙的超時上限，若某時隙開始占用當前幀進行傳輸，且在第N幀時間內未收到來自該節點的釋放時隙的URS信息，就發送包含強制釋放信息的DCS。

④ 對于目的節點在多跳的傳輸情景。中心節點的DCS信息將在轉發節點被轉發(如步驟②中所述)，3號節點將對該信息進行轉發，在自己的URS信息中，起到DCS的作用。假設3跳情景，2號節點仍有一個單獨連接的4號節點，則在上述過程中，在3號節點釋放時隙后，2號節點使用時隙。2號節點使用時隙的行為，由中心節點做出，并通過DCS下發，由3號節點在其URS中發送至2號節點。2號節點在第3個N幀時長內，轉發數據信息，到達3跳的目的節點。

1.4 沖突退避機制

方案在時隙競爭的沖突處理方面，采用802.11協議中的CSMA/CD機制，進行沖突檢測與規避，從而能夠保證節點的可靠接入，不失公平性，解決“隱藏節點”與“競爭沖突”的問題。該機制可進一步提高信道的利用效率及網絡吞吐率。

節點在網絡建立之后，所有的URS均為共用狀態，共同偵聽與發送申請，以保證信息傳輸、時隙占用的時效性。對于可能的數據沖突，進行的沖突退避控制，其過程包含偵聽、發送、檢測和沖突處理4個處理內容。

偵聽：節點在公共信道上接收信息，是否收到其他節點的URS時隙占用申請、或中心節點下發的時隙分配信息，線路是否被占用；若“忙”則進入后述的“退避”處理程序，進行反復偵聽工作。若“閑”，則根據一定算法原則，在業務到達后決定如何發送。

發送：當確定要發送后，在URS發送時隙占用申請的信息。

檢測：數據發送后，可能發生數據碰撞。若M幀內未收到來自中心節點的DCS信息(DCS信息應對URS的時隙申請給予明確的應答)，則判定數據發生碰撞。

沖突處理：當確認發生沖突后，網絡系統進入沖突處理程序。沖突情況可分為2種：一是業務到達后偵聽，發現信道忙；二是發送URS后發現數據碰撞。對于第1種情況，則等待一個延時后再次偵聽，若仍然忙，則繼續延遲等待，一直到可以發送為止。每次延時的時間不一致，由退避算法確定延時值；第2種情況，若發送過程中發現數據碰撞，先發送阻塞信息，強化沖突，再進行偵聽工作，以待下次重新發送。

2 仿真與分析

2.1 仿真環境及參數設置

OPNET Modeler是一套集開發和應用為一體的通信系統模擬軟件，能夠準確地分析復雜網絡的性能和行為，在網絡模型中的任意位置都可以插入標準的或用戶指定的探頭，以采集數據和進行統計。本文使用版本號為14.5的OPNET Modeler，通過設計節點模型、進程模型與核心狀態機機制的算法對場景進行仿真。

圖4 12節點4跳拓撲

為了測試本文提出的協議的合理性和性能，仿真設計4種拓撲結構：12節點4跳拓撲、7節點4跳拓撲、、7節點3跳拓撲和7節點2跳拓撲，并且同時測試了其網絡建立時間，拓撲建立時間以及突發業務的傳輸端到端延遲(ETEL)，如圖4～圖7所示。

圖5 7節點4跳拓撲

圖6 7節點3跳拓撲

圖7 7節點2跳拓撲

2.2 仿真結果與分析

7節點4跳拓撲下網絡建立時間如圖8所示，7節點3跳拓撲下網絡建立時間如圖9所示，7節點2跳拓撲下網絡建立時間如圖10所示。各圖的橫軸表示時間，單位為s，縱軸表示狀態，從0→1表示收到了DCS信息對自己的回復，或是URS信息對自己的回復，此時各個節點將自身狀態設置為網絡建立。

圖8 7節點4跳拓撲下網絡建立時間

圖9 7節點3拓撲下網絡建立時間

圖10 7節點2跳拓撲下網絡建立時間

7節點4跳拓撲下GNS完成拓撲建立時間如圖11所示，7節點3跳拓撲下GNS完成拓撲建立時間如圖12所示，7節點2跳拓撲下GNS完成拓撲建立時間如圖13所示。可以看出，隨著時間變化，距離中心節點一跳的網絡最先完成注冊，而后隨著跳數增加，注冊時間逐漸推后。

圖11 7節點4跳拓撲下GNS完成拓撲建立時間

圖12 7節點3跳拓撲下GNS完成拓撲建立時間

圖13 7節點2跳拓撲下GNS完成拓撲建立時間

7節點3跳拓撲中一個1號節點到11號節點出現突發業務如圖13所示。該包數據傳輸過程中各個節點的狀態變化如圖14所示，不同節點收到數據包時刻的延遲如圖15所示。

圖14 發業務傳輸各節點狀態變化

圖15 不同節點收到數據包時刻的延遲

由仿真結果可知，最終11號節點收到數據包延遲在400 ms以內。在本文針對不同拓撲、不同業務進行了多次仿真，得出了數據取平均值作為MAC協議的最后性能指標如表3所示。

表3 MAC協議的性能指標

跳數網絡建立時間(不含拓撲建立)/s網絡建立時間(包括拓撲建立)/s平均ETEL/ms2跳4.87.42603跳7.411.93804跳11.418.0489

由本節仿真結果可以看出，本文提出的低速超短波自組網MAC層協議通過 “動態預約和隨機競爭”的分配策略，可以在較大的網絡規模中適用，取得較小的開銷、較短的組網時間以及傳輸時延，從而提高了傳統自組網設備的靈敏度和隱蔽性，在低速網絡中的作用非常重要，具有一定的先進性。

3 結束語

雖然低速自組網波形具有很多優點，但目前在國內還處于預研階段。相信其巨大的潛能會在不久的將來得到人們越來越多的重視。未來，低速自組網波形會朝著3個方向來發展：進一步減小協議開銷、提高波形的隱蔽性和提高組網性能。