基于短波信道的无线自组网链路层协议研究

余 海，周安栋

(海军工程大学电子工程学院，武汉 430033)

短波通信的研究中认为短波信道是一个多径衰落信道。短波信道中，多径效应、频率选择性衰落和其他干扰源的存在会影响数据通信传输质量，同时传输距离越远，无线电波传输的质量越难以保证［10］。因此，短波远距离通信和传统无线自组网的多跳、信道接入技术整合，将有助于改善短波传输质量。

1 基于短波信道的无线自组网

通过在传统无线移动自组网数据链链路层协议TDMA基础上，结合短波通信提出一种基于短波信道无线自组网的链路层协议HMCTDMA(HF Multi Channel—TDMA)。主要利用短波信道特点以及定向天线在网络空分复用、天线增益、抗干扰等方面的优势，分析了定向天线用于无线自组网的可能性。

由于短波信道的数据链路层协议与传统无线移动自组网的数据链路层协议相比有较大的差异。因此本文HMCTDMA功能架构主要划分为数据链路层、物理层两层。

2 HMCTDMA协议设计

2.1 HMCTDMA协议空分复用设计

HMCTDMA 协议所采用的天线系统为定向天线技术，定向天线技术在无线移动自组网多信道传输中的应用能够进一步提升网络容量。普通多接口多信道网络的节点m不能大于信道数量c(1≤m≤c)，这是因为若m大于c会产生浪费［5］。但是如果网络采用定向天线，该条件将得到松弛，在采用定向天线的网络，节点m可以大于信道数量c，具体来说，其中θ为定向天线的波束角度(一般小于π)，由于网卡数量选择的范围更宽天线的放置也就更灵活，由于额外的天线，无线移动自组网络能够获得更高的容量［8］。

在HMCTDMA协议中假设定向天线模型的波束角度为θ。天线在任意时刻只能指向一个特定的方向，如图1所示，图1中天线角度指向右边，此时，天线波束能够覆盖的范围为

图1 天线模型

如图2说明了由于节点Xk的天线波束没有覆盖到接收节点Xj，因此节点Xk发送数据的行为不会给Xi的传输带来干扰。

假设节点Xi通过信道fm向节点Xj，节点Xj能够成功接收该数据包的条件为节点Xi天线波束内部不存在任何节点干扰节点Xj的接收。因此，对于其他任意节点Xk同时在同一个信道上进行传输存在保护距离，且满足节点Xk的传输信号不会覆盖节点Xj。

其中，节点Xi不仅表示节点位置同时还表示节点本身。在本模型中，每一个节点都有一个定向天线能够工作在fm信道上。

图2 基于定向接收的干扰模型

2.2 信道分配策略

提出的HMCTDMA协议主要从信道分配的干扰最小化方面入手，通过研究多信道环境下信道干扰及网络负载情况，为达到充分利用信道资源、减少传输干扰等目标，综合考虑信道干扰及负载均衡等因素，研究得出一种最小干扰的信道分配方法［7］。

通过综合考虑现有分配方式的优劣势以及无线移动自组网网络特点，本文采用动态多信道分配算法。

如图3中为无线移动自组网网络示意图。可以看出无线移动自组网网络的一个显著特点，其流量基本是倾斜的，即越是靠近有线网接入点的节点其所负载的流量越大，其信道间的干扰情况就当优先考虑。［1］针对这一特征，对各节点进行分层划分。因此对于越接近根节点控制器的节点，即到根节点最小跳数越小的节点，其层次等级越高，同时在短波通信中一般只存在两跳的现象，因此一条链路中源节点的层次等级最低定为下层，而到根节点的层级定为上层。

图3 无线移动自组网网络结构示意图

在信道分配时，上层节点具有优先选择权，并且不得对较自己层级高的节点产生关联作用，即本节点的信道重新分配，不会导致上层节点联带重新分配。［3］这样可以有效避免某一节点的信道变换扩散全网节点。

信道分配时除考虑该节点的层级外，还需考虑q+1跳内节点的信道使用情况、准备选用的信道i于全网使用次数n、信道i于负载率［6］。结合实际情况，选取记录2跳内节点的信道使用情况。

其中节点间信道负载率η为

式(1)中:C( i)是指信道i的最大传输速率;f[ u( i) ]是指节点u上对应信道i的传输速率，且 f[ u( i) ]≤C( i)。

定义信道i全网负载率∑η:

2.3 路径建立与信道分配

网络建立后，各节点须记录并传递相关数据信息，以便后期进行网络维护等提供依据［2］。这些信息包括:

节点u可用信道集合A( u):初始状态下为全信道集合，节点传输数据时选取某一信道后，从该集合中剔除该信道，传输结束后重新加入该信道;

已用信道集合B( u):初始状态下B( u)=φ，节点传输数据时选取某一信道后，将该信道加入集合，传输结束后剔除该信道;

一跳范围内节点集C( u)内各节点信道使用集Cu(k):Cu(k)初始状态为空集;

两跳范围内节点集D( u)内各节点信道使用集Du(k):Du(k)初始状态下为空集;

信道i使用次数ni:ni采用“逢2进1”方式，即对于通信中的上下两节点u和v各自发出的广播信息，即属于节点u一跳范围内也属于节点v一跳范围内的第三节点w，ni两次增量才计数为ni+1，这样是为了确保使用次数ni与信道实际使用次数相匹配，初始状态下ni=0;

信道i负载率ηi:初始状态下ηi=0;

节点u设备负载率η(u):该值为设备当前工作功率与额定功率比值。

3 性能评估

本文建立的HMCTDMA无线自组网仿真系统为例，利用OPNET仿真软件对其进行仿真。主要通过选取吞吐量(Throughput，bit)，时延(Delay，s)性能参数指标比较来反映HMCTDMA协议网络性能。

3.1 仿真模型

HMCTDMA协议无线自组网仿真系统主要包括2个场景，分别是24个移动节点场景和48个节点场景，采用Opnet里面经典的office场景模式，场景范围为500 km×500 km，拓扑环境为无线移动自组网，信道带宽为3 kHz，仿真模式为Development，并且强制编译模式。时隙为16 ms。具体的仿真环境主场景图和仿真参数具体如图4和图5所示。

图4 24个移动节点场景

图5 48个移动节点场景

3.2 HMCTDMA和TDMA性能比较

1)时延性能比较。HMCTDMA协议和TMDA协议在24节点和48节点场景的时延性能结果图如图6所示。可见HMCTDMA协议在时延稳定性和延时长度上都优于TDMA协议，尤其随着节点的增加，HMCTDMA协议的优势更加明显。

2)吞吐量性能比较。HMCTDMA采用多信道分配和无线自组网多跳技术，提高吞吐量。从图7可见HMCTDMA协议在吞吐量性能上明显由于TDMA协议。

图6 TDMA-HMCTDMA时延性能比较结果

图7 TDMA-HMCTDMA吞吐量性能比较结果

4 结束语

本文主要研究基于短波信道无线自组网数据链路层协议研究，传统TDMA协议单向信道传输降低了网络传输性能，同时无线移动自组网存在移动多跳问题，容易造成信号传输间断［4］。因此，在传统无线移动自组网数据链链路层协议TDMA基础上，结合上述问题引入新技术，提出了一种基于短波多信道的无线自组网的数据链路层协议HMCTDMA。对短波信道特征、协议架构、信道分配方法和天线干扰模式进行了深入研究为拓展短波的应用具有深远意义。

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