李向遠 張 章 李 楊 殷 璟

(武漢船舶通信研究所 武漢 430079)

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基于QualNet的一種分布式空中骨干網(wǎng)的研究與設計*

李向遠 張 章 李 楊 殷 璟

(武漢船舶通信研究所 武漢 430079)

空中骨干網(wǎng)是由多個空中平臺通過無線方式連接為其他節(jié)點或網(wǎng)絡提供服務的骨干網(wǎng)絡?？罩泄歉删W(wǎng)動態(tài)拓撲頻繁,網(wǎng)絡負載能力有限。特別在節(jié)點類型較多的應用場景下,傳統(tǒng)的組網(wǎng)方法難以滿足需求。論文設計了一種全新的分布式空中骨干網(wǎng)的組網(wǎng)方式,從結構設計和資源分配兩方面,對現(xiàn)有的網(wǎng)絡組網(wǎng)方式進行了改進,實現(xiàn)了拓撲動態(tài)快速生成,有效地降低了網(wǎng)絡負載,達到了利用較小網(wǎng)絡開銷維護網(wǎng)絡的目的。仿真結果表明,改進的組網(wǎng)方法,滿足空中骨干網(wǎng)絡的傳輸需求,具有較好的應用前景。

空中骨干網(wǎng); 分布式; 資源分配; 結構設計; QualNet

Class Number TP393

1 引言

分布式空中高速骨干網(wǎng)是一種由空中平臺、海上平臺、單兵等組建的超視距寬帶通信網(wǎng)絡,具有很高的通信速率以及較強的抗干擾/抗截獲能力。它利用長滯空平臺組網(wǎng)實現(xiàn)大范圍通信覆蓋,可以允許不同天線類型的節(jié)點接入網(wǎng)絡,在微波頻段可以實現(xiàn)數(shù)百兆的通信速率,空中高速骨干網(wǎng)采用Ad-Hoc[7]方式組網(wǎng),網(wǎng)絡具有自組織、自愈能力。

分布式空中高速骨干網(wǎng)的使命任務是構建一個高速骨干承載網(wǎng)絡,為視距內和視距外的岸、海、空各單元之間提供接入、轉發(fā)、路由的功能,其傳輸能力可滿足如合成孔徑雷達圖像、光電雷達/紅外圖像、音/視頻等大容量數(shù)據(jù)的近實時傳輸。分布式空中高速骨干網(wǎng)可以作為除衛(wèi)星網(wǎng)之外的一種寬帶、高速的骨干承載網(wǎng)絡,為節(jié)點提供可靠的接入、路由服務,未來通過增加與衛(wèi)星的接口,還能利用衛(wèi)星中繼進一步擴大覆蓋范圍,通過增加網(wǎng)關設備,還可以實現(xiàn)對Internet的訪問。

對于節(jié)點類型多,網(wǎng)絡負載能力有限,拓撲變化頻繁的特殊網(wǎng)絡,常用的Ad-Hoc組網(wǎng)方式具有很大的局限性,難以滿足實際應用需求。本文從分布式空中骨干網(wǎng)的結構設計和資源分配等方面,使其能夠滿足不同節(jié)點的接入需求。在面對拓撲變化頻繁的網(wǎng)絡時,能夠進行快速拓撲生成,對接入節(jié)點進行有效負載均衡,使網(wǎng)絡資源得到合理利用。

2 結構設計

分布式空中骨干網(wǎng)能夠滿足特殊環(huán)境下構建高速骨干承載網(wǎng)絡的需要。針對特殊環(huán)境下,沒有預設的寬帶骨干網(wǎng)絡、節(jié)點移動頻繁、網(wǎng)絡拓撲動態(tài)變化比較快等特點,分布式空中高速骨干網(wǎng)采用了基于Ad-Hoc的分布式的組網(wǎng)方式,使得生成的網(wǎng)絡具有自組織和自愈能力,在網(wǎng)絡拓撲結構動態(tài)變化頻繁的時候也能夠快速的進行網(wǎng)絡拓撲的更新。由于接入網(wǎng)絡的節(jié)點類型各異,各節(jié)點所攜帶的天線也各不相同,因此分布式空中骨干網(wǎng)采用分層的網(wǎng)絡結構,從節(jié)點和網(wǎng)絡兩個方面滿足不同類型節(jié)點的接入需求。

2.1 節(jié)點類型

針對實際網(wǎng)絡應用場景中既存在空中平臺、海面平臺等允許遠距離高速通信的大型平臺,也存在單兵等通信受限的小型平臺的現(xiàn)實。分布式空中高速骨干網(wǎng)在Lzhak Rubin等研究的基礎上[1],對整個網(wǎng)絡結構做了改進,將網(wǎng)絡節(jié)點分為了高速通信節(jié)點(骨干能力節(jié)點BCN或骨干節(jié)點BN)和低速通信節(jié)點(接入節(jié)點RN)兩類。高速通信節(jié)點將作為骨干節(jié)點BN或者骨干能力節(jié)點BCN分別接入各自的網(wǎng)絡,為網(wǎng)絡提供轉發(fā)和路由功能。低速通信節(jié)點作為用戶終端節(jié)點(接入節(jié)點RN)接入相應的子網(wǎng),不具備路由和轉發(fā)的功能。

本算法中,骨干節(jié)點(BN)和骨干能力節(jié)點(BCN),均作為高速通信節(jié)點,但二者在網(wǎng)絡中所承擔的角色卻不同,骨干節(jié)點BN被用于組建BNet骨干網(wǎng),骨干能力節(jié)點BCN則被作為BANet骨干接入網(wǎng)的中心節(jié)點,兩者皆可以為低速通信節(jié)點提供路由和接入功能。并且隨著拓撲結構的變化二者的角色可以根據(jù)轉換算法相互進行角色轉換。

2.2 網(wǎng)絡結構

分布式空中高速骨干網(wǎng)的網(wǎng)絡結構包括骨干網(wǎng)絡(BNet)、骨干接入網(wǎng)絡(BANet)和接入網(wǎng)絡(ANet)在內的三層網(wǎng)絡[2],如圖1所示。骨干網(wǎng)BNet由骨干節(jié)點BN(圖中的黑色實心圓點)組成,可以為骨干接入網(wǎng)BANet間以及骨干網(wǎng)BNet內的信息交互提供路由和傳輸路徑。骨干接入網(wǎng)BANet由一個骨干節(jié)點BN和多個骨干能力節(jié)點BCN(圖中的灰色實心圓點)組成,為骨干接入網(wǎng)BANet內的接入網(wǎng)ANet間以及BANet內的信息交互提供路由和傳輸路徑。接入網(wǎng)ANet由一個骨干能力節(jié)點BCN和多個普通節(jié)點RN(圖中的空心圓點)組成,為接入網(wǎng)ANet內的接入節(jié)點RN提供接入和信息交互功能。

圖1 分層通信關系圖

這種拓撲生成算法有別于傳統(tǒng)的Ad-Hoc移動自組網(wǎng)完全無中心的特點,在整個網(wǎng)絡運行過程中,網(wǎng)絡中的所有節(jié)點無需知道全網(wǎng)的拓撲結構,只需知道自己的鄰居節(jié)點以及父節(jié)點的連接情況。因而當網(wǎng)絡拓撲結構發(fā)生變化時,只需要對拓撲結構發(fā)生變化的局部網(wǎng)絡重新生成拓撲結構,從而大大降低了網(wǎng)絡管理維護的開銷。

3 資源分配

分布式空中高速骨干網(wǎng)資源分配分為頻率資源分配和時隙資源的分配兩部分的內容。

3.1 頻率分配

分布式頻率復用的主要思路是采用蜂窩機制,使得空間上相隔較遠的骨干接入網(wǎng)BANet和接入網(wǎng)ANet能夠重復使用相同的頻率,大大減少通信所需的頻點數(shù)。分布式頻率復用算法采用分布式算法,由骨干接入網(wǎng)BANet和接入網(wǎng)ANet的簇頭節(jié)點分別進行計算。算法的具體原理是:簇頭節(jié)點首先收集其他簇頭廣播子網(wǎng)頻率信息,然后通過算法確定本子網(wǎng)所采用的頻率,當頻率出現(xiàn)沖突時還要通過頻率協(xié)調解決沖突。因此整個分布式頻率復用算法包括子網(wǎng)頻率選擇和子網(wǎng)頻率選擇沖突后的協(xié)調算法兩個主要部分。

3.1.1 頻率選擇算法

由于分布式空中高速骨干網(wǎng)的頻點資源有限,因此必須在頻點的使用上做到充分合理的利用。子網(wǎng)頻率選擇算法[5]就是是骨干接入網(wǎng)BANet的簇頭節(jié)點和接入網(wǎng)ANet的簇頭節(jié)點確定本BANet或ANet所使用的頻率的過程。BANet的頻率選擇算法具體過程為:簇頭節(jié)點BN首先偵聽其他BN節(jié)點廣播的其他BANet子網(wǎng)間頻率協(xié)調消息,通過了解其他BANet子網(wǎng)使用的頻率和時隙等信息,然后通過下述算法確定本BANet子網(wǎng)頻率,并廣播本BANet的頻率信息。算法主要流程如圖2所示。

圖2 頻率選擇算法

3.1.2 頻率沖突協(xié)調算法

在上文提到的分布式子網(wǎng)頻率選擇算法中,當存在兩個或多個同時需要確定頻率的BANet子網(wǎng)或ANet子網(wǎng)時,通過執(zhí)行上述算法,這些BANet或ANet子網(wǎng)將會分配到同一個頻率,造成子網(wǎng)間通信頻率的串擾,因此需要通過頻率退避[3]的方式進行沖突協(xié)調。

圖3 頻率協(xié)商退避算法

子網(wǎng)間頻率沖突協(xié)調算法就是通過改變沖突子網(wǎng)中的某個子網(wǎng)頻率的方式消除頻率沖突,其原理是骨干接入網(wǎng)BANet或接入網(wǎng)ANet的簇頭節(jié)點先通過偵聽其他BANet或ANet簇頭廣播的子網(wǎng)間頻率協(xié)調消息,了解頻率沖突情況,然后節(jié)點號較小的BANet或ANet簇頭節(jié)點按下述算法進行退避重選頻率。BANet子網(wǎng)間的頻率沖突協(xié)調算法具體流程如圖3所示。

3.2 時隙分配

3.2.1 ANet子網(wǎng)時隙分配算法

由于接入子網(wǎng)ANet為星形結構,其中BCN節(jié)點為中心控制節(jié)點(簇頭節(jié)點),RN節(jié)點為邊緣節(jié)點。因此將由BCN節(jié)點負責計算本ANet子網(wǎng)內自身以及RN節(jié)點的時隙分配,并負責本ANet子網(wǎng)內的數(shù)據(jù)的路由。骨干節(jié)點BCN節(jié)點經(jīng)過分布式頻率復用、子網(wǎng)間頻率分配等過程后,可以確定本ANet子網(wǎng)的頻率和時隙資源,BCN節(jié)點將對這些資源進行子網(wǎng)內的重新分配計算,具體的計算過程為:

1) BCN節(jié)點將子網(wǎng)間頻率協(xié)調算法得到的本ANet子網(wǎng)時隙(可能是離散的)看作是一塊連續(xù)的時隙池。設該時隙池的時隙數(shù)為K個,則可滿足K/2個RN節(jié)點的時隙分配;

2) BCN節(jié)點依次為前K/2個節(jié)點中的每個節(jié)點分配2連續(xù)個時隙,分別用于BCN節(jié)點和該節(jié)點的上行和下行通信。

3.2.2 BNet子網(wǎng)和BANet子網(wǎng)時隙分配算法

分布式空中高速骨干網(wǎng)的骨干網(wǎng)BNet和骨干接入網(wǎng)BANet均采用TDPA[4]的通信方式來實現(xiàn)網(wǎng)內的信息共享,分別占用不同的固定預分配時隙資源(參見時隙分配圖4)。但是由于頻點數(shù)有限,每個BANet在子網(wǎng)間協(xié)調計算中只分配到一個頻點,因此BANet內各節(jié)點主要采用時分和空分的方式避免沖突,而BNet內各節(jié)點采用頻分、時分和空分方式避免沖突。

BNet子網(wǎng)和BANet子網(wǎng)進行時隙分配算法主要思路是:先采用圖論中的邊染色算法計算節(jié)點配對情況,再利用邏輯時頻分配算法為配對節(jié)點分配邏輯時隙,然后根據(jù)天線模型對同一時隙中的各復用節(jié)點對進行空間干擾判斷,對存在相互干擾的復用節(jié)點對錯開時隙或者分配不同頻率,最后形成無干擾的物理時頻分配表。具體的算法流程如圖4所示。

4 基于QualNet的仿真及結果分析

本仿真所使用的通信協(xié)議是在QualNet自帶的TDMA[6]協(xié)議的基礎上按照本文提出的分布式空中高速骨干網(wǎng)系統(tǒng)的設計方案進行了改造,并且加入了節(jié)點的平均信息共享時延的統(tǒng)計,作為網(wǎng)絡性能好壞判定的依據(jù),完成對生成的分布式空中高速骨干網(wǎng)性能的測試。

圖4 TDPA時隙分配算法

圖5 網(wǎng)絡工作流程圖

分布式空中高速骨干網(wǎng)整個網(wǎng)絡的運行可以分為拓撲生成和運行兩個階段,經(jīng)歷節(jié)點發(fā)現(xiàn)、節(jié)點關聯(lián)和節(jié)點轉換三個步驟。在拓撲生成階段,各節(jié)點進行hello消息的發(fā)送和接收完成節(jié)點發(fā)現(xiàn),并通過拓撲關聯(lián)生成算法生成和更新網(wǎng)絡拓撲,然后通過時隙表分配算法生成供各節(jié)點運行的時隙表,最后整個網(wǎng)絡將按照生成的時隙表來運行,當拓撲更新周期到來后,開始重新進行新一輪的拓撲生成和運行。分布式空中高速骨干網(wǎng)的整個網(wǎng)絡的運行的詳細流程如圖5所示。

具體的仿真中使用的參數(shù)如表1所示。

表1 QualNet仿真參數(shù)

4.1 拓撲生成

對于十個節(jié)點而言,經(jīng)過節(jié)點發(fā)現(xiàn)、節(jié)點關聯(lián)和節(jié)點轉換等三個過程完成第一輪拓撲生成,再經(jīng)過第二輪拓撲過程最終形成BNet、BANet和ANet等三類子網(wǎng)。拓撲生成后的拓撲結構如圖6所示。

圖6 拓撲生成后的拓撲結構

經(jīng)過兩輪的拓撲生成的過程,分布式空中高速骨干網(wǎng)的三層網(wǎng)絡結構就得以確立,系統(tǒng)也將根據(jù)這個拓撲結構來進行時隙分配以及之后的網(wǎng)絡運行。對于規(guī)模較大的網(wǎng)絡,以平均信息共享時延作為網(wǎng)絡性能的評價依據(jù)。

4.2 時延分析

通過上文的拓撲生成算法之后,入網(wǎng)的節(jié)點將生成分布式空中骨干網(wǎng)的三層網(wǎng)絡結構,然后將按照生成的時隙分配表所分配的時隙進行數(shù)據(jù)收發(fā),最后統(tǒng)計數(shù)據(jù)在全網(wǎng)的平均信息共享時延。本文將根據(jù)平均信息共享時延判定算法生成的拓撲結構是否有效。由于仿真中網(wǎng)絡采用改進的TDMA協(xié)議進行工作,因此平均時延在本仿真中用時隙數(shù)表示。本文定義的網(wǎng)絡平均共享時延為各節(jié)點收到其他節(jié)點共享的信息所需時隙數(shù)的均值。仿真得到的不同網(wǎng)絡規(guī)模的平均信息共享時延統(tǒng)計如圖7所示。

圖7 平均信息共享時延統(tǒng)計圖

可以看到,網(wǎng)絡拓撲信息平均共享時延與網(wǎng)絡節(jié)點數(shù)成一個大致的線性關系,通過仿真驗證當網(wǎng)絡規(guī)模為100個節(jié)點時的平均信息共享時延為52.35個時隙,驗證了這種線性關系。當這樣的網(wǎng)絡作為無線骨干網(wǎng)絡時,可以滿足節(jié)點接入、路由等通信需求。

5 結語

網(wǎng)絡的特殊需求,決定了基于Ad-Hoc的空中骨干網(wǎng)組網(wǎng)方法難以滿足實際需要,對拓撲動態(tài)生成和網(wǎng)絡負載能力都提出了更高的要求。本文以空中骨干網(wǎng)在特殊網(wǎng)絡中的應用為背景,提出了一種分布式空中骨干網(wǎng)的設計方法,通過更加合理的結構設計實現(xiàn)了資源的有效分配。QualNet仿真結果表明,這種網(wǎng)絡可以滿足節(jié)點接入、路由等通信需求,實現(xiàn)了拓撲快速動態(tài)生成,有效地降低了網(wǎng)絡負載。

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Research and Design of Distributed Air Backbone Network Based on QualNet

LI Xiangyuan ZHANG Zhang LI Yang YIN Jing

(Wuhan Maritime Communication Research Institute, Wuhan 430079)

The air backbone network provides service to other node or network, which is a wireless network of aerial platforms. The frequent topology change and the limited network capacity make it difficult for the traditional networking mode to meet the air backbone network’s need, especially when the kinds of node are large. Improving the traditional networking mode from the resource allocation and structural design, this paper designs a new networking mode to reduce the network load and network cost. At the mean time, this new mode is efficient for the dynamic topology discovery. The imitation results show that this improved networking mode can meet the need of the air backbone network, therefore, extending prospects in the application.

air backbone network, distributed, resource allocation, structural design, QualNet

2014年11月5日,

2014年12月17日

李向遠,男,工程師,研究方向:無線通信。

TP393

10.3969/j.issn1672-9730.2015.05.013