紫外光Ad Hoc網絡中頻分復用技術仿真研究

楊剛等

摘 要： 基于紫外光通信的Ad Hoc網絡具有移動性好、低竊聽率、抗干擾能力強和非直視通信等特點，成為軍事領域上的研究熱點。針對紫外光非視距通信帶寬受限的問題，將頻分復用技術引入到紫外光Ad Hoc網絡，仿真結果表明，改進后的網絡與原始網絡相比，網絡性能在信道帶寬和吞吐量上均有顯著的提高。

關鍵詞： 紫外光通信； Ad Hoc網絡； 頻分復用； 網絡性能

中圖分類號： TN929.12?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2014）19?0010?04

Simulation research on FDM technology in UV Ad Hoc network

YANG Gang， LI Xiao?yi， MA Bao?hong， MA Ning， ZHAO Fang

（Chongqing Key Laboratory of Emergency Communication， Chongqing Communication Institute， Chongqing 400035， China）

Abstract： Ad Hoc network based on ultraviolet （UV） communication has good mobility， low wiretap rate， great anti?interference ability and non?line?of?sight （NLOS） communication， which has become a research hotspot in the military field. In order to overcome the problem of UV NLOS communication bandwidth limitation， the frequency division multiplexing （FDM） technology was introduced into the UV Ad Hoc network. The simulation results show that， compared to the original one， the modified network can significantly improve network performance in channel bandwidth and throughput.

Keywords： UV communication； Ad Hoc network； FDM； network performance

0 引 言

紫外光Ad Hoc網絡是由紫外光通信和Ad Hoc網絡結合而成，將紫外光作為信息載體，通過紫外光在大氣信道中的散射進行信息交互，并利用Ad Hoc網絡的多跳性克服了紫外光通信距離短的困難，同時彌補了傳統光通信不能進行非視距通信，受氣候影響嚴重的缺陷，是一種極具發展潛力的軍事通信手段。

一般情況下，紫外光通信采用波長為200～280 nm的“日盲”紫外光作為載波，導致紫外光通信頻譜資源緊缺，再加上大多數的Ad Hoc網絡只配置了單一信道，以確保所有節點的連接狀態，由紫外光頻譜提供的總帶寬沒有被完全利用。因此，如何設計一個性能良好的MAC協議來提高頻譜利用率就成為紫外光Ad Hoc網絡研究的主要內容。

為了解決以上問題，可以使用頻分復用技術即多信道技術，進行多信道接收和轉發，提高紫外光Ad Hoc網絡的吞吐量。本文在文獻[1]的基礎上，使用NS2網絡仿真軟件對一種多信道接入協議進行了仿真驗證。不同的是，仿真不僅完成了多信道的擴展，還實現了信道切換功能。

1 紫外光非直視通信信道模型

由于傳統無線傳輸模型Two?Rayground[2]已經不再適合紫外光非直視通信，因此得圖1所示的紫外光非直視單散射通信信道模型[3]，光源[Tx]設置發射仰角和發散角分別為[θ1，][?1]，探測器[Rx]設置接收仰角和視場角分別為[θ2，][?2]。紫外光子通過自由空間衰減到達散射區域[ξ，]接收端則通過收集單次散射后的光束完成非視距通信。

由于存在大氣吸收等因素[4]，接收功率[Pr]的理論計算公式為：

[Pr=PtArKsPsGtGr?2?21sinθ1+θ232π3rsinθ11-cos?12e-Kersinθ1+sinθ2sinθ1+θ2]

式中：[Gt]為發送天線增益；[Gr]為接收天線增益；[r]為直線距離；[Ar]為接收孔徑面積；[Ps]為散射角[θs]的相函數；衰減系數[Ke=Ka+Ks，]其中[Ka]為大氣吸收系數，[Ks]為大氣散射系數。[Ks，][Ka，]紫外光波長[λ]和大氣信道特性有關。因此，從式中可以看出，除了大氣信道特性外，天線增益、通信距離、接收孔徑面積、節點發送接收角度等因素都會影響紫外光節點接收功率大小。

2 紫外光Ad Hoc網絡節點模型

Ad Hoc網絡節點模型從上到下依次為應用代理（Application Agent）、路由代理（Routing Agent）、鏈路層（Link Layer）、MAC層、網絡接口（Network Interface）和物理信道（Channel）等，每個模塊負責實現自己獨立的功能。如圖2所示，Ad Hoc網絡為單信道，當多個節點通過網絡接口接入信道，并同時發送數據時，發送包必定會在信道上發生碰撞而造成丟包，嚴重影響網絡性能。

為解決上述問題，Cantabria大學的Ramon教授提出了多信道多接口模型，這里簡稱Ramon模型[5]。Ramon模型是由原模型修改而來，如圖3所示。

對比發現，新模型的本質是通過對信道的復制實現了多信道，同時為每個信道配置了一個由鏈路層、接口隊列、MAC層、ARP、網絡接口組成的模塊。紫外光Ad Hoc網絡節點模型主要借鑒此模型。

3 紫外光頻分復用協議描述

復用技術在紫外光通信上的研究較少，文獻[6]講述了一種空分復用的方法，將節點多個接口連接到單一信道上，每個接口使用定向天線以使其覆蓋范圍不同。文獻[7]針對部隊機動指揮所駐停的情況，提出了流沖突圖的最優染色算法，為信道時隙分配奠定了基礎。

頻分復用實現最簡單，文獻[1]將它運用到紫外光通信中，大大提高了網絡性能，但它建立了與信道相同數量的接口數，并將各接口固定綁定到不同的信道上，這樣靜態的綁定狀態使節點在分配到一定的頻帶后，在通信過程中自始至終都占用這個頻帶，不會根據信道利用情況使用不同的信道，造成了資源的浪費。為了最大化地利用所有可用信道，本文引用分析了動態信道切換[8]。

3.1 多信道多接口支持

NS2仿真軟件實現了網絡節點的許多基本功能，但Ad Hoc網絡節點模型只能工作在單一信道下。依照圖3的紫外光Ad Hoc網絡節點模型，在NS2中增加多信道多接口代碼，修改部分主要包括OTCL和C++，文獻[5]詳細介紹了多信道的原理和代碼實現，在這里不再贅述。

3.2 信道切換

信道切換是通過給特殊信道分配接口來保證節點的鄰居節點能夠隨時通信。在講具體做法前首先介紹下面幾個概念：

固定接口：固定接口用來接收數據，協議將節點N個接口中的M個接口作為固定接口，其對應的信道為固定信道。

變化接口：發送方可通過切換變化接口至接收方的固定接口完成數據發送，協議將剩下的N-M個接口作為變化接口，其對應的信道為變化信道。

鄰居節點表（NeighbourTable，NT）：鄰居節點表包含鄰居節點所使用的固定信道。

信道使用表（ChannelUsageList，CUL）：信道使用表用于存儲固定信道的使用情況。

協議如下：

（1） 初始化時，每個節點隨機選擇一個接口作為它的固定接口，并將剩下的接口作為變化接口。以3節點的場景為例，每個節點有[N=2]個接口（其中固定接口[M=1]個，變化接口[N-M=1]個），如圖4所示。首先，節點A、B、C都隨機選擇了接口1為固定接口，接口2為變化接口，相應的信道1為固定信道，信道2為變化信道。

（2） 節點定期維護自己的鄰居節點表NT和信道使用表CUL，即節點周期性地在每個信道上廣播一個Hello或者路由發現包，里面包括有NT和CUL表。當鄰居節點收到此包時，立即更新自己NT和CUL表里的內容。

（3） 節點周期地訪問CUL表，訪問周期主要由數據傳輸時間決定。當節點發現自己所使用的固定信道利用率高時，節點會以[p]的概率改變自己的固定信道至利用率低的信道上，然后發送一個Hello或者路由發現包通知鄰居節點。同理，接收到此包的節點會更新自己的NT和CUL表。

（4） 發送數據時，發送方的變化接口會根據接收方的固定接口而改變。例如，在節點A向節點B發送數據之前，由于B的固定接口為1，A的變化接口會從2轉化至1，這樣A、B連接在同一信道上，可以實現通信。同樣的，在B向C發送數據之前，B的變化接口也會轉換成接口1。最后，一旦數據流建立起來，長時間內就不需要改變固定接口。

4 仿真及分析

仿照NS2中的Two?Rayground模型和文獻[5]分別添加紫外非直視通信信道模型和紫外光Ad Hoc網絡節點模型，設置仿真場景如圖5所示。

具體參數如下：

（1） 拓撲形狀為鏈狀拓撲，長度從2個節點增加到10個節點，用N表示，節點之間距離為200 m，仿真時間為100 s，節點0從第1 s開始向節點N-1發送數據，第101 s停止發送；

（2） 信道數量從2～4，用C表示。每個節點設置2個接口，其中1個固定接口，1個變化接口，用I表示；

（3） 鏈路數據流為CBR流，數據包大小為1 000 B，發送間隔為0.016 s，信道帶寬為600 Kb/s；

（4） 假設在理想情況下，當紫外光波長[λ]=265 nm時，設置紫外光非直視通信信道模型參數[Ps]=1，[Ar]=1.8 cm2，[Ks]=0.157 km-1，[Ke]=1.23 km-1，[?1，][?2]=45°，[θ1，][θ2]=89°；發送功率[Pr]=0.28 W，信道切換概率[p]=0.4。

仿真測量的吞吐量和丟包率如圖6，圖7所示。

仿真結果表明：在相同的信道帶寬下，多信道的網絡性能明顯優于單信道。

從圖6中可以看到，當信道數固定時，吞吐量隨節點數的增加而減少，并在節點數大于信道數+1時變化敏感。例如，在2C2I這條曲線上，節點數為3時所對應的吞吐量為500 Kb/s，節點數為4時的吞吐量出現大幅度的下降，約為250 Kb/s，而后曲線變化較為平緩。這是因為當節點數為信道數+1時，一些相鄰節點會使用到同一個信道而造成數據包沖突，這在圖7的丟包率中得到驗證。

觀察圖7可得，當節點數為7時，4C2I的丟包率大約為52%，2C2I，1C1I的丟包率大約為70%。而隨著節點數的增加，當節點數為10時，4C2I，3C2I，2C2I三條曲線的丟包率在72%左右，相差不大。這說明當節點數遠大于信道數量時，網絡丟包嚴重，信道數的變化對網絡性能的影響較小。但總體上多信道的性能好于單信道。

5 結 語

著眼紫外光通信今后在軍事領域的發展趨勢，本文研究了紫外光Ad Hoc網絡條件下頻分復用技術及其改進方法，在NS2上進行了多信道擴展，實現了信道切換的功能，并在特定拓撲下進行了測試。仿真結果表明，固定拓撲情況下，當節點數固定時，隨著信道數的增加，網絡吞吐量增加；當信道數固定時，隨著節點數的增加，網絡吞吐量呈下降趨勢。總體上頻分復用技術提高了紫外光Ad Hoc網絡的網絡性能，有效解決了紫外光通信帶寬受限的問題，為時分復用和空分復用在紫外光Ad Hoc網絡的研究提供了借鑒。

參考文獻

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