一种低速超短波自组网MAC层协议研究

2018-11-21李书杰吕玉静

无线电工程 2018年12期

李书杰，荣柱，吕玉静，秦茜

(1.海军参谋部信息通信局，北京 100841；2.中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北石家庄 050081)

0 引言

无线通信网络无需架设固定线路，并能够灵活、方便地为用户提供随时随地的通信服务。近年来，无线通信不论在商业应用还是军事应用上均得到了巨大的发展。无线通信可以分为有基础设施的无线通信(大多数的民用无线网络，例如GSM，WiFi等等)和无基础设施的无线通信，这里的基础设施一般是指基站[1]。由于战术应用环境的特殊性，即缺乏通信基础设施的支撑，战术电台通常需要符合无中心、自组织、自愈合的要求，同时节点的移动性使得网络拓扑结构具有高度动态变化的特征。另一方面，在作战集结、行军、作战展开等不同应用场景和地域环境里，节点规模和节点密度也会呈现很大的变化[2-4]。因此，自组网(MANET)技术在军事上的应用越来越广泛。

MANET的起源可追溯到20世纪70年代。最早的MANET技术脱胎于ALOHA技术[5]。所谓ALOHA协议就是最早最基本的无线数据通信协议，可实现单点到多点的数据通信。但是ALOHA协议因为没有路由访问功能，所以属于单跳协议，相比之下，MANET的协议则可以实现大规模网络的多跳功能[5-6]。MANET由于其自组织、自愈合和抗毁性强等自身特点，从一诞生开始就倍受各国军方用户的重视，当前MANET的研究成果主要集中在美国，在过去将近半个世纪的不断探索中，积累了丰富的实战经验[7]。特别是近30年，美军举行了多次基于MANET的演习，并且不断提升演习的规模和复杂程度，进一步验证了MANET在野战环境下的优异性能[8]。不过欧洲也已经开始考虑将MANET网作为中继，用以扩大第二代及第三代移动通信系统的覆盖范围和提高在网络或链路发生故障时系统的鲁棒性，目前已建立了一种称为A-GSM的实验系统[9]。虽然我方在MANET技术方面做了一定的预研，也有了一定的技术储备，但是距离真正将MANET组网方式应用于现有的战术通信网，还需要一定的时间[10]。

在自组网所使用的波段内，频谱资源异常宝贵，而电磁环境又往往十分恶劣，超短波信道具有以下优势：① 超短波波长较长，能绕射过信道中的高大建筑物，通信距离可达几十km[11-12]。② 超短波通信相比于短波通信，带宽更宽、信噪比更高，比较适合宽带业务传输[13-14]。因此，超短波技术在自组网设备中的应用越来越受到关注。

低速自组网波形虽然不支持宽带业务传输，但是具有极高的接收灵敏度和稳定性，以及非常好的隐蔽性，可应用于新型多频段电台的研制，支撑联合战术通信系统型号研制[15]。

本文提出了一种新的低速自组网波形MAC层协议，该协议采用TDMA作为MAC层协议基础，以及改进的OLSR作为路由协议。另外，该协议容易在软件无线电(SDR)平台上实现，而SDR平台技术具有低功耗、方便加载不同波形的优点。仿真结果表明，本文提出的低速自组网波形协议可以容纳较大的网络规模、较小的开销、较短的组网时间和传输时延。

1 低速超短波自组网协议

1.1 时隙帧结构

本文研究的低速超短波自组网协议，选择基于TDMA架构进行MAC层接入算法设计。基于TDMA 技术的架构在自组织网络实现中最为成熟。FDMA 的多址方式，频点管理与节点硬件复杂度非常高，节点个数受限，极少被MANET 组网设计采用；CDMA 的多址方式，由于其“远近效应”，需要在终端节点与中心节点之间进行功率控制，实现复杂度高、成本巨大，且更适用于大规模节点网络。相对于上述2种多址接入方式，TDMA 最为适用于本文的低速超短波自组网协议。

在该组网系统中，每个时帧由3部分组成：上行预约时隙(Uplink Reservation Slot，URS)、下行控制时隙(Downlink Control Slot，DCS)和数传时隙(Data Transmmition Slot，DTS)，如图1所示。其中，URS与DCS作为网络的控制信道，其功能是在中心节点与普通节点之间进行邻居发现信息的传输、网络的建立以及普通节点向中心节点预约数传时隙。

图1 时隙帧结构

URS的传输方向是从终端节点到中心节点方向，或者是从终端节点到(相对于中心节点)下一跳普通节点方向，其作用是节点进行预约信息、转发信息的传输。

DCS的传输方向是从中心节点到终端节点方向，其作用是对预约进行确认，并且下发广播时隙占用表以及网络维护等信息。

DTS的传输方向是从终端节点到终端节点方向，其作用是通过传输包内的目的地址域，实现点到点的传输，以及在邻居发现阶段为节点上行申请时隙，网络建立后为话音、数据信息业务传输的时隙。

时帧为连续设置，一个时帧时长Tframe=200 ms，其中上行预约时隙时长TURS=35 ms，下行控制时隙时长TDCS=35 ms，数传时隙时长TDTS=130 ms。

因此，

Tframe=TURS+TDCS+TDTS。

其中控制时隙实际有效传输为34.42 ms，预留0.58 ms保护间隔，数传子时隙预留0.29 ms，作为时隙同步、传输延迟、设备处理延迟的保护时间间隔。

URS，DCS具体信息内容格式如表1和表2所示。

表1 URS上行时隙控制字设计

状态字(4 bits)源ID计数字(5 bits)目的ID计数字(5 bits)CRC校验(8 bits)说明(共20 bits)000000010010自身节点ID帧号计数器1^11循环计数收到的最近的终端节点的ID号。帧号计数器对前13 bits的CRC校验该状态表示IDLE状态,未有业务发送该状态表示收到终端节点的URS信息,在IDLE状态下对其进行回应/转发收到自身业务需求,申请时隙占用

表2 DCS下行时隙控制字设计

状态字(4 bits)ID计数字(5 bits)CRC校验(8 bits)说明(共16 bits)0000帧号计数器1^11循环计数0001允许其使用信道的节点ID0010最近一次使用信道的节点ID对前8 bits的CRC校验该状态表示IDLE状态,允许节点发送时隙申请该状态表示接收到节点的时隙使用申请,且允许使用(此时信道对别的节点禁止发送)“信道释放中”状态,该状态表示下一帧进入“0000”状态,当前帧不可用

1.2 网络建立过程

网络建立过程为各个节点从开机至各节点形成网络的过程。本文提出的低速超短波自组网MAC层协议支持无卫星授时的网络同步，由中心节点与终端节点共同完成网络建立过程。节点开机以后，在网络建立之前，各个节点完成参数预设。网络建立的过程：各个节点将自身的时隙调整到与中心节点对齐，中心节点获取整个网络的节点信息，包括节点个数、ID与拓扑结构。该过程利用帧结构中的URS和DCS时隙。

在本文提出的低速超短波自组网的网络建立过程中，各个终端节点使用与其ID对应的帧号，发送URS信息，这样可以保证全网所有节点在开机的情况下可发送URS信息，且可以得到有效的转发，并在中心节点完成注册，使网络建立收敛于一个完备的状态，各个节点的信息均记录于中心节点。

拓扑示例图如图2所示。以图2为例进行网络建立的说明，其中0号节点为中心节点，1/2/3号节点为终端节点，连线表示节点之间可通信，因此2号节点在中心节点2跳距离。为方便起见，在本节后续的原理说明过程中，均以图2为例。

图2 拓扑示例

中心节点(0号节点)开机后进入“网络建立”状态。该状态下，中心节点在每帧的“ID计数字”域，发送循环计数器，计数范围为1～11，表示自身计数的帧号，对应网络内其余节点数；当中心节点收到其他节点的URS信息时解读其状态，若是自身节点ID在其对应的时隙发送，则表示该节点在一跳范围内，中心节点将其记录于自身的节点登记缓存；若接收到的信息为该节点转发的节点信息，则表示发送节点在一跳范围外，中心节点读取同样其“目的ID记数字”域，并记录于自身节点登记缓存。经过多个周期的上述过程的迭代，中心节点将自身状态更新为“网络建立”状态。

该网络支持4跳范围的节点距离。设定中心节点距最远的节点为4跳距离，那么一次迭代的时间可以定义为中心节点的DCS信息到达“最远”节点，且最远节点在其对应的帧发送了URS信息并返回至中心节点的时间。一次迭代时间为7个循环时帧，即15.4 s。不同的拓扑结果，在转发URS信息上花费的时长不同。综合考虑，经过6次上述信息的发送、反馈与收集过程，网络建立结束。总时长92.4 s，该时长对满足各种拓扑下DCS/URS的转发与通信，余量完备，且支持网络节点的先后开机流程。

终端节点在开机后进入“等待接收DCS”状态。对于与中心节点在一跳范围内的终端节点，如节点1，3，在接收到中心节点的DCS信息后，在对应于自己ID号的帧内(1号帧、3号帧，帧号已经经过中心节点同步)发送URS信息，表示状态为“接收到DCS”；若终端节点(2号节点)不在中心节点一跳范围内，则该节点不会收到DCS信息，只会收到3节点的URS信息，该节点将以此收到URS信息的时刻进行自身计时器的同步。而后在紧接着在下一个自身的帧内发送URS信息，表示状态为“接收到URS信息，回应URS信息”。3号节点在2号帧收到该URS信息，则在自身的3号帧上报URS信息，修改其状态，表示转发2号节点的信息，“目的ID记数字”发送ID2，完成URS信息的转发。此时中心节点收到该URS信息，解析包的内容，将2号节点进行登记。

该网络系统经过多个帧周期的遍历后，各个节点均可收到中心节点的DCS，中心节点亦可通过其一跳范围的节点的URS收到网络内所有节点的信息，并将其更新、记录于自身的节点信息缓存中。状态计时结束，中心节点与终端节点均将自身状态变为“网络建立”，则网络完成网络建立。

1.3 时隙接入原理

在网络运行过程中，各个终端节点无业务的情况居多，而突发的业务又需要得到快速的响应。基于上述特点，本文的协议采用“动态预约和随机竞争”的方式。每个终端节点根据自身业务需求对时隙发起申请，MAC层在收到业务请求后立即发送URS信息，而无需等到与自身ID对应的帧内发URS，这样即是“动态”地进行预约，使得响应速度更加快速。对可能出现的时隙冲突情况，则采用802.11协议中的CSMA/CD机制进行冲突检测与规避，从而能够保证节点的可靠接入，不失公平性，达到“随机竞争”的效果。

中心节点在网络建立的过程中，通过其一跳邻居的URS信息收集，建立了全网的节点状态表。中心节点在网络建立后会一直维护该表格，并记录网络节点的拓扑信息，若某节点要往另一节点发送信息，则中心节点可知其路径。4号节点时隙接入拓扑示例如图3所示。

图3 4号节点时隙接入拓扑示例

图3是在图2的基础上增加了一跳邻居4号节点，以说明3/4跳节点的时隙接入流程。

中心节点(0号节点)在网络建立的过程中，通过其一跳邻居的URS信息收集，建立了全网的节点状态表。该表格在一直保持更新维护状态，若某节点要往另一节点发送信息，则中心节点可知其路径。

中心节点的状态机开始运行于“网络建立”的状态，完成网络建立后跳转至工作的IDLE状态，表示允许网络中的节点申请时隙。以图3为例，在网络完成建立以后的某时刻，1号节点产生了业务需求，目的节点为2号节点，则1号节点立即发起URS信息，表示申请使用数传时隙。0号节点收到1号节点发送的URS信息后，会进行判决、链路转发计算，并更新状态机状态，在下一个DCS发送信息，将计算结果广播“全网”，DCS的使用流程如下：

① 下发DCS信息，表示后续N帧由1号节点占用数传时隙；若在N帧时间内1号节点业务发送完成，则1号节点将在其URS信息中发送释放时隙信息，否则中心节点通过DCS强制结束其使用时隙，并安排转发节点3号节点占用时隙。通知时隙占用的DCS信息在第N帧发出，即在第(N+1)帧1号时隙将不能再使用数传时隙。

② 3号节点使用时隙后，在自身的URS信息中发送时隙占用的时长、路由信息，“告知”2号节点，起到DCS的作用，完成多跳链路的建立。同时在数据时隙对1号节点的信息进行转发，数据信息发送至2号节点，则完成数据传输。

③ 在上述过程中，N作为中心节点内部设置的参数，表示某节点占用时隙的超时上限，若某时隙开始占用当前帧进行传输，且在第N帧时间内未收到来自该节点的释放时隙的URS信息，就发送包含强制释放信息的DCS。

④ 对于目的节点在多跳的传输情景。中心节点的DCS信息将在转发节点被转发(如步骤②中所述)，3号节点将对该信息进行转发，在自己的URS信息中，起到DCS的作用。假设3跳情景，2号节点仍有一个单独连接的4号节点，则在上述过程中，在3号节点释放时隙后，2号节点使用时隙。2号节点使用时隙的行为，由中心节点做出，并通过DCS下发，由3号节点在其URS中发送至2号节点。2号节点在第3个N帧时长内，转发数据信息，到达3跳的目的节点。

1.4 冲突退避机制

方案在时隙竞争的冲突处理方面，采用802.11协议中的CSMA/CD机制，进行冲突检测与规避，从而能够保证节点的可靠接入，不失公平性，解决“隐藏节点”与“竞争冲突”的问题。该机制可进一步提高信道的利用效率及网络吞吐率。

节点在网络建立之后，所有的URS均为共用状态，共同侦听与发送申请，以保证信息传输、时隙占用的时效性。对于可能的数据冲突，进行的冲突退避控制，其过程包含侦听、发送、检测和冲突处理4个处理内容。

侦听：节点在公共信道上接收信息，是否收到其他节点的URS时隙占用申请、或中心节点下发的时隙分配信息，线路是否被占用；若“忙”则进入后述的“退避”处理程序，进行反复侦听工作。若“闲”，则根据一定算法原则，在业务到达后决定如何发送。

发送：当确定要发送后，在URS发送时隙占用申请的信息。

检测：数据发送后，可能发生数据碰撞。若M帧内未收到来自中心节点的DCS信息(DCS信息应对URS的时隙申请给予明确的应答)，则判定数据发生碰撞。

冲突处理：当确认发生冲突后，网络系统进入冲突处理程序。冲突情况可分为2种：一是业务到达后侦听，发现信道忙；二是发送URS后发现数据碰撞。对于第1种情况，则等待一个延时后再次侦听，若仍然忙，则继续延迟等待，一直到可以发送为止。每次延时的时间不一致，由退避算法确定延时值；第2种情况，若发送过程中发现数据碰撞，先发送阻塞信息，强化冲突，再进行侦听工作，以待下次重新发送。

2 仿真与分析

2.1 仿真环境及参数设置

OPNET Modeler是一套集开发和应用为一体的通信系统模拟软件，能够准确地分析复杂网络的性能和行为，在网络模型中的任意位置都可以插入标准的或用户指定的探头，以采集数据和进行统计。本文使用版本号为14.5的OPNET Modeler，通过设计节点模型、进程模型与核心状态机机制的算法对场景进行仿真。