傳統(tǒng)的無線通信系統(tǒng)的拓撲結(jié)構(gòu)主要采用點到點或點到多點等形式，與有線網(wǎng)連接的基站須有一定的控制管理能力，這使得傳統(tǒng)的通信系統(tǒng)的應用限于那些設有基站或有線骨干網(wǎng)的地方。對于軍用通信網(wǎng)等需要網(wǎng)絡靈活性大、快速重組網(wǎng)絡、可移動性強的網(wǎng)絡，就不能滿足其要求[1]。為研究出一種能滿足類似軍用通信網(wǎng)絡的通信系統(tǒng)，本文特提出寬帶智能無線電臺組網(wǎng)，寬帶智能無線電臺組網(wǎng)是一種與傳統(tǒng)的無線通信網(wǎng)絡不同的網(wǎng)絡，它可根據(jù)不同的網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)建立有效、適時的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，靈活地適應網(wǎng)絡的拓撲變化，完成多種用戶業(yè)務的通信。各節(jié)點設備組網(wǎng)后可擴展電臺的覆蓋范圍、增加網(wǎng)絡用戶數(shù)、增加通信系統(tǒng)的抗毀性和靈活性，具有廣泛的應用前景。研究無線電臺組網(wǎng)通信對未來軍事、民用通信領(lǐng)域、各種應急場所等的應用具有重要意義。

1 寬帶智能無線電臺組網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)分析
    在無線網(wǎng)絡通信系統(tǒng)中，組網(wǎng)方法決定網(wǎng)絡節(jié)點所執(zhí)行的網(wǎng)絡控制功能（如路由選擇等），極大地影響網(wǎng)絡的性能，故需選擇適當?shù)慕M網(wǎng)方法、采用合適的技術(shù)來實現(xiàn)組網(wǎng)。影響組網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)主要包括：網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)的確定、組網(wǎng)協(xié)議體系結(jié)構(gòu)的研究、MAC協(xié)議及路由協(xié)議的設計等，下面將對這些關(guān)鍵技術(shù)進行詳細介紹。
1.1 寬帶智能無線電臺組網(wǎng)網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)
　 無線電臺網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)主要對鏈路、節(jié)點和連接規(guī)則進行了定義，它主要規(guī)定了網(wǎng)絡中源節(jié)點到目的節(jié)點的路徑、網(wǎng)絡節(jié)點之間的連接方式、網(wǎng)絡節(jié)點的位置。通過對無線電臺網(wǎng)絡的拓撲結(jié)構(gòu)、組網(wǎng)的特征及國外第三代電臺組網(wǎng)技術(shù)的要求進行研究，本文決定采用分層分布式網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)[2-3],如圖1 所示。在分層網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)中，節(jié)點分成三種類型：普通節(jié)點、中繼節(jié)點、群首。

    采用分層分布式的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)進行電臺組網(wǎng)具有以下優(yōu)點：
   （1）通過集中管理節(jié)點，可減少網(wǎng)絡中控制分組的長度、數(shù)量；
   （2）節(jié)點的路由路徑由群中節(jié)點計算，不會超出相鄰群的范圍，比正常的路徑短；
   （3）網(wǎng)絡中所有節(jié)點具有相同的軟硬件配置，群間路由相對較穩(wěn)定，很少出現(xiàn)路由循環(huán)和失效故障；
   （4）具有較好的自愈能力，可有效提升網(wǎng)絡的抗毀性及通信可靠性；
   （5）在節(jié)點數(shù)很大的網(wǎng)絡中，利用分層結(jié)構(gòu)，每個群中的節(jié)點只需了解本群的路由信息，使每個節(jié)點需要交換和存儲的信息量少。
    由于具有以上特點，分層結(jié)構(gòu)適應于建立較大規(guī)模的無線電臺網(wǎng)絡。網(wǎng)絡中每一個節(jié)點都具有組網(wǎng)功能，可以自己進行路由選擇、流量控制、頻率選擇、自動建鏈等。這使得整個網(wǎng)絡具備了自組織自愈合的能力，將每個群的網(wǎng)絡控制集中到群首，可以很好地保障網(wǎng)絡安全、實現(xiàn)網(wǎng)絡管理功能，增加網(wǎng)絡的抗毀性。
1.2 寬帶智能無線電臺組網(wǎng)協(xié)議體系結(jié)構(gòu)
    根據(jù)無線電臺組網(wǎng)、OSI經(jīng)典的7層協(xié)議模型、TCP/IP的體系結(jié)構(gòu)的特征，可將寬帶智能無線電臺組網(wǎng)協(xié)議棧分為5層，如表1所示。

　為滿足電臺組網(wǎng)的特殊要求，需根據(jù)TCP/IP體系結(jié)構(gòu)現(xiàn)有的特點進行一定的修改和擴充。在電臺分組無線網(wǎng)協(xié)議棧結(jié)構(gòu)中，各層擴充后實現(xiàn)的功能是[4-5]：
    （1）物理層：該層主要是利用通信的傳輸介質(zhì)為無線訪問控制提供連接，完成無線信號的發(fā)送和接收等任務。
    （2）數(shù)據(jù)鏈路層：分為MAC子層和LLC子層。MAC子層實現(xiàn)對共享物理信道的訪問；LLC子層負責建立、維護、釋放數(shù)據(jù)鏈路的連接，實現(xiàn)對鏈路的差錯控制和流量控制等。由于自組織網(wǎng)絡對網(wǎng)絡具有較高的靈活性及自適應能力，本層采用速率自適應MAC協(xié)議。
    （3）網(wǎng)絡層：可分為網(wǎng)絡層和網(wǎng)絡互連層，網(wǎng)絡層主要實現(xiàn)動態(tài)路由功能；網(wǎng)絡互連層主要實現(xiàn)網(wǎng)絡之間的互連以及和有線網(wǎng)之間的連接功能。由于自組織網(wǎng)絡的拓撲結(jié)構(gòu)和移動性特征，它與一般的無線網(wǎng)絡的最大差別是在網(wǎng)絡層。這主要體現(xiàn)在尋址協(xié)議上，本項目采用改進的泛洪機制路由協(xié)議。
    （4）傳輸層：用于向應用層提供可靠的端到端服務，使上層和通信子網(wǎng)相隔離，并根據(jù)網(wǎng)絡層的特性來高效地利用網(wǎng)絡資源。
    （5）應用層：用于提供面向用戶的各種應用服務，包括具有嚴格限制時延和丟包率的應用、基于RTP/RTCP的自適應應用和沒有任何服務質(zhì)量保障的數(shù)據(jù)報業(yè)務。
2 速率自適應無線電臺組網(wǎng)MAC協(xié)議研究
    在無線電臺自組網(wǎng)應用中，各種不同應用對網(wǎng)絡傳輸速率的要求相差很大。若兩種不同性質(zhì)網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)包同時到達MAC層,采用802.11協(xié)議的策略來競爭信道訪問權(quán)會發(fā)生很大沖突，會使有優(yōu)先權(quán)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包排在最后傳輸，易導致本地數(shù)據(jù)包緩沖隊列快速增長而溢出。故需要對802.11協(xié)議進行適當?shù)母倪M和拓展，使之能夠根據(jù)上層的速率需求自適應地調(diào)整接入策略。
    本文主要是基于802.11 協(xié)議，采用跨層的思想對其進行改進，使應用層對速率的需求能夠直接反映在MAC 層的媒介接入策略中，達到對不同速率需求的數(shù)據(jù)流區(qū)別對待，將來自較高速率流的包在競爭信道時具有更高優(yōu)先權(quán)[6]。為了實現(xiàn)這一目標，在應用層的數(shù)據(jù)包構(gòu)建過程中，將數(shù)據(jù)源的流速率（Rate）作為新的域加入包的公共頭部。在MAC層實現(xiàn)時，采用“速率優(yōu)化因子”來決定傳輸數(shù)據(jù)優(yōu)先權(quán)。速率需求越高，速率優(yōu)化因子值越小，競爭窗口也越小。從而提高對無線信道的競爭力，達到使來自較高速率流的包在競爭信道時具有一定優(yōu)勢的目的。
    將改進的MAC協(xié)議與NS2中現(xiàn)有的MAC協(xié)議的性能進行仿真對比，在該仿真過程中，網(wǎng)絡使用恒定速率(CBR)的數(shù)據(jù)流向兩個節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù), 仿真時間為100 s，畫出網(wǎng)絡吞吐量、丟包率與時間的關(guān)系圖，仿真結(jié)果如圖2、圖3所示。

    上面的仿真實驗表明，通信環(huán)境相同的情況下，改進的Mac協(xié)議較現(xiàn)有Mac協(xié)議可使網(wǎng)絡獲得更高的網(wǎng)絡吞吐量及更低的丟包率。由于改進的Mac協(xié)議可以迅速地選擇速率較高的業(yè)務進行優(yōu)先傳送，提高了信道的利用率，減少了傳輸所需的時間，進而提高寬帶無線自組網(wǎng)的性能。
3 泛洪機制的路由協(xié)議設計
　路由協(xié)議主要工作在傳輸層，用于對本地數(shù)據(jù)分組或?qū)?shù)據(jù)傳送到目的節(jié)點，起到選路轉(zhuǎn)發(fā)作用。本文通過對單播協(xié)議AODV協(xié)議做適當?shù)母倪M，并結(jié)合泛洪機制路由協(xié)議的特性，得到改進后的AODV—MPR路由協(xié)議[7]。該協(xié)議不僅具有原AODV協(xié)議的簡單有效性，如不需周期性地更新網(wǎng)絡中的路由信息，在沒有傳輸任務的情況下不需要維護路由信息。同時該路由還支持中間節(jié)點應答，使得網(wǎng)絡中已有的路由資源得到充分利用，縮短建立路徑的時間等。
   將改進的AODV協(xié)議與NS2現(xiàn)有的AODV協(xié)議的性能進行對比，在該仿真過程中，網(wǎng)絡使用恒定速率(CBR)的數(shù)據(jù)流向2個節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)流, 仿真時間為100 s，分析其網(wǎng)絡吞吐量、丟包率與時間的關(guān)系圖，仿真結(jié)果如圖4、圖5所示。

    仿真結(jié)果表明，在通信環(huán)境相同的條件下，改進的AODV協(xié)議較現(xiàn)有的 AODV協(xié)議有更高吞吐量、更低的丟包率。因為改進的AODV協(xié)議中，采用了洪泛機制，節(jié)點發(fā)現(xiàn)鄰居節(jié)點的功率值要大于原來路徑上的鄰居節(jié)點的接收功率，節(jié)點的發(fā)送包的路由會自動切換，所需時間短。而現(xiàn)有的AODV協(xié)議中，只有當節(jié)點能量小于閾值時，才開始切換，切換前會丟掉很多的數(shù)據(jù)包。
    寬帶智能無線電臺組網(wǎng)是針對目前寬帶高速網(wǎng)絡提出的，本文在對現(xiàn)有網(wǎng)絡架構(gòu)、路由技術(shù)和MAC協(xié)議等進行系統(tǒng)分析的基礎上，對無線電臺組網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)進行了研究，實現(xiàn)了網(wǎng)絡拓撲的智能動態(tài)規(guī)劃，對電臺進行組網(wǎng)不僅可充分發(fā)揮電臺自身高度的兼容性、靈活性、可靠性，還可使網(wǎng)絡具備靈活的組網(wǎng)和網(wǎng)絡重組功能。這對于擺脫傳統(tǒng)的基于點對點組網(wǎng)的限制，提高網(wǎng)絡的抗干擾性和抗毀性，增強各電臺系統(tǒng)間的互操作性，具有廣泛應用前景。
參考文獻
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