文献标识码： A
文章编号： 0258-7998(2015)05-0101-04
摘 要：
0 引言
目前，灾后应急通信ad hoc网主要采用异步组网、同步组网的组网体制[1-2]。由于同步组网具有网间互联互通、组网规模大、网络容量高、抗跟踪干扰能力强等优点，所以大规模灾后应急通信网络环境中多以同步组网为主。但是在现实环境下，用于区分灾后应急通信网络子网的跳频序列仅有很少一部分被使用，导致了网络频率资源的严重浪费。而且传统ad hoc网络的节点必须通过时分机制或者竞争机制来争取信道的使用权。因此随着业务负载的增加，信道使用权的竞争将更加激烈[3-5]。针对网络频率资源浪费和友邻设备干扰严重问题，本文提出了一种虚拟多信道网络方案，其中多信道技术是本方案核心所在。
基于联合信道分配的按需路由协议设计是本方案的主要研究内容之一。现有基于联合信道分配的路由协议有CA-OLSR[6，7]、CA-AODV[8]、J-CAR[9]、MCRP等。因为MCRP具有单接口多信道和联合信道分配的特点，本方案在此协议基础上设计虚拟多信道路由协议(Virtual Multiple-Channel Routing Protocol，VMCRP)。仿真结果显示，在多信道环境下可大幅度增加网络容量，提高网络吞吐量，为提升灾后应急通信网络跳频网络资源利用率提供了一种新思路。
1 方案原理
网络资源有空间维、频率维和时间维三个维度。由于子网覆盖区域具有相邻、部分重叠和完全远离等特征，因此从资源利用角度，可通过跨地域使用其他子网的网络资源来提高空间复用度。为了简化方案，初步仅考虑频率维和时间维。假如群网频率集{f0，f1，f2，…，fn-1}，频点数目为n，同步正交网络的组网容量为n，同步非正交网络的组网容量约为n/3。在严格同步情况下，网间频点不存在碰撞概率，因此本方案使用同步正交组网技术不需要考虑网间干扰。这里仅考虑本方案在同步正交组网条件下的可行性。假设子网数目为m(m<<n)，群网中剩余n-m条跳频序列未被使用，充分利用这些空闲序列的频率资源就是本方案目的所在。
空闲频率资源示意图见图1。群网1~群网N利用频分组网技术，使用多个频率集完成群网划分。以群网1为例，群网1的子网数目为m，占用了m条序列，序列(m+1)~n为空闲跳频序列，由这些序列控制的频点就是空闲频率资源，合理利用这些频率资源可带来巨大的网络增益。网内所有节点均采用由1条专用控制信道和多条数据信道组成的虚拟多信道结构。控制信道使用同一条跳频序列传输管理信息。当有节点对需要建立数据信道时，路径上所有节点的收发机均切换到相同的空闲跳频序列上进行数据传输。从理论角度来看，虚拟多信道方案本质是通过利用多信道技术实现空闲频率资源的充分利用以完成网络容量扩充。
为了验证方案可行性，将复杂问题简单化以突出方案本质，本文首先设计一个平面拓扑结构的虚拟多信道ad hoc网，如图2所示。网内虚线表示控制信道，实线箭头表示数据信道，其中有多个点对点通信对<S1，D1>，<S2，D2>，<S3，D3>。以<S2，D2>为例，S2→e→f→D2为传输链路，e是交叉节点。
2 虚拟多信道路由协议VMCRP
2.1 路由度量标准VMCM
传统MCRP协议使用实现简单的跳数作为路由度量标准，并未考虑多信道环境下各种干扰对路径选择的影响。本文在MCRP基础上，设计一种新的路径度量标准VMCM(Virtual Multiple-Channel Metric)，将最短路径、路径间链路干扰和信道切换成本[6]对数据信道传输效率的影响作为路由的选择标准。
路径p的度量标准VMCM定义如下：
式中，iaware表示路径间链路干扰程度，通过对链路周围邻居链路的平均干扰测量获得。链路j的iaware定义如下：
式(2)中的期望传输时间ETT表示链路层成功传输一个分组需要的平均传输时间。链路j的ETT定义如下：
式中，S是平均分组大小，B为链路带宽。ETX表示链路层成功传输一个分组需要的期望传输次数。链路j上节点v的干扰比率IRj公式中，SINRj(v)为信干比，SNRj(v)为信噪比。与SNRj(v)相比，SINRj(v)考虑的是节点v从周围干扰节点接收到的信号功率。
其中，N表示路径上的节点数目,CSCi指路径上的节点i的信道切换成本。VMCRP的节点状态有自由Free、锁定Locked、硬锁定Hard Locked、切换Switch四种状态。节点只有在切换状态下允许在2个信道之间切换。路径上切换节点的数目影响路径的传输性能，只有切换节点存在信道切换成本SC，定义如下：
式中，SD是信道切换时延，PTT是分组传输时间，PS是指平均分组大小，DTR是指额定信道带宽。0≤α≤1是权值。
2.2 路由协议VMCRP
基于MCRP[8]设计VMCRP。MCRP协议采用多信道广播机制，节点快速切换到所有信道上交换路由分组。随着信道数的增加，受信道切换时延等影响，网络开销和传输时延均会急剧增加。本方案借鉴信道分配SP类型的思想，采用控制信道分相广播机制(Control-Channel Split-Phase，CCSP)。CCSP将时帧划分为控制周期和数据周期。控制周期内，网络节点在控制信道收发管理信息。在数据周期内，业务节点在数据信道上传输数据分组。CCSP广播机制如图3所示。
2.3 VMCRP路由发现
VMCRP的路由发现流程如图4所示。在控制周期，除了有紧急业务的数据信道可以继续停留在原信道传输数据，其他所有节点都停留在控制信道上。当有节点需要发送业务时，启动路由发现，使用CCSP广播机制广播RREQ分组，具体过程同AODV。当中间节点收到RREQ，判断先前是否收到过相同RREQ：若有，节点通过计算VMCM来选择具有更好路径的RREQ；否则，节点建立到源节点的反向路由条目，并更新RREQ的链路信息、信道列表和数据流列表等，最后转发RREQ。如果是目的节点收到RREQ，则启动信道选择机制。如果在给定时间收到多个RREQ，则利用VMCM选择最好的路径并判断此路径是否可行，若可行，节点分配信道给此路由并沿反向路由发送RREP分组。如果源节点收到RREP，则更新路由条目并结束路由发现过程。当数据周期来临时，路径上的所有节点切换到相同信道上，数据信道建立完成，源节点开始发送数据分组。
3 仿真环境与性能分析
3.1 仿真环境
使用网络仿真软件OPNET 14.5仿真虚拟多信道网络、单信道网络、多信道网络来比较性能优劣。为了尽可能模拟真实灾后应急通信ad hoc网络环境，设置参数如表1。
本次仿真过程中，设置VMCRP的路由度量标准VMCM权重α=0.5。
3.2 仿真结果与性能分析
首先仿真了不同数据流数目条件下的网络吞吐量。多信道网络的信道数目为21，虚拟多信道网络的信道数目为21，其中控制信道数目1，空闲信道数目20。网络中每条数据流的业务负载64 Kb/s。如图5所示，数据流生成速率64 Kb/s，因此随着网络数据流的增加，信道带宽很快被耗尽。在数据流数目小于5时，单信道网络比多信道网络和虚拟多信道网络有更好的吞吐量，这是因为在业务负载较轻网络没有拥塞的情况下单信道网络开销更小。数据流数目大于5时，随着数据流增加，单信道网络带宽很快耗尽，网络吞吐量呈下降趋势。在数据流数目为20时，虚拟多信道网络出现了峰值，这是因为空闲的20条跳频序列分配给了每条数据流。因此当数据流数目再增加时，网络中就会有多条数据流使用一个跳频序列的情况出现，这样由于链路间干扰等问题会导致网络吞吐量的下降。
考虑到不同场景中节点的分布会不同导致的不同的拓扑结构和不同的数据流路径差异，这样会带来网络性能上的差异，因此选取了10组场景来仿真各网络的吞吐量。场景设置为数据流负载64 Kb/s，数据流数目10，信道数目21。如图6所示，各网络在不同场景中的吞吐量基本保持平稳。但如场景2和场景4的网络吞吐量相较其他场景有很大提升，这是因为这两个场景中的网络负载分布更均衡，路径相交的数据流很少。
4 结论
本文结合现有灾后应急通信网络跳频电台组网应用背景，提出了虚拟多信道网络组网方案，设计了虚拟多信道路由协议VMCRP。对于网络资源相当紧缺的灾后应急通信网络，在利用多信道技术提升网络容量方面提供了一种具有应用价值的新思路。本方案还存在一些问题需要继续研究，包括通过全局监听资源来提高空闲频率资源的空间复用效率，以及虚拟多信道方案在同步非正交组网环境下的频率碰撞问题等。
参考文献
[1] 梁文峰.多信道无线Ad-Hoc网络路由协议研究[D].成都：电子科技大学，2011.
[2] 钱红燕，陈兵.基于负载均衡与时延约束的AODV协议[J].南京理工大学学报，2013，37(1)：26-31.
[3] JEON W S，HAN J A.A novel MAC scheme for multichannel cognitive radio Ad Hoc networks[J].IEEE Transactions on Mobile Coumputing，2012，11(6)：922-934.
[4] 叶亮，沙学军，徐玉滨.Ad hoc网络路由抖动与路由维护[J].吉林大学学报（工学版），2010，40(5)：1397-1403.
[5] 夏海轮，曾志民，丁炜.Ad Hoc网络中一种新的自适应退避算法[J].吉林大学学报（工学版），2009，39(5)：1369-1373.
[6] Ding Yong，PONGALIUR K.Channel allocation and routing in hybrid multi-channel multi-radio wireless mesh networks[J].IEEE Transactions on Mobile Coumputing，2012，12(2)：206-218.
[7] SO J，VAIDYA N.A routing protocol for utilizing multiple channels in multi-hop wireless networks with a single transceiver[R].UIUC Technical Report，online available at：http：//www.crhc.uiuc.edu/wireless/papers/multichannel_routing.pdf，October 2004.
[8] GONG M X，MIDKIFF S F，MAO S.On demand routing and channel assignment in multi-channel mobil ad hoc networks[J].Ad Hoc Networks，2009，7(1)：63-78.
[9] CHIU H S，YEUNG K L.J-CAR：an efficient joint channel assignment and routing protocol for IEEE 802.11-based multi-channel multi-interface mobile Ad Hoc networks[J].IEEE Transactions on Wireless Communications，2009，8(4)：1706-1715.
[10] GONG M X，MIDKIFF S F，MAO S.A cross-layer approach to channel assignment in wireless Ad Hoc networks[J].Mobile Networks and Applications，2006，12(1)：43-56.