摘  要：

0 引言

    目前，災后應急通信ad hoc網主要采用異步組網、同步組網的組網體制^[1-2]。由于同步組網具有網間互聯互通、組網規模大、網絡容量高、抗跟蹤干擾能力強等優點，所以大規模災后應急通信網絡環境中多以同步組網為主。但是在現實環境下，用于區分災后應急通信網絡子網的跳頻序列僅有很少一部分被使用，導致了網絡頻率資源的嚴重浪費。而且傳統ad hoc網絡的節點必須通過時分機制或者競爭機制來爭取信道的使用權。因此隨著業務負載的增加，信道使用權的競爭將更加激烈^[3-5]。針對網絡頻率資源浪費和友鄰設備干擾嚴重問題，本文提出了一種虛擬多信道網絡方案，其中多信道技術是本方案核心所在。

    基于聯合信道分配的按需路由協議設計是本方案的主要研究內容之一。現有基于聯合信道分配的路由協議有CA-OLSR^[6，7]、CA-AODV^[8]、J-CAR^[9]、MCRP等。因為MCRP具有單接口多信道和聯合信道分配的特點，本方案在此協議基礎上設計虛擬多信道路由協議(Virtual Multiple-Channel Routing Protocol，VMCRP)。仿真結果顯示，在多信道環境下可大幅度增加網絡容量，提高網絡吞吐量，為提升災后應急通信網絡跳頻網絡資源利用率提供了一種新思路。

1 方案原理

    網絡資源有空間維、頻率維和時間維三個維度。由于子網覆蓋區域具有相鄰、部分重疊和完全遠離等特征，因此從資源利用角度，可通過跨地域使用其他子網的網絡資源來提高空間復用度。為了簡化方案，初步僅考慮頻率維和時間維。假如群網頻率集{f₀，f₁，f₂，…，f_n-1}，頻點數目為n，同步正交網絡的組網容量為n，同步非正交網絡的組網容量約為n/3。在嚴格同步情況下，網間頻點不存在碰撞概率，因此本方案使用同步正交組網技術不需要考慮網間干擾。這里僅考慮本方案在同步正交組網條件下的可行性。假設子網數目為m(m<<n)，群網中剩余n-m條跳頻序列未被使用，充分利用這些空閑序列的頻率資源就是本方案目的所在。

    空閑頻率資源示意圖見圖1。群網1~群網N利用頻分組網技術，使用多個頻率集完成群網劃分。以群網1為例，群網1的子網數目為m，占用了m條序列，序列(m+1)~n為空閑跳頻序列，由這些序列控制的頻點就是空閑頻率資源，合理利用這些頻率資源可帶來巨大的網絡增益。網內所有節點均采用由1條專用控制信道和多條數據信道組成的虛擬多信道結構。控制信道使用同一條跳頻序列傳輸管理信息。當有節點對需要建立數據信道時，路徑上所有節點的收發機均切換到相同的空閑跳頻序列上進行數據傳輸。從理論角度來看，虛擬多信道方案本質是通過利用多信道技術實現空閑頻率資源的充分利用以完成網絡容量擴充。

    為了驗證方案可行性，將復雜問題簡單化以突出方案本質，本文首先設計一個平面拓撲結構的虛擬多信道ad hoc網，如圖2所示。網內虛線表示控制信道，實線箭頭表示數據信道，其中有多個點對點通信對<S₁，D₁>，<S₂，D₂>，<S₃，D₃>。以<S₂，D₂>為例，S₂→e→f→D₂為傳輸鏈路，e是交叉節點。

2 虛擬多信道路由協議VMCRP 

2.1 路由度量標準VMCM

    傳統MCRP協議使用實現簡單的跳數作為路由度量標準，并未考慮多信道環境下各種干擾對路徑選擇的影響。本文在MCRP基礎上，設計一種新的路徑度量標準VMCM(Virtual Multiple-Channel Metric)，將最短路徑、路徑間鏈路干擾和信道切換成本^[6]對數據信道傳輸效率的影響作為路由的選擇標準。

    路徑p的度量標準VMCM定義如下：

式中，iaware表示路徑間鏈路干擾程度，通過對鏈路周圍鄰居鏈路的平均干擾測量獲得。鏈路j的iaware定義如下：

    式(2)中的期望傳輸時間ETT表示鏈路層成功傳輸一個分組需要的平均傳輸時間。鏈路j的ETT定義如下：

式中，S是平均分組大小，B為鏈路帶寬。ETX表示鏈路層成功傳輸一個分組需要的期望傳輸次數。鏈路j上節點v的干擾比率IR_j公式中，SINR_j(v)為信干比，SNR_j(v)為信噪比。與SNR_j(v)相比，SINR_j(v)考慮的是節點v從周圍干擾節點接收到的信號功率。

其中，N表示路徑上的節點數目,CSC_i指路徑上的節點i的信道切換成本。VMCRP的節點狀態有自由Free、鎖定Locked、硬鎖定Hard Locked、切換Switch四種狀態。節點只有在切換狀態下允許在2個信道之間切換。路徑上切換節點的數目影響路徑的傳輸性能，只有切換節點存在信道切換成本SC，定義如下：

式中，SD是信道切換時延，PTT是分組傳輸時間，PS是指平均分組大小，DTR是指額定信道帶寬。0≤α≤1是權值。

2.2 路由協議VMCRP

    基于MCRP[8]設計VMCRP。MCRP協議采用多信道廣播機制，節點快速切換到所有信道上交換路由分組。隨著信道數的增加，受信道切換時延等影響，網絡開銷和傳輸時延均會急劇增加。本方案借鑒信道分配SP類型的思想，采用控制信道分相廣播機制(Control-Channel Split-Phase，CCSP)。CCSP將時幀劃分為控制周期和數據周期。控制周期內，網絡節點在控制信道收發管理信息。在數據周期內，業務節點在數據信道上傳輸數據分組。CCSP廣播機制如圖3所示。

2.3 VMCRP路由發現

    VMCRP的路由發現流程如圖4所示。在控制周期，除了有緊急業務的數據信道可以繼續停留在原信道傳輸數據，其他所有節點都停留在控制信道上。當有節點需要發送業務時，啟動路由發現，使用CCSP廣播機制廣播RREQ分組，具體過程同AODV。當中間節點收到RREQ，判斷先前是否收到過相同RREQ：若有，節點通過計算VMCM來選擇具有更好路徑的RREQ；否則，節點建立到源節點的反向路由條目，并更新RREQ的鏈路信息、信道列表和數據流列表等，最后轉發RREQ。如果是目的節點收到RREQ，則啟動信道選擇機制。如果在給定時間收到多個RREQ，則利用VMCM選擇最好的路徑并判斷此路徑是否可行，若可行，節點分配信道給此路由并沿反向路由發送RREP分組。如果源節點收到RREP，則更新路由條目并結束路由發現過程。當數據周期來臨時，路徑上的所有節點切換到相同信道上，數據信道建立完成，源節點開始發送數據分組。

3 仿真環境與性能分析

3.1 仿真環境

    使用網絡仿真軟件OPNET 14.5仿真虛擬多信道網絡、單信道網絡、多信道網絡來比較性能優劣。為了盡可能模擬真實災后應急通信ad hoc網絡環境，設置參數如表1。

    本次仿真過程中，設置VMCRP的路由度量標準VMCM權重α=0.5。

3.2 仿真結果與性能分析

    首先仿真了不同數據流數目條件下的網絡吞吐量。多信道網絡的信道數目為21，虛擬多信道網絡的信道數目為21，其中控制信道數目1，空閑信道數目20。網絡中每條數據流的業務負載64 Kb/s。如圖5所示，數據流生成速率64 Kb/s，因此隨著網絡數據流的增加，信道帶寬很快被耗盡。在數據流數目小于5時，單信道網絡比多信道網絡和虛擬多信道網絡有更好的吞吐量，這是因為在業務負載較輕網絡沒有擁塞的情況下單信道網絡開銷更小。數據流數目大于5時，隨著數據流增加，單信道網絡帶寬很快耗盡，網絡吞吐量呈下降趨勢。在數據流數目為20時，虛擬多信道網絡出現了峰值，這是因為空閑的20條跳頻序列分配給了每條數據流。因此當數據流數目再增加時，網絡中就會有多條數據流使用一個跳頻序列的情況出現，這樣由于鏈路間干擾等問題會導致網絡吞吐量的下降。

    考慮到不同場景中節點的分布會不同導致的不同的拓撲結構和不同的數據流路徑差異，這樣會帶來網絡性能上的差異，因此選取了10組場景來仿真各網絡的吞吐量。場景設置為數據流負載64 Kb/s，數據流數目10，信道數目21。如圖6所示，各網絡在不同場景中的吞吐量基本保持平穩。但如場景2和場景4的網絡吞吐量相較其他場景有很大提升，這是因為這兩個場景中的網絡負載分布更均衡，路徑相交的數據流很少。

4 結論

    本文結合現有災后應急通信網絡跳頻電臺組網應用背景，提出了虛擬多信道網絡組網方案，設計了虛擬多信道路由協議VMCRP。對于網絡資源相當緊缺的災后應急通信網絡，在利用多信道技術提升網絡容量方面提供了一種具有應用價值的新思路。本方案還存在一些問題需要繼續研究，包括通過全局監聽資源來提高空閑頻率資源的空間復用效率，以及虛擬多信道方案在同步非正交組網環境下的頻率碰撞問題等。

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