基于QualNet的一種分布式空中骨干網的研究與設計*

李向遠 張 章 李 楊 殷 璟

(武漢船舶通信研究所 武漢 430079)

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基于QualNet的一種分布式空中骨干網的研究與設計*

李向遠 張 章 李 楊 殷 璟

(武漢船舶通信研究所 武漢 430079)

空中骨干網是由多個空中平臺通過無線方式連接為其他節點或網絡提供服務的骨干網絡。空中骨干網動態拓撲頻繁,網絡負載能力有限。特別在節點類型較多的應用場景下,傳統的組網方法難以滿足需求。論文設計了一種全新的分布式空中骨干網的組網方式,從結構設計和資源分配兩方面,對現有的網絡組網方式進行了改進,實現了拓撲動態快速生成,有效地降低了網絡負載,達到了利用較小網絡開銷維護網絡的目的。仿真結果表明,改進的組網方法,滿足空中骨干網絡的傳輸需求,具有較好的應用前景。

空中骨干網; 分布式; 資源分配; 結構設計; QualNet

Class Number TP393

1 引言

分布式空中高速骨干網是一種由空中平臺、海上平臺、單兵等組建的超視距寬帶通信網絡,具有很高的通信速率以及較強的抗干擾/抗截獲能力。它利用長滯空平臺組網實現大范圍通信覆蓋,可以允許不同天線類型的節點接入網絡,在微波頻段可以實現數百兆的通信速率,空中高速骨干網采用Ad-Hoc[7]方式組網,網絡具有自組織、自愈能力。

分布式空中高速骨干網的使命任務是構建一個高速骨干承載網絡,為視距內和視距外的岸、海、空各單元之間提供接入、轉發、路由的功能,其傳輸能力可滿足如合成孔徑雷達圖像、光電雷達/紅外圖像、音/視頻等大容量數據的近實時傳輸。分布式空中高速骨干網可以作為除衛星網之外的一種寬帶、高速的骨干承載網絡,為節點提供可靠的接入、路由服務,未來通過增加與衛星的接口,還能利用衛星中繼進一步擴大覆蓋范圍,通過增加網關設備,還可以實現對Internet的訪問。

對于節點類型多,網絡負載能力有限,拓撲變化頻繁的特殊網絡,常用的Ad-Hoc組網方式具有很大的局限性,難以滿足實際應用需求。本文從分布式空中骨干網的結構設計和資源分配等方面,使其能夠滿足不同節點的接入需求。在面對拓撲變化頻繁的網絡時,能夠進行快速拓撲生成,對接入節點進行有效負載均衡,使網絡資源得到合理利用。

2 結構設計

分布式空中骨干網能夠滿足特殊環境下構建高速骨干承載網絡的需要。針對特殊環境下,沒有預設的寬帶骨干網絡、節點移動頻繁、網絡拓撲動態變化比較快等特點,分布式空中高速骨干網采用了基于Ad-Hoc的分布式的組網方式,使得生成的網絡具有自組織和自愈能力,在網絡拓撲結構動態變化頻繁的時候也能夠快速的進行網絡拓撲的更新。由于接入網絡的節點類型各異,各節點所攜帶的天線也各不相同,因此分布式空中骨干網采用分層的網絡結構,從節點和網絡兩個方面滿足不同類型節點的接入需求。

2.1 節點類型

針對實際網絡應用場景中既存在空中平臺、海面平臺等允許遠距離高速通信的大型平臺,也存在單兵等通信受限的小型平臺的現實。分布式空中高速骨干網在Lzhak Rubin等研究的基礎上[1],對整個網絡結構做了改進,將網絡節點分為了高速通信節點(骨干能力節點BCN或骨干節點BN)和低速通信節點(接入節點RN)兩類。高速通信節點將作為骨干節點BN或者骨干能力節點BCN分別接入各自的網絡,為網絡提供轉發和路由功能。低速通信節點作為用戶終端節點(接入節點RN)接入相應的子網,不具備路由和轉發的功能。

本算法中,骨干節點(BN)和骨干能力節點(BCN),均作為高速通信節點,但二者在網絡中所承擔的角色卻不同,骨干節點BN被用于組建BNet骨干網,骨干能力節點BCN則被作為BANet骨干接入網的中心節點,兩者皆可以為低速通信節點提供路由和接入功能。并且隨著拓撲結構的變化二者的角色可以根據轉換算法相互進行角色轉換。

2.2 網絡結構

分布式空中高速骨干網的網絡結構包括骨干網絡(BNet)、骨干接入網絡(BANet)和接入網絡(ANet)在內的三層網絡[2],如圖1所示。骨干網BNet由骨干節點BN(圖中的黑色實心圓點)組成,可以為骨干接入網BANet間以及骨干網BNet內的信息交互提供路由和傳輸路徑。骨干接入網BANet由一個骨干節點BN和多個骨干能力節點BCN(圖中的灰色實心圓點)組成,為骨干接入網BANet內的接入網ANet間以及BANet內的信息交互提供路由和傳輸路徑。接入網ANet由一個骨干能力節點BCN和多個普通節點RN(圖中的空心圓點)組成,為接入網ANet內的接入節點RN提供接入和信息交互功能。

圖1 分層通信關系圖

這種拓撲生成算法有別于傳統的Ad-Hoc移動自組網完全無中心的特點,在整個網絡運行過程中,網絡中的所有節點無需知道全網的拓撲結構,只需知道自己的鄰居節點以及父節點的連接情況。因而當網絡拓撲結構發生變化時,只需要對拓撲結構發生變化的局部網絡重新生成拓撲結構,從而大大降低了網絡管理維護的開銷。

3 資源分配

分布式空中高速骨干網資源分配分為頻率資源分配和時隙資源的分配兩部分的內容。

3.1 頻率分配

分布式頻率復用的主要思路是采用蜂窩機制,使得空間上相隔較遠的骨干接入網BANet和接入網ANet能夠重復使用相同的頻率,大大減少通信所需的頻點數。分布式頻率復用算法采用分布式算法,由骨干接入網BANet和接入網ANet的簇頭節點分別進行計算。算法的具體原理是:簇頭節點首先收集其他簇頭廣播子網頻率信息,然后通過算法確定本子網所采用的頻率,當頻率出現沖突時還要通過頻率協調解決沖突。因此整個分布式頻率復用算法包括子網頻率選擇和子網頻率選擇沖突后的協調算法兩個主要部分。

3.1.1 頻率選擇算法

由于分布式空中高速骨干網的頻點資源有限,因此必須在頻點的使用上做到充分合理的利用。子網頻率選擇算法[5]就是是骨干接入網BANet的簇頭節點和接入網ANet的簇頭節點確定本BANet或ANet所使用的頻率的過程。BANet的頻率選擇算法具體過程為:簇頭節點BN首先偵聽其他BN節點廣播的其他BANet子網間頻率協調消息,通過了解其他BANet子網使用的頻率和時隙等信息,然后通過下述算法確定本BANet子網頻率,并廣播本BANet的頻率信息。算法主要流程如圖2所示。

圖2 頻率選擇算法

3.1.2 頻率沖突協調算法

在上文提到的分布式子網頻率選擇算法中,當存在兩個或多個同時需要確定頻率的BANet子網或ANet子網時,通過執行上述算法,這些BANet或ANet子網將會分配到同一個頻率,造成子網間通信頻率的串擾,因此需要通過頻率退避[3]的方式進行沖突協調。

圖3 頻率協商退避算法

子網間頻率沖突協調算法就是通過改變沖突子網中的某個子網頻率的方式消除頻率沖突,其原理是骨干接入網BANet或接入網ANet的簇頭節點先通過偵聽其他BANet或ANet簇頭廣播的子網間頻率協調消息,了解頻率沖突情況,然后節點號較小的BANet或ANet簇頭節點按下述算法進行退避重選頻率。BANet子網間的頻率沖突協調算法具體流程如圖3所示。

3.2 時隙分配

3.2.1 ANet子網時隙分配算法

由于接入子網ANet為星形結構,其中BCN節點為中心控制節點(簇頭節點),RN節點為邊緣節點。因此將由BCN節點負責計算本ANet子網內自身以及RN節點的時隙分配,并負責本ANet子網內的數據的路由。骨干節點BCN節點經過分布式頻率復用、子網間頻率分配等過程后,可以確定本ANet子網的頻率和時隙資源,BCN節點將對這些資源進行子網內的重新分配計算,具體的計算過程為:

1) BCN節點將子網間頻率協調算法得到的本ANet子網時隙(可能是離散的)看作是一塊連續的時隙池。設該時隙池的時隙數為K個,則可滿足K/2個RN節點的時隙分配;

2) BCN節點依次為前K/2個節點中的每個節點分配2連續個時隙,分別用于BCN節點和該節點的上行和下行通信。

3.2.2 BNet子網和BANet子網時隙分配算法

分布式空中高速骨干網的骨干網BNet和骨干接入網BANet均采用TDPA[4]的通信方式來實現網內的信息共享,分別占用不同的固定預分配時隙資源(參見時隙分配圖4)。但是由于頻點數有限,每個BANet在子網間協調計算中只分配到一個頻點,因此BANet內各節點主要采用時分和空分的方式避免沖突,而BNet內各節點采用頻分、時分和空分方式避免沖突。

BNet子網和BANet子網進行時隙分配算法主要思路是:先采用圖論中的邊染色算法計算節點配對情況,再利用邏輯時頻分配算法為配對節點分配邏輯時隙,然后根據天線模型對同一時隙中的各復用節點對進行空間干擾判斷,對存在相互干擾的復用節點對錯開時隙或者分配不同頻率,最后形成無干擾的物理時頻分配表。具體的算法流程如圖4所示。

4 基于QualNet的仿真及結果分析

本仿真所使用的通信協議是在QualNet自帶的TDMA[6]協議的基礎上按照本文提出的分布式空中高速骨干網系統的設計方案進行了改造,并且加入了節點的平均信息共享時延的統計,作為網絡性能好壞判定的依據,完成對生成的分布式空中高速骨干網性能的測試。

圖4 TDPA時隙分配算法

圖5 網絡工作流程圖

分布式空中高速骨干網整個網絡的運行可以分為拓撲生成和運行兩個階段,經歷節點發現、節點關聯和節點轉換三個步驟。在拓撲生成階段,各節點進行hello消息的發送和接收完成節點發現,并通過拓撲關聯生成算法生成和更新網絡拓撲,然后通過時隙表分配算法生成供各節點運行的時隙表,最后整個網絡將按照生成的時隙表來運行,當拓撲更新周期到來后,開始重新進行新一輪的拓撲生成和運行。分布式空中高速骨干網的整個網絡的運行的詳細流程如圖5所示。

具體的仿真中使用的參數如表1所示。

表1 QualNet仿真參數

4.1 拓撲生成

對于十個節點而言,經過節點發現、節點關聯和節點轉換等三個過程完成第一輪拓撲生成,再經過第二輪拓撲過程最終形成BNet、BANet和ANet等三類子網。拓撲生成后的拓撲結構如圖6所示。

圖6 拓撲生成后的拓撲結構

經過兩輪的拓撲生成的過程,分布式空中高速骨干網的三層網絡結構就得以確立,系統也將根據這個拓撲結構來進行時隙分配以及之后的網絡運行。對于規模較大的網絡,以平均信息共享時延作為網絡性能的評價依據。

4.2 時延分析

通過上文的拓撲生成算法之后,入網的節點將生成分布式空中骨干網的三層網絡結構,然后將按照生成的時隙分配表所分配的時隙進行數據收發,最后統計數據在全網的平均信息共享時延。本文將根據平均信息共享時延判定算法生成的拓撲結構是否有效。由于仿真中網絡采用改進的TDMA協議進行工作,因此平均時延在本仿真中用時隙數表示。本文定義的網絡平均共享時延為各節點收到其他節點共享的信息所需時隙數的均值。仿真得到的不同網絡規模的平均信息共享時延統計如圖7所示。

圖7 平均信息共享時延統計圖

可以看到,網絡拓撲信息平均共享時延與網絡節點數成一個大致的線性關系,通過仿真驗證當網絡規模為100個節點時的平均信息共享時延為52.35個時隙,驗證了這種線性關系。當這樣的網絡作為無線骨干網絡時,可以滿足節點接入、路由等通信需求。

5 結語

網絡的特殊需求,決定了基于Ad-Hoc的空中骨干網組網方法難以滿足實際需要,對拓撲動態生成和網絡負載能力都提出了更高的要求。本文以空中骨干網在特殊網絡中的應用為背景,提出了一種分布式空中骨干網的設計方法,通過更加合理的結構設計實現了資源的有效分配。QualNet仿真結果表明,這種網絡可以滿足節點接入、路由等通信需求,實現了拓撲快速動態生成,有效地降低了網絡負載。

[1] 閆小榮,黃曉燕,彭偉.基于模擬的DTN路由協議性能評估[J].計算機技術與發展,2012(12):1-4.

[2] 張婭嵐.空天地網絡通信協議發展研究[J].福建電腦,2009(2):38-39.

[3] 閆魯生,劉尚麟.容錯網絡技術在岸海數據通信中的應用研究[J].通信技術,2009(12):197-200.

[4] Andersen D, Balakrishman H, Kaashoek F. Resilient Overlay Networks[C]//Canade: In 18th ACM SOSP. Banff,2006.

[5] 付凱,夏靖波,尹波.DTN中一種網絡狀態感知的概率路由算法[J].小型微型計算機系統,2013(1):145-149.

[6] 侯君婷.簡析DTN網絡與傳統網絡的區別[J].電信快報,2010(4):44-46.

Research and Design of Distributed Air Backbone Network Based on QualNet

LI Xiangyuan ZHANG Zhang LI Yang YIN Jing

(Wuhan Maritime Communication Research Institute, Wuhan 430079)

The air backbone network provides service to other node or network, which is a wireless network of aerial platforms. The frequent topology change and the limited network capacity make it difficult for the traditional networking mode to meet the air backbone network’s need, especially when the kinds of node are large. Improving the traditional networking mode from the resource allocation and structural design, this paper designs a new networking mode to reduce the network load and network cost. At the mean time, this new mode is efficient for the dynamic topology discovery. The imitation results show that this improved networking mode can meet the need of the air backbone network, therefore, extending prospects in the application.

air backbone network, distributed, resource allocation, structural design, QualNet

2014年11月5日,

2014年12月17日

李向遠,男,工程師,研究方向:無線通信。

TP393

10.3969/j.issn1672-9730.2015.05.013