基于定向天線的數據鏈組網鄰居發現仿真*

劉宏波，孟 進，趙 奎

（1.海軍工程大學艦船綜合電力技術國防科技重點實驗室，武漢 430033；2.海軍工程大學電子工程學院，武漢 430033）

0 引言

數據鏈組網主要采用全向天線，對于點對點單播業務，存在泄露自身的位置信息的潛在風險；同時，對附近其他節點造成了通信干擾。艦艇編隊數據鏈體系采用一次中繼方式完成編隊內部的超視距覆蓋，但是中繼艦船是事先人為指定配置的固定節點，帶寬開銷大，不具有組網靈活性，抗毀傷能力弱，具有單點失效的網絡風險。基于全向天線的無中心移動自組網（MANET）已經采用了頻分多址（FDMA）、時分多址（TDMA）甚至碼分多址（CDMA），但是無法滿足戰術通信對網絡容量提升的需求。采用定向天線的空分多址（SDMA），可以大幅度提高信道空間復用度，成為新的技術趨勢。定向天線與全向天線相比，則具有以下優勢：

1）能夠提高用戶容量。可以在特定的方向上形成窄波束，可以利用空間復用技術提高用戶容量。

2）能夠降低能量要求。定向天線增益高，在相同功率條件下定向天線比全向天線傳輸距離更遠，這樣可以降低能量，對于戰術通信意義重大。

3）能夠避免節點之間的相互干擾。利用定向天線的方向性，能夠減少網絡節點間的互相干擾，從而達到有效抗干擾效果。

因此，需要對艦艇編隊采用定向天線的數據鏈組網協議進行改進，高頻段高速率收發器配以高增益定向天線就成為了技術發展方向。基于定向天線的鄰居發現技術是數據鏈組網的關鍵技術，在分析定向數據鏈組網需求的基礎上，通過QualNet網絡仿真平臺，仿真評估采用定向天線的數據鏈組網協議支持業務傳輸的能力。

1 總體設計

1.1 定向天線參數設計

鄰居節點發現是定向數據鏈組網的基礎和前提，為了盡快發現自身周圍的鄰居節點，并讓鄰居節點發現自己，稱為鄰居發現過程。當每個節點開機之后，節點在沒有鄰居節點位置等先驗信息的條件下，可以在通信覆蓋范圍內通過基于互盲算法或者自盲算法協議找到其他節點；同時，也可以被其他節點鄰居發現，建立基本通信連接。

定向波束方向圖模型如圖1所示，定向天線的方向圖為一個圓錐狀和同心球體，假設主瓣通信距離為30 km，旁瓣通信距離為7.5 km，水平波束寬度15°，垂直俯仰寬度 -40°～+40°。

1.2 鄰居發現過程設計

與全向天線不同，定向天線的波束寬度很窄，在任意時刻，任意兩個定向數據鏈節點各自所用的波束方向方位角需要滿足以下條件才能相互通信：

其中，θ是發送節點天線波束方向水平方位角，θ'是接收節點天線波束方向水平方位角。

發送和接收波束方向方位角互補關系示意圖如圖2所示，當節點A和節點B兩者之間的發送與接收波束方向方位角具有互補關系才能通信。

圖1 定向波束方向圖模型

圖2 發送和接收波束方向方位角互補關系示意圖

定向數據鏈中采用定向波束的鄰居發現不同于采用全向天線的鄰居發現，每個窄波束僅能覆蓋一個扇面區域，而鄰居節點則根據實際使用要求分布在周圍360°范圍內，需要安排好節點針對時隙、波束等資源的調度，節點入網算法如圖3所示。

圖3 節點入網算法流程

節點開機后，需要等待鄰居發現定時器中斷通知，相互發現的鄰居節點需要記錄發現對方的MAC地址、坐標、方向、時隙、波束等所有信息，并相互約定在緊鄰隨后的時隙預約子時幀內的某個預約時隙內完成數據時隙信道的分配協商。

預約時隙到來時，鄰居節點雙方都立即切換到在最近一次鄰居發現子時幀內記錄的波束方向上，完成一發一收數據時隙協商。協商的結果是鄰居節點間分配了一個或者多個單向的數據通信時隙，從而建立起通信鏈路，并可以開始數據通信過程。

2 鄰居發現過程分析

鄰居發現主要是以相鄰節點間的主瓣收發模式進行的，但是實際當中的定向天線無法做到點波束那樣完美，定向天線是具有一定的旁瓣輻射，且輻射強度為主瓣的1/4，故該旁瓣不能忽略，下面分析引入旁瓣干擾情況下的鄰居發現過程。

發射功率不變時，根據兩個節點之間的通信間距，可以將節點間無線通信分為以下幾種情況：

1）節點間距（d）≤旁瓣-旁瓣通信距離（DS-S）

兩節點之間可通過主瓣發送-主瓣接收（MTMR）、主瓣發送 -旁瓣接收（MTSR）、旁瓣發送-主瓣接收（STMR）、旁瓣發送-旁瓣接收（STSR）4種方式進行通信。此時節點間相當于基于全向天線通信，一個節點發射會影響同時刻另一節點的正確接收。圖4所示兩個節點可通過4種模式進行通信，接收節點C總是能夠接收到發射節點A的信號。

圖4 當d≤DS-S時，相鄰節點基于旁瓣-旁瓣、主瓣-旁瓣、主瓣-主瓣可通

2）旁瓣 - 旁瓣通信距離（DS-S）＜節點間距（d）≤主瓣-旁瓣通信距離（DM-S）

兩個節點之間可以通過主瓣發送-旁瓣接收（MTSR）、旁瓣發送-主瓣接收（STMR）這兩種情況進行通信，即一個使用主瓣、一個使用旁瓣進行通信。如圖5所示節點可以通過兩種模式通信，當定向發射波束對準全向接收波束，或者定向接收波束對準全向發射波束，才能完成有效通信。

圖5 相鄰節點基于主瓣-旁瓣可通

3）主瓣-旁瓣通信距離（DM-S）＜節點間距（d）

兩個節點之間只能通過主瓣發送-主瓣接收（MTMR）進行通信，即兩個節點只能通過主瓣通信。如圖6所示節點可以進行通信，此時只有收發雙方的定向波束方向對準才能完成通信。

圖6 相鄰節點基于主瓣-主瓣可通

3 鄰居發現算法仿真

為驗證基于純定向波束收發掃描和鄰居發現算法的正確性，仿真想定的條件設置如表1所示。

表1 仿真想定的條件設置

基于QualNet網絡仿真平臺軟件，仿真想定的界面設置如圖7所示。自左向右依次為節點4、節點1、節點2和節點3，設定節點4和節點3通信距離超過視距。當節點4和節點3相互通信的時候，需要中繼通信，可以利用節點1和節點2作為中繼節點進行轉發通信。

圖7 網絡拓撲結構

定向鄰居掃描過程記錄如下頁圖8所示。圖中從左向右可見，節點4與節點1、節點1與節點2、節點2與節點3之間都同時存在雙向箭頭，表明相距最遠的節點4和節點3之間向對方發射的業務流正在進行雙向通信。從波束指向來看，節點均為使用定向波束互通。由于數據源和接收端并非鄰居節點，所以必須通過路由協議進行中繼轉發，建立了一條從節點 4＜--＞ 節點 1＜--＞ 節點 2＜--＞ 節點3的定向多跳鏈路。

圖8 鄰居發現掃描過程仿真記錄

業務消息收發統計如圖9和圖10所示。圖中橫軸為收發節點ID，縱軸為收發的數據包個數。可以看到，經過多跳路由轉發后，數據發送成功率為100%。

圖9 業務源端發送消息個數

圖10 業務接收端接收消息個數

基于QualNet網絡仿真平臺，驗證基于純定向天線的快速鄰居發現協議，仿真實驗結果表明，驗證了基于純定向窄波束天線的鄰居發現過程的正確性，無需全向天線輔助，增強了艦艇編隊數據鏈抗干擾和抗毀傷能力。

4 結論

針對定向天線的數據鏈網絡，網絡仿真波形基于 IEEE 802.11a，頻段為 5 GHz，速率為 6 Mb/s，通過Qualnet網絡仿真平臺進行了網絡仿真驗證。仿真實驗結果表明，基于定向天線的數據鏈鄰居發現協議滿足定向自組網的設計要求，該協議能夠為高動態變化拓撲的艦艇編隊，提供高速率、遠距離、抗干擾的多跳自組網通信，滿足定位、數據、話音、視頻、圖像業務傳輸等要求。下一步針對面狀、球狀等多種形式的定向天線進行建模分析和實際驗證。