《電子技術(shù)應(yīng)用》
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一種基于多信道分簇結(jié)構(gòu)Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的簇間中繼實(shí)現(xiàn)方案
2016年微型機(jī)與應(yīng)用第09期
王迪
(南京郵電大學(xué) 通信與信息工程學(xué)院,江蘇 南京 210003)
摘要: 針對(duì)大規(guī)模應(yīng)急救援場(chǎng)景,將多信道接入信道利用率高、網(wǎng)絡(luò)吞吐量大的優(yōu)點(diǎn)與分簇式Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)減少開(kāi)銷、便于管理的特征相結(jié)合,設(shè)計(jì)出基于分簇結(jié)構(gòu)的Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)模型,提出了與之相對(duì)應(yīng)的支持多業(yè)務(wù)的多信道混合接入?yún)f(xié)議。在此協(xié)議基礎(chǔ)上,對(duì)節(jié)點(diǎn)間通信方案進(jìn)行了探討,并詳細(xì)闡述了簇間中繼通信的實(shí)現(xiàn)方案及流程。
Abstract:
Key words :

  王迪

  (南京郵電大學(xué) 通信與信息工程學(xué)院,江蘇 南京 210003)

  摘要:針對(duì)大規(guī)模應(yīng)急救援場(chǎng)景,將多信道接入信道利用率高、網(wǎng)絡(luò)吞吐量大的優(yōu)點(diǎn)與分簇式Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)減少開(kāi)銷、便于管理的特征相結(jié)合,設(shè)計(jì)出基于分簇結(jié)構(gòu)的Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)模型,提出了與之相對(duì)應(yīng)的支持多業(yè)務(wù)的多信道混合接入?yún)f(xié)議。在此協(xié)議基礎(chǔ)上,對(duì)節(jié)點(diǎn)間通信方案進(jìn)行了探討,并詳細(xì)闡述了簇間中繼通信的實(shí)現(xiàn)方案及流程。

  關(guān)鍵詞:Ad Hoc網(wǎng)絡(luò);多信道接入;分簇結(jié)構(gòu);簇間中繼

0引言

  與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)相比,Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)無(wú)需依賴于任何預(yù)先布置的固定基礎(chǔ)設(shè)施,具有網(wǎng)絡(luò)方便快捷、靈活性高、抗毀性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn),在軍事戰(zhàn)場(chǎng)、緊急救災(zāi)、公共服務(wù)等場(chǎng)合發(fā)揮了重要作用,也成為近年來(lái)人們研究的熱點(diǎn)。Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可以分為平面式和分簇式兩種[12],平面結(jié)構(gòu)可擴(kuò)充性差,適合于小規(guī)模網(wǎng)絡(luò),而在大規(guī)模應(yīng)急救援時(shí)網(wǎng)內(nèi)節(jié)點(diǎn)數(shù)量較多且不斷變化,采用分簇結(jié)構(gòu)將更加適合。

  在Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)中,節(jié)點(diǎn)能量有限,發(fā)射功率較小,輻射范圍有限,往往需要多跳才能達(dá)到目的節(jié)點(diǎn),如果使用單信道通信,可能導(dǎo)致隱藏/暴露終端的問(wèn)題[3],影響MAC協(xié)議的性能。為了解決該問(wèn)題,人們提出了多信道MAC協(xié)議,它不僅可以解決隱藏/暴露終端問(wèn)題,還能提高網(wǎng)絡(luò)吞吐量,容納更多的用戶,更適合于分簇結(jié)構(gòu)的Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)。因此,本文將基于多信道分簇結(jié)構(gòu)Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的框架進(jìn)行討論。

1相關(guān)工作

  目前,關(guān)于分簇結(jié)構(gòu)Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)通信方案的理論研究[47]有很多,其中簇間通信的職責(zé)由簇頭承擔(dān),而簇頭本身還需要對(duì)簇內(nèi)普通節(jié)點(diǎn)進(jìn)行維護(hù)管理,當(dāng)簇頭節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障時(shí),該簇將與其他簇失去連接,成為網(wǎng)絡(luò)性能提升的瓶頸。參考文獻(xiàn)[810]中對(duì)于該問(wèn)題提出了不同的改進(jìn)方法,但都是基于優(yōu)化簇頭選舉和分簇算法的,并沒(méi)有真正解決簇頭負(fù)擔(dān)過(guò)重的問(wèn)題。參考文獻(xiàn)[11]提出了用網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)來(lái)轉(zhuǎn)發(fā)簇間通信,但是當(dāng)兩個(gè)歸屬于不同簇的節(jié)點(diǎn)可以直達(dá)時(shí),如果仍然交給固定的網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā),則無(wú)法實(shí)現(xiàn)最優(yōu)路徑,造成一定的資源浪費(fèi)。

  另一方面,在分簇結(jié)構(gòu)Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上,結(jié)合多信道MAC協(xié)議的研究目前還比較少。參考文獻(xiàn)[12]雖然為簇內(nèi)和簇間通信提供了基于分簇結(jié)構(gòu)的多信道調(diào)度算法,但是其只適合基于時(shí)隙分配的通信,不適合突發(fā)業(yè)務(wù)。參考文獻(xiàn)[13]也提出了一種基于分簇結(jié)構(gòu)的多信道管理協(xié)議,并為不同的業(yè)務(wù)需求提供了競(jìng)爭(zhēng)和非競(jìng)爭(zhēng)兩種類型,但仍然存在頻譜資源管理復(fù)雜、簇間通信依靠指定節(jié)點(diǎn)存在瓶頸等問(wèn)題。參考文獻(xiàn)[1416]都是基于車載無(wú)線自組織網(wǎng),這是一種特殊的移動(dòng)性自組織網(wǎng),其中節(jié)點(diǎn)高速移動(dòng)、電量充足,不適合應(yīng)急救援場(chǎng)景。

  本文基于多信道分簇Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ),針對(duì)節(jié)點(diǎn)間通信,特別是簇間通信提出一套實(shí)現(xiàn)方案。首先定義了系統(tǒng)的模型框架和運(yùn)行機(jī)制,并提出了基于分簇結(jié)構(gòu)的多信道混合接入?yún)f(xié)議,用于滿足不同服務(wù)質(zhì)量 (Quality of Service, QoS)需求的業(yè)務(wù),最后針對(duì)簇間中繼提出了具體的實(shí)現(xiàn)方案。

2系統(tǒng)模型

  在應(yīng)急救援場(chǎng)景下,Ad Hoc自組織網(wǎng)絡(luò)需要支持多業(yè)務(wù)通信,如信令、短數(shù)據(jù)包等對(duì)實(shí)時(shí)性要求不高的業(yè)務(wù),以及語(yǔ)言、視頻等對(duì)時(shí)延和帶寬都有一定要求的實(shí)時(shí)業(yè)務(wù),因此本文采用了多用戶混合信道接入機(jī)制,在IEEE 802.11e MAC協(xié)議[17]的基礎(chǔ)上提出以下更適合多信道分簇結(jié)構(gòu)Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)模型。

  系統(tǒng)寬帶被分為1個(gè)公共控制信道 (Common Control Channel, CCC)和n-1個(gè)數(shù)據(jù)信道 (Delicated Channel, DCH)。網(wǎng)絡(luò)中全局共享CCC信道,每個(gè)簇都有屬于自己的數(shù)據(jù)信道DCHi,簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)都在該頻點(diǎn)收發(fā)數(shù)據(jù)。為了實(shí)現(xiàn)多信道通信方案,節(jié)點(diǎn)必須至少配備兩個(gè)接收機(jī)分別監(jiān)聽(tīng)CCC信道和DCHi信道,綜合考慮通信效率和設(shè)備成本,本文采用由一個(gè)半雙工發(fā)送機(jī)和兩個(gè)半雙工接收機(jī)構(gòu)成的硬件設(shè)備來(lái)完成通信任務(wù)。

  在分簇結(jié)構(gòu)的Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)中,節(jié)點(diǎn)分為主控節(jié)點(diǎn)、簇頭節(jié)點(diǎn)、普通節(jié)點(diǎn)和中繼節(jié)點(diǎn)4種類型。其中主控節(jié)點(diǎn)通過(guò)管理簇頭節(jié)點(diǎn)來(lái)管理整個(gè)網(wǎng)絡(luò),簇頭節(jié)點(diǎn)管理本簇內(nèi)的普通節(jié)點(diǎn),中繼節(jié)點(diǎn)用于不能直連的節(jié)點(diǎn)間的通信。網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示。簇B中簇頭用B表示,簇內(nèi)普通節(jié)點(diǎn)用b1、b2表示,簇內(nèi)數(shù)據(jù)信道用DCHB表示,以此類推。  

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3基于分簇結(jié)構(gòu)的多信道混合接入?yún)f(xié)議

  信道周期性地劃分為幀來(lái)進(jìn)行多用戶、多業(yè)務(wù)的接入管理。每個(gè)超幀由N個(gè)長(zhǎng)度相等的復(fù)幀構(gòu)成。在每個(gè)復(fù)幀頭部,主控/簇頭節(jié)點(diǎn)在CCC/DCHi信道廣播BEACON幀,用于節(jié)點(diǎn)同步、告知CFP時(shí)隙分配表等。每個(gè)節(jié)點(diǎn)會(huì)周期性地在CCC信道上發(fā)送身份廣播幀(HELLO幀),用于向周圍節(jié)點(diǎn)告知自己的節(jié)點(diǎn)信息以及兩跳范圍內(nèi)的鄰居節(jié)點(diǎn)表。每個(gè)復(fù)幀可分為競(jìng)爭(zhēng)時(shí)段 (Contend Period, CP)和非競(jìng)爭(zhēng)時(shí)段(Contend-Free Period, CFP),分別對(duì)應(yīng)時(shí)隙競(jìng)爭(zhēng)接入和時(shí)隙分配接入。在CP時(shí)段,節(jié)點(diǎn)間采用CSMA/CA機(jī)制避免碰撞,適合傳輸控制幀、短數(shù)據(jù)包等突發(fā)業(yè)務(wù);在CFP時(shí)段,節(jié)點(diǎn)采用TDMA接入方式,把信道劃分為若干個(gè)時(shí)隙,每個(gè)時(shí)隙內(nèi)只允許一個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)幀,每個(gè)節(jié)點(diǎn)根據(jù)自身業(yè)務(wù)需求在CP時(shí)段發(fā)送時(shí)隙申請(qǐng)幀,并等待主控/簇頭在BEACON幀中廣播時(shí)隙分配表,適合實(shí)時(shí)的長(zhǎng)數(shù)據(jù)包傳輸。

  本系統(tǒng)模型的優(yōu)點(diǎn)在于可根據(jù)業(yè)務(wù)需求靈活變化。因?yàn)槊恳粡?fù)幀內(nèi)CFP時(shí)段開(kāi)始時(shí)間由主控/簇頭控制并在BEACON幀中廣播,當(dāng)網(wǎng)內(nèi)節(jié)點(diǎn)數(shù)較多,需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)業(yè)務(wù)量大時(shí),可以適當(dāng)縮短CP時(shí)段長(zhǎng)度,在CFP時(shí)段多安排幾對(duì)通信節(jié)點(diǎn);當(dāng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓螅枰罅康目刂茙芾砀聲r(shí),可以適當(dāng)延長(zhǎng)CP時(shí)段長(zhǎng)度,減少數(shù)據(jù)傳輸。此外,當(dāng)主控/簇頭在分配時(shí)隙時(shí),會(huì)根據(jù)業(yè)務(wù)類型的重要性、節(jié)點(diǎn)權(quán)值等信息進(jìn)行判斷,并且在將時(shí)隙分配出去后,仍對(duì)信道保持監(jiān)聽(tīng),如果連續(xù)若干個(gè)復(fù)幀內(nèi),某個(gè)被分配的時(shí)隙段都沒(méi)有數(shù)據(jù)傳輸,主控/簇頭將收回該時(shí)隙段重做安排。通過(guò)上述方式,可大大提高信道利用率,保證通信質(zhì)量。

4簇間中繼實(shí)現(xiàn)方案

  對(duì)于分簇結(jié)構(gòu)的Ad Hoc網(wǎng)絡(luò),節(jié)點(diǎn)之間的通信可以分為簇內(nèi)通信和簇間通信。對(duì)于簇內(nèi)通信,節(jié)點(diǎn)可以通過(guò)HELLO幀獲得本地路由表直接通信。

  在本方案中,簇間通信不再依賴于某一節(jié)點(diǎn),而是根據(jù)自身的路由信息找到最佳路徑。由于每個(gè)簇的數(shù)據(jù)信道頻點(diǎn)不同,節(jié)點(diǎn)之間無(wú)法直接通信,需要切換信道或者借助中繼節(jié)點(diǎn)才能實(shí)現(xiàn)連接。對(duì)于非實(shí)時(shí)業(yè)務(wù),只需在發(fā)送時(shí)切換頻點(diǎn)便可實(shí)現(xiàn)簇間通信,而實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)的通信比較復(fù)雜,具體分為以下3種情況:(1)節(jié)點(diǎn)之間為鄰居節(jié)點(diǎn),可以直達(dá);(2)節(jié)點(diǎn)之間為兩跳路由,需要一個(gè)同簇中繼節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā);(3)節(jié)點(diǎn)之間為兩跳路由,中繼節(jié)點(diǎn)與收發(fā)雙方均不同簇。至于更復(fù)雜的情況,會(huì)導(dǎo)致時(shí)延過(guò)長(zhǎng),且跨越多個(gè)簇,網(wǎng)絡(luò)情況難以預(yù)測(cè),可以參考文獻(xiàn)[810],借助簇頭甚至主控節(jié)點(diǎn)發(fā)射功率大、輻射范圍廣的特點(diǎn)減小簇間跳數(shù)實(shí)現(xiàn)通信,本文不再贅述。

  4.1簇間一跳節(jié)點(diǎn)通信方案

  當(dāng)簇間一跳節(jié)點(diǎn)如圖1中a1、b1所示,通信雙方在彼此的功率輻射范圍內(nèi),節(jié)點(diǎn)能在CCC信道上收到對(duì)方廣播的HELLO幀,并知道對(duì)方所在的簇號(hào)以及數(shù)據(jù)信道的頻點(diǎn),此時(shí)與簇內(nèi)通信情況大致相同,具體通信流程如圖2所示。

  

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  節(jié)點(diǎn)a1先在CCC信道CP時(shí)段向b1發(fā)送簇間時(shí)隙申請(qǐng)幀,該幀中包括了目的節(jié)點(diǎn)ID號(hào)、要發(fā)送的數(shù)據(jù)幀長(zhǎng)度等信息,由于所有節(jié)點(diǎn)都在CCC信道上監(jiān)聽(tīng),可以有效避免碰撞。b1收到后得知不同簇的節(jié)點(diǎn)a1要向自己發(fā)送實(shí)時(shí)業(yè)務(wù),即替a1向簇頭B申請(qǐng)DCHB信道CFP時(shí)隙段。簇頭B收到簇間時(shí)隙申請(qǐng)之后,不同于一般的簇內(nèi)時(shí)隙申請(qǐng)幀會(huì)得到一對(duì)時(shí)隙,簇間一跳通信只需要一個(gè)時(shí)隙,并在下一復(fù)幀開(kāi)始通過(guò)BEACON幀廣播。節(jié)點(diǎn)b1收到DCH_BEACON幀后記錄下a1被分配的時(shí)隙段,并通過(guò)簇間時(shí)隙回應(yīng)幀告知a1。與此同時(shí),為了減小簇間通信時(shí)延,a1在向b1發(fā)送簇間時(shí)隙申請(qǐng)幀之后,將發(fā)送信道立即切換到DCHA上,替b1向本簇簇頭A申請(qǐng)DCHA信道一個(gè)CFP時(shí)隙。

  4.2簇間兩跳節(jié)點(diǎn)通信方案

  當(dāng)收發(fā)雙方在兩跳范圍內(nèi),通過(guò)自己周圍鄰居節(jié)點(diǎn)廣播的HELLO幀中一跳節(jié)點(diǎn)表能找到對(duì)方,即在本地的二級(jí)鄰居節(jié)點(diǎn)表中找到目的節(jié)點(diǎn),則將該一級(jí)鄰居節(jié)點(diǎn)作為中繼節(jié)點(diǎn);如果存在多個(gè)一級(jí)鄰居節(jié)點(diǎn)能到達(dá)的節(jié)點(diǎn),那么將根據(jù)信道狀態(tài)、剩余電量、移動(dòng)性等評(píng)估節(jié)點(diǎn)權(quán)值,綜合選出最適合的節(jié)點(diǎn)作為中繼節(jié)點(diǎn)。此時(shí)又分為兩種情況:

  (1)中繼節(jié)點(diǎn)與其中一個(gè)節(jié)點(diǎn)同簇

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  如圖1所示,當(dāng)b2想與c4通信并選擇c3作為中繼節(jié)點(diǎn)時(shí),通信流程如圖3所示。圖3簇間兩跳節(jié)點(diǎn)通信流程圖(中繼節(jié)點(diǎn)與其中一者同簇)首先,b2在本地路由表中找到最適合中繼的節(jié)點(diǎn)c3后,會(huì)先替候選c3向本簇簇頭B申請(qǐng)1個(gè)簇間時(shí)隙,收到B分配的時(shí)隙后,b2以高優(yōu)先級(jí)發(fā)送中繼請(qǐng)求幀,告知c3為候選節(jié)點(diǎn),中繼轉(zhuǎn)發(fā)與c4的通信,并附帶已申請(qǐng)的簇內(nèi)CFP時(shí)隙和要發(fā)送的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度;c3隨后向c4發(fā)送簇間時(shí)隙申請(qǐng)幀,并告知源節(jié)點(diǎn)是b2,自己是中繼一跳節(jié)點(diǎn);c4收到后向簇頭C發(fā)送簇間申請(qǐng)幀,替自己和b2、c3一共申請(qǐng)3個(gè)時(shí)隙,簇頭C廣播回應(yīng)后,簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)c3、c4會(huì)解析出被分配的時(shí)隙段,c3也會(huì)記錄下b2被分配的時(shí)隙段,通過(guò)中繼確認(rèn)幀告知,并將自己的節(jié)點(diǎn)屬性改為中繼節(jié)點(diǎn)(發(fā)送優(yōu)先級(jí)更高)。當(dāng)b2收到c3的中繼回應(yīng)幀表明簇間中繼請(qǐng)求成功,b2、c3、c4只需要在被分配的時(shí)隙選擇對(duì)方的信道發(fā)送數(shù)據(jù)幀即可。

  (2)中繼節(jié)點(diǎn)與兩個(gè)節(jié)點(diǎn)均不同簇

  如圖1中,c1要與d1建立通信,與(1)大致相同,只不過(guò)中繼節(jié)點(diǎn)e1需要替c1、d1向簇頭E申請(qǐng)兩個(gè)時(shí)隙,通信節(jié)點(diǎn)c1和d1要分別替e1申請(qǐng)一個(gè)時(shí)隙。限于篇幅不再詳述。

  值得一提的是,本文提出的基于分簇結(jié)構(gòu)的多信道混合接入?yún)f(xié)議,會(huì)對(duì)分配后的時(shí)隙實(shí)時(shí)監(jiān)控,監(jiān)聽(tīng)已分配的時(shí)隙段是否有數(shù)據(jù)傳輸,如果連續(xù)多個(gè)復(fù)幀都沒(méi)有使用則將時(shí)隙收回。而上述方案中,簇頭C在為e1分配時(shí)隙后,由于鏈路存在多跳時(shí)延,可能存在連續(xù)多個(gè)復(fù)幀內(nèi)都沒(méi)有數(shù)據(jù)傳輸,因此簇頭C可推遲幾個(gè)復(fù)幀再進(jìn)行分配,避免資源浪費(fèi)。

5結(jié)論

  本文根據(jù)現(xiàn)有的應(yīng)急救援需求,充分利用分簇結(jié)構(gòu)Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)分簇管理的特征,結(jié)合多信道接入方案信道利用率高、網(wǎng)絡(luò)吞吐量大的優(yōu)點(diǎn),在現(xiàn)有的IEEE 802.11e 接入方案的基礎(chǔ)上,提出了基于分簇結(jié)構(gòu)的多信道混合接入?yún)f(xié)議,滿足了不同業(yè)務(wù)的QoS需求。網(wǎng)絡(luò)中的硬件設(shè)備由一個(gè)半雙工發(fā)送機(jī)和兩個(gè)半雙工接收機(jī)構(gòu)成,既滿足了多信道接入的需求,又不需要頻繁地切換信道,是成本與性能折中后的最佳方案。在此基礎(chǔ)上,對(duì)節(jié)點(diǎn)通信方案進(jìn)行了研究,并針對(duì)相對(duì)復(fù)雜但現(xiàn)有研究比較少的簇間中繼通信的情況,給出了詳細(xì)的實(shí)現(xiàn)方案。該方案結(jié)合分簇、多信道的優(yōu)點(diǎn),管理靈活,簡(jiǎn)單易實(shí)現(xiàn),對(duì)于實(shí)踐具有較好的參考作用。未來(lái)工作將進(jìn)一步完善多信道分簇結(jié)構(gòu)Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的接入?yún)f(xié)議和實(shí)現(xiàn)方案,結(jié)合應(yīng)急通信的特殊環(huán)境,進(jìn)一步優(yōu)化方案,將本方案在硬件平臺(tái)上進(jìn)行實(shí)現(xiàn)并驗(yàn)證。

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