定向Ad hoc网络MAC组网技术研究*

景中源,曾浩洋,李大双,张 浪

(中国电子科技集团公司第三十研究所,四川成都610041)

定向Ad hoc网络MAC组网技术研究*

景中源,曾浩洋,李大双,张 浪

(中国电子科技集团公司第三十研究所,四川成都610041)

定向天线利用数字信号处理技术产生空间定向波束,将发射信号能量集中在某一个或者某些特定的方向上进行辐射,其应用于传统的Ad hoc网络中能够有效减少相邻节点间的互干扰,并能通过增加同时传输的节点对数达到显著提升网络空间复用率和容量的目的。首先简单介绍了定向天线和定向通信特点,然后对定向Ad hoc网络MAC层组网关键技术进行了综述,并对定向邻居发现协议、空分TDMA动态时隙分配机制、定向波束对准与跟踪技术等进行介绍和梳理,最后总结现有研究不足并指出未来重点研究方向。

移动自组网 定向天线 MAC层 邻居发现 TDMA 波束对准与跟踪

0 引 言

基于全向天线(Omnidirectional Antenna)传输的无线Ad hoc网络中,通信节点将射频能量均匀地分布在其周围空间,为避免干扰,节点通信距离覆盖范围内的其他节点不能同时进行传输,同时由于多跳中继、网络自干扰严重等原因,无论是采用划分子信道的方式,还是改进路由算法和MAC协议的方式,网络的吞吐量都不会超过其上限值(ω为数据速率,n为节点数)[1-2],网络空间复用率和无线信道利用率均处于较低水平。

定向天线(Directional Antenna)利用数字信号处理技术,采用先进的波束转换技术(Switched Beam Technology)和自适应空间数字处理技术(A-daptive Spatial Digital Processing Technology),产生空间定向波束,将射频信号能量集中在特定的窄波束内进行传输,能有效地减少对非波束方向内的其他节点的干扰[3],并能显著地增加数据传输速率和传输距离,同时使1跳和2跳领域范围内互不干扰的多个节点对同时传输成为可能,从而极大地增加了Ad hoc网络的空间复用率、频谱效率和网络吞吐容量。

鉴于全向天线自身存在的诸多瓶颈问题,国内外众多研究者开始逐渐将目光投向增益更高、空间复用率更好的定向天线研究。但同时也应该注意到,相比于全向天线,利用定向天线通信的节点必须同时将定向波束指向对方且收发模式相反才能进行有效的通信,这使得许多原本简单的通信过程,如邻居发现、广播等,变得十分困难。为充分利用和发挥定向天线传输的潜在优势,迫切需要根据定向通信相关特点,为通信节点的各协议栈层设计新的通信协议和机制以控制定向天线系统。

本文首先介绍了定向天线及定向通信的特点,然后分析了定向Ad hoc网络MAC层组网的若干关键技术点,并对关键技术中的定向邻居发现协议、空分TDMA动态时隙分配机制、定向波束对准与跟踪技术等进行详细的介绍和梳理,最后总结现有研究不足并指出未来重点研究方向。

1 定向通信技术

1.1 定向天线的特性

定向天线利用数字信号处理技术产生空间定向波束,将发射信号能量集中在某一个或者某些特定的方向上进行辐射,而不会干扰到其他方向上节点收发信号,并通过增加信号传输速率和传输距离,来提高无线网络的空间复用度和网络的整体性能。

如图1所示,定向天线的增益图通常由一个主瓣和若干个副瓣组成,发射信号能量高度集中在主瓣上面。在主瓣上面,用中心轴线所指的方向作为此波瓣的方向,离中心轴线越近的地方能量越高,而靠近边缘的地方能量则相对较低。在具体的问题研究中,为了简化问题的复杂性,有时会忽略副瓣的存在,而只考虑主瓣,因而又称之为波束。

定向天线按照波束的形成方式可以分为波束切换天线(Switched Beam Antenna)和自适应阵列天线(Adaptive Beam Antenna)两种[4-5]。

(1)波束切换天线

波束切换天线利用天线阵列发射固定和相互重叠的有限数目波束覆盖整个区域,这些用来传输数据包的波束是预先定义好的,即波束的数量和方向都是固定好的,发送节点只需在这些波束中选择最合适的波束进行数据传输即可。

图1 定向天线的主瓣和副瓣Fig.1 Main lobe and side lobes of directional antennas

图2为理想的K扇区波束切换天线,它的每个波束指向是固定的,波束宽度随阵元数目的确定而确定,波瓣数越多,波瓣宽度越窄,天线发射增益越大,覆盖距离越远。

图2 理想的K扇区波束切换天线[6]Fig.2 Idealized K sectored-antenna

(2)自适应阵列天线

自适应阵列天线是由天线阵列和实时自适应信号接收处理器所组成的一个闭环反馈控制系统,它形成的波束宽度和波束指向均是不固定的,可根据网络传输过程中的各种反馈信息,如信道状况、节点地理位置等,动态地调节各阵元信号的加权幅度和相位来改变阵列的天线方向图,以做到精确地覆盖。

自适应阵列天线可以动态地调整天线方向,所以即使节点移动,也不需要切换,减少了切换所产生的网络负载,但由于自适应过程实现中影响因素复杂,难于动态捕获并跟踪用户信号,同时移动用户及多径情况下的时空信道盲辨识也是一大难点。

与自适应阵列天线相比,波束切换天线结构简单、体积小、成本低,更适用于车载和无人机等小型移动平台,应用更为广泛。

1.2 定向通信及特点

定向通信是指完全采用定向天线进行数据收发的通信,它利用了定向天线的高增益、方向性、大容量、远距离和低截获等特点。

(1)空间复用率高

定向天线利用空间窄波束通信,既保证了能量的高度集中,又不会干扰到其他方向上节点的传输,允许多个节点对同时传输而不会造成相互干扰,能够极大地增加无线网络的空间复用率和网络容量。

(2)功耗低

全向天线是将能量均匀地分布在节点周围,而使用定向天线则可以用少于全向天线的能量即可覆盖目标节点,同时可以减少通信间干扰、延长电池的使用寿命和延长网络的生存周期。

(3)延迟小

高增益定向天线可以显著地增加传输距离,使远距离节点间的通信成为可能,从而减少节点间的跳数和转发次数,并降低转发成本和端到端延迟。

(4)保密性好

利用空间定向窄波束传输,具有内在的低截获概率(LPI,Low Probability of Interception)和低探测概率(LPD,Low Probability of Detection),使敌方难于在通信中探测、截取、阻塞或“造假”传输信号,增强了通信的隐蔽性和抗干扰、抗入侵能力,具有较好的安全保密性能,特别适用于战场通信网络等场合。

同时,利用高增益的定向天线传输能使天线主瓣波束即最大增益点对准目标节点方向,而旁瓣或零陷对准干扰信号到达方向,达到高效利用传输信号并抑制干扰信号的目的,从而有效地减少多径影响和互信道干扰(CCI,Cochannel Interference)[7]。

1.3 定向网络MAC组网关键技术

近年来,随着商用LTE网络的逐渐部署和投入使用,以智能天线技术为代表的定向天线技术研究取得了长足的进展和不菲的成绩,但将其应用于无固定通信基础设施的自组织网络场景时,MAC组网仍面临诸多的关键技术和难点的挑战,如图3所示主要表现在以下几个方面。

图3 定向组网MAC层关键技术Fig.3 Key technologies of directional ad hoc network MAC layer networking

(1)定向邻居发现技术

邻居节点发现是指每个节点开机后,在没有任何邻节点先验信息的条件下,通过基于一定的互盲或自盲算法协议迅速找到其通信覆盖范围内的所有其他节点(同时被其他节点所发现),并建立基本通信连接的过程[8]。邻居节点发现是Ad hoc网络组网的基础和前提,是网络初始化中的重要步骤之一,邻居节点信息对于时隙分配和路由算法等都有着重要的影响。在基于定向天线传输的网络中,由于定向波束较窄且只有节点同时将波束指向对方且收发模式相反时,才能成功发现对方,致使邻居发现过程变得十分困难,因此定向邻居发现是进行MAC层相关协议设计时应首先需要考虑和解决的问题。

(2)定向TDAM时隙动态分配技术

无线信道接入控制,使各定向节点按照时分多路访问(TDMA)的媒体接入方法接入共享的无线信道,并协调节点之间的信道接入冲突。

(3)定向波束对准与链路动态跟踪技术

装甲车辆或无人机(UAV)等移动载体通常处于快速移动状态,载体的横滚、俯仰和方位角等运动状态的变化会造成已建立的定向链路的方向指向产生偏离[9],需要设计一种波束指向校准和定向链路动态跟踪机制,以实时纠正波束指向偏差并维持已建立的定向链路,确保通信过程不发生中断。

(4)定向同步技术

定向网络节点时钟同步,使各网络节点与网络中的基准时钟节点同步,确保各节点对TDMA帧与TDMA时隙的起止时刻有统一的认识,实现高效的信道收发行为调度控制。

2 定向网络MAC组网技术研究现状

目前国内外有关定向网络MAC组网技术的研究主要集中在:定向邻居发现技术、定向网络TDAM时隙动态分配技术、定向链路动态跟踪技术和定向网络同步技术等。

2.1 定向邻居发现技术

多跳无线自组网中,邻居信息在路由、分群和MAC控制等方面起着至关重要的作用[6]。在使用全向天线的网络中,一个节点的广播消息可以被其通信覆盖范围内的所有邻居节点同时收到,因而其邻居发现过程是一个相对简单的问题,不需要专门为其设计相应的通信协议。但是,当使用定向天线进行通信时,邻居发现问题将变得十分困难,因为:

1)定向天线波束宽度较窄,只能覆盖较小的局部空间范围,这使得定向邻居发现过程必须通过多次调度才能覆盖整个空间。

2)定向邻居节点必须同时将波束指向对方且收发模式相反,才能发现对方。

3)非理想的定向天线存在旁瓣,导致两个邻居节点间可能发现位于不同波束扇区的多条定向链路。

公开文献中已经提出了多种定向邻居发现协议,根据邻居发现的不同思路,大致可将这些定向邻居发现协议分为以下3类:第一类,全向天线与定向天线结合,利用全向天线辅助定向邻居发现过程,如文献[10-12];第二类,基于时间同步的前提,进行定向邻居发现,如文献[10,13,14];第三类,基于随机调度的定向邻居发现协议,节点随机选择一个波束方向发送hello消息,然后在另一个随机选取的波束方向进行侦听,如文献[15]。上述3种定向邻居发现协议,虽然在特定的应用场景下都能够成功发现节点周围大部分邻居节点,但同时也各自存在一些显著的缺点和不足,下面简要的进行分析。

文献[10-12]中的提出的定向邻居发现协议,利用全向天线辅助定向邻居发现过程,存在下述几个方面的不足:

(1)天线增益不匹配

由于定向天线和全向天线增益存在较大差异,将造成使用这两种天线进行通信的节点其通信距离的不对称,这可能导致两种节点无法正常交换握手信息(如RTS/CTS信息),从而引发定向隐藏终端和聋听节点等问题。

(2)系统复杂度高、成本增加

全向天线的使用,需要相应的软件和硬件作为支持,不仅使天线系统变得更加复杂,同时也会一定程度上增加系统建设成本,这对于那些成本有严格限制的网络是不可想象的。

文献[10,13,14]中的提出的定向邻居发现协议,假设所有节点是时间同步的,以保证同步地进行天线扇区切换。这种时间同步的假设,在实际组网过程中通常是较难满足和实现的,需要在组网之初运行复杂的分布式同步机制,这又会给整个网络增加额外的硬件和控制消息负担。

文献[1,15]中提出了一种异步的、完全基于定向天线的邻居发现协议,每个节点首先在一个随机选取的波束内随机侦听一段时间,然后随机选取一个波束方向发送hello消息,最后又随机选取一个波束方向切换至侦听状态,并依次循环执行上述邻居发现过程。上述邻居发现的思路简单、直接,但是由于它是基于概率的随机方法,邻居发现的时间具有不确定性,且其邻居发现过程不是双向的,存在孤立节点无法入网的可能,协议可靠性较低。

2.2 定向网络TDMA时隙动态分配技术

在使用定向天线传输的多跳移动Ad hoc网络中,为了充分利用定向天线传输的空分特性,并显著提高网络的吞吐量和网络容量,需要基于定向链路来进行时隙资源的动态分配和调度,使2跳邻域范围内节点间链路共享一个或多个时隙资源。

Martha E.Steenstrup等人在文献[16]中,提出一种基于相邻节点可用时隙列表和预期通信负载进行时隙资源预留的TDMA时隙分配协议,将时间划分为连续的、周期重复的TDMA帧,每帧由协商时隙、预留时隙和竞争时隙三部分构成。其中协商时隙由请求和响应两个微时隙组成,用于对预留时隙的申请和应答;预留时隙用于传输、接收数据消息和Ack确认消息;竞争时隙用于重传未收到Ack确认消息的数据包,以及当通信业务量超过预留时隙承载能力时的数据消息传输。

仿真结果表明,Martha E.Steenstrup等人提出的基于TDMA的MAC协议,相比于基于竞争的定向CSMA/CA协议[17],在吞吐量、端到端延迟等方面均有较大的改进和提高,但是协议本身未考虑定向邻居发现问题,且在协商时隙的预约请求微时隙内采用定向发送和全向接收,存在2.1节所述的诸多问题,协议实用性不强。

2.3 定向波束对准与定向链路动态跟踪技术

在完全基于定向天线传输的Ad hoc网络中,天线波束对准指通信双方的天线主瓣波束相互指向对方,以达到最大的天线发送和接收增益;定向链路跟踪则是指在通信双方的相对位置或姿态发生变化时,定向波束始终保持对准状态,这一过程依赖于天线指向控制。在定向波束对准的情况下,外部干扰和通信节点间干扰的影响都会降至最小。

在移动Ad Hoc网络中,为了实现有效的定向媒体访问控制协议和路由协议,网络内的每个节点应该知道如何设置其传输方向,以便准确地向其邻居们传输分组。因此,在具有移动性的环境下,每个节点都需要一种机制来调整天线指向,实现波束对准与定向链路动态跟踪。

定向天线对准与动态跟踪是通过调整天线指向来实现的,现有文献中提出的天线指向控制方法主要有全域扫描、局域扫描、GPS坐标预测、轨迹预测和姿态修正等,表1为各天线指向控制方法原理介绍和性能对比分析。

从表1可以看出,不同的天线指向控制方法各具其优缺点,因此有各自的适用范围。在系统启动初期,或因某种原因丢失对方位置并失去联系时,只能通过全域扫描来搜寻,但是其动态跟踪能力较差;在知道对方大致位置时,可采用局域扫描,其动态跟踪能力比全域扫描强;在可以持续获得对方实时位置时可采用GPS坐标预测,该方式易于实现,其动态性能较好,但是坐标值的获取依赖于节点间数据链网络已经组成,或者通过其它通信方式间接获取。在可以获得对方位置、速度和加速度时可采用运动轨迹预测,但是数据如何获取存在与GPS法同样的问题,另外计算方法比较复杂,但是它可以提前预测节点位置,因此具有良好的动态性能。姿态修正,即俯仰及摇摆修正,是指根据本节点姿态变化参数,包括俯仰角、摇摆角等,计算出天线指向因姿态变化引起偏差,并予以修正,使天线始终保持对准或跟踪,这一方法的动态特性只受节点总线数据分发及传输速率影响,对于解决因本节点翻滚、上拉或俯仰等动作造成的天线对准及跟踪问题具有明显效果[18]。

应当注意,根据具体应用场景的不同需要,上述几种天线指向控制方法可以组合起来灵活使用,以确保定向通信节点在快速机动过程中其天线波束始终处于对准状态。

表1 天线指向控制方法对比Table 1 Comparison of different directional beam pointing algorithms

2.4 定向网络同步技术

在定向Ad hoc网络中,节点基于高增益的空间定向窄波束进行数据传输,为了最大化信道利用率,通常采用TDMA信道访问控制机制进行时隙资源的动态分配和调度,网络内各节点必须保持时帧的精确同步才能实现无冲突地信道接入和通信。可见,时帧同步技术是定向Ad hoc网络组网的前提,是定向节点正常运行邻居发现、动态时隙分配和定向链路跟踪等MAC协议的基础。

现有定向Ad Hoc组网方法中,大多依赖于精确的、全球性的、外部产生的时钟基准,如采用卫星(GPS、北斗)等授时方式来实现所有网络节点的时帧同步,在干扰严重的战场环境下,这种对GPS/北斗等外部授时的过分依赖,将导致自组织网络的抗毁性和顽存性差,同时也会极大地降低网络的可靠性和缩短网络的生存周期。

无线TDMA网络的自同步技术多年来一直都是一个活跃的研究方向,但其大多数研究的重点都集中在全向网络方面,相关研究成果若不进行修改则不能应用到定向TDMA网络中。文献[19]提出一种不依赖于外部时间基准的自同步方法,它仅依靠从该网络中能够得到的信息,实现时钟粗同步、时钟精同步以及时钟漂移校正,最终达到与时钟基准节点的完全同步。

3 定向通信MAC组网技术应用展望

定向天线以其独有的特性,使定向通信相比传统的全向通信拥有众多的优势,决定了定向通信MAC组网技术在宽带无线通信、机间数据链、mesh骨干网和隐蔽通信等领域具有广阔的应用前景。

(1)宽带无线通信

定向通信通常选择频谱资源相对丰富的高波段(C/Ku波段,C波段:4.5～4.99 GHz;Ku波段: 14.4～15.4 GHz),并通过采用高调制效率的波形技术体制和MAC组网技术,实现频率资源的空间复用和合理的通信规划,可实现地-地30 km、地-空70 km的通信距离,传输速率最高可达110 Mb/s。

(2)机间数据链

机间数据链网络具有网络拓扑动态变化、无中心自组织、低时延高带宽、空中节点快速入/退网和组网方式机动灵活等特点,基于定向天线传输的移动Ad hoc组网技术能够很好满足上述要求,因而定向MAC组网技术正逐渐成为下一代航空数据链组网技术的研究重点。

(3)mesh骨干网

随着战场态势的日趋复杂和战场数据业务的日渐丰富,人们对不依赖于固定基础设施的无线mesh骨干网通信能力提出了更高的期望和要求。当前, mesh骨干网使用的基于全向天线通信的无线传输和组网设备,其通信距离和通信带宽都较低,已渐渐无法适应战场环境对更高带宽、更远通信距离的需求。定向通信由于其具有高频段、高带宽和远距离通信的特点,能够很好地满足mesh骨干网不断增长的频谱和带宽要求。因此,构建高机动无线mesh骨干网络将是定向通信的重要应用场景之一。

(4)隐蔽通信

定向通信具有方向性强、低探测和低截获概率的优势,并且频段高、带宽宽,具有保密通信和抗干扰能力,通过定向MAC组网技术可快速构建具有自组织、自愈能力的隐蔽通信网络。

4 结 语

在过去的十年中,将定向窄波束天线应用到移动Ad Hoc网络来创建远距离、高容量、无线通信网络的思想,正从实验室概念向可以实用的商用技术演进。但将定向天线技术直接引入传统的Ad hoc网络,也带来了许多新的挑战和技术难题,这在一定程度上限制了定向天线传输对网络性能的改善、提高程度,因而迫切需要根据定向天线和定向通信的特点设计新的通信协议和算法。国内对定向通信的研究尚处于探索阶段,尤其是在定向邻居发现、定向天线波束对准与定向链路自动跟踪等MAC组网关键技术方面的研究更是少有涉及,因此对其展开研究具有一定的理论意义和实际应用价值。

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JING Zhong-yuan(1988-),male,graduate student,mainly engaged in the research of tactical networking.

曾浩洋(1968—),男,硕士,研究员,主要研究方向为战术通信网络;

ZENG Hao-yang(1968-),male,M.Sci,research fellow, mainly engaged in the research of tactical network.

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 of tactical networking and routing technology.

张 浪(1987—),男,硕士研究生,主要研究方向为战术网络组网。

ZHANG Lang(1987-),male,graduate student,mainly engaged in the research of tactical networking.

MAC Layer Networking Technology in Ad hoc Network with Directional Antennas

JING Zhong-yuan,ZENG Hao-yang,LI Da-shuang,ZHANG Lang
(No.30 Institute of CETC,Chengdu Sichuan 610041,China)

Directional antenna produces spatial directional beams with digital signal processing technology, and radiates the signal energy in a certain or some special directions.When applied in traditional ad hoc network,directional antennas can dramatically reduce the interference between neighboring nodes and by increasing the node pairs for simultaneous transmissions,enhance the spatial reuse rate and capacity of the network.Firstly,the basic characteristics of directional antennas and directional communications are briefly introduced in this paper.Then the key networking technologies of directional ad hoc network in MAC layer, such as the protocol of neighbor discovery,TDMA and directional beam pointing and tracking,are summarized.Finally,problems in research and development are discussed in detail.

ad hoc network;directional antennas;MAC layer;neighbor discovery;TDMA;directional beam pointing and tracking

TN929.5

A

1002-0802(2014)09-1041-07

10.3969/j.issn.1002-0802.2014.09.013

景中源(1988—),男,硕士研究生,主要研究方向为战术网络组网;

2014-06-01;

2014-07-22 Received date：2014-06-01;Revised date：2014-07-22