基于相控陣天線的數據時隙復用分配算法

摘要：與單波束定向天線相比，相控陣天線在自組網網絡中有著廣闊的發展前景，如何將相控陣天線多波束技術適用于自組網網絡成為當前的研究熱點之一。文章基于相控陣天線自組網提出了一種數據時隙分配復用算法。該算法能利用相控陣天線多波束能力，復用不同陣面進行數據傳輸，有效提高自組網的空時資源復用效率。仿真結果表明，相對于單波束天線，基于相控陣天線的數據時隙復用分配算法能大幅度提高自組網網絡的時隙利用率和吞吐量性能，降低端到端時延。

關鍵詞：自組網；相控陣天線；數據時隙復用分配算法

中圖分類號：TN911文獻標志碼：A

0引言

在自組網網絡中，節點使用定向天線能夠克服全向天線的多種不足：首先，定向天線能夠實現信道分離，通過空時頻復用無線資源，避免節點間相互干擾，提高網絡吞吐量。其次，定向天線能夠在特定方向上形成波束，將無線信號更好地匯聚在目的方向上，避免有效功率浪費，減少對其他方向節點上的數據接收。同時，定向天線可以實現窄波束和高增益，在相等條件下比全向天線的傳輸距離更遠。另外，定向天線可以減少網絡數據被偵聽、截獲和定位的概率，增強系統的隱蔽性和抗截獲能力［1］。

本文針對采用相控陣天線的自組網網絡提出了一種數據時隙復用分配算法。該算法充分利用相控陣天線的多波束能力［2］，使節點能夠在單個時隙內向多個節點發送數據信息，提高空時利用效率和網絡吞吐量，降低網絡時延［3］。

1基于相控陣天線的自組網模型

以8節點相控陣天線自組網網絡模型為例，假設每個節點采用3面相控陣天線進行360度覆蓋，不同節點對之間可以通過不同陣面進行數據傳輸。考慮到相控陣天線的半雙工機制，同一節點的各個陣面收發狀態需要保持一致。在實際使用中，相控陣面數可根據實際需要而定。

在自組網網絡中，任意兩節點之間的數據時隙預約主要由3個階段組成［4］，其中：階段1：發起預約階段。節點A將本地所需數據時隙數量和本地空閑時隙列表發送至節點B。階段2：回復預約階段。節點B取本地自身空閑時隙列表和節點A空閑時隙列表的交集作為公共空閑時隙，再隨機取出節點A所需數據時隙數目作為節點A的數據發送時隙，重新計算公共空閑時隙后，節點B取自身所需數據時隙數目作為B的數據發送時隙，將所有計算信息發送至節點A。階段3：確認階段。節點A收到節點B的雙向數據時隙分配結果后，向節點B發送確認信息，告知分配結果有效。通過2次握手交互即完成節點A和節點B的雙向數據時隙分配確認，在相應的數據時隙進行數據對通。

2復用數據時隙分配算法

21數據傳輸階段

在一般的單波束定向天線自組網數據傳輸階段，每個節點只使用單個波束進行通信，節點間業務傳輸需要占用更多的數據時隙，以圖1單波束天線自組網數據的傳輸過程為例，在某一階段節點A要向節點B、C發送業務，由于波束數量的限制，在該數據發送階段就要占用2個數據時隙，數據時隙利用率較低，尤其是在組網數據傳輸時，數據時隙利用率低的瓶頸效應更為明顯。

而在相控陣天線自組網數據傳輸階段，由于不同相控陣陣面可以獨立形成多個波束進行數據傳輸。如圖2所示，節點A可以在一個數據時隙內同時向節點B、C發送業務，極大地提高了數據時隙利用率，同時降低了網絡傳輸時延，采用相控陣天線在組網數據傳輸時可以獲得更好的網絡性能。

22本地信息表

考慮到相控陣天線自組網節點可以對多個陣面進行復用，在每個數據時隙使用不同的陣面向不同的目標節點發送業務。較之于單波束天線，節點使用相控陣天線時需要在表1所示的本地存儲擴展的本地信息表。該表項具體內容在數據時隙預約階段通過數據包交互填充。由于相控陣天線采用半雙工模式導致各面陣收發狀態需要一致，因此采用公共的T/R表項標識本節點在當前時隙的收發狀態。同時，由于節點采用3面相控陣天線獨立使用，需要為每個陣面單獨保存一個目標節點號和目標波束角度表項。以表1為例，節點在數據時隙1處于發送狀態，向各節點發送獨立的業務數據。其中，陣面1向目標節點2發送，陣面2向目標節點3發送，陣面3向目標節點4發送。

23有效空閑時隙

由于在相控陣天線自組網中加入了數據時隙復用機制，節點在數據時隙預約階段交互空閑數據時隙時，算法需要根據本地信息表對數據時隙進行篩選。在此引入有效空閑時隙的概念。

有效空閑時隙包括完全空閑時隙和復用空閑時隙：完全空閑時隙標識節點在當前數據時隙的所有陣面完全空閑，可按需預約為發送或接收時隙；復用空閑時隙標識節點在該數據時隙與其他節點完成過預約過程，處于發送或接收狀態，但與目標節點通信所使用的陣面仍處于空閑，可以向目標節點發送或接收數據。節點的復用空閑時隙需要根據實時的收發狀態區分為復用空閑發送時隙和復用空閑接收時隙。同時，節點的完全空閑時隙對于所有鄰居節點是一致的，而復用空閑時隙需要根據目標節點的不同而具體計算。

以節點A和節點B的數據時隙預約過程為例對有效空閑時隙進行詳細說明。

在階段1，節點A根據本地信息表首先計算對節點B的復用空閑發送時隙和完全空閑時隙作為自身的有效發送時隙，然后計算對節點B的復用空閑接收時隙和完全空閑時隙作為自身的有效接收時隙，最后根據緩存業務量計算發送給節點B的所需的數據時隙數目，將以上3個信息發送至節點B。

在階段2，節點B根據本地信息表首先計算對節點A的有效接收時隙，與接收到節點A的有效發送時隙取交集后，隨機選出節點A所需的發送時隙數目作為節點A的發送時隙和節點B的接收數據時隙；然后填充本地信息表，根據緩存業務量計算發送給節點A所需的時隙數目，重新計算對節點A的有效發送時隙并與節點A的有效接收時隙取交集，隨機選出自身所需發送時隙數目作為節點B的發送時隙和節點A的接收時隙。同時，將上述雙向數據時隙分配結果發送至節點A。

在階段3，節點A向節點B發送確認信息，標識節點B計算的雙向數據時隙分配結果有效。

3仿真計算與分析

文章采用OPNET對提出的算法進行仿真［5］。仿真場景設置為30km×30km的正方形區域，節點之間相互獨立，假設每個節點之間一跳可達且均勻產生數據包［6］。天線模型采用理想天線，每節點配置3面相控陣天線，每面天線陣可以產生10個波束，波束覆蓋角度為12°；3面陣總共30個波束覆蓋360°方位角，波束指向由MAC層協議控制，節點狀態可以在發送和接收之間快速切換，每個節點所遵循的收發規律相同。

31網絡拓撲模型與配置參數

算法仿真采用的網絡拓撲模型如圖3所示，采用的網絡參數如表2所示。

32仿真結果

321數據時隙占用百分比

圖4為采用單波束天線和相控陣天線的自組網模型中各節點平均數據時隙占用百分比對比。由于節點需要處理數據時隙預約階段緩存的數據包，2種天線模型在起始傳輸階段均會占用較多的數據時隙。在之后數據傳輸趨于穩定后，較之于采用單波束天線的自組網模型，基于相控陣天線的數據時隙復用分配算法可以提高約10%的時隙利用率。

322平均吞吐量

圖5為采用單波束天線和相控陣天線的自組網模型中節點平均吞吐量的對比。業務數據傳輸需要鄰居發現和數據時隙預約過程之后進行，因此業務起始傳輸時間要晚于仿真起始時間，在一定時間之后，節點平均吞吐量趨于穩定。由于相控陣天線可以形成多個波束傳輸數據，采用3面陣的自組網模型中各節點的平均吞吐量（收斂值約120Mbps）優于采用單波束天線的平均吞吐量（收斂值約55Mbps）。結合圖5可知，數據時隙復用分配算法在提高時隙利用率的同時，大幅度提高了網絡吞吐量。

323傳輸時延

圖6為采用單波束天線和相控陣天線的自組網模型中傳輸時延的對比。與單波束定向天線相比，基于相控陣天線的數據時隙復用分配算法能加快傳輸時延的收斂，減小傳輸時延抖動，且傳輸時延收斂值（約70ms）優于采用單波束天線的收斂值（約180ms）。

4結語

隨著自組網網絡技術的不斷發展，研究不同的天線形式對自組網網絡性能的提高逐步成為研究熱點之一，本文基于相控陣天線多波束技術提出了一種多面陣數據時隙復用分配算法。算法能充分利用不同陣面形成的多個波束，同時與多個節點動態完成數據時隙預約。從仿真結果可以看出，基于相控陣天線的數據時隙復用分配算法在提高時隙利用率的同時，能夠大幅提高網絡的吞吐量，降低傳輸時延。

參考文獻

［1］劉軍.無線自組網MAC協議及路由算法研究［D］.成都：電子科技大學，2007.

［2］常來花．無線自組網的分簇算法研究［D］．青島：青島理工大學，2017.

［3］任煥鋒．自組織網絡的分層結構研究［D］．西安：西安電子科技大學，2014.

［4］秦茜，宋志群，劉玉濤.一種固定分配與動態競爭結合的MAC層協議算法［J］.無線電工程，2017（2）：11-14.

［5］高越．基于OPNET的Ad Hoc網絡分布式仿真技術研究［D］．北京：北京理工大學，2015.

［6］VAZIFEHDAN J，PRASAD R V，NIEMEGEERS I.EnergyEfficient Reliable Routing Considering Residual Energy in Wireless Ad Hoc Networks［J］.IEEE Transactions on Mobile Computing，2014（2）：434-447.

（編輯王永超）