王迪

　?。暇┼]電大學 通信與信息工程學院,，江蘇 南京 210003）

　　摘要：針對大規(guī)模應急救援場景，將多信道接入信道利用率高,、網(wǎng)絡吞吐量大的優(yōu)點與分簇式Ad Hoc網(wǎng)絡減少開銷,、便于管理的特征相結合，設計出基于分簇結構的Ad Hoc網(wǎng)絡模型,，提出了與之相對應的支持多業(yè)務的多信道混合接入?yún)f(xié)議,。在此協(xié)議基礎上，對節(jié)點間通信方案進行了探討,，并詳細闡述了簇間中繼通信的實現(xiàn)方案及流程,。

　　關鍵詞：Ad Hoc網(wǎng)絡；多信道接入,；分簇結構,；簇間中繼

0引言

　　與傳統(tǒng)網(wǎng)絡相比，Ad Hoc網(wǎng)絡無需依賴于任何預先布置的固定基礎設施,，具有網(wǎng)絡方便快捷,、靈活性高、抗毀性強等優(yōu)點,，在軍事戰(zhàn)場,、緊急救災、公共服務等場合發(fā)揮了重要作用，也成為近年來人們研究的熱點,。Ad Hoc網(wǎng)絡結構可以分為平面式和分簇式兩種［12］,，平面結構可擴充性差，適合于小規(guī)模網(wǎng)絡,，而在大規(guī)模應急救援時網(wǎng)內節(jié)點數(shù)量較多且不斷變化,，采用分簇結構將更加適合。

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

1相關工作

　　目前,，關于分簇結構Ad Hoc網(wǎng)絡的節(jié)點通信方案的理論研究［47］有很多，其中簇間通信的職責由簇頭承擔,，而簇頭本身還需要對簇內普通節(jié)點進行維護管理,，當簇頭節(jié)點出現(xiàn)故障時，該簇將與其他簇失去連接,，成為網(wǎng)絡性能提升的瓶頸。參考文獻［810］中對于該問題提出了不同的改進方法,，但都是基于優(yōu)化簇頭選舉和分簇算法的,，并沒有真正解決簇頭負擔過重的問題。參考文獻［11］提出了用網(wǎng)關節(jié)點來轉發(fā)簇間通信,，但是當兩個歸屬于不同簇的節(jié)點可以直達時,，如果仍然交給固定的網(wǎng)關節(jié)點轉發(fā)，則無法實現(xiàn)最優(yōu)路徑,，造成一定的資源浪費,。

　　另一方面，在分簇結構Ad Hoc網(wǎng)絡的基礎上，結合多信道MAC協(xié)議的研究目前還比較少,。參考文獻［12］雖然為簇內和簇間通信提供了基于分簇結構的多信道調度算法,，但是其只適合基于時隙分配的通信，不適合突發(fā)業(yè)務,。參考文獻［13］也提出了一種基于分簇結構的多信道管理協(xié)議,，并為不同的業(yè)務需求提供了競爭和非競爭兩種類型，但仍然存在頻譜資源管理復雜,、簇間通信依靠指定節(jié)點存在瓶頸等問題,。參考文獻［1416］都是基于車載無線自組織網(wǎng)，這是一種特殊的移動性自組織網(wǎng),，其中節(jié)點高速移動,、電量充足，不適合應急救援場景,。

　　本文基于多信道分簇Ad Hoc網(wǎng)絡的結構基礎,，針對節(jié)點間通信，特別是簇間通信提出一套實現(xiàn)方案,。首先定義了系統(tǒng)的模型框架和運行機制,，并提出了基于分簇結構的多信道混合接入?yún)f(xié)議，用于滿足不同服務質量 (Quality of Service, QoS)需求的業(yè)務,，最后針對簇間中繼提出了具體的實現(xiàn)方案,。

2系統(tǒng)模型

　　在應急救援場景下，Ad Hoc自組織網(wǎng)絡需要支持多業(yè)務通信,，如信令,、短數(shù)據(jù)包等對實時性要求不高的業(yè)務，以及語言,、視頻等對時延和帶寬都有一定要求的實時業(yè)務,，因此本文采用了多用戶混合信道接入機制，在IEEE 802.11e MAC協(xié)議［17］的基礎上提出以下更適合多信道分簇結構Ad Hoc網(wǎng)絡的系統(tǒng)模型,。

　　系統(tǒng)寬帶被分為1個公共控制信道 (Common Control Channel, CCC)和n-1個數(shù)據(jù)信道 (Delicated Channel, DCH),。網(wǎng)絡中全局共享CCC信道，每個簇都有屬于自己的數(shù)據(jù)信道DCHi,，簇內節(jié)點都在該頻點收發(fā)數(shù)據(jù),。為了實現(xiàn)多信道通信方案，節(jié)點必須至少配備兩個接收機分別監(jiān)聽CCC信道和DCHi信道,，綜合考慮通信效率和設備成本,，本文采用由一個半雙工發(fā)送機和兩個半雙工接收機構成的硬件設備來完成通信任務。

　　在分簇結構的Ad Hoc網(wǎng)絡中,，節(jié)點分為主控節(jié)點,、簇頭節(jié)點,、普通節(jié)點和中繼節(jié)點4種類型。其中主控節(jié)點通過管理簇頭節(jié)點來管理整個網(wǎng)絡,，簇頭節(jié)點管理本簇內的普通節(jié)點,，中繼節(jié)點用于不能直連的節(jié)點間的通信。網(wǎng)絡結構如圖1所示,。簇B中簇頭用B表示,，簇內普通節(jié)點用b1、b2表示,，簇內數(shù)據(jù)信道用DCHB表示,，以此類推?！　?/p>

3基于分簇結構的多信道混合接入?yún)f(xié)議

　　信道周期性地劃分為幀來進行多用戶,、多業(yè)務的接入管理。每個超幀由N個長度相等的復幀構成,。在每個復幀頭部,，主控/簇頭節(jié)點在CCC/DCHi信道廣播BEACON幀，用于節(jié)點同步,、告知CFP時隙分配表等,。每個節(jié)點會周期性地在CCC信道上發(fā)送身份廣播幀（HELLO幀），用于向周圍節(jié)點告知自己的節(jié)點信息以及兩跳范圍內的鄰居節(jié)點表,。每個復幀可分為競爭時段 (Contend Period, CP)和非競爭時段(Contend-Free Period, CFP),，分別對應時隙競爭接入和時隙分配接入。在CP時段,，節(jié)點間采用CSMA/CA機制避免碰撞,，適合傳輸控制幀、短數(shù)據(jù)包等突發(fā)業(yè)務,；在CFP時段,，節(jié)點采用TDMA接入方式，把信道劃分為若干個時隙,，每個時隙內只允許一個節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)幀,，每個節(jié)點根據(jù)自身業(yè)務需求在CP時段發(fā)送時隙申請幀，并等待主控/簇頭在BEACON幀中廣播時隙分配表,，適合實時的長數(shù)據(jù)包傳輸,。

　　本系統(tǒng)模型的優(yōu)點在于可根據(jù)業(yè)務需求靈活變化。因為每一復幀內CFP時段開始時間由主控/簇頭控制并在BEACON幀中廣播,，當網(wǎng)內節(jié)點數(shù)較多，需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)業(yè)務量大時,，可以適當縮短CP時段長度,，在CFP時段多安排幾對通信節(jié)點,；當網(wǎng)絡拓撲變化大，需要大量的控制幀管理更新時,，可以適當延長CP時段長度,，減少數(shù)據(jù)傳輸。此外,，當主控/簇頭在分配時隙時,，會根據(jù)業(yè)務類型的重要性、節(jié)點權值等信息進行判斷,，并且在將時隙分配出去后,，仍對信道保持監(jiān)聽，如果連續(xù)若干個復幀內,，某個被分配的時隙段都沒有數(shù)據(jù)傳輸,，主控/簇頭將收回該時隙段重做安排。通過上述方式,，可大大提高信道利用率,，保證通信質量。

4簇間中繼實現(xiàn)方案

　　對于分簇結構的Ad Hoc網(wǎng)絡,，節(jié)點之間的通信可以分為簇內通信和簇間通信,。對于簇內通信，節(jié)點可以通過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，而是根據(jù)自身的路由信息找到最佳路徑,。由于每個簇的數(shù)據(jù)信道頻點不同,，節(jié)點之間無法直接通信，需要切換信道或者借助中繼節(jié)點才能實現(xiàn)連接,。對于非實時業(yè)務,，只需在發(fā)送時切換頻點便可實現(xiàn)簇間通信，而實時業(yè)務的通信比較復雜,，具體分為以下3種情況：（1）節(jié)點之間為鄰居節(jié)點,，可以直達；（2）節(jié)點之間為兩跳路由,，需要一個同簇中繼節(jié)點轉發(fā),；（3）節(jié)點之間為兩跳路由，中繼節(jié)點與收發(fā)雙方均不同簇,。至于更復雜的情況,，會導致時延過長，且跨越多個簇,，網(wǎng)絡情況難以預測,，可以參考文獻［810］,，借助簇頭甚至主控節(jié)點發(fā)射功率大、輻射范圍廣的特點減小簇間跳數(shù)實現(xiàn)通信,，本文不再贅述,。

　　4.1簇間一跳節(jié)點通信方案

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

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

　　4.2簇間兩跳節(jié)點通信方案

　　當收發(fā)雙方在兩跳范圍內,，通過自己周圍鄰居節(jié)點廣播的HELLO幀中一跳節(jié)點表能找到對方,，即在本地的二級鄰居節(jié)點表中找到目的節(jié)點，則將該一級鄰居節(jié)點作為中繼節(jié)點,；如果存在多個一級鄰居節(jié)點能到達的節(jié)點,，那么將根據(jù)信道狀態(tài)、剩余電量,、移動性等評估節(jié)點權值,，綜合選出最適合的節(jié)點作為中繼節(jié)點。此時又分為兩種情況：

　?。?）中繼節(jié)點與其中一個節(jié)點同簇

　　如圖1所示,，當b2想與c4通信并選擇c3作為中繼節(jié)點時,，通信流程如圖3所示。圖3簇間兩跳節(jié)點通信流程圖（中繼節(jié)點與其中一者同簇）首先,，b2在本地路由表中找到最適合中繼的節(jié)點c3后，會先替候選c3向本簇簇頭B申請1個簇間時隙,，收到B分配的時隙后,，b2以高優(yōu)先級發(fā)送中繼請求幀，告知c3為候選節(jié)點,，中繼轉發(fā)與c4的通信,，并附帶已申請的簇內CFP時隙和要發(fā)送的數(shù)據(jù)長度；c3隨后向c4發(fā)送簇間時隙申請幀,，并告知源節(jié)點是b2,，自己是中繼一跳節(jié)點；c4收到后向簇頭C發(fā)送簇間申請幀,，替自己和b2,、c3一共申請3個時隙，簇頭C廣播回應后,，簇內節(jié)點c3,、c4會解析出被分配的時隙段，c3也會記錄下b2被分配的時隙段,，通過中繼確認幀告知,，并將自己的節(jié)點屬性改為中繼節(jié)點（發(fā)送優(yōu)先級更高）。當b2收到c3的中繼回應幀表明簇間中繼請求成功,，b2,、c3、c4只需要在被分配的時隙選擇對方的信道發(fā)送數(shù)據(jù)幀即可,。

　?。?）中繼節(jié)點與兩個節(jié)點均不同簇

　　如圖1中，c1要與d1建立通信,，與（1）大致相同,，只不過中繼節(jié)點e1需要替c1、d1向簇頭E申請兩個時隙,，通信節(jié)點c1和d1要分別替e1申請一個時隙,。限于篇幅不再詳述。

　　值得一提的是,，本文提出的基于分簇結構的多信道混合接入?yún)f(xié)議,，會對分配后的時隙實時監(jiān)控，監(jiān)聽已分配的時隙段是否有數(shù)據(jù)傳輸,，如果連續(xù)多個復幀都沒有使用則將時隙收回,。而上述方案中,，簇頭C在為e1分配時隙后，由于鏈路存在多跳時延,，可能存在連續(xù)多個復幀內都沒有數(shù)據(jù)傳輸,，因此簇頭C可推遲幾個復幀再進行分配，避免資源浪費,。

5結論

　　本文根據(jù)現(xiàn)有的應急救援需求,，充分利用分簇結構Ad Hoc網(wǎng)絡分簇管理的特征，結合多信道接入方案信道利用率高,、網(wǎng)絡吞吐量大的優(yōu)點,，在現(xiàn)有的IEEE 802.11e 接入方案的基礎上，提出了基于分簇結構的多信道混合接入?yún)f(xié)議,，滿足了不同業(yè)務的QoS需求,。網(wǎng)絡中的硬件設備由一個半雙工發(fā)送機和兩個半雙工接收機構成，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。在此基礎上,，對節(jié)點通信方案進行了研究,，并針對相對復雜但現(xiàn)有研究比較少的簇間中繼通信的情況，給出了詳細的實現(xiàn)方案,。該方案結合分簇,、多信道的優(yōu)點，管理靈活,，簡單易實現(xiàn),，對于實踐具有較好的參考作用。未來工作將進一步完善多信道分簇結構Ad Hoc網(wǎng)絡的接入?yún)f(xié)議和實現(xiàn)方案,，結合應急通信的特殊環(huán)境,，進一步優(yōu)化方案，將本方案在硬件平臺上進行實現(xiàn)并驗證,。

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