摘  要：

0 引言

    目前，災(zāi)后應(yīng)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(luò)容量高、抗跟蹤干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，所以大規(guī)模災(zāi)后應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中多以同步組網(wǎng)為主。但是在現(xiàn)實(shí)環(huán)境下，用于區(qū)分災(zāi)后應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)子網(wǎng)的跳頻序列僅有很少一部分被使用，導(dǎo)致了網(wǎng)絡(luò)頻率資源的嚴(yán)重浪費(fèi)。而且傳統(tǒng)ad hoc網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)必須通過時(shí)分機(jī)制或者競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制來爭(zhēng)取信道的使用權(quán)。因此隨著業(yè)務(wù)負(fù)載的增加，信道使用權(quán)的競(jìng)爭(zhēng)將更加激烈^[3-5]。針對(duì)網(wǎng)絡(luò)頻率資源浪費(fèi)和友鄰設(shè)備干擾嚴(yán)重問題，本文提出了一種虛擬多信道網(wǎng)絡(luò)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(shè)計(jì)是本方案的主要研究?jī)?nèi)容之一?，F(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?yàn)镸CRP具有單接口多信道和聯(lián)合信道分配的特點(diǎn)，本方案在此協(xié)議基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)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(luò)容量，提高網(wǎng)絡(luò)吞吐量，為提升災(zāi)后應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)跳頻網(wǎng)絡(luò)資源利用率提供了一種新思路。

1 方案原理

    網(wǎng)絡(luò)資源有空間維、頻率維和時(shí)間維三個(gè)維度。由于子網(wǎng)覆蓋區(qū)域具有相鄰、部分重疊和完全遠(yuǎn)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(luò)資源來提高空間復(fù)用度。為了簡(jiǎn)化方案，初步僅考慮頻率維和時(shí)間維。假如群網(wǎng)頻率集{f₀，f₁，f₂，…，f_n-1}，頻點(diǎn)數(shù)目為n，同步正交網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)容量為n，同步非正交網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)容量約為n/3。在嚴(yán)格同步情況下，網(wǎng)間頻點(diǎn)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(shè)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(gè)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(diǎn)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(luò)增益。網(wǎng)內(nèi)所有節(jié)點(diǎn)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(dāng)有節(jié)點(diǎn)對(duì)需要建立數(shù)據(jù)信道時(shí)，路徑上所有節(jié)點(diǎn)的收發(fā)機(jī)均切換到相同的空閑跳頻序列上進(jìn)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(shí)現(xiàn)空閑頻率資源的充分利用以完成網(wǎng)絡(luò)容量擴(kuò)充。

    為了驗(yàn)證方案可行性，將復(fù)雜問題簡(jiǎn)單化以突出方案本質(zhì)，本文首先設(shè)計(jì)一個(gè)平面拓?fù)浣Y(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(shí)線箭頭表示數(shù)據(jù)信道，其中有多個(gè)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信對(duì)<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(diǎn)。

2 虛擬多信道路由協(xié)議VMCRP 

2.1 路由度量標(biāo)準(zhǔn)VMCM

    傳統(tǒng)MCRP協(xié)議使用實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的跳數(shù)作為路由度量標(biāo)準(zhǔn)，并未考慮多信道環(huán)境下各種干擾對(duì)路徑選擇的影響。本文在MCRP基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)一種新的路徑度量標(biāo)準(zhǔn)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(duì)數(shù)據(jù)信道傳輸效率的影響作為路由的選擇標(biāo)準(zhǔn)。

    路徑p的度量標(biāo)準(zhǔn)VMCM定義如下：

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

    式(2)中的期望傳輸時(shí)間ETT表示鏈路層成功傳輸一個(gè)分組需要的平均傳輸時(shí)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(gè)分組需要的期望傳輸次數(shù)。鏈路j上節(jié)點(diǎn)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(diǎn)v從周圍干擾節(jié)點(diǎn)接收到的信號(hào)功率。

其中，N表示路徑上的節(jié)點(diǎn)數(shù)目,CSC_i指路徑上的節(jié)點(diǎn)i的信道切換成本。VMCRP的節(jié)點(diǎn)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(diǎn)只有在切換狀態(tài)下允許在2個(gè)信道之間切換。路徑上切換節(jié)點(diǎn)的數(shù)目影響路徑的傳輸性能，只有切換節(jié)點(diǎn)存在信道切換成本SC，定義如下：

式中，SD是信道切換時(shí)延，PTT是分組傳輸時(shí)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(shè)計(jì)VMCRP。MCRP協(xié)議采用多信道廣播機(jī)制，節(jié)點(diǎn)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(shí)延等影響，網(wǎng)絡(luò)開銷和傳輸時(shí)延均會(huì)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(jī)制(Control-Channel Split-Phase，CCSP)。CCSP將時(shí)幀劃分為控制周期和數(shù)據(jù)周期?？刂浦芷趦?nèi)，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)在控制信道收發(fā)管理信息。在數(shù)據(jù)周期內(nèi)，業(yè)務(wù)節(jié)點(diǎn)在數(shù)據(jù)信道上傳輸數(shù)據(jù)分組。CCSP廣播機(jī)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(wù)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(diǎn)都停留在控制信道上。當(dāng)有節(jié)點(diǎn)需要發(fā)送業(yè)務(wù)時(shí)，啟動(dòng)路由發(fā)現(xiàn)，使用CCSP廣播機(jī)制廣播RREQ分組，具體過程同AODV。當(dāng)中間節(jié)點(diǎn)收到RREQ，判斷先前是否收到過相同RREQ：若有，節(jié)點(diǎn)通過計(jì)算VMCM來選擇具有更好路徑的RREQ；否則，節(jié)點(diǎn)建立到源節(jié)點(diǎn)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(diǎn)收到RREQ，則啟動(dòng)信道選擇機(jī)制。如果在給定時(shí)間收到多個(gè)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(diǎn)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(diǎn)收到RREP，則更新路由條目并結(jié)束路由發(fā)現(xiàn)過程。當(dāng)數(shù)據(jù)周期來臨時(shí)，路徑上的所有節(jié)點(diǎn)切換到相同信道上，數(shù)據(jù)信道建立完成，源節(jié)點(diǎn)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(luò)仿真軟件OPNET 14.5仿真虛擬多信道網(wǎng)絡(luò)、單信道網(wǎng)絡(luò)、多信道網(wǎng)絡(luò)來比較性能優(yōu)劣。為了盡可能模擬真實(shí)災(zāi)后應(yīng)急通信ad hoc網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，設(shè)置參數(shù)如表1。

    本次仿真過程中，設(shè)置VMCRP的路由度量標(biāo)準(zhǔn)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(luò)吞吐量。多信道網(wǎng)絡(luò)的信道數(shù)目為21，虛擬多信道網(wǎng)絡(luò)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(luò)中每條數(shù)據(jù)流的業(yè)務(wù)負(fù)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(luò)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(shí)，單信道網(wǎng)絡(luò)比多信道網(wǎng)絡(luò)和虛擬多信道網(wǎng)絡(luò)有更好的吞吐量，這是因?yàn)樵跇I(yè)務(wù)負(fù)載較輕網(wǎng)絡(luò)沒有擁塞的情況下單信道網(wǎng)絡(luò)開銷更小。數(shù)據(jù)流數(shù)目大于5時(shí)，隨著數(shù)據(jù)流增加，單信道網(wǎng)絡(luò)帶寬很快耗盡，網(wǎng)絡(luò)吞吐量呈下降趨勢(shì)。在數(shù)據(jù)流數(shù)目為20時(shí)，虛擬多信道網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)了峰值，這是因?yàn)榭臻e的20條跳頻序列分配給了每條數(shù)據(jù)流。因此當(dāng)數(shù)據(jù)流數(shù)目再增加時(shí)，網(wǎng)絡(luò)中就會(huì)有多條數(shù)據(jù)流使用一個(gè)跳頻序列的情況出現(xiàn)，這樣由于鏈路間干擾等問題會(huì)導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)吞吐量的下降。

    考慮到不同場(chǎng)景中節(jié)點(diǎn)的分布會(huì)不同導(dǎo)致的不同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和不同的數(shù)據(jù)流路徑差異，這樣會(huì)帶來網(wǎng)絡(luò)性能上的差異，因此選取了10組場(chǎng)景來仿真各網(wǎng)絡(luò)的吞吐量。場(chǎng)景設(shè)置為數(shù)據(jù)流負(fù)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(luò)在不同場(chǎng)景中的吞吐量基本保持平穩(wěn)。但如場(chǎng)景2和場(chǎng)景4的網(wǎng)絡(luò)吞吐量相較其他場(chǎng)景有很大提升，這是因?yàn)檫@兩個(gè)場(chǎng)景中的網(wǎng)絡(luò)負(fù)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(zāi)后應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)跳頻電臺(tái)組網(wǎng)應(yīng)用背景，提出了虛擬多信道網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)方案，設(shè)計(jì)了虛擬多信道路由協(xié)議VMCRP。對(duì)于網(wǎng)絡(luò)資源相當(dāng)緊缺的災(zāi)后應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)，在利用多信道技術(shù)提升網(wǎng)絡(luò)容量方面提供了一種具有應(yīng)用價(jià)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(fù)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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