劉經(jīng)緯，李 茜，韓仲華

（華北計(jì)算技術(shù)研究所，北京100083）

0 引 言

無(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)（wireless mesh network，WMN）是近幾年出現(xiàn)的一種新興多跳無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，相比目前依賴基礎(chǔ)設(shè)施的網(wǎng)絡(luò)（如傳統(tǒng)的蜂窩網(wǎng)絡(luò)），無(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)中的各節(jié)點(diǎn)能夠以多跳方式快速構(gòu)成鏈狀、樹(shù)狀以及網(wǎng)狀等多種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)。由于不需要基礎(chǔ)設(shè)施，無(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)可作為一種臨時(shí)骨干網(wǎng)絡(luò)與應(yīng)急通信手段，保證了其它多種末端網(wǎng)絡(luò)之間能夠互聯(lián)互通，并提供較大范圍內(nèi)的無(wú)線覆蓋能力。

無(wú)線Mesh 網(wǎng) 絡(luò) 涉 及 到 路 由［1，2，10］、組 網(wǎng)［8，9］，以 及 信道分配［3－7］等多種技術(shù)，而在射頻與天線技術(shù)方面，現(xiàn)有無(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)多采用普通全向天線，其通信距離一般比較近，難以適用于大跨距的通信場(chǎng)合。

目前出現(xiàn)了一種基于多方向天線陣列的同步無(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)均采用一種基于多方向的天線陣列技術(shù)［11］，該技術(shù)中每根天線覆蓋45°扇區(qū)，在滿足全向覆蓋的同時(shí)實(shí)現(xiàn)了天線的高增益，并支持天線動(dòng)態(tài)切換，大幅度地提升了整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的吞吐量和覆蓋范圍，天線任一時(shí)刻指向某個(gè)特定方位，也能夠大幅減輕來(lái)自其它方向上的干擾。多方向天線陣列結(jié)構(gòu)如圖1所示。

文中所研究的信標(biāo)收發(fā)技術(shù)即應(yīng)用在上述多方向天線陣列結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上。其中，將信標(biāo)稱為Hello包，將網(wǎng)絡(luò)內(nèi)節(jié)點(diǎn)周期對(duì)外發(fā)送的信標(biāo)稱為Hello請(qǐng)求包，而將未入網(wǎng)節(jié)點(diǎn)向選定的網(wǎng)絡(luò)內(nèi)節(jié)點(diǎn)發(fā)送的信標(biāo)回應(yīng)包稱為Hello響應(yīng)包（下同）。

圖1 多方向天線陣列

1 基于多方向天線陣列的信標(biāo)收發(fā)技術(shù)

1.1 幀結(jié)構(gòu)

該技術(shù)中的時(shí)間幀結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 幀結(jié)構(gòu)

該幀結(jié)構(gòu)中具有以下兩種時(shí)隙類型：Hello時(shí)隙；數(shù)據(jù)時(shí)隙。

其中，一個(gè)Hello時(shí)隙的時(shí)間長(zhǎng)度為整個(gè)時(shí)間幀長(zhǎng)度的1／1000，而每個(gè)時(shí)間幀中共有20個(gè)Hello時(shí)隙。

基于多方向天線陣列的同步無(wú)線Mesh 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議中的所有與時(shí)間相關(guān)的Hello請(qǐng)求包收發(fā)規(guī)程、數(shù)據(jù)時(shí)隙中的帶寬申請(qǐng)規(guī)程以及數(shù)據(jù)時(shí)隙的普通數(shù)據(jù)收發(fā)規(guī)程均以該幀結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)。

1.2 節(jié)點(diǎn)多方向信標(biāo)發(fā)送的天線號(hào)序列生成算法

1.2.1 多方向信標(biāo)發(fā)送的問(wèn)題

網(wǎng)絡(luò)內(nèi)節(jié)點(diǎn)需要在自己每根天線上均勻地對(duì)外發(fā)送Hello請(qǐng)求包，以便為未入網(wǎng)節(jié)點(diǎn)提供入網(wǎng)服務(wù)。

由于各節(jié)點(diǎn)均具有多方向天線陣列結(jié)構(gòu)并且均遵從時(shí)間幀結(jié)構(gòu)，因此需要對(duì)各節(jié)點(diǎn)在Hello時(shí)隙所發(fā)送的Hello請(qǐng)求包的時(shí)間與所使用的天線號(hào)進(jìn)行合理規(guī)劃，否則容易出現(xiàn)以下問(wèn)題：

（1）鄰近的多個(gè)節(jié)點(diǎn)可能會(huì)在同一個(gè)Hello時(shí)隙內(nèi)發(fā)出Hello請(qǐng)求包。

（2）多個(gè)節(jié)點(diǎn)可能會(huì)使用具有相同天線號(hào)的天線發(fā)出Hello請(qǐng)求包。雖然由于各節(jié)點(diǎn)的隨機(jī)擺放能夠一定程度上避免各節(jié)點(diǎn)具有相同天線號(hào)的天線方向相同或相近，但仍需要在設(shè)計(jì)上使各節(jié)點(diǎn)在同一時(shí)間內(nèi)使用不同天線號(hào)的天線發(fā)送Hello請(qǐng)求包。

上述兩種情況容易使未入網(wǎng)節(jié)點(diǎn)在接收Hello請(qǐng)求包時(shí)發(fā)生錯(cuò)誤。另外，為了保證網(wǎng)絡(luò)內(nèi)節(jié)點(diǎn)發(fā)出的Hello請(qǐng)求包能夠在各個(gè)方向上均有發(fā)出，應(yīng)保證節(jié)點(diǎn)在每個(gè)時(shí)間幀內(nèi)在每根天線上各發(fā)出一個(gè)Hello請(qǐng)求包。

1.2.2 天線號(hào)序列生成算法

具有多方向天線陣列的同步無(wú)線Mesh 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)發(fā)出Hello請(qǐng)求包時(shí)的時(shí)隙位置與所用天線號(hào)的規(guī)則如下：

（1）從每個(gè)時(shí)間幀內(nèi)的20個(gè)Hello時(shí)隙中等概率選擇8個(gè)用來(lái)發(fā)送Hello請(qǐng)求包，其余12個(gè)Hello時(shí)隙則用來(lái)隨機(jī)接收Hello請(qǐng)求包。

（2）8個(gè)用來(lái)發(fā)送Hello請(qǐng)求包的天線號(hào)序列由節(jié)點(diǎn)按［0，1，2，3，4，5，6，7］序列隨機(jī)生成其置換，其余12個(gè)執(zhí)行接收Hello請(qǐng)求包的天線號(hào)則等概率隨機(jī)生成。

由于節(jié)點(diǎn)本身是隨機(jī)部署的，這兩個(gè)節(jié)點(diǎn)在距離上可能較近，也可能較遠(yuǎn)，因此，通過(guò)節(jié)點(diǎn)之間距離遠(yuǎn)近的隨機(jī)性、節(jié)點(diǎn)部署時(shí)0號(hào)天線與絕對(duì)方向夾角大小的隨機(jī)性、天線號(hào)的隨機(jī)性以及發(fā)送Hello請(qǐng)求包所選擇的Hello時(shí)隙的隨機(jī)性，則能夠盡可能地減少了網(wǎng)絡(luò)內(nèi)所有節(jié)點(diǎn)在多方向天線陣列上全向發(fā)送Hello請(qǐng)求包時(shí)在未入網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的接收上出錯(cuò)的概率。

1.3 信標(biāo)結(jié)構(gòu)

基于多方向天線陣列的同步無(wú)線Mesh 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議中的Hello包結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 Hello包結(jié)構(gòu)

其中：第一層包頭共24字節(jié)，其內(nèi)容與節(jié)點(diǎn)之間點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的基本通信功能相關(guān)，如基本數(shù)據(jù)包類型、目的節(jié)點(diǎn)地址、源節(jié)點(diǎn)地址、序列號(hào)等。

第二層包頭由協(xié)議中不同的功能模塊所定義，如模塊類型、該模塊內(nèi)的數(shù)據(jù)包類型以及QoS等。對(duì)于Hello包，則定義了Hello包的具體類型（包括Hello請(qǐng)求包、Hello響應(yīng)包），Hello包，每種類型所對(duì)應(yīng)的具體內(nèi)容。

Hello包內(nèi)容包括測(cè)距類信息、發(fā)送天線號(hào)信息、安全類信息等。

1.4 Hello時(shí)隙的使用

各節(jié)點(diǎn)對(duì)Hello時(shí)隙的使用有如下3種情況：（1）網(wǎng)絡(luò)內(nèi)節(jié)點(diǎn)周期對(duì)外發(fā)送Hello請(qǐng)求包

網(wǎng)絡(luò)內(nèi)節(jié)點(diǎn)在每個(gè)時(shí)間幀內(nèi)的8處Hello時(shí)隙上在自己每根天線上各發(fā)出一個(gè)Hello請(qǐng)求包，供未入網(wǎng)節(jié)點(diǎn)接入網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)節(jié)點(diǎn)在當(dāng)前Hello時(shí)隙內(nèi)發(fā)送Hello請(qǐng)求包完畢后，便立即在該Hello時(shí)隙的剩余時(shí)間里準(zhǔn)備接收未入網(wǎng)節(jié)點(diǎn)回應(yīng)的Hello響應(yīng)包。該過(guò)程如圖4所示。

圖4 網(wǎng)絡(luò)內(nèi)節(jié)點(diǎn)周期對(duì)外發(fā)送Hello請(qǐng)求包

（2）未入網(wǎng)節(jié)點(diǎn)接收Hello請(qǐng)求包

未入網(wǎng)節(jié)點(diǎn)在入網(wǎng)前將進(jìn)行Hello請(qǐng)求包的接收。在接收定時(shí)器超時(shí)前，未入網(wǎng)節(jié)點(diǎn)將在所有Hello時(shí)隙內(nèi)都執(zhí)行接收動(dòng)作。該過(guò)程如圖5所示。

圖5 未入網(wǎng)節(jié)點(diǎn)接收Hello請(qǐng)求包

（3）未入網(wǎng)節(jié)點(diǎn)回應(yīng)Hello響應(yīng)包

當(dāng)未入網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的接收Hello請(qǐng)求包定時(shí)器超時(shí)后，未入網(wǎng)節(jié)點(diǎn)將對(duì)所接收到的Hello請(qǐng)求包進(jìn)行排序，從中選擇信號(hào)質(zhì)量較好的網(wǎng)絡(luò)內(nèi)節(jié)點(diǎn)并嘗試從該節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)，該算法有專門論文進(jìn)行論述，文中不再提及。未入網(wǎng)節(jié)點(diǎn)為自己選出合適的網(wǎng)絡(luò)內(nèi)節(jié)點(diǎn)后，將繼續(xù)在Hello時(shí)隙上執(zhí)行接收動(dòng)作，當(dāng)再次從該網(wǎng)絡(luò)內(nèi)節(jié)點(diǎn)處接收到Hello請(qǐng)求包后，便在當(dāng)前Hello時(shí)隙的剩余時(shí)間里立即向該網(wǎng)絡(luò)內(nèi)節(jié)點(diǎn)回應(yīng)一個(gè)Hello響應(yīng)包。整個(gè)過(guò)程如圖6所示。

圖6 未入網(wǎng)節(jié)點(diǎn)向網(wǎng)絡(luò)內(nèi)節(jié)點(diǎn)回應(yīng)Hello響應(yīng)包

1.5 信標(biāo)發(fā)送過(guò)程

網(wǎng)絡(luò)內(nèi)節(jié)點(diǎn)周期性發(fā)送Hello 請(qǐng)求包的過(guò)程如圖7所示。

圖7 網(wǎng)絡(luò)內(nèi)節(jié)點(diǎn)周期性發(fā)送Hello請(qǐng)求包的過(guò)程

其中，生成Hello請(qǐng)求包的定時(shí)器時(shí)間周期設(shè)定為一個(gè)時(shí)間幀的長(zhǎng)度。安排下一個(gè)時(shí)間幀內(nèi)的Hello時(shí)隙使用的天線號(hào)和收發(fā)狀態(tài)則依據(jù)1.2節(jié)所描述的算法，而生成下一個(gè)時(shí)間幀內(nèi)的Hello請(qǐng)求包格式則按照1.3節(jié)的信標(biāo)格式填寫(xiě)。

1.6 未入網(wǎng)節(jié)點(diǎn)搜索網(wǎng)絡(luò)超時(shí)后的處理過(guò)程

未入網(wǎng)節(jié)點(diǎn)在入網(wǎng)前接收Hello請(qǐng)求包時(shí)的天線選擇情況如圖8所示。

圖8 未入網(wǎng)節(jié)點(diǎn)搜索網(wǎng)絡(luò)過(guò)程

未入網(wǎng)節(jié)點(diǎn)在入網(wǎng)前需要依次使用自己的0～7號(hào)天線執(zhí)行這樣的搜索，每根天線上的搜索時(shí)間為時(shí)間幀的2倍，這樣未入網(wǎng)節(jié)點(diǎn)則在8根天線上總共監(jiān)聽(tīng)的時(shí)間為時(shí)間幀的16倍。

1.7 各節(jié)點(diǎn)對(duì)信標(biāo)的處理過(guò)程

圖9表示了網(wǎng)絡(luò)內(nèi)節(jié)點(diǎn)和未入網(wǎng)節(jié)點(diǎn)對(duì)Hello包的處理過(guò)程。

其中：左邊分支表示了未入網(wǎng)節(jié)點(diǎn)與網(wǎng)絡(luò)內(nèi)節(jié)點(diǎn)在收到Hello請(qǐng)求包時(shí)的不同處理過(guò)程。右邊分支為網(wǎng)絡(luò)內(nèi)節(jié)點(diǎn)收到來(lái)自未入網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的Hello響應(yīng)包時(shí)的處理過(guò)程情況，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)節(jié)點(diǎn)收到這樣的Hello響應(yīng)包后，表明未入網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的后續(xù)入網(wǎng)過(guò)程即將開(kāi)始。

2 示例說(shuō)明

以下是某一個(gè)時(shí)間幀內(nèi)前5個(gè)Hello時(shí)隙中網(wǎng)絡(luò)內(nèi)節(jié)點(diǎn)周期發(fā)送Hello請(qǐng)求包與未入網(wǎng)節(jié)點(diǎn)接收Hello請(qǐng)求包以及后續(xù)某一個(gè)時(shí)間幀內(nèi)未入網(wǎng)節(jié)點(diǎn)發(fā)送Hello響應(yīng)包的示例。

2.1 網(wǎng)絡(luò)內(nèi)節(jié)點(diǎn)周期發(fā)送Hello請(qǐng)求包

（1）網(wǎng)絡(luò)內(nèi)節(jié)點(diǎn)包含網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)和骨干節(jié)點(diǎn)1，未入網(wǎng)節(jié)點(diǎn)為骨干節(jié)點(diǎn)2。

（2）為說(shuō)明節(jié)點(diǎn)多方向信標(biāo)發(fā)送的天線號(hào)序列生成算法的隨機(jī)性與降低未入網(wǎng)節(jié)點(diǎn)在接收Hello請(qǐng)求包時(shí)失敗的概率，特選擇網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)與骨干節(jié)點(diǎn)1的0號(hào)天線方向完全相同，并且兩個(gè)節(jié)點(diǎn)在該時(shí)間幀內(nèi)均選擇了如下Hello請(qǐng)求包發(fā)送天線序列：［2，0，5，4，3，1，7，6］。

（3）各節(jié)點(diǎn)在該時(shí)間幀內(nèi)前5個(gè)Hello時(shí)隙的天線號(hào)與收發(fā)狀態(tài)，分別如圖10～圖12所示。

（4）網(wǎng)絡(luò)內(nèi)節(jié)點(diǎn)在該時(shí)間幀內(nèi)的前5個(gè)Hello時(shí)隙收發(fā)Hello請(qǐng)求包分別如圖13～圖17所示。

2.2 未入網(wǎng)節(jié)點(diǎn)向網(wǎng)絡(luò)內(nèi)節(jié)點(diǎn)發(fā)送Hello響應(yīng)包

（1）網(wǎng)絡(luò)內(nèi)節(jié)點(diǎn)包含網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)和骨干節(jié)點(diǎn)1，未入網(wǎng)節(jié)點(diǎn)為骨干節(jié)點(diǎn)2。

（2）在上例中，未入網(wǎng)節(jié)點(diǎn)（即骨干節(jié)點(diǎn)2）在某個(gè)時(shí)間幀內(nèi)的20個(gè)Hello時(shí)隙內(nèi)收到的hello請(qǐng)求包中，來(lái)自網(wǎng)絡(luò)內(nèi)骨干節(jié)點(diǎn)1的2 號(hào)天線的Hello請(qǐng)求包的RSSI值最大，因此，骨干節(jié)點(diǎn)2選擇骨干節(jié)點(diǎn)1作為選定的網(wǎng)絡(luò)內(nèi)節(jié)點(diǎn)并嘗試從該節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)。骨干節(jié)點(diǎn)2 仍然用0 號(hào)天線監(jiān)聽(tīng)，當(dāng)某個(gè)Hello時(shí)隙到來(lái)后再次收到來(lái)自骨干節(jié)點(diǎn)1的2號(hào)天線的Hello請(qǐng)求包后，便立即在該Hello時(shí)隙內(nèi)向骨干節(jié)點(diǎn)1回復(fù)Hello響應(yīng)包。這兩個(gè)過(guò)程分別如圖18、圖19所示。

圖9 Hello包的處理過(guò)程

圖10 網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)在該時(shí)間幀內(nèi)的Hello時(shí)隙情況

圖11 骨干節(jié)點(diǎn)1在該時(shí)間幀內(nèi)的Hello時(shí)隙情況

圖12 骨干節(jié)點(diǎn)2在該時(shí)間幀內(nèi)的Hello時(shí)隙情況

圖15 該時(shí)間幀內(nèi)第3個(gè)Hello時(shí)隙

圖16 該時(shí)間幀內(nèi)第4個(gè)Hello時(shí)隙

圖17 該時(shí)間幀內(nèi)第5個(gè)Hello時(shí)隙

圖18 骨干節(jié)點(diǎn)2在后續(xù)Hello時(shí)隙內(nèi)監(jiān)聽(tīng)

圖19 骨干節(jié)點(diǎn)2回復(fù)Hello響應(yīng)包

3 結(jié)束語(yǔ)

基于多方向天線陣列的同步無(wú)線Mesh 網(wǎng)絡(luò)在節(jié)點(diǎn)滿足全向覆蓋的同時(shí)實(shí)現(xiàn)了各方向天線的高增益與天線之間的動(dòng)態(tài)切換，從而大幅提高整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的吞吐量和覆蓋范圍。鑒于此，提出上述基于多方向天線陣列的同步無(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)下的信標(biāo)收發(fā)技術(shù)，對(duì)時(shí)間幀結(jié)構(gòu)、節(jié)點(diǎn)多方向信標(biāo)發(fā)送的天線號(hào)序列生成算法、信標(biāo)結(jié)構(gòu)、Hello時(shí)隙的使用過(guò)程進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)計(jì)。通過(guò)該技術(shù)的使用，網(wǎng)絡(luò)內(nèi)所有已入網(wǎng)節(jié)點(diǎn)均能夠在每個(gè)發(fā)送信標(biāo)的時(shí)刻安排合適的天線，盡可能降低了未入網(wǎng)節(jié)點(diǎn)在接收信標(biāo)時(shí)出錯(cuò)的概率。

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