一种基于双收发信机三信道的移动互联网终端系统

韩仲华　苑海涛　刘经纬

摘 要： 提出了一种基于双收发信机三信道的移动互联网终端系统，并论述了设计实现此类高性价比的自组织移动互联网系统的关键技术。这种设计思想既考虑到了收发信机数量与移动终端物理受限条件间的平衡问题，也考虑到了频谱资源环境与频率复用效率间的平衡问题，因此可以成为高性价比自组织移动互联终端的一类典型发展方向。

关键词： 收发信机； 三信道； 移动互联网； 信标； 邻居节点

中图分类号： TN911.7?34； TP393.04 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2014）19?0033?04

Mobile Internet terminal system based on dual?transceiver three?channel

HAN Zhong?hua， YUAN Hai?tao， LIU Jing?wei

（North China Institute of Computing Technology， Beijing 100083， China）

Abstract： A mobile Internet terminal architecture based on dual?transceiver three?channel is proposed. The key technologies to realize the high performance?cost ratio of the self?organized mobile Internet system are discussed. Not only the balance problem between the amount of transceivers and the physical limited conditions of mobile terminal is considered， but also the balance problem between the spectrum resources and the frequency reuse efficiency is studied. Therefore， the main idea mentioned above can be a typical development direction of self?organized mobile internet terminal system with high performance? cost ratio.

Keywords： transceiver； three?channel； mobile Internet； beacon； neighbour node

0 引 言

从历史发展的过程来看，自组织形态的移动互联网仍处于方兴未艾的阶段，其节点设备目前主要受限于能量、体积、重量、温度四大基本物理条件，由此带来的限制主要体现在节点的计算能力和通信能力。与此同时，相比于固定基站应用模式下的移动终端，单从个体看，两者计算能力受限情况类似，但通信能力与便携能力就存在很大差别了。尽管如此，针对缺乏固定基站可依托的任务环境而言，自组织移动互联网依然是必选项。面对网络性能这一持续性增长的需求，可通过增加计算资源与通信资源获得能力的提升，但考虑到移动任务与移动主体的限制，必须达到相对平衡，实现性能与代价的比率。

移动互联网节点计算能力一般由单一核心芯片决定，从芯片技术发展趋势看，芯片并非是性能瓶颈。通信能力主要由集成的收发信机决定，为了提高移动组网能力，必须提高单节点时间重用效率。时间重用效率提升的有效手段就是增加收发信机及采用频分复用技术。此外，根据对现有技术成本的比较，频分系统比空分系统的复杂度要高出许多，但频率复用性价比优势明显。由于移动系统的尺寸与温度受限等原因，需要建立一套系统解决方案，即如何在非单一且数量有限的收发信机的条件下，最大限度地提升自组织移动互联网的性能。

本文提出了一种基于双收发信机三信道的移动互联网终端系统，并论述了设计实现此类性能/代价比值较高的自组织移动互联网系统的关键技术。这种设计思想既考虑到了收发信机数量与移动终端物理受限条件间的平衡问题，也考虑到了频谱资源环境与频率复用效率间的平衡问题，因此可以成为高性价比自组织移动互联终端的一类典型发展方向。

1 综合策略分析

1.1 应用场景定位

当前最常见的自组织移动互联网大多基于地面应用场景。在不规则、不可预测的拓扑结构中，首先应当考虑以哪一种或哪几种拓扑结构作为关键组网性能衡量的场景，当前最常见模式是链状模式。网状模式也相对常见，但网状模式容易产生一个虚拟的相对中心，与纯对等的自组织网模型有所差异，所以应用场景定位以链状模式为主，兼顾网状模式。

1.2 正交性复用

当前的各种复用模型大多基于正交模式，其中时分复用、频分复用、空分复用、码分复用大多基于完全正交的信道。正交是基础，管理正交才是重要的支撑服务。在每个应用场景下最大限度地利用正交，也就能够最大限度地提供组网服务。这就要求每个物理通道在各种环境条件下都可实现正交，不浪费任何可实现正交的通信单元。

1.3 快速入网问题

面对任务应用，关键在于两类保障，一是如何尽快地获得网络服务，二是如何更好地获得网络服务。在严酷的挑战环境中，快速入网是首要问题。基于此，必须使系统具备相应能力，即在多个正交信道的基础上，尽快实现信道发现、邻居发现以完成相应的入网动作，并在信道环境产生振荡时，能够快速适应变化。

1.4 基本通信模式

在多点无线通信中，冲突域是不可回避的问题；正交的一大优势就是提供更多独立域，从而避免冲突。在典型的链状模型中，由于节点的对等性、移动性及邻居节点方位的不可预知性，单个信道的无线覆盖一般都是球型覆盖，逻辑上看不同节点的相同信道的覆盖情况是相同的。结合频分复用分析，在保证相邻冲突域域内不产生频率冲突的情况下，至少需要3个物理信道来支撑链状模型，以完成正交通信模式接力。

1.5 鲁棒性与可扩展性的平衡

在系统框架设计与协议设计中，鲁棒性与可扩展性是关键。鲁棒性的一个优势是简单；可扩展性的目标是服务更多的应用场景，这就意味着更多的逻辑处理挑战。所以两者间存在一定程度的矛盾，考虑到实用性，系统设计中在保障入网与在网的性能基础上，略侧重于鲁棒性与可靠性。

2 现有相关技术

在基于多信道的移动互联网终端系统的信道选择算法中[1?10]，有通过手工配置信道的方式，有对具有层次关系的无线网状网进行集中式的信道管理，也有对分布式无线网状网中动态选择的临时根节点进行集中式的信道管理，其中：

（1） 手工配置信道在实际应用时不够灵活；

（2） 集中式信道管理使网络产生单点故障，关键节点易被摧毁而导致整网瘫痪；

（3） 对动态选择的临时根节点进行集中式信道管理需要在全网选择的根节点，选择时间长，并且在网络重构后难以解决多个孤立子网之间的融合问题。

3 系统结构

3.1 节点功能描述

网络中的每个节点既可以是终端，也可以是网络设备。如果作为终端，它们具有7层协议栈，具有IP地址；如果作为网络设备，它们则可以通过多个信道灵活组网，并为用户提供数据转发服务，此时，这个网络相当于一台二层网络交换机，如图1所示。

3.2 节点端口描述

每个节点都具有1个有线端口（eth0端口）和2个无线端口（ath0端口与ath1端口），节点内部还具有1个至上层协议栈的逻辑端口（local端口），如图2所示。基于双收发信机三信道的信道选择算法就是对ath0端口与ath1端口所使用的信道进行选择。

4 双收发信机三信道算法

4.1 节点初始化

节点初始化硬件、加载操作系统镜像后，从三个信道（如c1，c2，c3）中为两个无线端口（ath0端口与ath1端口）随机选择两个不同的信道（如c1，c2；c1，c3或c2，c3）。

4.2 信标发送

节点周期性发送信标，这些信标包含有信道信息与该信道下邻居节点个数信息。

节点使用IEEE 802.11物理层与IEEE 802.11s组网技术，并在IEEE 802.11标准信标格式基础上添加信道信息与该信道上的邻居节点个数信息。信标需增加的信息见表1。

信道编号与邻居数的范围介于0～15之间。信标格式如图3所示。

表1 信标需增加的信息

[序号＼&信息＼&长度＼&1＼&c1的编号与c1

下的邻居数信息＼&1 B，其中信道编号占低4 b，

邻居数占高4 b＼&2＼&c2的编号与c2下的邻居数信息＼&1 B，其中信道编号占低4 b，

邻居数占高4 b＼&]

4.3 信标收集

节点周期性收集周围邻居节点发出的信标。

每个节点通过设定一个随机时间长度的定时器来收集邻居节点发出的信标，定时器超时时间介于2～10 s之间。

4.4 双收发信机三信道算法

节点信标收集定时器超时后将执行双收发信机三信道算法。

现以“[ci]”，“[cj]”表示当前节点的两个信道，“[Nc_节点]”代表某个节点的某个信道选择前的邻居节点个数，“[Nc_节点]”代表某个节点的某个信道选择后的邻居节点个数。

（1） 当前节点在[ci，cj]两个信道上的信标收集过程中[Nci_自己+Ncj_自己=1]

若[N非共有信道_对方节点=0]并且[N共有信道_对方节点>1]时，当前节点将自己的共有信道调整为对方节点的非共有信道。

（2） 当前节点在两个信道[ci，cj]上的信标收集过程中[Nci_自己+Ncj_自己>1]

若当前节点周围至少有一个邻居节点具有一个空闲信道，当前节点计算出自己每个信道上发现的邻居节点个数的差值和两者中的较大者diff[（Nci，Ncj），]max[（Nci，Ncj），]并预测出将自己已经发现的邻居节点个数较大的信道调整为周围邻居节点的空闲信道后的统计结果diff[（N′ci，N′cj）：]若diff[（N′ci，N′cj）<]diff[（Nci，Ncj），]则当前节点进行信道调整，否则不调整信道。

该算法相应的流程如图4所示。

5 示例与效果评价

5.1 示例

（1） 示例1

由于节点A与B具有一个共有信道[c1，]对双方而言[Nci_自己+Ncj_自己=1，]因此双方都执行信道调整算法的a分支。双方的[N非共有信道_对方节点=0]但[N共有信道_对方节点=1，]因此都不做信道调整，如图5所示。

（2） 示例2

由于节点A与B具有两个共有信道[c1]与[c2，]对双方而言，[Nci_自己+Ncj_自己=2，]因此双方都执行信道调整算法的b分支。双方都没有相对于对方的空闲信道，因此双方都不做信道调整，如图6所示。

（3） 示例3

节点C发现周围只有邻居节点B，按示例1，C不作信道调整。节点A发现周围只有邻居节点B，由于节点B没有空闲信道，所以A不作信道调整。节点B发现周围有邻居节点A与C并且[Nci_自己+Ncj_自己=3，]因此B执行信道调整策略的b分支。对于节点B，diff[（Nci，Ncj）]为1，max[（Nci，Ncj）]为2，而将发现邻居节点个数较多的信道[c1]调整为[c2]后，diff[（N′ci，N′cj）]为0，因此节点B将信道[c1]调整为[c2。]节点B将信道调整后，三个节点均不再符合信道调整条件，因此均不再进行信道调整，如图7所示。

（4） 示例4

在这种链状三跳网络中，节点B、C与D不具备信道调整条件，而节点A符合信道调整条件。图8中右侧部分给出了节点A调整信道后各节点信道的使用情况。调整后网络的信道使用趋于稳定，各节点均不再进行信道调整，如图8所示。

5.2 效果评价

（1） 该算法能够保证每一对可直接通信的节点在任意时刻至少具有一个共有信道，组网能力强。

（2） 该算法可对链状多跳网络以及其他结构的节点进行信道选择，通过提高信道使用效率从而增加网络带宽。对于因节点移动而造成的网络拓扑结构变化，该算法明显优于手工配置。

（3） 该算法是分布式算法，因此不存在单点故障，不存在集中式网络中的选择信道分配问题以及网络重构时的孤立子网融合问题。

（4） 该算法基于邻居节点的邻居信息，全网节点执行信道优选算法的时间短，信道选择的收敛速度快。

（5） 该算法复杂度低，易于实现。

6 结 语

上述基于双收发信机三信道的移动互联网终端系统是一种实用可行的解决方案，适用于能源、开采、水利、应急处突等多种需要自组织形态组网的应用领域。随着半导体集成芯片技术的进一步发展，此系统还可在以下几方面进行提升：

（1） 增强信道模式

增强信道包括增加收发信机数量和信道数两个方面。当物理受限条件放松时，通过增加收发信机数量，可以提升多点平行网络的传输能力；通过增加信道数量，可以支持连接域维度更高的应用。此外，增加一路信令信道，使其能够专注服务于多节点间的协调入网，从而使入网信道的选择收敛速度进一步提升。

（2） 引入同步机制

同步机制引入的主要用途在于能够进一步加快入网收敛时间，可以采用卫星授时的方式，也可采用自主同步的方式。从动态带宽分配角度分析，仅在信令通道中利用同步服务，将获得较高的协议性价比。

（3） 多层空间扩展

空间技术发展使人类探索太空的能力不断提高，多层空间自组网在物理空间所面临的问题将大幅增加，需要进一步提升信道收发单元与空间复用的融合能力。

自组织移动互联网的未来发展空间仍很广阔。短期来看，由于无线通信的基础理论近年来没有飞跃式发展，底层技术革新带来的边际效益逐渐递减，但我们也看到太赫兹、空间光通信、量子通信等技术正不断进步，移动互联网的底层物理技术在未来有更多的创新选择性，继而使利用正交信道复用获得性能提升的创新之路继续向前延伸。

参考文献

[1] 张民，李德敏，金康.一种多接口多信道VANET动态信道分配算法研究[J].计算机应用研究，2014，31（5）：1516?1519.

[2] 王昭.一种适用于多信道联合组网的时隙分配新算法[J].电讯技术，2014，54（4）：506?512.

[3] 杨玲，陈其松，吴茂念.无线Mesh网络中路由与信道联合分配研究[J].计算机技术与发展，2014，24（7）：66?68.

[4] 姬文江，马剑峰.多接口多信道无线Mesh网络中一种基于信号干扰检测的路由度量机制[J].通信学报，2013，34（4）：158?164.

[5] 刘峰，张庆，夏宏飞.无线Mesh网络联合信道分配和路由协议研究[J].计算机技术与发展，2010，20（8）：29?32.

[6] 王庆，李鹏，侯炜，等.无线Mesh网络基于簇的多信道分配策略[J].电脑开发与应用，2014，27（2）：37?39.

[7] 束永安，洪佩琳，覃振汉.无线网状网中基于干扰模型的多信道分配策略[J].电子学报，2008，36（7）：1256?1260.

[8] 章国安，顾金媛，曹磊.认知无线Mesh网络中基于干扰模型的信道分配策略[J].计算机应用研究，2010，27（5）：1914?1918.

[9] 李佳明，唐俊华.多信道无线通信功率分配的最优化决策[J].计算机工程与应用，2014（1）：65?67.

[10] 李森，任晓娜.一种网络多信道骨干节点调度均衡算法[J].科技通报，2013（10）：196?198.

（4） 示例4

在这种链状三跳网络中，节点B、C与D不具备信道调整条件，而节点A符合信道调整条件。图8中右侧部分给出了节点A调整信道后各节点信道的使用情况。调整后网络的信道使用趋于稳定，各节点均不再进行信道调整，如图8所示。

5.2 效果评价

（1） 该算法能够保证每一对可直接通信的节点在任意时刻至少具有一个共有信道，组网能力强。

（2） 该算法可对链状多跳网络以及其他结构的节点进行信道选择，通过提高信道使用效率从而增加网络带宽。对于因节点移动而造成的网络拓扑结构变化，该算法明显优于手工配置。

（3） 该算法是分布式算法，因此不存在单点故障，不存在集中式网络中的选择信道分配问题以及网络重构时的孤立子网融合问题。

（4） 该算法基于邻居节点的邻居信息，全网节点执行信道优选算法的时间短，信道选择的收敛速度快。

（5） 该算法复杂度低，易于实现。

6 结 语

上述基于双收发信机三信道的移动互联网终端系统是一种实用可行的解决方案，适用于能源、开采、水利、应急处突等多种需要自组织形态组网的应用领域。随着半导体集成芯片技术的进一步发展，此系统还可在以下几方面进行提升：

（1） 增强信道模式

增强信道包括增加收发信机数量和信道数两个方面。当物理受限条件放松时，通过增加收发信机数量，可以提升多点平行网络的传输能力；通过增加信道数量，可以支持连接域维度更高的应用。此外，增加一路信令信道，使其能够专注服务于多节点间的协调入网，从而使入网信道的选择收敛速度进一步提升。

（2） 引入同步机制

同步机制引入的主要用途在于能够进一步加快入网收敛时间，可以采用卫星授时的方式，也可采用自主同步的方式。从动态带宽分配角度分析，仅在信令通道中利用同步服务，将获得较高的协议性价比。

（3） 多层空间扩展

空间技术发展使人类探索太空的能力不断提高，多层空间自组网在物理空间所面临的问题将大幅增加，需要进一步提升信道收发单元与空间复用的融合能力。

自组织移动互联网的未来发展空间仍很广阔。短期来看，由于无线通信的基础理论近年来没有飞跃式发展，底层技术革新带来的边际效益逐渐递减，但我们也看到太赫兹、空间光通信、量子通信等技术正不断进步，移动互联网的底层物理技术在未来有更多的创新选择性，继而使利用正交信道复用获得性能提升的创新之路继续向前延伸。

参考文献

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[7] 束永安，洪佩琳，覃振汉.无线网状网中基于干扰模型的多信道分配策略[J].电子学报，2008，36（7）：1256?1260.

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[9] 李佳明，唐俊华.多信道无线通信功率分配的最优化决策[J].计算机工程与应用，2014（1）：65?67.

[10] 李森，任晓娜.一种网络多信道骨干节点调度均衡算法[J].科技通报，2013（10）：196?198.

（4） 示例4

在这种链状三跳网络中，节点B、C与D不具备信道调整条件，而节点A符合信道调整条件。图8中右侧部分给出了节点A调整信道后各节点信道的使用情况。调整后网络的信道使用趋于稳定，各节点均不再进行信道调整，如图8所示。

5.2 效果评价

（1） 该算法能够保证每一对可直接通信的节点在任意时刻至少具有一个共有信道，组网能力强。

（2） 该算法可对链状多跳网络以及其他结构的节点进行信道选择，通过提高信道使用效率从而增加网络带宽。对于因节点移动而造成的网络拓扑结构变化，该算法明显优于手工配置。

（3） 该算法是分布式算法，因此不存在单点故障，不存在集中式网络中的选择信道分配问题以及网络重构时的孤立子网融合问题。

（4） 该算法基于邻居节点的邻居信息，全网节点执行信道优选算法的时间短，信道选择的收敛速度快。

（5） 该算法复杂度低，易于实现。

6 结 语

上述基于双收发信机三信道的移动互联网终端系统是一种实用可行的解决方案，适用于能源、开采、水利、应急处突等多种需要自组织形态组网的应用领域。随着半导体集成芯片技术的进一步发展，此系统还可在以下几方面进行提升：

（1） 增强信道模式

增强信道包括增加收发信机数量和信道数两个方面。当物理受限条件放松时，通过增加收发信机数量，可以提升多点平行网络的传输能力；通过增加信道数量，可以支持连接域维度更高的应用。此外，增加一路信令信道，使其能够专注服务于多节点间的协调入网，从而使入网信道的选择收敛速度进一步提升。

（2） 引入同步机制

同步机制引入的主要用途在于能够进一步加快入网收敛时间，可以采用卫星授时的方式，也可采用自主同步的方式。从动态带宽分配角度分析，仅在信令通道中利用同步服务，将获得较高的协议性价比。

（3） 多层空间扩展

空间技术发展使人类探索太空的能力不断提高，多层空间自组网在物理空间所面临的问题将大幅增加，需要进一步提升信道收发单元与空间复用的融合能力。

自组织移动互联网的未来发展空间仍很广阔。短期来看，由于无线通信的基础理论近年来没有飞跃式发展，底层技术革新带来的边际效益逐渐递减，但我们也看到太赫兹、空间光通信、量子通信等技术正不断进步，移动互联网的底层物理技术在未来有更多的创新选择性，继而使利用正交信道复用获得性能提升的创新之路继续向前延伸。

参考文献

[1] 张民，李德敏，金康.一种多接口多信道VANET动态信道分配算法研究[J].计算机应用研究，2014，31（5）：1516?1519.

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[3] 杨玲，陈其松，吴茂念.无线Mesh网络中路由与信道联合分配研究[J].计算机技术与发展，2014，24（7）：66?68.

[4] 姬文江，马剑峰.多接口多信道无线Mesh网络中一种基于信号干扰检测的路由度量机制[J].通信学报，2013，34（4）：158?164.

[5] 刘峰，张庆，夏宏飞.无线Mesh网络联合信道分配和路由协议研究[J].计算机技术与发展，2010，20（8）：29?32.

[6] 王庆，李鹏，侯炜，等.无线Mesh网络基于簇的多信道分配策略[J].电脑开发与应用，2014，27（2）：37?39.

[7] 束永安，洪佩琳，覃振汉.无线网状网中基于干扰模型的多信道分配策略[J].电子学报，2008，36（7）：1256?1260.

[8] 章国安，顾金媛，曹磊.认知无线Mesh网络中基于干扰模型的信道分配策略[J].计算机应用研究，2010，27（5）：1914?1918.

[9] 李佳明，唐俊华.多信道无线通信功率分配的最优化决策[J].计算机工程与应用，2014（1）：65?67.

[10] 李森，任晓娜.一种网络多信道骨干节点调度均衡算法[J].科技通报，2013（10）：196?198.