基于定向天线的数据链组网邻居发现仿真*

刘宏波，孟 进，赵 奎

（1.海军工程大学舰船综合电力技术国防科技重点实验室，武汉 430033；2.海军工程大学电子工程学院，武汉 430033）

0 引言

数据链组网主要采用全向天线，对于点对点单播业务，存在泄露自身的位置信息的潜在风险；同时，对附近其他节点造成了通信干扰。舰艇编队数据链体系采用一次中继方式完成编队内部的超视距覆盖，但是中继舰船是事先人为指定配置的固定节点，带宽开销大，不具有组网灵活性，抗毁伤能力弱，具有单点失效的网络风险。基于全向天线的无中心移动自组网（MANET）已经采用了频分多址（FDMA）、时分多址（TDMA）甚至码分多址（CDMA），但是无法满足战术通信对网络容量提升的需求。采用定向天线的空分多址（SDMA），可以大幅度提高信道空间复用度，成为新的技术趋势。定向天线与全向天线相比，则具有以下优势：

1）能够提高用户容量。可以在特定的方向上形成窄波束，可以利用空间复用技术提高用户容量。

2）能够降低能量要求。定向天线增益高，在相同功率条件下定向天线比全向天线传输距离更远，这样可以降低能量，对于战术通信意义重大。

3）能够避免节点之间的相互干扰。利用定向天线的方向性，能够减少网络节点间的互相干扰，从而达到有效抗干扰效果。

因此，需要对舰艇编队采用定向天线的数据链组网协议进行改进，高频段高速率收发器配以高增益定向天线就成为了技术发展方向。基于定向天线的邻居发现技术是数据链组网的关键技术，在分析定向数据链组网需求的基础上，通过QualNet网络仿真平台，仿真评估采用定向天线的数据链组网协议支持业务传输的能力。

1 总体设计

1.1 定向天线参数设计

邻居节点发现是定向数据链组网的基础和前提，为了尽快发现自身周围的邻居节点，并让邻居节点发现自己，称为邻居发现过程。当每个节点开机之后，节点在没有邻居节点位置等先验信息的条件下，可以在通信覆盖范围内通过基于互盲算法或者自盲算法协议找到其他节点；同时，也可以被其他节点邻居发现，建立基本通信连接。

定向波束方向图模型如图1所示，定向天线的方向图为一个圆锥状和同心球体，假设主瓣通信距离为30 km，旁瓣通信距离为7.5 km，水平波束宽度15°，垂直俯仰宽度 -40°～+40°。

1.2 邻居发现过程设计

与全向天线不同，定向天线的波束宽度很窄，在任意时刻，任意两个定向数据链节点各自所用的波束方向方位角需要满足以下条件才能相互通信：

其中，θ是发送节点天线波束方向水平方位角，θ'是接收节点天线波束方向水平方位角。

发送和接收波束方向方位角互补关系示意图如图2所示，当节点A和节点B两者之间的发送与接收波束方向方位角具有互补关系才能通信。

图1 定向波束方向图模型

图2 发送和接收波束方向方位角互补关系示意图

定向数据链中采用定向波束的邻居发现不同于采用全向天线的邻居发现，每个窄波束仅能覆盖一个扇面区域，而邻居节点则根据实际使用要求分布在周围360°范围内，需要安排好节点针对时隙、波束等资源的调度，节点入网算法如图3所示。

图3 节点入网算法流程

节点开机后，需要等待邻居发现定时器中断通知，相互发现的邻居节点需要记录发现对方的MAC地址、坐标、方向、时隙、波束等所有信息，并相互约定在紧邻随后的时隙预约子时帧内的某个预约时隙内完成数据时隙信道的分配协商。

预约时隙到来时，邻居节点双方都立即切换到在最近一次邻居发现子时帧内记录的波束方向上，完成一发一收数据时隙协商。协商的结果是邻居节点间分配了一个或者多个单向的数据通信时隙，从而建立起通信链路，并可以开始数据通信过程。

2 邻居发现过程分析

邻居发现主要是以相邻节点间的主瓣收发模式进行的，但是实际当中的定向天线无法做到点波束那样完美，定向天线是具有一定的旁瓣辐射，且辐射强度为主瓣的1/4，故该旁瓣不能忽略，下面分析引入旁瓣干扰情况下的邻居发现过程。

发射功率不变时，根据两个节点之间的通信间距，可以将节点间无线通信分为以下几种情况：

1）节点间距（d）≤旁瓣-旁瓣通信距离（DS-S）

两节点之间可通过主瓣发送-主瓣接收（MTMR）、主瓣发送 -旁瓣接收（MTSR）、旁瓣发送-主瓣接收（STMR）、旁瓣发送-旁瓣接收（STSR）4种方式进行通信。此时节点间相当于基于全向天线通信，一个节点发射会影响同时刻另一节点的正确接收。图4所示两个节点可通过4种模式进行通信，接收节点C总是能够接收到发射节点A的信号。

图4 当d≤DS-S时，相邻节点基于旁瓣-旁瓣、主瓣-旁瓣、主瓣-主瓣可通

2）旁瓣 - 旁瓣通信距离（DS-S）＜节点间距（d）≤主瓣-旁瓣通信距离（DM-S）

两个节点之间可以通过主瓣发送-旁瓣接收（MTSR）、旁瓣发送-主瓣接收（STMR）这两种情况进行通信，即一个使用主瓣、一个使用旁瓣进行通信。如图5所示节点可以通过两种模式通信，当定向发射波束对准全向接收波束，或者定向接收波束对准全向发射波束，才能完成有效通信。

图5 相邻节点基于主瓣-旁瓣可通

3）主瓣-旁瓣通信距离（DM-S）＜节点间距（d）

两个节点之间只能通过主瓣发送-主瓣接收（MTMR）进行通信，即两个节点只能通过主瓣通信。如图6所示节点可以进行通信，此时只有收发双方的定向波束方向对准才能完成通信。

图6 相邻节点基于主瓣-主瓣可通

3 邻居发现算法仿真

为验证基于纯定向波束收发扫描和邻居发现算法的正确性，仿真想定的条件设置如表1所示。

表1 仿真想定的条件设置

基于QualNet网络仿真平台软件，仿真想定的界面设置如图7所示。自左向右依次为节点4、节点1、节点2和节点3，设定节点4和节点3通信距离超过视距。当节点4和节点3相互通信的时候，需要中继通信，可以利用节点1和节点2作为中继节点进行转发通信。

图7 网络拓扑结构

定向邻居扫描过程记录如下页图8所示。图中从左向右可见，节点4与节点1、节点1与节点2、节点2与节点3之间都同时存在双向箭头，表明相距最远的节点4和节点3之间向对方发射的业务流正在进行双向通信。从波束指向来看，节点均为使用定向波束互通。由于数据源和接收端并非邻居节点，所以必须通过路由协议进行中继转发，建立了一条从节点 4＜--＞ 节点 1＜--＞ 节点 2＜--＞ 节点3的定向多跳链路。

图8 邻居发现扫描过程仿真记录

业务消息收发统计如图9和图10所示。图中横轴为收发节点ID，纵轴为收发的数据包个数。可以看到，经过多跳路由转发后，数据发送成功率为100%。

图9 业务源端发送消息个数

图10 业务接收端接收消息个数

基于QualNet网络仿真平台，验证基于纯定向天线的快速邻居发现协议，仿真实验结果表明，验证了基于纯定向窄波束天线的邻居发现过程的正确性，无需全向天线辅助，增强了舰艇编队数据链抗干扰和抗毁伤能力。

4 结论

针对定向天线的数据链网络，网络仿真波形基于 IEEE 802.11a，频段为 5 GHz，速率为 6 Mb/s，通过Qualnet网络仿真平台进行了网络仿真验证。仿真实验结果表明，基于定向天线的数据链邻居发现协议满足定向自组网的设计要求，该协议能够为高动态变化拓扑的舰艇编队，提供高速率、远距离、抗干扰的多跳自组网通信，满足定位、数据、话音、视频、图像业务传输等要求。下一步针对面状、球状等多种形式的定向天线进行建模分析和实际验证。