基于QualNet的一种分布式空中骨干网的研究与设计*

李向远 张 章 李 杨 殷 璟

(武汉船舶通信研究所 武汉 430079)



基于QualNet的一种分布式空中骨干网的研究与设计*

李向远 张 章 李 杨 殷 璟

(武汉船舶通信研究所 武汉 430079)

空中骨干网是由多个空中平台通过无线方式连接为其他节点或网络提供服务的骨干网络。空中骨干网动态拓扑频繁,网络负载能力有限。特别在节点类型较多的应用场景下,传统的组网方法难以满足需求。论文设计了一种全新的分布式空中骨干网的组网方式,从结构设计和资源分配两方面,对现有的网络组网方式进行了改进,实现了拓扑动态快速生成,有效地降低了网络负载,达到了利用较小网络开销维护网络的目的。仿真结果表明,改进的组网方法,满足空中骨干网络的传输需求,具有较好的应用前景。

空中骨干网; 分布式; 资源分配; 结构设计; QualNet

Class Number TP393

1 引言

分布式空中高速骨干网是一种由空中平台、海上平台、单兵等组建的超视距宽带通信网络,具有很高的通信速率以及较强的抗干扰/抗截获能力。它利用长滞空平台组网实现大范围通信覆盖,可以允许不同天线类型的节点接入网络,在微波频段可以实现数百兆的通信速率,空中高速骨干网采用Ad-Hoc[7]方式组网,网络具有自组织、自愈能力。

分布式空中高速骨干网的使命任务是构建一个高速骨干承载网络,为视距内和视距外的岸、海、空各单元之间提供接入、转发、路由的功能,其传输能力可满足如合成孔径雷达图像、光电雷达/红外图像、音/视频等大容量数据的近实时传输。分布式空中高速骨干网可以作为除卫星网之外的一种宽带、高速的骨干承载网络,为节点提供可靠的接入、路由服务,未来通过增加与卫星的接口,还能利用卫星中继进一步扩大覆盖范围,通过增加网关设备,还可以实现对Internet的访问。

对于节点类型多,网络负载能力有限,拓扑变化频繁的特殊网络,常用的Ad-Hoc组网方式具有很大的局限性,难以满足实际应用需求。本文从分布式空中骨干网的结构设计和资源分配等方面,使其能够满足不同节点的接入需求。在面对拓扑变化频繁的网络时,能够进行快速拓扑生成,对接入节点进行有效负载均衡,使网络资源得到合理利用。

2 结构设计

分布式空中骨干网能够满足特殊环境下构建高速骨干承载网络的需要。针对特殊环境下,没有预设的宽带骨干网络、节点移动频繁、网络拓扑动态变化比较快等特点,分布式空中高速骨干网采用了基于Ad-Hoc的分布式的组网方式,使得生成的网络具有自组织和自愈能力,在网络拓扑结构动态变化频繁的时候也能够快速的进行网络拓扑的更新。由于接入网络的节点类型各异,各节点所携带的天线也各不相同,因此分布式空中骨干网采用分层的网络结构,从节点和网络两个方面满足不同类型节点的接入需求。

2.1 节点类型

针对实际网络应用场景中既存在空中平台、海面平台等允许远距离高速通信的大型平台,也存在单兵等通信受限的小型平台的现实。分布式空中高速骨干网在Lzhak Rubin等研究的基础上[1],对整个网络结构做了改进,将网络节点分为了高速通信节点(骨干能力节点BCN或骨干节点BN)和低速通信节点(接入节点RN)两类。高速通信节点将作为骨干节点BN或者骨干能力节点BCN分别接入各自的网络,为网络提供转发和路由功能。低速通信节点作为用户终端节点(接入节点RN)接入相应的子网,不具备路由和转发的功能。

本算法中,骨干节点(BN)和骨干能力节点(BCN),均作为高速通信节点,但二者在网络中所承担的角色却不同,骨干节点BN被用于组建BNet骨干网,骨干能力节点BCN则被作为BANet骨干接入网的中心节点,两者皆可以为低速通信节点提供路由和接入功能。并且随着拓扑结构的变化二者的角色可以根据转换算法相互进行角色转换。

2.2 网络结构

分布式空中高速骨干网的网络结构包括骨干网络(BNet)、骨干接入网络(BANet)和接入网络(ANet)在内的三层网络[2],如图1所示。骨干网BNet由骨干节点BN(图中的黑色实心圆点)组成,可以为骨干接入网BANet间以及骨干网BNet内的信息交互提供路由和传输路径。骨干接入网BANet由一个骨干节点BN和多个骨干能力节点BCN(图中的灰色实心圆点)组成,为骨干接入网BANet内的接入网ANet间以及BANet内的信息交互提供路由和传输路径。接入网ANet由一个骨干能力节点BCN和多个普通节点RN(图中的空心圆点)组成,为接入网ANet内的接入节点RN提供接入和信息交互功能。

图1 分层通信关系图

这种拓扑生成算法有别于传统的Ad-Hoc移动自组网完全无中心的特点,在整个网络运行过程中,网络中的所有节点无需知道全网的拓扑结构,只需知道自己的邻居节点以及父节点的连接情况。因而当网络拓扑结构发生变化时,只需要对拓扑结构发生变化的局部网络重新生成拓扑结构,从而大大降低了网络管理维护的开销。

3 资源分配

分布式空中高速骨干网资源分配分为频率资源分配和时隙资源的分配两部分的内容。

3.1 频率分配

分布式频率复用的主要思路是采用蜂窝机制,使得空间上相隔较远的骨干接入网BANet和接入网ANet能够重复使用相同的频率,大大减少通信所需的频点数。分布式频率复用算法采用分布式算法,由骨干接入网BANet和接入网ANet的簇头节点分别进行计算。算法的具体原理是:簇头节点首先收集其他簇头广播子网频率信息,然后通过算法确定本子网所采用的频率,当频率出现冲突时还要通过频率协调解决冲突。因此整个分布式频率复用算法包括子网频率选择和子网频率选择冲突后的协调算法两个主要部分。

3.1.1 频率选择算法

由于分布式空中高速骨干网的频点资源有限,因此必须在频点的使用上做到充分合理的利用。子网频率选择算法[5]就是是骨干接入网BANet的簇头节点和接入网ANet的簇头节点确定本BANet或ANet所使用的频率的过程。BANet的频率选择算法具体过程为:簇头节点BN首先侦听其他BN节点广播的其他BANet子网间频率协调消息,通过了解其他BANet子网使用的频率和时隙等信息,然后通过下述算法确定本BANet子网频率,并广播本BANet的频率信息。算法主要流程如图2所示。

图2 频率选择算法

3.1.2 频率冲突协调算法

在上文提到的分布式子网频率选择算法中,当存在两个或多个同时需要确定频率的BANet子网或ANet子网时,通过执行上述算法,这些BANet或ANet子网将会分配到同一个频率,造成子网间通信频率的串扰,因此需要通过频率退避[3]的方式进行冲突协调。

图3 频率协商退避算法

子网间频率冲突协调算法就是通过改变冲突子网中的某个子网频率的方式消除频率冲突,其原理是骨干接入网BANet或接入网ANet的簇头节点先通过侦听其他BANet或ANet簇头广播的子网间频率协调消息,了解频率冲突情况,然后节点号较小的BANet或ANet簇头节点按下述算法进行退避重选频率。BANet子网间的频率冲突协调算法具体流程如图3所示。

3.2 时隙分配

3.2.1 ANet子网时隙分配算法

由于接入子网ANet为星形结构,其中BCN节点为中心控制节点(簇头节点),RN节点为边缘节点。因此将由BCN节点负责计算本ANet子网内自身以及RN节点的时隙分配,并负责本ANet子网内的数据的路由。骨干节点BCN节点经过分布式频率复用、子网间频率分配等过程后,可以确定本ANet子网的频率和时隙资源,BCN节点将对这些资源进行子网内的重新分配计算,具体的计算过程为:

1) BCN节点将子网间频率协调算法得到的本ANet子网时隙(可能是离散的)看作是一块连续的时隙池。设该时隙池的时隙数为K个,则可满足K/2个RN节点的时隙分配;

2) BCN节点依次为前K/2个节点中的每个节点分配2连续个时隙,分别用于BCN节点和该节点的上行和下行通信。

3.2.2 BNet子网和BANet子网时隙分配算法

分布式空中高速骨干网的骨干网BNet和骨干接入网BANet均采用TDPA[4]的通信方式来实现网内的信息共享,分别占用不同的固定预分配时隙资源(参见时隙分配图4)。但是由于频点数有限,每个BANet在子网间协调计算中只分配到一个频点,因此BANet内各节点主要采用时分和空分的方式避免冲突,而BNet内各节点采用频分、时分和空分方式避免冲突。

BNet子网和BANet子网进行时隙分配算法主要思路是:先采用图论中的边染色算法计算节点配对情况,再利用逻辑时频分配算法为配对节点分配逻辑时隙,然后根据天线模型对同一时隙中的各复用节点对进行空间干扰判断,对存在相互干扰的复用节点对错开时隙或者分配不同频率,最后形成无干扰的物理时频分配表。具体的算法流程如图4所示。

4 基于QualNet的仿真及结果分析

本仿真所使用的通信协议是在QualNet自带的TDMA[6]协议的基础上按照本文提出的分布式空中高速骨干网系统的设计方案进行了改造,并且加入了节点的平均信息共享时延的统计,作为网络性能好坏判定的依据,完成对生成的分布式空中高速骨干网性能的测试。

图4 TDPA时隙分配算法

图5 网络工作流程图

分布式空中高速骨干网整个网络的运行可以分为拓扑生成和运行两个阶段,经历节点发现、节点关联和节点转换三个步骤。在拓扑生成阶段,各节点进行hello消息的发送和接收完成节点发现,并通过拓扑关联生成算法生成和更新网络拓扑,然后通过时隙表分配算法生成供各节点运行的时隙表,最后整个网络将按照生成的时隙表来运行,当拓扑更新周期到来后,开始重新进行新一轮的拓扑生成和运行。分布式空中高速骨干网的整个网络的运行的详细流程如图5所示。

具体的仿真中使用的参数如表1所示。

表1 QualNet仿真参数

4.1 拓扑生成

对于十个节点而言,经过节点发现、节点关联和节点转换等三个过程完成第一轮拓扑生成,再经过第二轮拓扑过程最终形成BNet、BANet和ANet等三类子网。拓扑生成后的拓扑结构如图6所示。

图6 拓扑生成后的拓扑结构

经过两轮的拓扑生成的过程,分布式空中高速骨干网的三层网络结构就得以确立,系统也将根据这个拓扑结构来进行时隙分配以及之后的网络运行。对于规模较大的网络,以平均信息共享时延作为网络性能的评价依据。

4.2 时延分析

通过上文的拓扑生成算法之后,入网的节点将生成分布式空中骨干网的三层网络结构,然后将按照生成的时隙分配表所分配的时隙进行数据收发,最后统计数据在全网的平均信息共享时延。本文将根据平均信息共享时延判定算法生成的拓扑结构是否有效。由于仿真中网络采用改进的TDMA协议进行工作,因此平均时延在本仿真中用时隙数表示。本文定义的网络平均共享时延为各节点收到其他节点共享的信息所需时隙数的均值。仿真得到的不同网络规模的平均信息共享时延统计如图7所示。

图7 平均信息共享时延统计图

可以看到,网络拓扑信息平均共享时延与网络节点数成一个大致的线性关系,通过仿真验证当网络规模为100个节点时的平均信息共享时延为52.35个时隙,验证了这种线性关系。当这样的网络作为无线骨干网络时,可以满足节点接入、路由等通信需求。

5 结语

网络的特殊需求,决定了基于Ad-Hoc的空中骨干网组网方法难以满足实际需要,对拓扑动态生成和网络负载能力都提出了更高的要求。本文以空中骨干网在特殊网络中的应用为背景,提出了一种分布式空中骨干网的设计方法,通过更加合理的结构设计实现了资源的有效分配。QualNet仿真结果表明,这种网络可以满足节点接入、路由等通信需求,实现了拓扑快速动态生成,有效地降低了网络负载。

[1] 闫小荣,黄晓燕,彭伟.基于模拟的DTN路由协议性能评估[J].计算机技术与发展,2012(12):1-4.

[2] 张娅岚.空天地网络通信协议发展研究[J].福建电脑,2009(2):38-39.

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[6] 侯君婷.简析DTN网络与传统网络的区别[J].电信快报,2010(4):44-46.

Research and Design of Distributed Air Backbone Network Based on QualNet

LI Xiangyuan ZHANG Zhang LI Yang YIN Jing

(Wuhan Maritime Communication Research Institute, Wuhan 430079)

The air backbone network provides service to other node or network, which is a wireless network of aerial platforms. The frequent topology change and the limited network capacity make it difficult for the traditional networking mode to meet the air backbone network’s need, especially when the kinds of node are large. Improving the traditional networking mode from the resource allocation and structural design, this paper designs a new networking mode to reduce the network load and network cost. At the mean time, this new mode is efficient for the dynamic topology discovery. The imitation results show that this improved networking mode can meet the need of the air backbone network, therefore, extending prospects in the application.

air backbone network, distributed, resource allocation, structural design, QualNet

2014年11月5日,

2014年12月17日

李向远,男,工程师,研究方向:无线通信。

TP393

10.3969/j.issn1672-9730.2015.05.013