一種用于數據鏈自組網的MAC協議

侯延順+孫甲琦+王曉波

摘 要： 戰爭形式的轉變推動了數據鏈組網技術的轉變，最新一代的數據鏈開始采用自組網技術，這也代表了數據鏈未來的發展方向。MAC協議是數據鏈自組網的關鍵技術之一，數據鏈自組網的MAC協議急需提高抗干擾能力和安全性，增強對突發業務的支持，據此，提出了HPRMA協議。在此對協議的跳頻處理增益和抗轉發式干擾的效能進行了分析，論證了協議的高抗干擾能力和可實現性。通過仿真，驗證了該協議對突發業務的支持。

關鍵詞： 數據鏈； 自組網； 多址接入； HPRMA

中圖分類號： TN915?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2014）22?0042?06

MAC protocol for TADILs Ad Hoc network

HOU Yan?shun， SUN Jia?qi， WANG Xiao?bo

（Telemetry Technology Research Institute of Beijing， Beijing 100076， China）

Abstract： The evolvement of the war form promotes the evolvement of TADILs networking techniques， so the up to date TADIL has adopted Ad Hoc techniques， which indicates the future trend of TADIL. MAC protocol is one of the key techniques of TADILs networking with ad hoc techniques， and needs to improve security and antijamming capability of MAC protocol urgently. Hereby， HPRMA protocol is put forward in this paper. The frequency hopping processing gain and effectiveness in allusion to forwarding interference are analyzed. The high antijamming capability and realizability of the protocol was demonstrated. The simulation results validate that this protocol can provide quick access for emergency business.

Keywords： TADIL； Ad Hoc network； MAC； HPRMA

0 引 言

在幾次局部戰爭中的成功應用使數據鏈（Tactical Digital Information Link，TADIL）獲得了“戰斗能力倍增器”的美譽。戰爭形式從傳統作戰到平臺中心戰，進而到網絡中心戰的演變，對數據鏈的組網方式、網絡規模、網絡管理方式、數據傳輸速率、機動性、抗毀性等提出了越來越高的要求。傳統的點對點、輪詢、TDMA多址接入等組網技術已經無法滿足要求[1?4]。美軍最新一代的戰術目標瞄準網絡技術（Tactical Target Network Technology，TTNT）數據鏈采用了自組網技術，全方面提升了數據鏈的性能，這也代表了數據鏈未來的發展方向[5?10]。

多址接入是數據鏈自組網中的一項關鍵技術，其實現是由數據鏈路層的介質接入控制（Medium Access Control，MAC）協議完成的。本文從提高數據鏈系統的抗干擾能力和安全性、增強對突發業務的支持出發，提出了一種基于跳擴頻的MAC協議——跳頻圖案預留多址接入（Hop?Pattern Reservation Multiple Access，HPRMA）協議，并進行了理論分析和仿真驗證。

1 協議描述

數據鏈自組網的MAC協議照某種算法或安排給網絡中的節點分配信道接入權，實現有序、高效的通信。MAC協議的設計面臨很多問題，既包括隱含和暴露終端、沖突避免和處理、公平性保障和優先級支持等一般自組網固有的典型問題，還包括由數據鏈設備較大的發射功率和移動速度所造成的新問題，以及更高的抗毀性和安全性需求等。在閱讀大量文獻后，作者發現，當前數據鏈自組網MAC協議的設計面臨兩個迫切需求：

（1） 安全性需求。數據鏈的工作環境使其面臨著復雜多樣的干擾，還存在被敵方截獲的危險，因此，必須提高其抗干擾、抗偵聽、抗截獲能力，增強安全性。

（2） 對突發業務的支持。戰術作戰平臺承擔著特殊的任務，需要處理多種突發事件，因此，數據鏈系統中的業務具有很強的突發特性，這些突發業務往往來源于指揮控制信息、緊急事件和意外情況的發生等，如果得不到及時處理，將會造成嚴重后果。因此，MAC協議必須為此類突發業務提供優先級支持，使其能夠盡快接入信道，獲得及時處理，以提高數據鏈系統處理突發業務、應對緊急事件的能力。對于其他問題，已經有很多研究者給出了相應的解決方案[11?30]。

因此，本文從提高數據鏈系統的安全性、增強對突發業務的支持出發，提出一種基于跳擴頻的MAC協議——跳頻圖案預留多址接入（Hop?Pattern Reservation Multiple Access，HPRMA）協議。

該協議將跳頻圖案分為兩類：公共跳頻圖案和子跳頻圖案。公共跳頻圖案用于公共信息、控制信息的交互和子跳頻圖案的預約。除了公共跳頻圖案以外的其他跳頻圖案稱為子跳頻圖案，當一對節點成功完成子圖案的預留以后，在子跳頻圖案上進行點對點的跳頻通信。初始化時，所有的子跳頻圖案均為可用狀態，在工作過程中，節點通過偵聽控制分組來更新本地的子跳頻圖案狀態。

1.1 公共跳頻圖案上的時隙結構

公共跳頻圖案上的每個時隙對應一個頻率，每個時隙分為同步管理階段和圖案預留階段，如圖1所示。

圖1 公共跳頻圖案上的時隙結構

（1） 同步管理階段。同步管理階段用于同步信息、控制信息、管理信息、廣播信息等的交互。

（2） 圖案預留階段。有分組要發送的節點，若正處于退避過程中，或者沒有可用的跳頻圖案，就繼續退避；若不在退避過程中，且有跳頻圖案為可用時，就持續偵聽信道一段隨機時間，若偵聽信道為空閑，就向接收節點發送請求發送（Request To Send，RTS）分組。RTS分組中的業務優先級別與當前待發送的最高級別的分組一致；若偵聽到分組，則根據偵聽到的分組的目標節點和業務優先級別，進行退避或者回應。沒有分組要發送的節點，收到控制分組以后，根據分組類型和目標節點進行退避或回應。

目標節點收到RTS分組以后，查看RTS中的可用跳頻圖案索引，并結合本地的跳頻圖案狀態，確定兩者之間進行通信的跳頻圖案索引；復制RTS分組中的占用時間估計；將發送節點ID、跳頻圖案索引、占用時間估計，寫允許發送分組（Clear to Send，CTS）分組中，發送出去，然后調整到對應頻率上，設定計時器，等待數據分組的到來。若上一次使用過的跳頻圖案為可用狀態，就優先選用此圖案。這樣，當跳頻圖案的數目足夠時，該協議趨向于為每一對節點“軟預留”一個跳頻圖案。若接收節點發現沒有可供二者共用的跳頻圖案，就不進行回應。

節點發送完任何一個控制分組以后，都要設定計時器，等待目標分組的到來。若目標分組沒有及時到來，則認為此次交互失敗，進入退避狀態。當為了發送一個數據分組所經歷的交互失敗次數達到某一上限或者某一數據分組在MAC層滯留時間超過某一上限以后，丟棄該分組。

1.2 子跳頻圖案上的通信過程

發送節點發送完RTS分組后設定計時器，若在計時器超時前收到來自接收節點的CTS分組，就按照約定好的跳頻圖案發送數據。當上層傳遞過來的分組較長，無法在一個時隙中發送完畢時，就把這個分組拆分為較短的分組，在多個時隙內進行發送。節點發送完CTS分組以后，把收發信機頻率調整到子圖案的第一個頻點上，等待數據分組的到來，若數據分組及時到來，則進入雙向通信過程，接收數據；若數據分組沒有及時到來，則認為交互失敗，進行退避。發送節點發送完最后一個分組以后，暫時停留在此頻率上，等待確認分組，若確認分組及時到來，則通知上層并調整時間返回公共跳頻圖案；若確認分組沒有及時到來，則設定退避時間并返回公共跳頻圖案。

1.3 協議工作過程

綜上，協議完整的工作過程如圖2所示。

2 協議抗干擾能力分析

2.1 處理增益

相對于普通通信方式，跳頻通信系統的強抗干擾能力直接體現在其處理增益上。跳頻處理增益可以定義為：

[GFH=10lgBsBm] （1）

式中：[Bs]為跳頻信號占用帶寬；[Bm]為一個頻點占用的帶寬。當跳頻圖案上的N個頻點占用帶寬相等時，式（1）可以表示為：

[GFH=10lgN] （2）

即跳頻圖案中頻點個數直接決定了跳頻系統的處理增益和抗干擾能力。

HPRMA協議中的跳頻圖案包括一個公共跳頻圖案和若干個子跳頻圖案，系統的抗干擾能力取決于抗干擾能力最弱的一環。因此，平均分配各跳頻圖案中的頻點數目，可以使系統的抗干擾能力最強，安全性最高。

2.2 協議抗轉發式干擾的效果

對跳頻系統干擾的一個重點是首先得到跳頻圖案，然后根據圖案發送干擾。由于目前跳頻圖案的設計越來越復雜，每個完整的跳頻周期可能達到數天，甚至數月時間，要得到跳頻圖案是相當困難的。轉發式干擾則成功地避開了此難題。

圖2 HPRMA協議的工作過程

所謂轉發式干擾，是指干擾機將接收到的信號經過一定的處理后，作為干擾激勵信號，經功放后發送出來形成干擾。轉發式干擾的特點是干擾頻率自動對準通信頻率，從而不必對跳頻圖案進行偵察就可以施放干擾，實施起來比較簡單，是干擾跳頻通信的一種有效手段。然而，當一定的條件被滿足時，轉發式干擾將無法形成有效干擾。

圖3為轉發式干擾示意圖。其中，[Si]為跳頻收、發信機之間的距離，[St]為轉發式干擾機到發信機之間的距離，[Sr]為轉發式干擾機到收信機之間的距離。由于通信頻率不斷變化，只要轉發式干擾機到達收信機時干擾頻率與通信頻率不重合，轉發式干擾就會失效。即，當轉發式干擾機接收到信號并進行處理、發送干擾，直到干擾到達接收機時，通信頻率已經跳變到另一個頻率上，轉發式干擾就不會對跳頻通信產生影響。

圖3 轉發式干擾示意圖

在圖3中，跳頻信號沖發信機到達接收機時間為[Sic]，信號從發信機到達轉發式干擾機時間為[Stc]，信號從轉發式干擾機達接收機時間為[Src]。設轉發式干擾機對信號進行處理時間為τ，那么只要跳頻速率R滿足：

[R>1Stc+Src+τ-Sic] （3）

轉發式干擾就會失效。例如，當收、發信機的距離為20 km，干擾機與發信機距離為15 km、與接收機距離為12 km時，如果忽略干擾機的處理時間，則為了有效抑制轉發式干擾，跳頻速率R必須滿足：

[R>3×108（15+12-20）×10≈42 857 跳/s] （4）

當前，美國的Link?16數據鏈系統跳頻速率已達到76 000 跳/s。因此，現有技術已能夠保證使用跳頻通信的數據鏈系統有效抵抗轉發式干擾，提高系統的安全性。

3 協議對突發業務的支持

在本協議中，通過以下方式，為緊急突發業務提供優先級支持：

（1） 節點將所有待發送的分組，按照優先級的高低進行排序，每次發送最高優先級別的分組。

（2） 在圖案預留階段，節點在偵聽時可能接收到別的節點發送給自己的RTS分組。這種情況下，按照優先級的方式進行處理：若收到的RTS分組所代表的業務優先級比該節點自己要發送的業務優先級高，則將自己的發送擱置，發送允許發送CTS分組進行回應；否則，不予理會。在這一部分，將通過仿真，驗證協議對突發業務的支持。仿真使用的軟件為OPNET。OPNET是當前網絡仿真領域最著名的主流產品，是目前世界上最先進的網絡仿真開發和應用平臺，近幾年被第三方權威機構評選為“世界級網絡仿真軟件”第一名。目前全球有1 400多個組織，包括美國軍方和許多著名的電信公司都在使用OPNET軟件。

3.1 節點模型

OPNET中的節點模型是用進程模型來搭建協議棧。為了研究所提MAC協議的性能，并盡量使工作簡潔有效，將上層結構進行抽象和省略，得到如圖4所示的節點模型。模型中各個模塊的功能如下：

（1） source模塊：產生數據分組；

（2） interspace模塊：為簡化mac模塊而獨立出來的模塊，將接收到的來自source模塊的數據分組，按照優先級高低進行排序，以輔助和支持MAC協議的實現；

（3） mac模塊：即封裝好的HPRMA協議的進程模型；

（4） transmit模塊：實現發信機和全向天線的功能；

（5） receive模塊：實現收信機和全向天線的功能；

（6） sink模塊：接收來自下層模塊的分組，將其銷毀以釋放內存；更新統計量，以便進行性能評估。

節點模型中沒有使用天線模塊，這時，OPNET默認為收信機和發信機配置一個各方向增益相等的全向天線。

圖4 節點模型

3.2 進程模型

OPNET的進程模型是對具體算法和協議的實現，本文所提出的HPRMA協議由interspace模塊和mac模塊實現，其進程模型分別如圖5和圖6所示。

圖5 interspace模塊的進程模型

interspace模塊中各狀態的功能如下：

（1） initial狀態：完成初始化工作；

（2） idle狀態：系統空閑時的停留狀態；

（3） packet_sort狀態：按照優先級高低，對本地待發送的分組進行排序；

（4） packet_to_sink狀態：將收到的分組移交給上層模塊；

（5） packet_to_mac狀態：將上層分組按照優先級順序傳遞給下層模塊。

mac模塊中各狀態的功能如下：

（1） initial狀態：完成初始化工作，如加載跳頻圖案、初始化所有跳頻圖案為可用狀態、初始化退避時隙數為0、加載隨機分布、查詢節點ID并存入表格、清空分組隊列等；

（2） syn_manage狀態：對應同步管理階段，在此狀態駐留規定時間后，開始圖案預留；若收到其他節點發送的控制分組、同步分組等，則進行相應處理；

（3） syn_mng_pkt：發送一個固定長度的無格式分組，用來模擬同步分組、控制分組等的傳輸；

（4） idle狀態：若節點沒有分組待發送，則在此狀態駐留規定時間后，跳轉回到syn_manage狀態；若有分組待發送，則根據情況跳轉到相應的狀態；

（5） backoff_return狀態：節點預留跳頻圖案失敗或發送數據分組失敗后，跳轉到此狀態，設置退避時隙數，并在合適的時間回到同步管理階段；

（6） sensing狀態：有分組待發送的節點，在此狀態偵聽信道，根據偵聽結果跳轉到相應的狀態：

（7） send_rts_wait_cts狀態：節點在偵聽信道為空閑后，發送RTS分組，設定計時器，等待CTS分組；

（8） send_cts_wait_data狀態：節點在收到RTS分組后，若有可供二者進行通信的跳頻圖案，則回復CTS分組，調整頻率，設定計時器，等待數據分組；

（9） send_data_wait_ack狀態：發送數據；若分組過長，則拆分后發送；發送完全部分組以后，設定計時器，等待ACK分組；

（10） wait_data狀態：節點收到數據分組后，若沒有接收完全部分組（過長的分組會被拆分后發送），則跳轉到此狀態，等待下一個分組；

（11） send_ack狀態：接收完全部分組以后，發送ACK分組；

（12） adjust_return狀態：發送完或接收完全部分組以后，調整時隙，在相應的時間返回同步管理階段；

（13） pkt_read，pkt_read0，pkt_read1，pkt_read2狀態：讀取控制分組攜帶的信息，以便進行正確的狀態跳轉。

仿真使用的source模塊、sink模塊都是在標準模塊上稍作修改得到的，在此不再詳述其進程模型。

圖6 mac模塊的進程模型

3.3 仿真驗證

通過仿真，得到了各優先級別的業務的接入時延，如圖7所示。其中，最下面一條曲線代表的業務的優先級別為最高等級1，中間曲線代表的業務的優先級別為2，最上面一條曲線代表的業務的優先級別為3。節點以泊松規律產生業務分組，各優先級別業務產生的概率相等。此時，網絡中節點的連通度為5。

從圖7可以看到：仿真開始時，由于網絡中待發送的數據分組較少，處于退避過程中的節點也較少，各個優先級別的業務都能獲得較快的接入；隨著時間的推移，待發送的分組越來越多，由于沖突而導致退避的節點也越來越多，業務的接入時延開始增加，并逐漸達到穩定；在穩定狀態下，高優先級別的業務的接入時延明顯低于低優先級別的業務的時延，從而保證了緊急突發業務的快速接入。將連通度增大為10，重復以上仿真，得到各個級別業務的時延，如圖8所示。可以看到，三個優先級別的業務的接入時延同樣表現出先增加、后穩定的趨勢，這與圖7是一致的；不同的是，三個級別的業務的接入時延較圖7有所增大，而且，相互之間的差別有所減小，這是由于連通度的增加加劇了節點之間的競爭。繼續增大連通度，令其分別為20和30，得到各優先級別業務的接入時延，如圖9所示。

圖7 連通度為5時各級別業務的接入時延

圖8 連通度為10時各級別業務的接入時延

圖9 連通度為20和30時各級別業務的接入時延

可以看到，隨著連通度的增加，競爭的加劇，各個優先級別的業務的接入時延進一步增加，不同級別的業務的接入時延的差距則進一步減小。從以上仿真可知，在連通度較低的情況下，HPRMA協議能夠提供良好的優先級支持，使得高優先級別的業務快速接入信道；連通度越高，高優先級別的業務在快速接入方面優勢越弱。數據鏈系統是一種相對稀疏的網絡，網絡中節點的連通度較低，因此，該協議非常適用于數據鏈系統，能夠為高優先級別的業務提供優先級支持，以增強系統處理緊急突發事件的能力。

4 結 語

數據鏈自組網的多址接入急需提高抗干擾能力和安全性，增強對突發業務的支持。基于此，本文提出了HPRMA協議。通過對協議的跳頻處理增益和抗轉發式干擾的效能進行分析，論證了協議的高抗干擾能力和可實現性；通過仿真，驗證了協議對突發業務的支持，證明了在數據鏈系統中使用該協議，可以提高數據鏈系統處理突發緊急事件的能力。

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