摘  要：

0 引言

    目前，災后應急通信ad hoc網(wǎng)主要采用異步組網(wǎng)、同步組網(wǎng)的組網(wǎng)體制^[1-2]。由于同步組網(wǎng)具有網(wǎng)間互聯(lián)互通、組網(wǎng)規(guī)模大、網(wǎng)絡容量高、抗跟蹤干擾能力強等優(yōu)點，所以大規(guī)模災后應急通信網(wǎng)絡環(huán)境中多以同步組網(wǎng)為主。但是在現(xiàn)實環(huán)境下，用于區(qū)分災后應急通信網(wǎng)絡子網(wǎng)的跳頻序列僅有很少一部分被使用，導致了網(wǎng)絡頻率資源的嚴重浪費。而且傳統(tǒng)ad hoc網(wǎng)絡的節(jié)點必須通過時分機制或者競爭機制來爭取信道的使用權(quán)。因此隨著業(yè)務負載的增加，信道使用權(quán)的競爭將更加激烈^[3-5]。針對網(wǎng)絡頻率資源浪費和友鄰設備干擾嚴重問題，本文提出了一種虛擬多信道網(wǎng)絡方案，其中多信道技術(shù)是本方案核心所在。

    基于聯(lián)合信道分配的按需路由協(xié)議設計是本方案的主要研究內(nèi)容之一。現(xiàn)有基于聯(lián)合信道分配的路由協(xié)議有CA-OLSR^[6，7]、CA-AODV^[8]、J-CAR^[9]、MCRP等。因為MCRP具有單接口多信道和聯(lián)合信道分配的特點，本方案在此協(xié)議基礎上設計虛擬多信道路由協(xié)議(Virtual Multiple-Channel Routing Protocol，VMCRP)。仿真結(jié)果顯示，在多信道環(huán)境下可大幅度增加網(wǎng)絡容量，提高網(wǎng)絡吞吐量，為提升災后應急通信網(wǎng)絡跳頻網(wǎng)絡資源利用率提供了一種新思路。

1 方案原理

    網(wǎng)絡資源有空間維、頻率維和時間維三個維度。由于子網(wǎng)覆蓋區(qū)域具有相鄰、部分重疊和完全遠離等特征，因此從資源利用角度，可通過跨地域使用其他子網(wǎng)的網(wǎng)絡資源來提高空間復用度。為了簡化方案，初步僅考慮頻率維和時間維。假如群網(wǎng)頻率集{f₀，f₁，f₂，…，f_n-1}，頻點數(shù)目為n，同步正交網(wǎng)絡的組網(wǎng)容量為n，同步非正交網(wǎng)絡的組網(wǎng)容量約為n/3。在嚴格同步情況下，網(wǎng)間頻點不存在碰撞概率，因此本方案使用同步正交組網(wǎng)技術(shù)不需要考慮網(wǎng)間干擾。這里僅考慮本方案在同步正交組網(wǎng)條件下的可行性。假設子網(wǎng)數(shù)目為m(m<<n)，群網(wǎng)中剩余n-m條跳頻序列未被使用，充分利用這些空閑序列的頻率資源就是本方案目的所在。

    空閑頻率資源示意圖見圖1。群網(wǎng)1~群網(wǎng)N利用頻分組網(wǎng)技術(shù)，使用多個頻率集完成群網(wǎng)劃分。以群網(wǎng)1為例，群網(wǎng)1的子網(wǎng)數(shù)目為m，占用了m條序列，序列(m+1)~n為空閑跳頻序列，由這些序列控制的頻點就是空閑頻率資源，合理利用這些頻率資源可帶來巨大的網(wǎng)絡增益。網(wǎng)內(nèi)所有節(jié)點均采用由1條專用控制信道和多條數(shù)據(jù)信道組成的虛擬多信道結(jié)構(gòu)?？刂菩诺朗褂猛粭l跳頻序列傳輸管理信息。當有節(jié)點對需要建立數(shù)據(jù)信道時，路徑上所有節(jié)點的收發(fā)機均切換到相同的空閑跳頻序列上進行數(shù)據(jù)傳輸。從理論角度來看，虛擬多信道方案本質(zhì)是通過利用多信道技術(shù)實現(xiàn)空閑頻率資源的充分利用以完成網(wǎng)絡容量擴充。

    為了驗證方案可行性，將復雜問題簡單化以突出方案本質(zhì)，本文首先設計一個平面拓撲結(jié)構(gòu)的虛擬多信道ad hoc網(wǎng)，如圖2所示。網(wǎng)內(nèi)虛線表示控制信道，實線箭頭表示數(shù)據(jù)信道，其中有多個點對點通信對<S₁，D₁>，<S₂，D₂>，<S₃，D₃>。以<S₂，D₂>為例，S₂→e→f→D₂為傳輸鏈路，e是交叉節(jié)點。

2 虛擬多信道路由協(xié)議VMCRP 

2.1 路由度量標準VMCM

    傳統(tǒng)MCRP協(xié)議使用實現(xiàn)簡單的跳數(shù)作為路由度量標準，并未考慮多信道環(huán)境下各種干擾對路徑選擇的影響。本文在MCRP基礎上，設計一種新的路徑度量標準VMCM(Virtual Multiple-Channel Metric)，將最短路徑、路徑間鏈路干擾和信道切換成本^[6]對數(shù)據(jù)信道傳輸效率的影響作為路由的選擇標準。

    路徑p的度量標準VMCM定義如下：

式中，iaware表示路徑間鏈路干擾程度，通過對鏈路周圍鄰居鏈路的平均干擾測量獲得。鏈路j的iaware定義如下：

    式(2)中的期望傳輸時間ETT表示鏈路層成功傳輸一個分組需要的平均傳輸時間。鏈路j的ETT定義如下：

式中，S是平均分組大小，B為鏈路帶寬。ETX表示鏈路層成功傳輸一個分組需要的期望傳輸次數(shù)。鏈路j上節(jié)點v的干擾比率IR_j公式中，SINR_j(v)為信干比，SNR_j(v)為信噪比。與SNR_j(v)相比，SINR_j(v)考慮的是節(jié)點v從周圍干擾節(jié)點接收到的信號功率。

其中，N表示路徑上的節(jié)點數(shù)目,CSC_i指路徑上的節(jié)點i的信道切換成本。VMCRP的節(jié)點狀態(tài)有自由Free、鎖定Locked、硬鎖定Hard Locked、切換Switch四種狀態(tài)。節(jié)點只有在切換狀態(tài)下允許在2個信道之間切換。路徑上切換節(jié)點的數(shù)目影響路徑的傳輸性能，只有切換節(jié)點存在信道切換成本SC，定義如下：

式中，SD是信道切換時延，PTT是分組傳輸時間，PS是指平均分組大小，DTR是指額定信道帶寬。0≤α≤1是權(quán)值。

2.2 路由協(xié)議VMCRP

    基于MCRP[8]設計VMCRP。MCRP協(xié)議采用多信道廣播機制，節(jié)點快速切換到所有信道上交換路由分組。隨著信道數(shù)的增加，受信道切換時延等影響，網(wǎng)絡開銷和傳輸時延均會急劇增加。本方案借鑒信道分配SP類型的思想，采用控制信道分相廣播機制(Control-Channel Split-Phase，CCSP)。CCSP將時幀劃分為控制周期和數(shù)據(jù)周期。控制周期內(nèi)，網(wǎng)絡節(jié)點在控制信道收發(fā)管理信息。在數(shù)據(jù)周期內(nèi)，業(yè)務節(jié)點在數(shù)據(jù)信道上傳輸數(shù)據(jù)分組。CCSP廣播機制如圖3所示。

2.3 VMCRP路由發(fā)現(xiàn)

    VMCRP的路由發(fā)現(xiàn)流程如圖4所示。在控制周期，除了有緊急業(yè)務的數(shù)據(jù)信道可以繼續(xù)停留在原信道傳輸數(shù)據(jù)，其他所有節(jié)點都停留在控制信道上。當有節(jié)點需要發(fā)送業(yè)務時，啟動路由發(fā)現(xiàn)，使用CCSP廣播機制廣播RREQ分組，具體過程同AODV。當中間節(jié)點收到RREQ，判斷先前是否收到過相同RREQ：若有，節(jié)點通過計算VMCM來選擇具有更好路徑的RREQ；否則，節(jié)點建立到源節(jié)點的反向路由條目，并更新RREQ的鏈路信息、信道列表和數(shù)據(jù)流列表等，最后轉(zhuǎn)發(fā)RREQ。如果是目的節(jié)點收到RREQ，則啟動信道選擇機制。如果在給定時間收到多個RREQ，則利用VMCM選擇最好的路徑并判斷此路徑是否可行，若可行，節(jié)點分配信道給此路由并沿反向路由發(fā)送RREP分組。如果源節(jié)點收到RREP，則更新路由條目并結(jié)束路由發(fā)現(xiàn)過程。當數(shù)據(jù)周期來臨時，路徑上的所有節(jié)點切換到相同信道上，數(shù)據(jù)信道建立完成，源節(jié)點開始發(fā)送數(shù)據(jù)分組。

3 仿真環(huán)境與性能分析

3.1 仿真環(huán)境

    使用網(wǎng)絡仿真軟件OPNET 14.5仿真虛擬多信道網(wǎng)絡、單信道網(wǎng)絡、多信道網(wǎng)絡來比較性能優(yōu)劣。為了盡可能模擬真實災后應急通信ad hoc網(wǎng)絡環(huán)境，設置參數(shù)如表1。

    本次仿真過程中，設置VMCRP的路由度量標準VMCM權(quán)重α=0.5。

3.2 仿真結(jié)果與性能分析

    首先仿真了不同數(shù)據(jù)流數(shù)目條件下的網(wǎng)絡吞吐量。多信道網(wǎng)絡的信道數(shù)目為21，虛擬多信道網(wǎng)絡的信道數(shù)目為21，其中控制信道數(shù)目1，空閑信道數(shù)目20。網(wǎng)絡中每條數(shù)據(jù)流的業(yè)務負載64 Kb/s。如圖5所示，數(shù)據(jù)流生成速率64 Kb/s，因此隨著網(wǎng)絡數(shù)據(jù)流的增加，信道帶寬很快被耗盡。在數(shù)據(jù)流數(shù)目小于5時，單信道網(wǎng)絡比多信道網(wǎng)絡和虛擬多信道網(wǎng)絡有更好的吞吐量，這是因為在業(yè)務負載較輕網(wǎng)絡沒有擁塞的情況下單信道網(wǎng)絡開銷更小。數(shù)據(jù)流數(shù)目大于5時，隨著數(shù)據(jù)流增加，單信道網(wǎng)絡帶寬很快耗盡，網(wǎng)絡吞吐量呈下降趨勢。在數(shù)據(jù)流數(shù)目為20時，虛擬多信道網(wǎng)絡出現(xiàn)了峰值，這是因為空閑的20條跳頻序列分配給了每條數(shù)據(jù)流。因此當數(shù)據(jù)流數(shù)目再增加時，網(wǎng)絡中就會有多條數(shù)據(jù)流使用一個跳頻序列的情況出現(xiàn)，這樣由于鏈路間干擾等問題會導致網(wǎng)絡吞吐量的下降。

    考慮到不同場景中節(jié)點的分布會不同導致的不同的拓撲結(jié)構(gòu)和不同的數(shù)據(jù)流路徑差異，這樣會帶來網(wǎng)絡性能上的差異，因此選取了10組場景來仿真各網(wǎng)絡的吞吐量。場景設置為數(shù)據(jù)流負載64 Kb/s，數(shù)據(jù)流數(shù)目10，信道數(shù)目21。如圖6所示，各網(wǎng)絡在不同場景中的吞吐量基本保持平穩(wěn)。但如場景2和場景4的網(wǎng)絡吞吐量相較其他場景有很大提升，這是因為這兩個場景中的網(wǎng)絡負載分布更均衡，路徑相交的數(shù)據(jù)流很少。

4 結(jié)論

    本文結(jié)合現(xiàn)有災后應急通信網(wǎng)絡跳頻電臺組網(wǎng)應用背景，提出了虛擬多信道網(wǎng)絡組網(wǎng)方案，設計了虛擬多信道路由協(xié)議VMCRP。對于網(wǎng)絡資源相當緊缺的災后應急通信網(wǎng)絡，在利用多信道技術(shù)提升網(wǎng)絡容量方面提供了一種具有應用價值的新思路。本方案還存在一些問題需要繼續(xù)研究，包括通過全局監(jiān)聽資源來提高空閑頻率資源的空間復用效率，以及虛擬多信道方案在同步非正交組網(wǎng)環(huán)境下的頻率碰撞問題等。

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