对WNW中使用的USAP MAC协议的研究*

2014-02-10孙超山李大双姜永广

通信技术 2014年8期

关键词：指派时隙邻域

孙超山,李大双,郑恩,姜永广

(中国电子科技集团公司第三十研究所,四川成都610041)

对WNW中使用的USAP MAC协议的研究*

孙超山,李大双,郑恩,姜永广

(中国电子科技集团公司第三十研究所,四川成都610041)

宽带组网波形(WNW)为美军联合战术无线电系统(JTRS)中的一个重要波形,它采用了统一的资源指派协议(USAP)作为媒介访问控制(MAC)协议。USAP为一种支持多信道的动态分布式时分多址(TDMA)MAC协议,其协议内容除了在2-跳邻域内无冲突指派时隙的方法以外,还包括引导时隙管理通信资源的使用方法、自适应广播循环管理通信资源的使用方法、备用时隙来管理通信资源的使用方法、机会时隙通信资源的使用方法、信道化邻域管理通信资源的使用方法、以邻居隔离来管理通信资源的方法。

邻域引导循环广播信道化邻域备用时隙

0 引言

MAC协议为多跳战术自组织网络设计的一个关键技术[1-2]。美军JTRS中宽带接入组网波形(WNW)采用了统一资源指派协议(USAP)这种MAC协议,它采用了由发送节点发起的多跳分布式按需指派动态时隙的MAC机制,用于基于链路激活TDMA时隙的多跳自组织战术网络。USAP允许发送节点从未分配的时隙池中选择一个或多个时隙,通过各邻节点之间对时隙指派的声明和确认,将时隙指派信息传至两跳范围。在2-跳范围邻域内,即使存在因不合适的时间调度安排和节点的移动性引起暂时的时隙指派冲突,也可以很快发现并加以解决。

USAP为一个完备的协议系列,在这篇文章中,将分别叙述已公布的USAP系列协议簇中的几个主要专利包含的基本技术思想。

1 USAP MAC协议的TDMA帧结构

图1为USAP MAC协议的一种TDMA帧结构示意图,它由3种独立的循环周期组成,包括一个引导循环周期、一个广播循环周期以及一个预约循环周期[3]。每一种循环周期最好采用1 s的循环,每一种循环分割为8个帧,每帧125 ms长(循环周期的个数、循环周期的长度以及每帧的长度由设计来选择,也可以采用其它的循环周期数、帧长度以及循环周期长度)。每个125 ms帧包含了多个引导微时隙、广播时隙以及预约/备用时隙。此外,每帧包括了显示为信道的众多信道。

图1 USAP TDMA帧结构Fig.1 Frame structure for USAP TDMA

引导(自举)微时隙用于共享关键的USAP信息,这些信息是实现动态分配其余时隙所需要的。广播时隙基于节点分配的模式来使用,用于支持数据报服务和节点需要共享的任何其它控制业务流。

2 USAP协议相关的其它资源管理方法

USAP协议的内容除了基本的2-跳邻域内无冲突动态指派邻居链路TDMA时隙的方法[3]以外,还包括引导时隙管理通信资源的使用方法[4]、自适应广播循环管理通信资源的使用方法[5]、备用时隙来管理通信资源的使用方法[6]、机会时隙通信资源的使用方法[7]、信道化邻域来管理通信资源的使用方法、以邻居隔离来管理通信资源的方法。

2.1 引导时隙循环的使用方法

对于小型战术网络,最有效率的方法是为每个节点指派一个永久的引导时隙。但是,随着战术网络规模的增大,这种方法会导致业务流容量变得越来越小。因此,最好是采用一种技术来动态地指派这些时隙。可是,由于引导分组承载USAP无竞争指派所需要的信息,每个节点需要初始化信息与其邻居们进行协调。每个新的或正在加入的节点,在为自己指派一个时隙和传输自己的引导信息之前,先收听其邻居们的引导信息。如果发生了一次冲突,受影响的那些节点将从它们的邻接节点们传输的USAP信息中了解到这个情况,然后选择另一个时隙。

在图1所示的帧结构中,若每帧使用13个引导时隙,并且其引导周期为4个帧,则最多可以支持52个节点。

2.2 自适应广播循环的使用方法

在图1所示的帧结构中,采用4个帧的广播周期,在一个邻域内,最多有8个节点可以在这2个广播时隙内传输,或者最多40个节点可以在5个不同的广播信道上传输。每一帧的预约时隙都是重复的,其时延为125 ms。当一个预约时隙未被分配时,它则担任备用(或应急)的广播时隙,每一帧内的预约时隙被分配给同一个发射机作为相应的广播时隙。此外,其对应关系是每帧位移一个时隙,使其对广播容量和分配了一个预约时隙的任何一个节点的时延影响最小化。

图2描绘了在1 s时间宽度内在单个信道上的8个帧。每帧含有8个预约/备用广播时隙。这些时隙中的每一个都可以作为一个广播时隙(以(B0)～(B7)表示)来使用,也可以作为一个预约时隙(以R0～R7表示)来使用。在第一个帧F0内,(B0)是在第一列的位置上;在第二个帧F1中(B0)滑移了一个时隙位置即移位到了第8列去了;在第三个帧F2中,(B0)在第七列上,一直到第八帧F7中,B0移位到了第二列。

图2 单个信道上的自适应广播循环Fig.2 Adaptive broadcast cycle one single channel

2.3 机会时隙的方法

在一些战术应用环境中,其业务流具有零星的和突发的特性。传统上,这种情形采用最有效的竞争访问方式来应对,而在重负荷下预约访问方式才最有效。在还没有进行任何分配的情况下,USAP多址接入(USAP-MA)以永久的或暂时的方式有效地向邻居们广播预约所有的时隙。但是,在竞争访问最让人满意的情况下,允许各节点在不属于它们的、因缺乏业务流而空闲的备用时隙内传输,这样效率将会更高。换句话说,如果一个节点知道在其即将产生的帧中它将不需要其备用时隙了,那么它可以在帧的开头由引导分组(其StandbyFree比特设置为“1”)来宣告,使得另一个有需要的节点能够在那个时隙内传输。然后,其它节点可以决定:①它是否能有效地使用该时隙;②是否存在着意向的接收机将收听到其传输的一个好机会,这就是“机会时隙”的由来。由于该时隙存在竞争,因而可能会出现碰撞,但这些可以通过前述的差错检测来弥补。

一个节点在接收到StandbyFree比特设置为1的引导信息时,如果它目前等待传输的业务量超过了它在这一帧内的那些预约时隙的总传输容量,将考虑使用这个邻居的备用时隙。如果是那样的话,它将确定在其发送队列中是否存在要向那些正在正确的信道上收听的邻居们传输的业务数据。这样的邻居包括最早的邻居和它与这个节点共有的任何其它邻居。现在,如果这些共同邻居中的任何一个碰巧也机会地使用这个时隙,那么将会发生一次碰撞,这取决于意向的那些接收机相对于这两个发射机的位置情况。为了确定是否其邻居中有一个正在正确的信道上收听,一个节点可参考针对每个邻居的USAP私有接收表(SRj)。作为选择,如果引导分配时隙记录(ASR)也包含有NRi(邻居接收表,确定一个邻居是否允许传输),一个节点可以对碰撞的可能性进行更精确的计算。更进一步地,为了确定这些邻居是否为与最初的传输节点共同拥有的邻居,节点将需要参考其路由信息。一旦确定了那些合格的邻居,则要向它们传递的业务数据将排队等待在那个时隙传输。

以图3所示的多跳点为例,节点2可能通过设置备用空闲比特进行申明。如果节点1要发送到节点2、5与/或8的业务数据过多,假如节点3没有在相同的信道-时隙上传输,它能将节点2的备用时隙用作机会时隙。否则,在节点9和13处可能发生一次碰撞。这样做是为了核对节点1进行机会传输的所有潜在接收机是否节点2的邻居。

图3 机会时隙传输Fig.3 Opportunistic slot transmission

2.4 信道化邻域机制

如果将广播时隙数限制为8,则与多于7个的邻居通信时将需要使用额外的广播周期,可以在时间上或信道上将多个循环周期分隔开来。USAPMA采用后一种方法,以达到最大化的信道利用率。为了使一个接收机收听到每个发射机的传输,它根据这个(时隙-信道)调度循环地从一个信道转换到另一个信道上去接收,按照这个方式,将一个2 s时元分割为4个循环周期,每个循环周期包含4帧。

USAP-MA采用一种更进一步的优化方法来减少指派单播预约时隙对广播信道的影响。如图4所示,USAP-MA首选5个可用的信道,编号为0～4 (即C0～C4)。如果各个广播信道以从0到4的顺序而各信道上的预约时隙以从4到0的相反顺序来指派,则在网络变成为重负荷之前,在广播和预约时隙之间仅存在最少的交叠。事实上,当在信道4上完成了一个单播预约时,除了这两个单播节点不能在那个时隙上进行广播以外,对广播信道没有任何的影响。此外,如果将这些预约限制在两个信道上进行,它仍然能给予单播指派很大的灵活性,直到该邻域密度达到了24且该广播信道溢出到了信道3,都没有减小广播容量的任何可能性。这是USAPMA如何在相同邻域同时进行无竞争单播与广播传输时使信道利用率最大化的一个例子。

图4 信道化邻域Fig.4 Channelized neighborhood

USAP协议可以结合正交域多址访问(ODMA)使用。采用图5所示的帧结构,其中的Synch、NiB以及CNiB时隙用于传输管理业务流,而RBS/FRS时隙用于发送用户业务流。对于每类时隙,每帧的时隙数由确定其循环周期的总时隙数确定。同步(Synch)时隙位于全网络内的一个公共信道上,这些时隙用于载送网络融合信息,使处于割裂状态的几个分块网络能融合在一起。预先为每个节点在一个公共信道上指定一个邻域引导(NiB)时隙,并给予其最长的循环周期。NiB时隙用于分配在信道之间长时间预约的固定预约时隙(FRS)。以空间重用的方式在不同的默认ODMA信道(DOCk)上为每个节点动态地分配一个信道化邻域引导(CNiB)时隙,因而其周期时间通常要比NiB的周期短得多。NiB时隙用于以足够快的响应时间分配若干广播时隙即CNiB和轮流广播时隙(RBS),以跟踪移动性引起的拓扑变化。需要注意,在该帧内各时隙的布置并非如所描绘的那样,而是分散的和混杂的,以便使RBS之间的最大时延最小化,RBS时隙用于广播用户业务流以及交换邻居表与某些状态信息的监视分组。

在ODMA帧中,FRS和RSB共享帧内的相同时隙部分,但FRS的优先权高于RBS。为了减轻FRS对所有RBS的影响,每个FRS在每帧移动一个时隙位置,使得RBS的轮循周期为RBS/FRS时隙的总数。

图5 USAP与ODMA结合使用的帧结构Fig.5 Frame structure for combining USAP and ODMA

两个DOCk之间的业务流通信,通过在不同的DOCk内的节点之间在帧内的FRS使用接收节点的DOCk信道建立单播链路来实现。因而,在两个邻接的信道化邻域CN1(DOC1信道上)和CN2(DOC2信道上)之间需要路由转发业务信息时,首先使用RBS在DOC1信道上经过几个节点中继到CN1的一个边界节点。然后,使用RBS在DOC2上将该业务信息从CN1内的这个边界节点单播到CN2内的一个边界节点。最后,使用RBS在DOC2信道上经由CN2内的几个中继节点将该业务信息传递到CN2内的目的节点。

2.5 邻居隔离的机制

在一个广播信道上采用自适应传输参数的问题,是一个节点必须使用与信号最差邻居通信的参数,以确保所有的节点接收到该广播。一个最差的播送场景是:一个节点具有一组信号质量优良、通常能以高速传输的邻居,但是由于受单个信号质量差的邻居的影响,为实现可靠传输只好采用一个较低的速率。USAP-MA的解决方法是将邻居隔离为2个(或更多个)群(由邻居分割启发式试探算法来控制),并且对每个群单独调整传输参数。采用这种方式,一个节点能够以高效率的高速率向其信号质量优良的邻居传输,同时以一个健壮的较低速率向信号质量差的邻居传输。

当然,为了使用两种不同的速率,一个节点要么需要具有不同的传输机会,要么能够在传输一个分组的中间改变速率。在广播和备用时隙之间,一个节点名义上具有两次广播机会。由于备用时隙具有较低的延迟并且具有提高吞吐率的潜力,因而针对信号质量高的邻居使用备用时隙、针对信号质量较差的邻居使用广播时隙,这是有实际意义的。当然,如果所有邻居的信号质量相同,则这两种时隙可以交替使用。

必须到达所有邻居的那些分组(如路由更新),或必须到达一个或多个较差信号质量邻居的那些分组,将使用广播时隙进行传输。除非广播时隙中有剩余空间,去往高信号质量邻居们的那些分组才会使用备用时隙进行传输。需要注意的是,路由选择往往偏向于高信号质量的邻居,因而将大多数的分组指引到速率更高的备用时隙去传输。

除了以更高速率来增加传输效率以外,邻居分隔也允许各接收机采用一个更高的数据采样率,使得它们能更好地为其邻居选择合适的传输参数。

3 结语

USAP已发展成为了一种完备的多信道MAC协议,它能够动态自适应不同规模的战术网络、动态自适应不同的传输信道质量,并最终成为了WIN-T部署的主要波形MAC协议之一。仔细研究并透彻、深入地了解其MAC协议机制与技术原理,对于我军下一代宽带无线战术网络的设计将具有重要的参考价值。此外,在设计战术多跳自组织网络的MAC协议时,对其安全性也应该做进一步的一体化考虑。

[1] 祁志娟,刘伟,张丽丽.无线Ad Hoc网络MAC层速率自适应技术研究[J].通信技术,2010,43(02):172-144.

QI Zhi-juan,LIU Wei,ZHANG Li-li.Rate Adaptation Technology of MAC Layer for Wireless Ad Hoc Network[J]. Communications Technology,2010(2),43(02):172-144.

[2] 马鹏飞,常书杰,黄成亮,等.无线自组织网络MAC帧传输技术研究[J].通信技术,2012,45(01):75-77.

MA Peng-fei,CHANG Shu-jie,HUANG Cheng-liang, YANG Hai-bo.Study on MAC Frames Transmitting Technology based on Router in Wireless Ad Hoc Network[J]. Communications Technology,2012(01),45(01):75-77.

[3] Young David,James A.Stevens et al.Method and Apparatus for Managing Communication Resources using Bootstrap Slots[EB/OL].(2002-11-26)[2013-11-10]. http://www.lens.org/lens/patent/US_6487186.

[4] Young David,James A.Stevens et al.Method and Apparatus for Managing Communication Resources using an A-daptive Broadcast Cycle(ABC)[EB/OL].(2001-11-13)[2013-11-10].http://www.lens.org/lens/patent/US_6317436.

[5] Young David.Method and Apparatus for Managing Communication Resources upon Speculation Slots[EB/OL]. (2003-06-03)[2013-11-10].http://www.lens.org/ lens/patent/US_6574206.

[6] Young David,James A.Stevens et al.Method and Apparatus for Managing Communication Resources using Channelized Neighborhoods[EB/OL].(2003-01-07) [2013-11-10].http://www.lens.org/lens/patent/US_ 6504829.

[7] Young David.Method and Apparatus for Managing Communication Resources Using Neighbor Segregation[EB/ OL].(2003-09-30)[2013-11-10].http://www. lens.org/lens/patent/US_6628636.

SUN Chao-shan(1982-),male,M.Sci., engineer,mainly engaged intactical communication technology.

李大双(1963—),男,博士,研究员,主要研究方向为战术网络组网与路由技术;

LI Da-shuang(1963-),male,Ph.D,research fellow,

mainly engaged in the research oftactical networking and routing technology.

郑恩(1985—),男,硕士,助理工程师,主要研究方向为战术通信技术;

ZHENG En(1986-),male,M.Sci.,assistant engineer, mainly engaged intactical communication technology.

姜永广(1976—),男,硕士,研究员,主要研究方向为战术通信与交换技术。

JIANG Yong-guang(1976-),male,M.Sci.,research

fellow,mainly engaged in the research oftactical communication and switching technology.

Study on USAP MAC Protocol Used in WNW

SUN Chao-shan,LI Da-shuang,ZHENG En,JIANG Yong-guang
(No.30 Institute of CETC,Chengdu Sichuan 610041,China)

WNW is an important waveform in JTRS,where the Unifying Slot Assignment Protocol(USAP) is used as it’s MAC protocol.USAP is a MAC protocol for dynamic distributed TDMA with multi-channel,in addition to the basic method of conflict free slot assignment in two hops,USAP also includes the method for managing communication resources using bootstrap slots,the method for managing communication resources with an adaptive broadcast cycle,the method for managing communication resources upon speculation slots,the method for managing communication resources with channelized neighborhoods,as well as the method for managing communication resources using neighbor segregation.

neighborhood bootstrap;rotating broadcast;channelized neighborhood;standby slot

TN393

1002-0802(2014)08-0900-05

10.3969/j.issn.1002-0802.2014.08.012