一种基于定向天线的自组网多址接入协议*

2015-07-10中国电子科技集团公司第三十研究所四川成都610041

通信技术 2015年2期

宋滔,白翔(中国电子科技集团公司第三十研究所,四川成都610041)

一种基于定向天线的自组网多址接入协议*

宋滔,白翔
(中国电子科技集团公司第三十研究所,四川成都610041)

文中提出一种基于定向天线的自组织网多址接入协议DA-STDMA。该协议利用方向性天线定向波束增益特性,保证在高速可靠传输条件下,提升系统的容量,同时可以防止信息截获,提升系统的抗干扰性能。经过理论计算,DA-STDMA协议在信道利用率上与采用全向天线相比有显著提高。文中建立了DA-STDMA协议仿真模型,通过对比空间复用度、网络吞吐量等系统性能,DASTDMA协议利用定向天线比全向天线性能有明显提升。同时仿真研究也表明,定向天线的定位算法对整个系统建链的收敛时间产生一定影响。

定向天线多址接入控制信道利用率空间复用度

0 引言

目前,将自组织网络应用于战术军事系统的大多数研究都是使用基于全向天线[1]的简单射频物理层方案。采用全向天线会带来如下问题:1)低数据速率;2)在业务流量需要的范围内链路的富余量不足;3)不可控制的空间射频信号;4)对干扰极其敏感以致无法工作;5)信道复用共享效率低。因此,很多文献[2-5]研究了利用高增益定向天线来解决上述问题。但是,在由移动节点构成的动态网络中应用定向天线时,要求在链路的发送和接收两端保持天线方向的协调一致。为了支持快响应和高动态的网络,需要应用一种算法或协议来控制大量具有定向天线的移动节点之间的通信。

基于定向天线的通信协议研究由链路调度由算法、协议和软件组成,它们能够从网状网络的定向天线对中自适应地调度各个连接,以提供完整的网络连通性,满足聚集业务流的通信要求,支持与邻居节点之间的业务量流量高度变化的数据交换。

目前,很多文献重点研究[6-8]了利用CSMA (Carrier Sense Multiple Access)竞争协议实现定向天线在自组织网中的应用。本文研究的重点是在高速率数据链路两端(如发送和接收端)使用定向天线,结合TDMA(Time Division Multiple Access)机制,对上述5种问题提出了合理的解决办法。链路两端的定向增益提供了更多的链路功率裕度[9],以支持空-空、空-地实现更高数据率和更远距离的通信。它能大大降低射频信号在不需要方向上的强度,减轻接收机的易受干扰性(虽然这在一定程度上取决于天线的旁瓣特性)。最后,由于天线的定向增益决定了辐射能量的空间抑制特点,使多对节点能够同时无干扰地占有相同的空-时-频域。

本文提出了一种新的媒体接入层协议—DASTDMA(Direction Antenna based Space Time Division Multiple Access),结合天线的全向与定向应用模式,实现TDMA机制下的空间复用。利用定向天线特性,使同时使用的射频信道的数量最大化。结合全向天线获得邻居节点的定位信息。该协议能够同时支持每个节点处的多束电波和射频信道,因而创建了一个低时延的充分连通的网络,而非创建一个每个节点只有单波束单射频信道的网络。通过仿真验证了在定向与全向天线时协议的性能提升。

1 基于定向天线的多址接入协议

1.1 链路空分原理

DA-STDMA协议利用方向性天线,实现没有干扰的两对节点之间的同时通信,有效提高信道利用率。该协议采用基于链路空分的方法实现更高的网络吞吐量。基于链路的空分原理如图1所示:

图1 基于链路的空分原理Fig.1 Space division theory based on links

从图1与图2中可以看到,节点A与B占用了时隙1的链路,同时节点D与E也占用了时隙1的链路,利用定向天线俩俩对齐,没有干扰,实现空分通信。STDMA协议采用基于链路的空分技术就利用了定向天线的特点,有效提高网络吞吐量。

图2 每条链路占用时隙Fig.2 Assigned slot for each link

1.2 节点初始同步入网流程

DA-STDMA协议实现的基础是时间同步。同步信息携带TOD信息(TOD信息精确到ms级,在DS-STDMA协议中保留足够多的比特位携带TOD信息),通过网络基准节点时钟,随着网络拓扑跳数的增加逐级扩展时间信息,实现全网同步。初始组网时,设置主节点时间等级最高,其他节点时间等级最低,时间等级随着与主节点的网络拓扑跳数增加而逐级降低。

准备入网的节点首先要完成时间同步后才能实施链路层协议,实现对信道接入的公平分配。发起组网的节点设置为主节点,同时设置一个备用节点防止主节点失效时,由备用节点发起全网同步。为了避免节点之间同步的通信“死区”,要求准备入网的所有节点开机时都按民用时间校准一次,使得节点之间的时间误差小于同步双方允许的最大时间偏差,保证全网能正常同步组网。

主节点的时间等级最高,与之拓扑距离为1跳范围内的节点时间等级次之,2跳节点比1跳节点的时间等级再低些,依次类推。时间同步信息中包含有节点的等级信息,当某个节点接收到的时间等级信息高于本地,则修改本地时间;如果接收到的时间信息等级低于或等于本地,则本地时间信息不作修改。网络同步完成标志是整个网络节点的时间都完成了校准。

1.3 邻居节点的全向定位机制

如图2所示,TDMA的一个时元结构中包含全向开销和定向传输时隙。全向开销分配给每个节点发送本地的位置信息,接收到邻居节点的位置信息,本地节点更新自己的邻居节点位置信息表,从而为后续的定向链路分配做准备。

在DA-TDMA协议中,一个时元分为全向开销时隙和定向链路时隙,如图2所示,在全向开销时隙中,每个节点分配固定的时隙,在该时隙内发送本地节点的位置信息,邻居节点接收到该信息后,更新自己的邻居节点信息表,全向开销中全网节点都能发送一次本地的位置信息。通过接全向时隙获得邻居节点的位置信息,在定向链路时隙内,节点将定向波束对准邻居节点。

定向天线采用多波束,如采用60度波束宽度,则全向一共有6个波束,当节点需要对准某个方向的邻居节点时,该方向上的波束有效,其他方向上的波束增益受到天线抑制,实现定向传输。

在定向链路阶段,每个节点根据获得的邻居节点位置信息表,完成链路的干扰探测与建链过程,干扰探测与链路的建立时间与网络规模有关。

1.4 链路干扰探测与建链

基于方向性天线的建链过程关键技术是干扰判断,通过借鉴CSMA机制干扰探测的方式,DA-STDMA协议采用主动探测的方法,通过发送干扰探测包,判断是否接收到正确的回复确定该条链路是否有干扰。主链干扰探测流程如下:

1)本地节点依据本地链路使用情况以及需要建链的目的节点链路使用情况,选择可用链路号。

2)本地节点在全向时隙内发起建链探测申请,该申请携带本地节点位置信息、目的邻居节点地址、选择的链路号。目的节点接收到该申请后,在该时元后续对应的TDMA时隙号中将定向天线对准源节点。本地节点通过全向阶段获得的目的节点位置信息,在该时隙中将天线对准目的节点。

3)在本时元内探测链路号对应的时隙中两个节点的天线对准,判断是否受到干扰,这类干扰主要判断是否收到其他节点发出的数据包。

4)两个节点的天线在申请链路内一直对准,一直探测至少3表时元。如果目的节点如果没有受到干扰,则在此时帧内回复无干扰,并在对应的链路时隙内与源节点相互发探测包,发探测包有2个目的:一是帮助别对节点建链探测是否受到该对节点的干扰;二是目的节点是否正确接收到探测包能判断是否受到其他节点的干扰。

5)探测3个时元中,源节点和目的节点至少有一个都受到干扰,则回到1),否则到4)。

6)如果建链的源节点与目的节点都没有受到干扰,则源节点更新本地的链路信息表以及将链路信息表广播出去,目的节点接收到广播信息后更新自身的链路信息表。

当节点与目标节点成功建立主链后,信道上有多余资源时,可以按照主链的干扰探测机制继续向主链目标节点申请副链,副链的使用可以有效地利用信道资源。同时,定向天线的使用与主链相同。

节点分配好链路时隙后,通过全向信息,将该分配的链路时隙分配情况广播给邻居节点,保证该链路时隙在2跳范围内不得重新申请,防止链路干扰。

1.5 节点迟入网处理流程

迟入网节点首先接收来自周围邻居节点的同步信息,更新自身的时间完成入网前的时间同步。随后节点按同步的时间启动时元、时帧和时隙记数,当时帧号与迟入网节点号不相同时,接收周围邻居节点全向信令信息,将相关信息填入对应表格。时帧号与迟入网节点号相同时,则按一帧中的时隙次序发送相关信令包。迟入网流程见图3所示:

图3 节点迟入网处理流程Fig.3 Procedure of late entry network

2 信道利用率分析

2.1 网络吞吐量公式

在产业组织理论中，市场集中度是衡量市场垄断力量、考察市场结构的首要因素。房地产业作为国民经济的支柱产业，同其他产业的关联度很高，也是中国当前供给侧结构性改革的重要一环，精准分析房地产业的市场集中度，有助于深刻了解房地产市场结构和资源配置情况，进而推动房地产业供给侧改革，优化市场结构，防范金融风险，促进国民经济健康发展。

定义信道的带宽为channel_data_rate,在DASTDMA协议中一个时帧周期内划分的时隙数为slot _num,假定网络中节点i的邻居个数为neibor_num_ i,每个邻居中副链的使用数为neibor_anti_num_i,定义节点i的信道利用率为channel_used_rate_i,则节点i的信道利用率为:

定义节点i占用的带宽为node_data_rate_i: node_data_rate_i=channel_used_rate_i×channel_date_ rate网络总节点个数为node_num,则网络的总吞吐量net_data_rate为:

2.2 信道利用率

如图4所示,节点A与节点B,依据DA-STDMA协议,能建立主链link 0,在网络满负载情况下(节点A与节点B在link 0上一直都负载),节点A与B都在申请副链的使用,图4也标示了2个节点的主要使用情况以及副链使用情况。

图4 节点A和节点B的主链和副链Fig.4 Major link and assistant links of node A and node B

如图4所示,节点A的信道利用率为44%,节点B的信道利用率为44%,则整个网络(只有2个节点)最大信道利用率为88%,依据2.1小节的公式,网络中1对节点最大吞吐量为1.76 Mb/s。

3 DA-STDMA协议的仿真研究

3.1 仿真系统模型

为了体现DA-STDMA协议的技术优势,分别对DA-STDMA协议流程以及几项关键技术进行了仿真。采用DA-STDMA协议,就是为了充分利用定向天线的特点,实现空分组网,提高网络的吞吐量、数据包传输时延以及网络复用度与连通性。

采用OPNET对DA-STDMA协议进行仿真。这里设置2类天线,一类为实际定向天线,主瓣方向增益最大为16 dB,副瓣方向上增益为-3 dB,其天线模型见图5。另一类为全向天线,增益为7 dB,天线模型见图5。

图5 全向天线模型与定向天线模型Fig.5 Models of directional and omni-directional antenna

3.2 仿真参数设置

仿真参数如下表所示。

表1 仿真参数设置Table 1 Simulation references of output and input

在无线信道建模仿真中加入了人为干扰,模拟实际场景中出现的各种阻挡、多径衰落等损耗。能有效地模拟整个实际场景中的干扰环境。

4 仿真结果分析

4.1 仿真目标

通过仿真,验证基于定向天线的DA-STDMA主链建链流程的可实现性。分别在网络中节点数为8、16、32、64的情况下,在基于DA-STDMA协议的自组织网络中,收集网络的建链收敛时间,空间复用度、网络吞吐量,以及分组传输时延,分析网络的性能。

分别将实际天线模型的仿真结果与理想天线模型的仿真结果作比较。

4.2 仿真结果分析

不同节点数的拓扑场景下的建链仿真及相关性能如图6到图8所示。

图6 8个节点拓扑下的定向建链性能Fig.6 Performance of link setup in 8 nodes network

图7 16个节点拓扑下的定向建链性能Fig.7 Performance of link setup in 16 nodes network

图8 32个节点拓扑下的定向建链性能Fig.8 Performance of link setup in 32 nodes network

图9 DA-STDMA协议建主链的空间复用度Fig.9 Space reuse rate of DA-STDMA setting-up link

图10 DA-STDMA协议建主链的吞吐量Fig.10 Throughput of DA-STDMA setting-up link

从图6到图8可以看出,节点数越高,空间复用度也越高,这是因为可使用的链路时隙增加,可复用的链路时隙也随之增加,提升了整个拓扑的空间复用度。但是网络规模的增加,会带来链路建立的收敛时间增加,如32个节点时,收敛时间达到了178 s,对系统初始化产生一定的影响。

图9到图11给出了在不同网络规模条件下,定向天线与全向天线的性能对比。

从仿真结果可以看出,定向天线的使用在性能上明显优于全向天线,定向天线的窄带波束,可以将信号固定在一定的范围内,这样可以防止信息泄露和干扰,提升了空间复用度。由于系统的空间复用度提高,系统的容量也得到提升。由于全向天线导致的干扰,也会给整个系统的建链收敛时间产生影响,因此定向天线的使用可以有效地提升系统性能。

图11 DA-STDMA协议建主链的收敛时间Fig.11 Convergency time of DA-STDMA setting-up link

5 结束语

本文提出了一个新的分布式的、自适应的时分多路访问(TDMA)链路调度协议。采用TDMA机制结合定向天线,在空间复用度上更能体现定向天线的性能。该协议基于每对相邻节点的协作决策来确定调度时间表。该协议利用高增益定向天线的优势,即更高的信道重用效率和更高的网络吞吐量。若采用的定向天线波束宽度很窄并且干扰接近于零,将能产生好得多的性能和更高的网络吞吐量。

在移动自组织网络中,节点的移动速率导致网络拓扑变化较快,给定向天线的定位算法带来了复杂性,定向天线的波束快速对准算法是定向天线在自组织网络中实际应用的关键,波束快速对准算法也是后续该协议的进一步研究方向。

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SONG Tao(1973-),male,M.Sci.,senior engineer,majoring in wireless and mobile communication,cognitive radio,network protocol architecture etc.

白翔(1977—),男,博士,高级工程师,主要研究方向:网络协议体系分析、数据链系统等。

Bai Xiang(1977-),male,Ph.D.,senior engineer,maily working at analysis of network protocol architecture and data link system.

Ad-Hoc Network M ulti-Acccess Protocol based on Directional Antenna

SONG Tao,BAIXiang
(No.30 Institute of CETC,Chengdu Sichuan 610041,China)

The DA-STDMA(directional antenna based space time division access)protocol is proposed. DA-STDMA protocol,by employing directional antennawith stronger signal transmission gain,can ensure high-rate and reliable transmission condition,improve system capability,prevent information interception and enhance the anti-inteference performance of the system.Theoretical analysis indicates that,the channel utility rate of directional antenna enjoys an obvious increase as compared with that of omni-directional antenna.Simulation model on DA-STDMA protocol is constructed,and the comparison of system performance,such as space reuse rate and network throughput,indicates that DA-STDMA protocolwith directional antenna is much better in performance than with omni-directional antenna.Meanwhile,simulation shows that the location algorithm of directional antenna would exerts certain influence on the convergence time of the whole system.

directional antenna;multi-access control;channel utility rate;space reuse rate

date：2014-09-17;Revised date：2014-12-27

TN93

1002-0802(2015)02-0175-06