基于Ka/Ku相控阵天线的空基自组网协议设计

眭畅豪，高建银，赵晋毅，李一航，王诗力，胡东方

(1.北京理工大学 信息与电子学院通信技术研究所，北京 100081；2.航天科工集团第二研究院，北京 100854；3.北京银河信通科技有限公司，北京 100084)

0 引言

空基自组织网络不需要依赖基础设施，每个空中节点的地位是平等的，能够自发构建一个分布式网络。传统自组网使用全向天线，在一定区域内同一时刻只允许一对节点进行数据收发，极大降低了网络吞吐量。相控阵天线是一种定向天线，相比全向天线，定向天线在某一个特定的方向集中能量，能够覆盖更大的通信范围，有效提高空间复用效率。将相控阵天线引入自组网，可以有效提高空间复用率以及网络吞吐量，并能降低信息被监听的可能性，提升可靠性[1-2]。

由于空基自组网是视距(Line of Sight,LOS)信道，同时空基平台载荷的体积和重量严重受限，而低频天线体积较大，所以采用Ka/Ku频段，也满足了未来大容量的通信需求。本文研究基于Ka/Ku相控阵天线的空基自组网技术，利用相控阵天线定向传输的特性，网络容量最高可以提高N/2倍(N为网络节点数)；同时利用Ka/Ku频段的大带宽特性，可以极大地提高网络容量，使网络有效带宽达到NB/2 Hz(B为Ka/Ku频段可用带宽)。

由于Ka/Ku相控阵天线定向传播特性，常规基于全向天线的MAC协议和路由协议不再适用于定向天线自组网，需要重新设计。目前针对基于定向天线MAC协议的研究众多，大多只使用定向天线，在这些协议中节点需要不停地扫描以进行邻居发现，只有当收发双方天线对准，并且一方处于发送状态、另一方处于接收状态时才能通信，这样会带来很大的传输时延[3]。

按照路由建立和保持方式，自组网路由协议主要分为先应式、反应式以及混合式三种[4]，反应式路由协议是自组网路由协议研究的主流方向[5]。采用定向天线的反应式定向路由协议[6]在路由发现时，由源节点选择目的节点相应方向的天线发送，限制了搜索区域，路由发现时间和端到端时延显著地降低，但如果定向搜索失败，全网洪泛会造成路由发现时间剧增[7]。

针对上述问题，本文提出了基于频分复用的定向MAC (Frequency Division Multiplexing-based Directional MAC,FDM-DMAC) 协议和定向路由协议。

1 FDM-DMAC协议

为了降低接入复杂度、提高网络吞吐量，本文提出FDM-DMAC协议。FDM-DMAC协议假设网络中节点配备L频段的全向天线与Ka/Ku频段的相控阵天线，使用全向天线发送控制帧，使用定向天线进行数据传输，将全向天线与定向天线的优势结合，降低时延的同时能提高空间复用率；并根据Ka/Ku频段的大带宽特性使用频分复用技术实现多信道并行传输，提高网络容量。

FDM-DMAC协议包括邻居发现、链路建立、资源分配以及数据传输等过程，使用全向天线进行邻居发现、链路建立以及资源分配，使用定向天线完成高速数据传输。

1.1 内涵及工作原理

MAC协议使用定向天线能够增加网络容量，最高可达N/2倍，但当空基自组网中节点密度较高时，就会出现一个定向天线波束内存在多个节点的情况，如图1所示。节点A的定向天线波束中存在多个节点，无论节点A与波束内的任何一个节点进行通信，都会对其他节点造成干扰，降低网络容量，为了解决这个问题，FDM-DMAC协议根据Ka/Ku频段的大带宽特性使用频分复用技术实现多信道，进一步提高网络容量。

如图2所示，节点对A，B定向传输数据使用频段f1，节点对D，F定向传输数据使用频段f2，两对节点通信互不干扰。

图1 定向天线波束中存在多个节点问题Fig.1 Multiple node problems in directional antenna beams

图2 频分复用示意图Fig.2 Frequency division multiplexing diagram

由于频分复用技术将Ka/Ku频段划分为多个子频段，则收发双方在传输数据之前，需要使用控制信道传输控制帧协商本次通信使用的频段。因此对RTS，CTS控制帧进行改进，使用双预约资源分配算法进行资源分配。

定向传输数据时，需要知道双方的位置以便进行天线对准。因此在邻居发现过程中将测距算法与多维尺度变换(Multidimensional Scaling,MDS)定位算法相结合，得到每个节点的相对位置。

FDM-DMAC协议重新设计了载波侦听机制，在全向天线传输控制帧时，邻居节点处于静默状态，但在定向数据传输过程中，邻居节点可以接入信道。

1.2 低时延邻居发现设计

在邻居发现过程中，每个节点竞争信道，全向广播Hello包，在接收到邻居节点的应答信息之后，读取RSSI值，得到节点与邻居节点的距离[8]。

节点完成邻居发现后，向全网广播邻居节点信息，从而使得每个节点能够得到网络拓扑信息，即任意每两个节点之间的距离关系。再根据MDS定位算法[9]，计算得到所有节点的相对位置矩阵。如果在网络中有些节点之间并不连通，则使用最小路径算法来计算节点之间的距离[10]。

MDS算法根据节点之间的距离矩阵D计算得到节点之间的相对位置矩阵X。假设第i个节点的坐标用[xiyi]T表示，dij表示节点i与节点j之间的距离，MDS算法原理如式(1)～式(12)所示。

(1)

(2)

中心矩阵J：

(3)

其中，E为n阶单位矩阵，I为1×n维全1矩阵。

对距离的平方矩阵进行去中心化：

(4)

设矩阵R为：

(5)

其中，

(6)

则有：

D2=R+RT-2XTX，

(7)

可以得到：

(8)

又因为：

RJ=JRT=0，

(9)

所以，

B=JXTXJ=JXT(JXT)T。

(10)

对矩阵B进行特征值分解：

(11)

根据式(10)和式(11)可以得到：

(12)

从而可以求出矩阵X，得到各节点相对位置。

1.3 基于双预约机制的资源分配设计

收发双方通过发送RTS和CTS控制帧进行握手，从而建立链路。在握手过程中，对本次通信所使用的频段进行协商，完成资源分配。本节提出的双预约资源分配算法筛选出本次通信可用的所有频段，再由接收节点随机选定本次通信使用的频段。

为了协商定向数据传输过程中使用的频段，收发双方需要在进行RTS和CTS控制帧交互的过程中，相互告知对方频段的可用信息，如图3和图4所示。FDM-DMAC协议在RTS控制帧中加入了可使用频段指示序列信息，在CTS控制帧中加入了选择频段指示序列信息。

图3 RTS帧格式Fig.3 Frame format of RTS

图4 CTS帧格式Fig.4 Frame format of CTS

在FDM-DMAC协议中，每个节点存储一个频段表，频段表中包含使用频段的收发节点坐标以及通信结束时间[11]。邻居节点在接收到CTS控制帧后更新自身的频段表信息。

当上层数据到达时，发送节点查询自身存储的频段表，根据频段表中存储的通信节点对的位置信息，判断尚未结束通信的节点对是否会对本次通信造成影响，即根据节点对的位置信息判断，尚未结束通信的节点对是否在发送节点的定向覆盖范围内，以及发送节点是否在尚未结束通信的节点对的定向覆盖范围内。若二者均不满足，则本次通信可以复用正在使用的频段。发送节点对频段表中存储的频段使用信息进行判断，得到本次通信可以使用的频段，将可使用频段的信息放入RTS，发送给接收节点。接收节点收到RTS帧后，得到发送节点可以使用的频段，去查询自身存储的频段表，从二者均可使用频段中随机选择一个频段用于本次通信。

若通过定向覆盖范围判断，发送节点可使用频段，接收节点均不能使用，则放弃此次通信，接收节点重新侦听信道，等待下一次通信。若发送节点在给定时间内收不到CTS帧，则重新侦听信道。

1.4 数据传输

接收节点发送CTS控制帧后，根据发送节点的位置信息，将定向天线波束对准发送节点并将数据信道切换到选定的频段上准备接收数据。发送节点在接收到CTS控制帧后，将定向天线对准接收节点并将信道切换到选定的频段上准备发送数据。接收节点收到数据后发送应答帧，并将天线切换到全向天线，重新侦听信道，准备下一次通信。若接收节点没有接收到数据，且等待超时则将天线切换到全向天线，重新侦听信道。

在此过程中邻居节点可以接入信道，需要根据存储的频段表信息选择可使用的频段，以免对正在通信的节点对造成干扰。

2 定向路由协议

在空基自组网中，不相邻的两个空中节点需要通过多跳转发的方法完成数据传输，这需要路由协议来完成。为提高网络容量而引入的相控阵天线，可能会导致次佳路由[12]和路由应答风暴问题[13]的出现。本节提出基于Ka/Ku相控阵天线的空基自组网路由协议，采用加入一定延时的方法解决以上问题，并使用相邻搜索、链路质量评估和备用路由的方法，减少路由发现时间，提高吞吐量。

2.1 协议简述

本协议基于动态源路由(Dynamic Source Routing,DSR)协议[14]，采用定向天线完成路由发现、路由维护和数据传输过程，其中路由发现包含路由请求和路由应答。每个节点缓存路由表和路由请求(Route Request,RREQ)列表。节点入网后会分配一个独一无二的身份标识( Identity Document,ID)，并获取自己的位置信息。路由表内的每个条目含有目的节点ID及其位置，路由记录和跳数。RREQ列表则维持着源节点和请求ID。

当源节点想要传输数据分组给目的节点时，需要在数据分组的头部加入从源节点到目的节点的路径记录，数据分组就可以根据记录到达目的节点。为了获取路径记录，在路由发现过程中发送了RREQ分组，经过定向洪泛到达目的节点，目的节点再发送含有路由记录的路由应答(Route Replay,RREP)分组回到源节点。路由维护机制则用于解决已发现链路断开的问题。本协议中，基于定向搜索的路由发现和改进的路由维护机制根据定向天线的特性提高了数据传输效率。

2.2 基于定向搜索的路由发现

源节点发送数据时首先查询自己的缓存是否存在到达目的节点的路由，当不存在时启动路由发现过程。

2.2.1 路由请求

路由请求使用定向天线洪泛，不会像全向天线洪泛向所有节点广播，能够避免可能引发的广播风暴，节省了路由的开销。MAC层协议初始化之后，源节点已知目的节点的位置，选择目的节点方向的邻居节点作为下一跳发送RREQ分组，如图5所示。RREQ分组包含源节点ID及其位置，目的节点ID及其位置，请求分组ID，路由记录和跳数。

图5 定向路由请求Fig.5 Directional route request

首个收到RREQ分组的节点需要延迟t=n×tswitch再转发，其中n为源节点的波束序号，tswitch为切换波束所用的时间。此延时与源节点波束发送的顺序有关，以抵消不同波束发送时间的先后，减少RREQ分组的碰撞概率，保证最优路由及时到达目的节点，避免次佳路由的出现。当一个节点收到RREQ分组后，与RREQ列表对比后发现之前收到过相同分组，或者跳数超过分组的生存时间，则丢弃；如果RREQ分组的目的地址与此节点符合，或者此节点的缓存中有到达目的节点的路由，此时路由记录即为需要发现的路由，进入路由应答过程；一般地，中间节点选择朝向目的节点方向的邻居节点转发，同时把此中间节点ID和发送使用的天线波束编号记入RREQ分组内的路由记录数组中，如图6所示。如果朝向目的节点的方向没有邻居节点，就采用相邻搜索的方法，即选择其他相邻方向的邻居节点继续定向搜索，避免了转向全向搜索造成的性能损失。

图6 路由发现流程图Fig.6 Flowchart of route discovery

2.2.2 路由应答

如果此节点的缓存中有到源节点的路由，则RREP分组将沿着此路由带着RREQ分组中的路由记录传回源节点。如果不存在，则将RREQ分组中路由记录调转顺序作为此节点到源节点的路由。节点在发送RREP分组之前需要延迟t=Tdelay×h，其中Tdelay为估计节点间最大传输延时，h为RREQ包路由记录中的跳数，这扩大了RREP分组的到达间隔，避免了路由应答风暴。

源节点收到RREP分组之后，以最小跳数和最先到达为标准，选择两条最优的路由记录写入路由表缓存。当第一条路由出错后，第二条备用路由能够迅速恢复链路，缩短路由发现时间。

2.3 路由维护机制

节点通过周期广播HELLO分组评估链路质量，使用分组投递率[15](Packet Delivery Ratio,PDR)为链路划分质量等级，避免了因选择离目的节点最近的节点作为下一跳节点但此链路质量不佳而导致路由带宽降低的问题。分组投递率公式如下:

式中,Ps为发送分组的数量，Pr为接收分组的数量。

在数据链路层，如果某节点超时未能收到下一跳的ACK回复帧，则认为此节点与下一跳节点间的链路已断开。当路径上某节点在一定时间内，没有收到其邻居节点发来的HELLO分组或者其他控制分组，就可以认为它与此邻居节点之间的链路已断开。在上述情况下，此节点将向源节点发送路由出错(Route Error,RERR)分组。如果该节点缓存中存在另一条到目的节点的路由，则将当前未成功发送的数据包沿该路径发出。

每一个接收到RERR分组的节点，都将该节点缓存的与该出错链路相关的信息删除，再将RERR分组继续转发。当源节点收到RERR分组，同样会删去含有该链路的路由缓存。如果源节点有备用路由，则发送数据分组，否则开始新的路由发现过程。

3 结束语

本文介绍了定向天线相对全向天线和Ka/Ku频段在数据传输中的优势，分析了定向自组网协议中可能造成网络吞吐量下降的问题，探讨了解决协议问题在MAC层和网络层分别采用的方法，最后根据Ka/Ku相控阵天线的特点形成了一套适合空基自组网的MAC协议和路由协议。