王迪

　?。暇┼]電大學(xué) 通信與信息工程學(xué)院,，江蘇 南京 210003）

　　摘要：針對大規(guī)模應(yīng)急救援場景，將多信道接入信道利用率高,、網(wǎng)絡(luò)吞吐量大的優(yōu)點與分簇式Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)減少開銷,、便于管理的特征相結(jié)合，設(shè)計出基于分簇結(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，對節(jié)點間通信方案進行了探討,，并詳細(xì)闡述了簇間中繼通信的實現(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,、抗毀性強等優(yōu)點，在軍事戰(zhàn)場,、緊急救災(zāi),、公共服務(wù)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(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)急救援時網(wǎng)內(nèi)節(jié)點數(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(dǎo)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(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簇內(nèi)普通節(jié)點進行維護管理,，當(dāng)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(luò)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(fù)擔(dān)過重的問題,。參考文獻［11］提出了用網(wǎng)關(guān)節(jié)點來轉(zhuǎn)發(fā)簇間通信，但是當(dāng)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(guān)節(jié)點轉(zhuǎn)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(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［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隙分配的通信，不適合突發(fā)業(yè)務(wù),。參考文獻［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)需求提供了競爭和非競爭兩種類型，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(yīng)急救援場景,。

　　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(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),，最后針對簇間中繼提出了具體的實現(xiàn)方案,。

2系統(tǒng)模型

　　在應(yīng)急救援場景下，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)包等對實時性要求不高的業(yè)務(wù)，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(wù),，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(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(luò)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(nèi)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(shè)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(gòu)成的硬件設(shè)備來完成通信任務(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(luò),，簇頭節(jié)點管理本簇內(nèi)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(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)點用b1、b2表示,，簇內(nèi)數(shù)據(jù)信道用DCHB表示,，以此類推?！　?/p>

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進行多用戶,、多業(yè)務(wù)的接入管理。每個超幀由N個長度相等的復(fù)幀構(gòu)成,。在每個復(fù)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(nèi)的鄰居節(jié)點表,。每個復(fù)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(yīng)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(wù),；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(nèi)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(wù)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(wù)需求靈活變化。因為每一復(fù)幀內(nèi)CFP時段開始時間由主控/簇頭控制并在BEACON幀中廣播，當(dāng)網(wǎng)內(nèi)節(jié)點數(shù)較多,，需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)業(yè)務(wù)量大時,，可以適當(dāng)縮短CP時段長度，在CFP時段多安排幾對通信節(jié)點,；當(dāng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓?，需要大量的控制幀管理更新時，可以適當(dāng)延長CP時段長度,，減少數(shù)據(jù)傳輸,。此外，當(dāng)主控/簇頭在分配時隙時,，會根據(jù)業(yè)務(wù)類型的重要性,、節(jié)點權(quán)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(fù)幀內(nèi),，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(zhì)量。

4簇間中繼實現(xiàn)方案

　　對于分簇結(jié)構(gòu)的Ad Hoc網(wǎng)絡(luò),，節(jié)點之間的通信可以分為簇內(nèi)通信和簇間通信,。對于簇內(nèi)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(wù),，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(wù)的通信比較復(fù)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(zhuǎn)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(fù)雜的情況,，會導(dǎo)致時延過長,，且跨越多個簇，網(wǎng)絡(luò)情況難以預(yù)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(dāng)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(nèi),，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(nèi)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(wù)，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(nèi)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(fù)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(yīng)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(dāng)收發(fā)雙方在兩跳范圍內(nèi),，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(quán)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：

　　（1）中繼節(jié)點與其中一個節(jié)點同簇

　　如圖1所示,，當(dāng)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(zhuǎn)發(fā)與c4的通信,，并附帶已申請的簇內(nèi)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(yīng)后,，簇內(nèi)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(rèn)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(dāng)b2收到c3的中繼回應(yīng)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(jié)構(gòu)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(fù)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(fù)幀內(nèi)都沒有數(shù)據(jù)傳輸,，因此簇頭C可推遲幾個復(fù)幀再進行分配，避免資源浪費,。

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,，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)備由一個半雙工發(fā)送機和兩個半雙工接收機構(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,，對節(jié)點通信方案進行了研究,，并針對相對復(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)的實現(xiàn)方案,。該方案結(jié)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(jié)構(gòu)Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的接入?yún)f(xié)議和實現(xiàn)方案,，結(jié)合應(yīng)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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