基于Ka/Ku相控陣天線的空基自組網(wǎng)協(xié)議設計

眭暢豪，高建銀，趙晉毅，李一航，王詩力，胡東方

(1.北京理工大學 信息與電子學院通信技術(shù)研究所，北京 100081；2.航天科工集團第二研究院，北京 100854；3.北京銀河信通科技有限公司，北京 100084)

0 引言

空基自組織網(wǎng)絡不需要依賴基礎設施，每個空中節(jié)點的地位是平等的，能夠自發(fā)構(gòu)建一個分布式網(wǎng)絡。傳統(tǒng)自組網(wǎng)使用全向天線，在一定區(qū)域內(nèi)同一時刻只允許一對節(jié)點進行數(shù)據(jù)收發(fā)，極大降低了網(wǎng)絡吞吐量。相控陣天線是一種定向天線，相比全向天線，定向天線在某一個特定的方向集中能量，能夠覆蓋更大的通信范圍，有效提高空間復用效率。將相控陣天線引入自組網(wǎng)，可以有效提高空間復用率以及網(wǎng)絡吞吐量，并能降低信息被監(jiān)聽的可能性，提升可靠性[1-2]。

由于空基自組網(wǎng)是視距(Line of Sight,LOS)信道，同時空基平臺載荷的體積和重量嚴重受限，而低頻天線體積較大，所以采用Ka/Ku頻段，也滿足了未來大容量的通信需求。本文研究基于Ka/Ku相控陣天線的空基自組網(wǎng)技術(shù)，利用相控陣天線定向傳輸?shù)奶匦?，網(wǎng)絡容量最高可以提高N/2倍(N為網(wǎng)絡節(jié)點數(shù))；同時利用Ka/Ku頻段的大帶寬特性，可以極大地提高網(wǎng)絡容量，使網(wǎng)絡有效帶寬達到NB/2 Hz(B為Ka/Ku頻段可用帶寬)。

由于Ka/Ku相控陣天線定向傳播特性，常規(guī)基于全向天線的MAC協(xié)議和路由協(xié)議不再適用于定向天線自組網(wǎng)，需要重新設計。目前針對基于定向天線MAC協(xié)議的研究眾多，大多只使用定向天線，在這些協(xié)議中節(jié)點需要不停地掃描以進行鄰居發(fā)現(xiàn)，只有當收發(fā)雙方天線對準，并且一方處于發(fā)送狀態(tài)、另一方處于接收狀態(tài)時才能通信，這樣會帶來很大的傳輸時延[3]。

按照路由建立和保持方式，自組網(wǎng)路由協(xié)議主要分為先應式、反應式以及混合式三種[4]，反應式路由協(xié)議是自組網(wǎng)路由協(xié)議研究的主流方向[5]。采用定向天線的反應式定向路由協(xié)議[6]在路由發(fā)現(xiàn)時，由源節(jié)點選擇目的節(jié)點相應方向的天線發(fā)送，限制了搜索區(qū)域，路由發(fā)現(xiàn)時間和端到端時延顯著地降低，但如果定向搜索失敗，全網(wǎng)洪泛會造成路由發(fā)現(xiàn)時間劇增[7]。

針對上述問題，本文提出了基于頻分復用的定向MAC (Frequency Division Multiplexing-based Directional MAC,FDM-DMAC) 協(xié)議和定向路由協(xié)議。

1 FDM-DMAC協(xié)議

為了降低接入復雜度、提高網(wǎng)絡吞吐量，本文提出FDM-DMAC協(xié)議。FDM-DMAC協(xié)議假設網(wǎng)絡中節(jié)點配備L頻段的全向天線與Ka/Ku頻段的相控陣天線，使用全向天線發(fā)送控制幀，使用定向天線進行數(shù)據(jù)傳輸，將全向天線與定向天線的優(yōu)勢結(jié)合，降低時延的同時能提高空間復用率；并根據(jù)Ka/Ku頻段的大帶寬特性使用頻分復用技術(shù)實現(xiàn)多信道并行傳輸，提高網(wǎng)絡容量。

FDM-DMAC協(xié)議包括鄰居發(fā)現(xiàn)、鏈路建立、資源分配以及數(shù)據(jù)傳輸?shù)冗^程，使用全向天線進行鄰居發(fā)現(xiàn)、鏈路建立以及資源分配，使用定向天線完成高速數(shù)據(jù)傳輸。

1.1 內(nèi)涵及工作原理

MAC協(xié)議使用定向天線能夠增加網(wǎng)絡容量，最高可達N/2倍，但當空基自組網(wǎng)中節(jié)點密度較高時，就會出現(xiàn)一個定向天線波束內(nèi)存在多個節(jié)點的情況，如圖1所示。節(jié)點A的定向天線波束中存在多個節(jié)點，無論節(jié)點A與波束內(nèi)的任何一個節(jié)點進行通信，都會對其他節(jié)點造成干擾，降低網(wǎng)絡容量，為了解決這個問題，F(xiàn)DM-DMAC協(xié)議根據(jù)Ka/Ku頻段的大帶寬特性使用頻分復用技術(shù)實現(xiàn)多信道，進一步提高網(wǎng)絡容量。

如圖2所示，節(jié)點對A，B定向傳輸數(shù)據(jù)使用頻段f1，節(jié)點對D，F(xiàn)定向傳輸數(shù)據(jù)使用頻段f2，兩對節(jié)點通信互不干擾。

圖1 定向天線波束中存在多個節(jié)點問題Fig.1 Multiple node problems in directional antenna beams

圖2 頻分復用示意圖Fig.2 Frequency division multiplexing diagram

由于頻分復用技術(shù)將Ka/Ku頻段劃分為多個子頻段，則收發(fā)雙方在傳輸數(shù)據(jù)之前，需要使用控制信道傳輸控制幀協(xié)商本次通信使用的頻段。因此對RTS，CTS控制幀進行改進，使用雙預約資源分配算法進行資源分配。

定向傳輸數(shù)據(jù)時，需要知道雙方的位置以便進行天線對準。因此在鄰居發(fā)現(xiàn)過程中將測距算法與多維尺度變換(Multidimensional Scaling,MDS)定位算法相結(jié)合，得到每個節(jié)點的相對位置。

FDM-DMAC協(xié)議重新設計了載波偵聽機制，在全向天線傳輸控制幀時，鄰居節(jié)點處于靜默狀態(tài)，但在定向數(shù)據(jù)傳輸過程中，鄰居節(jié)點可以接入信道。

1.2 低時延鄰居發(fā)現(xiàn)設計

在鄰居發(fā)現(xiàn)過程中，每個節(jié)點競爭信道，全向廣播Hello包，在接收到鄰居節(jié)點的應答信息之后，讀取RSSI值，得到節(jié)點與鄰居節(jié)點的距離[8]。

節(jié)點完成鄰居發(fā)現(xiàn)后，向全網(wǎng)廣播鄰居節(jié)點信息，從而使得每個節(jié)點能夠得到網(wǎng)絡拓撲信息，即任意每兩個節(jié)點之間的距離關系。再根據(jù)MDS定位算法[9]，計算得到所有節(jié)點的相對位置矩陣。如果在網(wǎng)絡中有些節(jié)點之間并不連通，則使用最小路徑算法來計算節(jié)點之間的距離[10]。

MDS算法根據(jù)節(jié)點之間的距離矩陣D計算得到節(jié)點之間的相對位置矩陣X。假設第i個節(jié)點的坐標用[xiyi]T表示，dij表示節(jié)點i與節(jié)點j之間的距離，MDS算法原理如式(1)～式(12)所示。

(1)

(2)

中心矩陣J：

(3)

其中，E為n階單位矩陣，I為1×n維全1矩陣。

對距離的平方矩陣進行去中心化：

(4)

設矩陣R為：

(5)

其中，

(6)

則有：

D2=R+RT-2XTX，

(7)

可以得到：

(8)

又因為：

RJ=JRT=0，

(9)

所以，

B=JXTXJ=JXT(JXT)T。

(10)

對矩陣B進行特征值分解：

(11)

根據(jù)式(10)和式(11)可以得到：

(12)

從而可以求出矩陣X，得到各節(jié)點相對位置。

1.3 基于雙預約機制的資源分配設計

收發(fā)雙方通過發(fā)送RTS和CTS控制幀進行握手，從而建立鏈路。在握手過程中，對本次通信所使用的頻段進行協(xié)商，完成資源分配。本節(jié)提出的雙預約資源分配算法篩選出本次通信可用的所有頻段，再由接收節(jié)點隨機選定本次通信使用的頻段。

為了協(xié)商定向數(shù)據(jù)傳輸過程中使用的頻段，收發(fā)雙方需要在進行RTS和CTS控制幀交互的過程中，相互告知對方頻段的可用信息，如圖3和圖4所示。FDM-DMAC協(xié)議在RTS控制幀中加入了可使用頻段指示序列信息，在CTS控制幀中加入了選擇頻段指示序列信息。

圖3 RTS幀格式Fig.3 Frame format of RTS

圖4 CTS幀格式Fig.4 Frame format of CTS

在FDM-DMAC協(xié)議中，每個節(jié)點存儲一個頻段表，頻段表中包含使用頻段的收發(fā)節(jié)點坐標以及通信結(jié)束時間[11]。鄰居節(jié)點在接收到CTS控制幀后更新自身的頻段表信息。

當上層數(shù)據(jù)到達時，發(fā)送節(jié)點查詢自身存儲的頻段表，根據(jù)頻段表中存儲的通信節(jié)點對的位置信息，判斷尚未結(jié)束通信的節(jié)點對是否會對本次通信造成影響，即根據(jù)節(jié)點對的位置信息判斷，尚未結(jié)束通信的節(jié)點對是否在發(fā)送節(jié)點的定向覆蓋范圍內(nèi)，以及發(fā)送節(jié)點是否在尚未結(jié)束通信的節(jié)點對的定向覆蓋范圍內(nèi)。若二者均不滿足，則本次通信可以復用正在使用的頻段。發(fā)送節(jié)點對頻段表中存儲的頻段使用信息進行判斷，得到本次通信可以使用的頻段，將可使用頻段的信息放入RTS，發(fā)送給接收節(jié)點。接收節(jié)點收到RTS幀后，得到發(fā)送節(jié)點可以使用的頻段，去查詢自身存儲的頻段表，從二者均可使用頻段中隨機選擇一個頻段用于本次通信。

若通過定向覆蓋范圍判斷，發(fā)送節(jié)點可使用頻段，接收節(jié)點均不能使用，則放棄此次通信，接收節(jié)點重新偵聽信道，等待下一次通信。若發(fā)送節(jié)點在給定時間內(nèi)收不到CTS幀，則重新偵聽信道。

1.4 數(shù)據(jù)傳輸

接收節(jié)點發(fā)送CTS控制幀后，根據(jù)發(fā)送節(jié)點的位置信息，將定向天線波束對準發(fā)送節(jié)點并將數(shù)據(jù)信道切換到選定的頻段上準備接收數(shù)據(jù)。發(fā)送節(jié)點在接收到CTS控制幀后，將定向天線對準接收節(jié)點并將信道切換到選定的頻段上準備發(fā)送數(shù)據(jù)。接收節(jié)點收到數(shù)據(jù)后發(fā)送應答幀，并將天線切換到全向天線，重新偵聽信道，準備下一次通信。若接收節(jié)點沒有接收到數(shù)據(jù)，且等待超時則將天線切換到全向天線，重新偵聽信道。

在此過程中鄰居節(jié)點可以接入信道，需要根據(jù)存儲的頻段表信息選擇可使用的頻段，以免對正在通信的節(jié)點對造成干擾。

2 定向路由協(xié)議

在空基自組網(wǎng)中，不相鄰的兩個空中節(jié)點需要通過多跳轉(zhuǎn)發(fā)的方法完成數(shù)據(jù)傳輸，這需要路由協(xié)議來完成。為提高網(wǎng)絡容量而引入的相控陣天線，可能會導致次佳路由[12]和路由應答風暴問題[13]的出現(xiàn)。本節(jié)提出基于Ka/Ku相控陣天線的空基自組網(wǎng)路由協(xié)議，采用加入一定延時的方法解決以上問題，并使用相鄰搜索、鏈路質(zhì)量評估和備用路由的方法，減少路由發(fā)現(xiàn)時間，提高吞吐量。

2.1 協(xié)議簡述

本協(xié)議基于動態(tài)源路由(Dynamic Source Routing,DSR)協(xié)議[14]，采用定向天線完成路由發(fā)現(xiàn)、路由維護和數(shù)據(jù)傳輸過程，其中路由發(fā)現(xiàn)包含路由請求和路由應答。每個節(jié)點緩存路由表和路由請求(Route Request,RREQ)列表。節(jié)點入網(wǎng)后會分配一個獨一無二的身份標識( Identity Document,ID)，并獲取自己的位置信息。路由表內(nèi)的每個條目含有目的節(jié)點ID及其位置，路由記錄和跳數(shù)。RREQ列表則維持著源節(jié)點和請求ID。

當源節(jié)點想要傳輸數(shù)據(jù)分組給目的節(jié)點時，需要在數(shù)據(jù)分組的頭部加入從源節(jié)點到目的節(jié)點的路徑記錄，數(shù)據(jù)分組就可以根據(jù)記錄到達目的節(jié)點。為了獲取路徑記錄，在路由發(fā)現(xiàn)過程中發(fā)送了RREQ分組，經(jīng)過定向洪泛到達目的節(jié)點，目的節(jié)點再發(fā)送含有路由記錄的路由應答(Route Replay,RREP)分組回到源節(jié)點。路由維護機制則用于解決已發(fā)現(xiàn)鏈路斷開的問題。本協(xié)議中，基于定向搜索的路由發(fā)現(xiàn)和改進的路由維護機制根據(jù)定向天線的特性提高了數(shù)據(jù)傳輸效率。

2.2 基于定向搜索的路由發(fā)現(xiàn)

源節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)時首先查詢自己的緩存是否存在到達目的節(jié)點的路由，當不存在時啟動路由發(fā)現(xiàn)過程。

2.2.1 路由請求

路由請求使用定向天線洪泛，不會像全向天線洪泛向所有節(jié)點廣播，能夠避免可能引發(fā)的廣播風暴，節(jié)省了路由的開銷。MAC層協(xié)議初始化之后，源節(jié)點已知目的節(jié)點的位置，選擇目的節(jié)點方向的鄰居節(jié)點作為下一跳發(fā)送RREQ分組，如圖5所示。RREQ分組包含源節(jié)點ID及其位置，目的節(jié)點ID及其位置，請求分組ID，路由記錄和跳數(shù)。

圖5 定向路由請求Fig.5 Directional route request

首個收到RREQ分組的節(jié)點需要延遲t=n×tswitch再轉(zhuǎn)發(fā)，其中n為源節(jié)點的波束序號，tswitch為切換波束所用的時間。此延時與源節(jié)點波束發(fā)送的順序有關，以抵消不同波束發(fā)送時間的先后，減少RREQ分組的碰撞概率，保證最優(yōu)路由及時到達目的節(jié)點，避免次佳路由的出現(xiàn)。當一個節(jié)點收到RREQ分組后，與RREQ列表對比后發(fā)現(xiàn)之前收到過相同分組，或者跳數(shù)超過分組的生存時間，則丟棄；如果RREQ分組的目的地址與此節(jié)點符合，或者此節(jié)點的緩存中有到達目的節(jié)點的路由，此時路由記錄即為需要發(fā)現(xiàn)的路由，進入路由應答過程；一般地，中間節(jié)點選擇朝向目的節(jié)點方向的鄰居節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)，同時把此中間節(jié)點ID和發(fā)送使用的天線波束編號記入RREQ分組內(nèi)的路由記錄數(shù)組中，如圖6所示。如果朝向目的節(jié)點的方向沒有鄰居節(jié)點，就采用相鄰搜索的方法，即選擇其他相鄰方向的鄰居節(jié)點繼續(xù)定向搜索，避免了轉(zhuǎn)向全向搜索造成的性能損失。

圖6 路由發(fā)現(xiàn)流程圖Fig.6 Flowchart of route discovery

2.2.2 路由應答

如果此節(jié)點的緩存中有到源節(jié)點的路由，則RREP分組將沿著此路由帶著RREQ分組中的路由記錄傳回源節(jié)點。如果不存在，則將RREQ分組中路由記錄調(diào)轉(zhuǎn)順序作為此節(jié)點到源節(jié)點的路由。節(jié)點在發(fā)送RREP分組之前需要延遲t=Tdelay×h，其中Tdelay為估計節(jié)點間最大傳輸延時，h為RREQ包路由記錄中的跳數(shù)，這擴大了RREP分組的到達間隔，避免了路由應答風暴。

源節(jié)點收到RREP分組之后，以最小跳數(shù)和最先到達為標準，選擇兩條最優(yōu)的路由記錄寫入路由表緩存。當?shù)谝粭l路由出錯后，第二條備用路由能夠迅速恢復鏈路，縮短路由發(fā)現(xiàn)時間。

2.3 路由維護機制

節(jié)點通過周期廣播HELLO分組評估鏈路質(zhì)量，使用分組投遞率[15](Packet Delivery Ratio,PDR)為鏈路劃分質(zhì)量等級，避免了因選擇離目的節(jié)點最近的節(jié)點作為下一跳節(jié)點但此鏈路質(zhì)量不佳而導致路由帶寬降低的問題。分組投遞率公式如下:

式中,Ps為發(fā)送分組的數(shù)量，Pr為接收分組的數(shù)量。

在數(shù)據(jù)鏈路層，如果某節(jié)點超時未能收到下一跳的ACK回復幀，則認為此節(jié)點與下一跳節(jié)點間的鏈路已斷開。當路徑上某節(jié)點在一定時間內(nèi)，沒有收到其鄰居節(jié)點發(fā)來的HELLO分組或者其他控制分組，就可以認為它與此鄰居節(jié)點之間的鏈路已斷開。在上述情況下，此節(jié)點將向源節(jié)點發(fā)送路由出錯(Route Error,RERR)分組。如果該節(jié)點緩存中存在另一條到目的節(jié)點的路由，則將當前未成功發(fā)送的數(shù)據(jù)包沿該路徑發(fā)出。

每一個接收到RERR分組的節(jié)點，都將該節(jié)點緩存的與該出錯鏈路相關的信息刪除，再將RERR分組繼續(xù)轉(zhuǎn)發(fā)。當源節(jié)點收到RERR分組，同樣會刪去含有該鏈路的路由緩存。如果源節(jié)點有備用路由，則發(fā)送數(shù)據(jù)分組，否則開始新的路由發(fā)現(xiàn)過程。

3 結(jié)束語

本文介紹了定向天線相對全向天線和Ka/Ku頻段在數(shù)據(jù)傳輸中的優(yōu)勢，分析了定向自組網(wǎng)協(xié)議中可能造成網(wǎng)絡吞吐量下降的問題，探討了解決協(xié)議問題在MAC層和網(wǎng)絡層分別采用的方法，最后根據(jù)Ka/Ku相控陣天線的特點形成了一套適合空基自組網(wǎng)的MAC協(xié)議和路由協(xié)議。