摘" 要： 針對(duì)當(dāng)前主流Mesh自組網(wǎng)技術(shù)節(jié)點(diǎn)傳輸帶寬不足百兆，級(jí)跳數(shù)小于10的問(wèn)題，提出采用多處理器構(gòu)建實(shí)現(xiàn)分布式多跳、高帶寬低時(shí)延的無(wú)線跳頻的高性能自組網(wǎng)節(jié)點(diǎn)，對(duì)節(jié)點(diǎn)自動(dòng)化組網(wǎng)連接、多信道選擇避讓、漫游切換及低時(shí)延高帶寬網(wǎng)絡(luò)多跳實(shí)現(xiàn)等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究實(shí)現(xiàn)。由測(cè)試結(jié)果分析可知，在20級(jí)跳內(nèi)，文中節(jié)點(diǎn)組網(wǎng)帶寬損失在30%以內(nèi)且?guī)挶３衷?00 Mb/s以上，時(shí)延控制在100 ms內(nèi)，可以滿足現(xiàn)實(shí)應(yīng)急場(chǎng)景下多終端智能硬件實(shí)時(shí)進(jìn)行圖像、視頻等大數(shù)據(jù)量信息交互對(duì)高帶寬低時(shí)延網(wǎng)絡(luò)通信的需求。

關(guān)鍵詞： 多處理器； 自組網(wǎng)連接； 多級(jí)跳； 高帶寬； 低時(shí)延； 信息交互

中圖分類號(hào)： TN929.5?34； TP391.44" " " " " " " " " "文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A" " " " " " " " 文章編號(hào)： 1004?373X（2024）05?0001?07

Research on distributed high?performance ad hoc network node technology

YU Zhe， ZHOU Shunmin， WANG Bin， SUN Yiming， CHEN Fang， ZHAO Zilong， LI Beibei

（National Supercomputing Center in Zhenzhou， Zhengzhou University， Zhengzhou 450001， China）

Abstract： In response to the current mainstream mesh ad hoc network technology， where the transmission bandwidth of nodes is less than 100 megabytes and the number of hops is less than 10， a high?performance ad hoc network node with distributed multi hop， high bandwidth and low latency wireless frequency hopping is constructed with multiple processors. Key technologies such as node automation network connection， multi?channel selection avoidance， roaming switching， and multi hop implementation in low latency and high bandwidth networks are studied and implemented. According to the analysis of test results， it is known that within 20 hops， the bandwidth loss of nodes network is kept within 30% and its bandwidth is kept above 200 Mb/s， and its delay is kept within 100 ms， so it can meet the demand of high bandwidth and low delay network communication for real?time image， video and other big data information interaction of multi terminal intelligent hardware in emergency scenarios.

Keywords： multiple processors; ad hoc network connection; multistage jump; high bandwidth; low latency; information interaction

0" 引" 言

傳統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)體系技術(shù)的實(shí)現(xiàn)需要各類固定的基礎(chǔ)通信設(shè)備支持，靈活度低、無(wú)法短期安裝，且不能提供穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，在各種復(fù)雜應(yīng)急場(chǎng)景下無(wú)法實(shí)現(xiàn)快速應(yīng)用[1]。自組網(wǎng)技術(shù)無(wú)需任何基礎(chǔ)設(shè)施，各節(jié)點(diǎn)功能相同、地位平等，通過(guò)底層設(shè)備網(wǎng)絡(luò)化及通信自連功能，實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)隨時(shí)選擇通道加入或離開組網(wǎng)，在各種需求下可實(shí)現(xiàn)靈活、實(shí)時(shí)拓?fù)浣M網(wǎng)通信。

隨著智能設(shè)備的不斷增加，復(fù)雜環(huán)境下快速、高帶寬、便攜組網(wǎng)通信需求成為無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展的驅(qū)動(dòng)力，多跳分布式高帶寬低時(shí)延自組網(wǎng)節(jié)點(diǎn)技術(shù)研究成為近幾年來(lái)國(guó)內(nèi)外各界關(guān)注的重點(diǎn)。

當(dāng)前，主流Ad Hoc Mesh節(jié)點(diǎn)技術(shù)的演進(jìn)主要以解決大規(guī)模、復(fù)雜化應(yīng)用問(wèn)題為主，具體解決技術(shù)手段主要集中在信道分配和路由協(xié)議等方面進(jìn)行改進(jìn)、優(yōu)化。如文獻(xiàn)[2]提出在明確整個(gè)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載矩陣的條件下，將信道分配和路由協(xié)議選擇問(wèn)題拆解成子問(wèn)題進(jìn)行逐一優(yōu)化；文獻(xiàn)[3]提出通過(guò)優(yōu)先保證上游節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)調(diào)度，下游節(jié)點(diǎn)競(jìng)爭(zhēng)共享通道方式的分布式流控制與鏈路訪問(wèn)控制的跨層調(diào)度策略以解決MAC鏈路競(jìng)爭(zhēng)導(dǎo)致的網(wǎng)絡(luò)擁塞問(wèn)題；文獻(xiàn)[4]引入節(jié)點(diǎn)穩(wěn)定二維前程值和節(jié)點(diǎn)能量分級(jí)的計(jì)算方法，延長(zhǎng)了網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間，降低了路由開銷；文獻(xiàn)[5]研究了無(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)中主動(dòng)或被動(dòng)路由環(huán)路避讓算法；文獻(xiàn)[6]對(duì)基于單兵裝備的Mesh網(wǎng)絡(luò)通過(guò)業(yè)務(wù)分類和權(quán)重進(jìn)行信道資源分配研究以改善整體服務(wù)質(zhì)量；文獻(xiàn)[7]和文獻(xiàn)[8]則從鄰居發(fā)現(xiàn)角度分別通過(guò)實(shí)現(xiàn)二進(jìn)制編碼序列確定收發(fā)模式的異步算法和結(jié)合節(jié)點(diǎn)移動(dòng)速度進(jìn)行覆蓋信息收集分析方法研究，提高節(jié)點(diǎn)間相互發(fā)現(xiàn)概率，降低平均延時(shí)；文獻(xiàn)[9]采用樹莓派開源基礎(chǔ)實(shí)現(xiàn)自組網(wǎng)，但只實(shí)現(xiàn)少數(shù)級(jí)跳且?guī)挷淮笥? Mb/s。雖然，眾多學(xué)者對(duì)Ad Hoc Mesh組網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行了系列研究，但是并沒有很好地解決Ad Hoc Mesh技術(shù)節(jié)點(diǎn)組網(wǎng)級(jí)跳數(shù)小于10，末端帶寬不足百兆的性能限制問(wèn)題。

針對(duì)上述問(wèn)題，本文研究實(shí)現(xiàn)了一種應(yīng)用于UMWS?H的新型無(wú)線組網(wǎng)設(shè)備節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)具有自愈合連接、多頻高帶寬低時(shí)延等技術(shù)特點(diǎn)，預(yù)期實(shí)現(xiàn)達(dá)到200兆帶寬，節(jié)點(diǎn)級(jí)跳數(shù)大于14，公網(wǎng)與自組網(wǎng)之間接近5G的秒切速度等。為實(shí)現(xiàn)這一節(jié)點(diǎn)無(wú)損多跳分布式連接組網(wǎng)技術(shù)，本文將主要研究解決基于UMWS?H自組網(wǎng)多跳連接中節(jié)點(diǎn)自我管理自動(dòng)化組網(wǎng)、高帶寬多跳節(jié)點(diǎn)連接、多跳帶寬損失最小化、低延遲漫游切換、節(jié)點(diǎn)自動(dòng)愈合及信道避讓等關(guān)鍵技術(shù)實(shí)現(xiàn)。

1" 節(jié)點(diǎn)組網(wǎng)連接關(guān)鍵技術(shù)實(shí)現(xiàn)

圖1為擬采用的基于UMWS?H技術(shù)構(gòu)建的先進(jìn)自組網(wǎng)技術(shù)模型圖，利用UMWS?H構(gòu)建的高帶寬低時(shí)延自組網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)可以實(shí)現(xiàn)比其他組網(wǎng)方式更高效、更魯棒的物聯(lián)模式，更好地服務(wù)于“人機(jī)物”三元融合交互。與原來(lái)的S波段和C波段無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的多模塊、多通道和多射頻技術(shù)不同，采用單頻組網(wǎng)的UMWS?H極大簡(jiǎn)化了現(xiàn)場(chǎng)配置和部署難度，滿足應(yīng)急臨時(shí)通信組網(wǎng)中快速建網(wǎng)和零配置要求。UMWS?H組網(wǎng)節(jié)點(diǎn)采用專有的通信協(xié)議，在支持多信道帶寬（如2.5 MHz、5.0 MHz和10.0 MHz）的網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲袀鬏旊p向IP通信流量。通過(guò)內(nèi)置先進(jìn)調(diào)制編碼和前向糾錯(cuò)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)帶寬高達(dá)200 Mb/s，支持進(jìn)行視頻、圖像數(shù)據(jù)及語(yǔ)音等雙向通信。高帶寬多跳連接無(wú)衰減技術(shù)實(shí)現(xiàn)承載更多有效數(shù)據(jù)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)信號(hào)遠(yuǎn)距離傳輸。

本文構(gòu)建的基于UMWS?H技術(shù)的先進(jìn)自組網(wǎng)節(jié)點(diǎn)，其特征在于設(shè)備底層硬件包含多片單主控制器MCU（Microcontroller Unit），MCU實(shí)現(xiàn)智能組網(wǎng)控制機(jī)制，其組網(wǎng)系統(tǒng)控制實(shí)現(xiàn)機(jī)制包括節(jié)點(diǎn)自愈及智能搜索、節(jié)點(diǎn)成環(huán)連接、信道避讓及漫游切換等。

1.1" 節(jié)點(diǎn)無(wú)線接入設(shè)備的整體控制

當(dāng)前主流采用無(wú)線網(wǎng)橋和Mesh的方案中，如果其中一個(gè)節(jié)點(diǎn)掉線，其他節(jié)點(diǎn)無(wú)法自動(dòng)調(diào)整連接，不能保持整個(gè)網(wǎng)絡(luò)連通，需要維護(hù)人員手動(dòng)修改其連接指向。本文通過(guò)節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)搜索判定連接機(jī)制，主動(dòng)與周邊節(jié)點(diǎn)再次建立連接，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)組網(wǎng)，如圖2所示。本文中無(wú)線接入設(shè)備的控制方法集成了網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)Ad Hoc工作模式的優(yōu)點(diǎn)，使得每一個(gè)節(jié)點(diǎn)可以同時(shí)進(jìn)行信息雙向收發(fā)，且不受制于同頻之間產(chǎn)生的信號(hào)干擾導(dǎo)致帶寬極大降低的影響，使得分布式多點(diǎn)連接這種方式不再局限于少數(shù)節(jié)點(diǎn)的民用家庭場(chǎng)景，可在工業(yè)及商用場(chǎng)景大規(guī)模應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)與5G基礎(chǔ)建設(shè)的互補(bǔ)。

采用雙處理器設(shè)計(jì)的節(jié)點(diǎn)，組網(wǎng)過(guò)程中無(wú)線接入點(diǎn)（Access Point， AP）處理器MCU1為其他無(wú)線設(shè)備提供無(wú)線接入服務(wù)，其他設(shè)備提供的無(wú)線接入點(diǎn)服務(wù)通過(guò)無(wú)線終端（Station， STA）處理器MCU2接入，節(jié)點(diǎn)內(nèi)部MCU1和MCU2之間通過(guò)有線網(wǎng)口連接并實(shí)現(xiàn)同信道通信協(xié)議傳輸。節(jié)點(diǎn)設(shè)備采用雙處理器設(shè)計(jì)，主要特征在于：本機(jī)節(jié)點(diǎn)初始化后將運(yùn)行自愈機(jī)制程序決定是否開啟MCU2的無(wú)線網(wǎng)口連接功能，因MCU1和MCU2在節(jié)點(diǎn)內(nèi)部通過(guò)網(wǎng)線連接，處于同一局域網(wǎng)，當(dāng)MCU1接收到MCU2發(fā)送的廣播幀時(shí)，將提取存儲(chǔ)接收到的本機(jī)終端信道信息，當(dāng)MCU1等待累計(jì)到預(yù)設(shè)等待周期數(shù)時(shí)還未監(jiān)聽到MCU2的局域網(wǎng)廣播包，將主動(dòng)控制觸發(fā)MCU2開啟無(wú)線網(wǎng)口連接功能。MCU2通過(guò)自身智能搜索連接機(jī)制，記錄并形成可用連接信道列表，通過(guò)調(diào)用連接判斷機(jī)制選擇出非本機(jī)且信號(hào)強(qiáng)度最好的信道節(jié)點(diǎn)進(jìn)行連接，若最終未能連接成功則重新開始搜索可用信道連接。當(dāng)MCU2檢測(cè)到與其他無(wú)線設(shè)備建立連接之后，發(fā)送攜帶信道信息的單播探測(cè)請(qǐng)求幀至整個(gè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，本機(jī)MCU1將接收并存儲(chǔ)MCU2建立連接的信道信息，并通過(guò)信道避讓機(jī)制，采用與MCU2連接不同的信道與其他無(wú)線設(shè)備建立無(wú)線連接。在通過(guò)成環(huán)連接機(jī)制確認(rèn)本節(jié)點(diǎn)正確連接到網(wǎng)絡(luò)中后，本節(jié)點(diǎn)將進(jìn)入監(jiān)聽網(wǎng)絡(luò)設(shè)備連接更改階段，通過(guò)對(duì)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備連接方式更改與否的實(shí)時(shí)監(jiān)聽，采取對(duì)應(yīng)的切換節(jié)點(diǎn)連接或通過(guò)漫游切換機(jī)制切換不同網(wǎng)絡(luò)的措施，保證節(jié)點(diǎn)時(shí)刻在線，實(shí)時(shí)傳輸數(shù)據(jù)。圖3為無(wú)線設(shè)備接入控制實(shí)現(xiàn)流程。

1.2" 節(jié)點(diǎn)自愈及智能搜索實(shí)現(xiàn)

節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)了連接自愈功能，實(shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)限客戶端啟停的主動(dòng)控制。當(dāng)無(wú)線客戶端MCU2控制的網(wǎng)絡(luò)通道進(jìn)行有線接入時(shí)，MCU2通過(guò)局域網(wǎng)向MCU1發(fā)送廣播包，系統(tǒng)檢測(cè)無(wú)線接入點(diǎn)MCU1是否可以接收到發(fā)送的廣播包，并判斷出本節(jié)點(diǎn)客戶端的鏈接方式，當(dāng)MCU1首次無(wú)法接收到MCU2的局域網(wǎng)廣播包時(shí)，維持現(xiàn)有鏈路連接；反之，當(dāng)MCU1首次接收到MCU2發(fā)送的局域網(wǎng)廣播包時(shí)，則主動(dòng)關(guān)閉MCU2的無(wú)線網(wǎng)口鏈接功能，并繼續(xù)偵聽廣播包進(jìn)行判斷，當(dāng)在一定周期內(nèi)檢測(cè)判斷無(wú)法收到MCU2的局域網(wǎng)廣播包時(shí)，則主動(dòng)控制啟動(dòng)MCU2的無(wú)線網(wǎng)口鏈接功能，并進(jìn)入下一步執(zhí)行相鄰無(wú)線智能自組網(wǎng)設(shè)備智能搜索鏈接功能，若MCU1在指定周期內(nèi)能正常收到廣播包，則維持當(dāng)前鏈路連接。圖4為節(jié)點(diǎn)無(wú)線網(wǎng)口自愈切換啟動(dòng)機(jī)制流程。

為更好地實(shí)現(xiàn)智能化組網(wǎng)技術(shù)，節(jié)點(diǎn)多處理器底層設(shè)備實(shí)現(xiàn)智能搜索功能。對(duì)于節(jié)點(diǎn)智能搜索機(jī)制，節(jié)點(diǎn)設(shè)備中無(wú)線客戶端MCU2通過(guò)發(fā)送廣播探測(cè)請(qǐng)求幀的主動(dòng)掃描方式搜索周邊是否有其他可用信道節(jié)點(diǎn)的無(wú)線接入點(diǎn)。若不存在則繼續(xù)搜索，若存在，則依據(jù)公式[Rv=10lgP]（[Rv]為信號(hào)強(qiáng)度判斷值，[P]為搜索到的信號(hào)功率）對(duì)信號(hào)強(qiáng)弱進(jìn)行判斷分類，將搜索到的所有可接入節(jié)點(diǎn)的信道信息依次進(jìn)行存儲(chǔ)，并篩選信號(hào)強(qiáng)度最好的信號(hào)源節(jié)點(diǎn)進(jìn)行連接。當(dāng)有多個(gè)同強(qiáng)度可接入信號(hào)源時(shí)，按記錄先后順序選擇最早記錄的節(jié)點(diǎn)信道進(jìn)行連接。在最強(qiáng)信號(hào)源節(jié)點(diǎn)未能成功連接時(shí)，則按記錄順序或次信號(hào)強(qiáng)度選擇新的鏈接目標(biāo)節(jié)點(diǎn)連接，直到連接成功或重新搜索記錄無(wú)線接入點(diǎn)信道信息；否則，連接成功后觸發(fā)進(jìn)入執(zhí)行組網(wǎng)成環(huán)避讓處理機(jī)制。圖5為節(jié)點(diǎn)智能搜索機(jī)制。

1.3" 節(jié)點(diǎn)成環(huán)連接實(shí)現(xiàn)

節(jié)點(diǎn)成環(huán)連接組網(wǎng)實(shí)現(xiàn)通過(guò)AP和STA共同協(xié)調(diào)控制實(shí)現(xiàn)。對(duì)于節(jié)點(diǎn)STA端，通常情況下任意節(jié)點(diǎn)的無(wú)線接入點(diǎn)MCU1首先通過(guò)發(fā)送廣播包的方式，將自身的MAC地址發(fā)送到本機(jī)STA終端，STA終端接收并被記錄存儲(chǔ)，當(dāng)終端MCU2執(zhí)行智能搜索連接后，將判斷當(dāng)前選擇即將連接的節(jié)點(diǎn)MAC地址是否為本機(jī)無(wú)線接入點(diǎn)MCU1的MAC地址。若判斷結(jié)果表明是本機(jī)MCU1無(wú)線接入點(diǎn)MAC地址，則進(jìn)行存儲(chǔ)記錄，放棄本次連接，重新進(jìn)行可用信道搜索或選擇信道列表記錄中的下一無(wú)線接入點(diǎn)進(jìn)行判斷連接操作；反之，則進(jìn)行后續(xù)的認(rèn)證、關(guān)聯(lián)等無(wú)線接入點(diǎn)連接操作。圖6為節(jié)點(diǎn)STA端成環(huán)連接控制流程。

成環(huán)連接中，在外部干擾或錯(cuò)誤連接的情況下，本節(jié)點(diǎn)STA終端會(huì)誤連到本節(jié)點(diǎn)AP，故AP端需具備一定的異常處理能力。在本機(jī)終端MCU2接收到鏈路連接建立成功的反饋后，本機(jī)終端MCU2將發(fā)送廣播包告知整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中所有設(shè)備，并且只有建立連接的無(wú)線接入點(diǎn)會(huì)接收MCU2的廣播包，當(dāng)本節(jié)點(diǎn)MCU1處理器檢測(cè)接收到該廣播包時(shí)，說(shuō)明本節(jié)點(diǎn)形成了端口自連，MCU1將主動(dòng)斷開鏈接，MCU2將重新進(jìn)入智能搜索流程。當(dāng)MCU1未檢測(cè)到本節(jié)點(diǎn)MCU2的廣播包時(shí)，則通過(guò)內(nèi)部通信協(xié)議通道告知MCU2維持當(dāng)前鏈路鏈接，MCU1繼續(xù)處理實(shí)現(xiàn)與相鄰節(jié)點(diǎn)鏈路信道錯(cuò)開以及監(jiān)聽鏈接方式是否改變。圖7為節(jié)點(diǎn)AP端成環(huán)連接控制流程。

1.4" 節(jié)點(diǎn)信道避讓及漫游切換實(shí)現(xiàn)

由于4G/5G網(wǎng)絡(luò)和低頻傳輸網(wǎng)絡(luò)均采用單一頻段進(jìn)行傳輸，在面臨高強(qiáng)度電磁干擾條件下，節(jié)點(diǎn)可能恰好在相應(yīng)的頻段中受到嚴(yán)重干擾，導(dǎo)致癱瘓不能傳輸數(shù)據(jù)[10]。針對(duì)這一情況，節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)加入多信道自動(dòng)跳頻的信道避讓技術(shù)，時(shí)刻探尋各頻段的輸出功率強(qiáng)度和噪聲情況。如遇到當(dāng)前傳輸信道突然有大功率噪聲數(shù)據(jù)干擾使傳輸數(shù)據(jù)到達(dá)率不足75%時(shí)，則主動(dòng)搜尋周邊信道，尋找滿足傳輸穩(wěn)定性大于80%的信道并將自組節(jié)點(diǎn)的接收端同步調(diào)解至新頻段，以避開針對(duì)特定頻段的電磁干擾。圖8為節(jié)點(diǎn)多信道避讓實(shí)現(xiàn)機(jī)制流程圖。當(dāng)MCU2無(wú)線信道鏈接成功時(shí)，發(fā)送攜帶有該鏈接信道相關(guān)信息的廣播包，同時(shí)節(jié)點(diǎn)MCU1收取該廣播包并存儲(chǔ)該信道信息，在MCU1實(shí)現(xiàn)鏈路連接前將持續(xù)偵聽整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)臨近設(shè)備發(fā)送的廣播包，并記錄非本節(jié)點(diǎn)廣播包攜帶的信道信息，形成可用信道表，進(jìn)一步對(duì)可用信道表中的信道進(jìn)行判斷，選擇當(dāng)前預(yù)請(qǐng)求鏈接信道使用量最小的進(jìn)行無(wú)線鏈路連接，避免多個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)連接使用同一信道影響信道信號(hào)質(zhì)量。

在滿足4G/5G通信條件的情況下，先進(jìn)自組網(wǎng)設(shè)備將優(yōu)先采用4G/5G網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，傳輸距離大約為2 km，此距離完全依賴4G/5G基站的發(fā)射功率，不以先進(jìn)自組網(wǎng)設(shè)備效能為轉(zhuǎn)移。如超出范圍時(shí)，可切換到先進(jìn)自組網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)，但當(dāng)前絕大多數(shù)網(wǎng)絡(luò)終端跨基站漫游的切換速度在3 s以上，主要采用網(wǎng)絡(luò)layer3路由協(xié)議轉(zhuǎn)發(fā)，應(yīng)用會(huì)有短時(shí)卡頓，對(duì)實(shí)時(shí)性要求較高的環(huán)境中無(wú)法應(yīng)用[11]。本文優(yōu)化了網(wǎng)絡(luò)終端的漫游策略，采用網(wǎng)絡(luò)layer2交換協(xié)議轉(zhuǎn)發(fā)，使得切換時(shí)間小于50 ms。通過(guò)設(shè)備中自有底層驅(qū)動(dòng)代碼實(shí)現(xiàn)與附近熱點(diǎn)快速連接，通過(guò)自有數(shù)學(xué)模型，采用離散、加權(quán)等算法解決信號(hào)波動(dòng)帶來(lái)的鏈路建立誤判問(wèn)題。以廣播方式將節(jié)點(diǎn)鏈路的更改結(jié)果通知整個(gè)網(wǎng)絡(luò)層，通過(guò)循環(huán)判斷讀取連接點(diǎn)的信號(hào)強(qiáng)度是否穩(wěn)定，若穩(wěn)定，保持鏈接并周期性判斷該信號(hào)的穩(wěn)定性；若不穩(wěn)定，則放棄該接入點(diǎn)，重新搜索附近可接入點(diǎn)并判斷信號(hào)的穩(wěn)定性，放棄或確定接入點(diǎn)并通知全網(wǎng)絡(luò)，如此循環(huán)檢測(cè)判斷。圖9為節(jié)點(diǎn)漫游切換實(shí)現(xiàn)機(jī)制流程圖。

2" 節(jié)點(diǎn)鏈路數(shù)據(jù)高效傳輸實(shí)現(xiàn)

帶寬和延遲是決定網(wǎng)絡(luò)性能的兩個(gè)關(guān)鍵核心。通常，在網(wǎng)絡(luò)吞吐量固定的條件下，通信延遲有時(shí)可達(dá)到毫秒級(jí)，應(yīng)急通信作為分布式自組網(wǎng)技術(shù)的主要應(yīng)用場(chǎng)景，對(duì)網(wǎng)絡(luò)延遲要求較高，延遲是系統(tǒng)性能的核心關(guān)鍵指標(biāo)之一，同時(shí)過(guò)于復(fù)雜的路由開銷也會(huì)進(jìn)一步限制網(wǎng)絡(luò)的可擴(kuò)展性[12]。

2.1" 節(jié)點(diǎn)高帶寬覆蓋實(shí)現(xiàn)

語(yǔ)音應(yīng)用和快速漫游切換是智能網(wǎng)絡(luò)必須支持的，主流的集中在layer3路由的高通Mesh自組網(wǎng)技術(shù)路由開銷極大地限制了網(wǎng)絡(luò)的可擴(kuò)展性。將網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)為layer2交換在時(shí)延和開銷上有望實(shí)現(xiàn)最小，實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)更多級(jí)數(shù)跳可能。

為解決多跳衰減的問(wèn)題，保持網(wǎng)絡(luò)帶寬在較高水平，節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)采用異頻組網(wǎng)及MIMO（多入多出）技術(shù)，設(shè)計(jì)類似蜂窩網(wǎng)絡(luò)無(wú)線小站點(diǎn)天線實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)覆蓋，實(shí)現(xiàn)球形面不同信道信號(hào)發(fā)射，以實(shí)現(xiàn)單節(jié)點(diǎn)在大范圍區(qū)域多用戶同時(shí)連接的無(wú)沖突高吞吐量數(shù)據(jù)通信交互[13]。

信道容量是信道能夠達(dá)到的最大數(shù)據(jù)速率，根據(jù)香農(nóng)公式，數(shù)字信道的帶寬[B]與信道容量[C]滿足如下計(jì)算式：

[C=Blog21+SN] （1）

在一個(gè)發(fā)射和接收天線數(shù)為[m]和[n]的MIMO系統(tǒng)中，式（1）變形為：

[C=m×Blog2nm+SN] （2）

考慮到傳輸距離中空氣衰減的情況，末端帶寬一般都能在170 Mb/s以上，完全可以支持幾十路甚至上百路視頻同時(shí)傳輸。

2.2" 節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)低延時(shí)傳輸實(shí)現(xiàn)

在節(jié)點(diǎn)互聯(lián)實(shí)現(xiàn)中，傳輸控制協(xié)議（TCP）的握手傳輸及用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議（UDP）無(wú)線連接傳輸方式是常見的信息交互方式[14]。但是TCP握手傳輸方式傳輸效率低、能量消耗大，UDP無(wú)線傳輸方式傳輸數(shù)據(jù)易丟失、可靠性差。在通信系統(tǒng)中，TCP每創(chuàng)建一個(gè)新連接都要占據(jù)一定的延遲開銷，以及部分由慢啟動(dòng)動(dòng)態(tài)調(diào)整實(shí)現(xiàn)鏈接帶寬利用率最大化產(chǎn)生的延遲開銷[15]。

在保證數(shù)據(jù)完整性及傳輸可靠性的基礎(chǔ)上，針對(duì)以上問(wèn)題，本文對(duì)協(xié)議應(yīng)用模式進(jìn)行優(yōu)化，設(shè)計(jì)自動(dòng)切換數(shù)據(jù)傳輸模式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的高效傳輸。設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)中采用TCP長(zhǎng)連接復(fù)用機(jī)制進(jìn)行優(yōu)化，即TCP一旦創(chuàng)建連接后，最大限度進(jìn)行復(fù)用，也就是將請(qǐng)求結(jié)束，連接斷開，再重新創(chuàng)建通信連接的重復(fù)過(guò)程，設(shè)計(jì)成單次連接多次請(qǐng)求交互模式。

具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程為：節(jié)點(diǎn)在自動(dòng)進(jìn)行傳輸模式切換時(shí)，最開始本節(jié)點(diǎn)STA與對(duì)端節(jié)點(diǎn)AP之間通過(guò)單次請(qǐng)求單次響應(yīng)方式通信，本節(jié)點(diǎn)STA向?qū)Χ斯?jié)點(diǎn)AP發(fā)送請(qǐng)求建立連接數(shù)據(jù)包，對(duì)端節(jié)點(diǎn)AP接收到請(qǐng)求后發(fā)送響應(yīng)信息給本節(jié)點(diǎn)STA，本節(jié)點(diǎn)STA若在預(yù)設(shè)時(shí)間周期內(nèi)接收到該響應(yīng)信息，則說(shuō)明請(qǐng)求數(shù)據(jù)包發(fā)送傳輸成功。統(tǒng)計(jì)該單次請(qǐng)求響應(yīng)建立鏈路模式下數(shù)據(jù)包連續(xù)傳輸成功的次數(shù)，當(dāng)達(dá)到設(shè)定閾值時(shí)，則將鏈路單次請(qǐng)求單次響應(yīng)傳輸模式切換至單次請(qǐng)求多次響應(yīng)傳輸模式。

通過(guò)這種方法可以實(shí)現(xiàn)在已確定通信信號(hào)達(dá)到穩(wěn)定且通信質(zhì)量良好的情況下，將單次請(qǐng)求單次響應(yīng)傳輸模式切換為效率更高、能耗更少的單次請(qǐng)求多次響應(yīng)傳輸模式，進(jìn)而在保證數(shù)據(jù)完整性及傳輸可靠性的基礎(chǔ)上提高傳輸效率，最大限度地降低傳輸延時(shí)。

3" 技術(shù)可行性驗(yàn)證及結(jié)果

3.1" 網(wǎng)絡(luò)測(cè)試場(chǎng)景說(shuō)明

為了驗(yàn)證上述節(jié)點(diǎn)設(shè)備自組網(wǎng)實(shí)現(xiàn)的可行性，本文在真實(shí)環(huán)境中對(duì)設(shè)備進(jìn)行了無(wú)負(fù)載下延時(shí)測(cè)試及考慮應(yīng)急場(chǎng)景下的極端滿負(fù)載情況下延時(shí)、上下行速率的測(cè)試，測(cè)試跳數(shù)從1增加到35。測(cè)試采用IEEE 802.11n協(xié)議作為無(wú)線回程的傳輸標(biāo)準(zhǔn)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)自組網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流量的提取與監(jiān)測(cè)。圖10為設(shè)備組網(wǎng)測(cè)試環(huán)境。在每一級(jí)設(shè)備間加60 dB衰減器，并用饋線連接，使連接強(qiáng)度變?nèi)?，模擬實(shí)際遠(yuǎn)距離500 m使用場(chǎng)景；依次開機(jī)使35臺(tái)設(shè)備按串型順序連接，在第1臺(tái)設(shè)備有線接入一臺(tái)電腦，然后另一臺(tái)電腦依次按設(shè)備順序有線接入，使用IxChariot軟件跑吞吐量，分別記錄帶寬和延時(shí)情況。測(cè)試中，在每一跳節(jié)點(diǎn)接入有線網(wǎng)絡(luò)終端設(shè)備以便獲得各節(jié)點(diǎn)測(cè)試數(shù)據(jù)。

3.2" 驗(yàn)證結(jié)果

表1為記錄的35跳節(jié)點(diǎn)相關(guān)測(cè)試數(shù)據(jù)結(jié)果，為觀察上行滿負(fù)載多級(jí)跳相關(guān)性能數(shù)據(jù)變化趨勢(shì)，從結(jié)果中選取5的倍數(shù)節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)作為趨勢(shì)參考點(diǎn)。

圖11為多級(jí)跳上行帶寬測(cè)試結(jié)果趨勢(shì)圖，圖12為多級(jí)跳上行帶寬衰減率趨勢(shì)圖，圖13為上行多級(jí)跳各節(jié)點(diǎn)延時(shí)趨勢(shì)圖。

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果得出，真實(shí)環(huán)境中回程網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)在經(jīng)過(guò)10級(jí)跳的傳輸后吞吐量損失20%，經(jīng)過(guò)20級(jí)跳的傳輸后回程吞吐量損失也未超過(guò)30%且?guī)挶３衷?00 Mb/s以上。時(shí)延結(jié)果表明，在20跳之內(nèi)，上行回程時(shí)延都控制在100 ms內(nèi)，即使經(jīng)過(guò)35級(jí)跳時(shí)延也未超過(guò)150 ms。相較于當(dāng)前主流的Mesh多跳網(wǎng)絡(luò)只能跳3～5跳的結(jié)果而言，本文設(shè)計(jì)的自組網(wǎng)節(jié)點(diǎn)性能是突出的，不超過(guò)100 ms的時(shí)延是滿足VoIP和視頻應(yīng)用需求的，能夠較好地滿足各種應(yīng)急組網(wǎng)通信場(chǎng)景下的多跳高帶寬低時(shí)延網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)需求。

4" 結(jié)" 語(yǔ)

分布式無(wú)線自組網(wǎng)主要應(yīng)用面對(duì)的諸如應(yīng)急救援、戰(zhàn)時(shí)通信等場(chǎng)景呈復(fù)雜、多樣化發(fā)展趨勢(shì)，對(duì)大規(guī)模無(wú)線智能網(wǎng)絡(luò)，特別是無(wú)線自組網(wǎng)絡(luò)的帶寬、抗干擾能力及網(wǎng)絡(luò)時(shí)延等提出了更高的要求。當(dāng)前主流的Mesh節(jié)點(diǎn)技術(shù)多跳組網(wǎng)存在先天的級(jí)跳數(shù)少，每跳帶寬損失嚴(yán)重等問(wèn)題。為較好地實(shí)現(xiàn)滿足復(fù)雜場(chǎng)景下大范圍現(xiàn)場(chǎng)圖像視頻、多路實(shí)時(shí)音視頻通信數(shù)據(jù)遠(yuǎn)距離高帶寬低時(shí)延傳輸需求，本文設(shè)計(jì)了基于UMWS?H的新型無(wú)線組網(wǎng)技術(shù)的多處理器組網(wǎng)節(jié)點(diǎn)，對(duì)節(jié)點(diǎn)自動(dòng)化搜索組網(wǎng)連接、節(jié)點(diǎn)自動(dòng)愈合、信道避讓、低時(shí)延漫游切換、高帶寬低時(shí)延多跳帶寬損失最小化等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究實(shí)現(xiàn)。由測(cè)試結(jié)果可知，在20跳內(nèi)本文設(shè)計(jì)的自組網(wǎng)節(jié)點(diǎn)帶寬損失和時(shí)延結(jié)果在視頻流和實(shí)時(shí)多路通信中都是可以滿足應(yīng)用需求的，本文設(shè)計(jì)的分布式自組網(wǎng)技術(shù)節(jié)點(diǎn)有可能解決各種復(fù)雜場(chǎng)景下無(wú)線局域組網(wǎng)多跳、高帶寬、低時(shí)延網(wǎng)絡(luò)需求難題，這也是下一步物聯(lián)網(wǎng)傳輸課題研究的支撐基礎(chǔ)之一。

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