高機動平臺定向Ad Hoc測試驗證方法

侯波濤

(中國西南電子技術研究所，四川 成都 610036)

0 引言

隨著天線技術和無線通信技術的飛速發展，基于定向天線的移動自組織網(Mobile Ad Hoc Networks，MANET)得到越來越廣泛的應用[1-2]。定向天線技術可增加空間復用率，提高網絡吞吐量，減少干擾和被探測的概率[3-4]?；诙ㄏ蛲ㄐ诺腁d Hoc網絡是一種新型的航空通信方式，具有無中心、多節點和拓撲變化迅速等特點[5-6]。實時性要求較高的場合一般采用TDMA接入機制。

高機動平臺高速移動的節點和動態變化的拓撲使基于定向天線的Ad Hoc網絡MAC協議、鄰居發現、路由算法設計較復雜，給系統的測試驗證帶來了困難[7-8]。定向通信要求通信雙方波束同時指向對方且收發屬性相反才能完成通信，傳統的全向通信測試方法無法模擬定向天線的波束特性。目前，基于定向通信網絡的仿真驗證手段較多。文獻[9-10]分析了幾種定向通信的仿真驗證方法；文獻[11]提出了一種定向通信網絡資源分配算法及仿真方法，但是針對定向通信系統的MAC協議、鄰居發現和路由算法的測試驗證方法研究較少，本文提出一種定向Ad Hoc網絡的實驗室有線測試驗證方法，包括對鄰居發現、波束跟蹤誤差、信道分配、路由算法、功率控制、數據傳輸以及網絡穩定性等測試驗證，可用于定向Ad Hoc通信系統實驗室有線測試驗證和事后數據分析，比仿真更具有真實性。

1 系統組成及工作原理

1.1 系統組成

測試系統如圖1所示，其中多節點模擬器模擬多個網絡節點，每個節點具有獨立的多發多收中頻通道和天線低頻控制接口。天線模擬器模擬天線低頻接口，處理邏輯和實裝天線一致，計算天線指向與理論指向誤差并生成控制射頻交換網絡的控制碼。射頻交換網絡模擬所有網絡節點多個中頻通道間的所有通路，根據天線模擬器發送的控制碼進行射頻通路切換，同時可對所有通路進行程控衰減，天線模擬器到顯控計算機的定時控制用于慣導數據和真實指向數據的周期定時下發。信道模擬器借助專用信道模擬器或通用儀器輔助實現，可模擬高斯信道、空間時延及多普勒頻偏等功能。顯控計算機可用于場景生成、鏈路控制、功率控制、數據模擬、數據記錄和回放以及數據分析。

圖1 測試系統組成Fig.1 Test system composition diagram

1.2 工作原理

系統測試流程如圖2所示。

圖2 系統測試流程Fig.2 System test flow chart

① 顯控計算機選擇場景并下發初始化參數、慣導數據給多節點模擬器，下發初始化參數和真實指向數據給天線模擬器。

② 多節點模擬器加載初始化參數并啟動入網流程。

③ 天線模擬器接收多節點模擬器輸出的天線低頻控制信號，解析出波束指向、頻率、收發狀態和功率控制等信息。

④ 對于通信節點A和B，天線模擬器解析A的天線波束指向信息并進行坐標轉換，轉換到機體直角坐標系坐標(x1，y1，z1)，根據余弦定理計算與實時接收到的A到B的理論指向(x2，y2，z2)的夾角θ1，此為A到B的波束指向誤差，同理，可計算B到A的誤差θ2，多個通信節點需計算兩兩之間所有的指向誤差。

⑤ 當且僅當θ1，θ2同時小于門限值(一般取定向天線3 dB波束寬度的一半)且A，B收發狀態相反、頻率一致時，天線模擬器下發控制碼給射頻交換網絡，導通A到B、B到A之間對應的2條中頻鏈路，A與B組網成功，多個網絡節點需導通多條中頻鏈路。

⑥ 根據測試用例生成測試數據，對場景進行可視化回放并對記錄數據進行分析。

2 關鍵技術及具體實現

2.1 場景及真實指向生成

利用Satellite Tool Kit(STK)軟件對模擬場景或真實場景生成測試用慣導數據和真實指向數據，過程如圖3所示。

圖3 慣導及真實指向數據生成流程Fig.3 Flow chart of INS and real pointing data generation

① 創建場景，添加飛行器、傳感器組件，分別模擬網絡節點和定向天線的波束。

② 對于模擬場景，規劃飛行器的航跡，如規劃測試用例中的高機動航跡、距離動態變化航跡和空分航跡等。對于真實場景，導入位置及姿態數據。

③ 設置傳感器指向模式為Targeted，跟蹤對象為目標網絡節點，對于多節點場景需設置多個傳感器分別跟蹤不同的網絡節點。

④ 慣導數據和真實指向數據生成，將飛行器的經緯高、速度加速度、姿態及姿態速度數據生成報告，將傳感器的瞄準線向量的(Parent BodyX，Parent BodyY，Parent BodyZ)坐標生成報告。慣導數據和真實指向數據的時間根據場景時間嚴格對齊，真實指向數據生成周期不大于慣導數據生成周期。

⑤ 4個網絡節點需生成4個慣導數據和12個真實指向坐標，將生成的數據格式進行坐標轉換，生成本系統所用格式。

2.2 拓撲及鏈路模擬

對于節點A，四節點網絡情況下典型拓撲如圖4所示，分為全連通、一跳鄰居、雙一跳鄰居和兩跳鄰居4種狀態。為了測試不同網絡拓撲下的鄰居發現能力、拓撲維護能力、數傳能力、路由能力、網絡狀態轉換能力及自愈能力，需模擬不同的網絡拓撲和鏈路狀態。本系統采用系統時延更小的基于鏈路狀態信息的主動式路由機制，網絡拓撲可根據鏈路狀態模擬實現。對于通信節點A和B，可設置A到B、B到A的雙向鏈路狀態，模擬TDMA體制下的A發B收和B發A收的雙向鏈路，特殊情況也可模擬單邊通的情況。圖4(d)中節點A到D為兩跳中繼，需同時設置A和C，D之間、B和D的所有鏈路，鏈路狀態設置界面如圖5所示，斷開時長為通信時隙的整數倍，周期可配置。

圖4 四節點網絡典型拓撲Fig.4 The typical topology of four-node network

圖5 中頻鏈路通斷設置界面Fig.5 The on-off setting interface of intermediate frequency link

2.3 測試用例設計

根據圖4的網絡拓撲設計測試用例如表1所示，分為基本測試項和邊界測試項。對每個測試用例的拓撲狀態、鏈路狀態、鏈路衰減、場景、數據及信道特性進行了相應設計。

表1 四節點網絡測試用例Tab.1 Test cases for four-node network

用例1：波束跟蹤誤差存在多方面影響因素，如位置及姿態誤差、波束躍度誤差和天線安裝誤差等，但主要是高機動情況下的姿態及位置(近距離)造成的外推誤差[12]。測試系統實現中頻鏈路導通是通過判斷節點波束指向與真實指向的偏差來實現的，通過模擬高機動慣導數據可測出波束指向誤差，測試結果如圖6所示。由圖可以看出，波束指向誤差隨著橫滾角的變化會出現波動，最大誤差小于1.2°，小于波束寬度的1/10，系統跟蹤性能良好。

圖6 高機動航跡的波束指向誤差Fig.6 Beam pointing error of high maneuvering track

用例2：在無線試驗過程中，由于天線副瓣的存在，距離較近時即使有功率控制策略也較難測得實際的入網時間，因此入網時間的實驗室驗證很有必要。根據空域搜索策略特點生成不同相對位置的場景數據，測試各場景的入網時間。雙節點的相對位置為三維球體中的任意2點。圖7模擬平面4組不同位置場景，通過數據分析結果如表2所示，入網時間1和入網時間2分別為位置1、位置2做詢問站的情況。根據測試結果，結合時隙分配及空域搜索策略計算出的理論入網時間，驗證系統實現與設計一致性。

圖7 不同相對位置的場景規劃Fig.7 Scenario planning of different relative positions

表2 不同相對位置入網時間測試結果Tab.2 Access time test results of different relative positions

用例3：主要測試圖4不同網絡拓撲下的鄰居發現能力和路由能力。中繼節點間入網需要在直連節點入網后通過路由信息感知，入網時間也會相應增加。

用例4：定向天線可增加空間復用率，從而增加網絡吞吐量，TDMA系統需要在網絡拓撲滿足條件時配置多信道協同工作，同時實現SDMA，主要測試不同網絡拓撲下的信道動態配置能力。如圖8所示場景，節點A，B，C，D從初始位置移動到(A1，B1，C1，D1)最后到(A2，B2，C2，D2)的過程中，節點A對于節點B，C，D只有在過程中的部分時間段才能啟動多信道并行工作。節點B對于節點A，C，D可全程啟動多信道并行工作。對過程中的波控狀態及通道導通情況、數據傳輸情況進行分析，驗證系統的信道分配策略是否符合設計。

圖8 四節點空分航跡規劃Fig.8 Air separation track planning of four-node network

用例5：測試不同網絡拓撲下的數據傳輸能力及路由能力。數據模擬包括不同周期、不同長度和不同優先級的消息，對數據傳輸的吞吐量、丟包率和端到端時延等服務質量進行測試驗證。通過對鏈路進行短暫的配置驗證高優先級數據的重傳能力。4種不同優先級消息的端到端時延及數據吞吐量的變化曲線如圖9所示，高優先級消息的平均端到端時延應小于低優先級消息。

圖9 不同優先級消息時延及吞吐量Fig.9 Delay and throughput of different priority messages

用例6：良好的功率控制不但可降低被探測的概率，還可有效減少對外界的干擾[13]。功率控制原則是在目標方向上的輻射能量剛好滿足正常通信需求。天線模擬器可實時顯示天線的程控衰減值A1，通過不同距離場景調節中頻鏈路衰減值A2，疊加實裝天線等效的高斯白噪聲，使系統調節到穩定狀態。設置A1與A2聯動變化，通過場景的距離變化和噪聲功率的動態調節，觀察接收端的信噪比估計值，驗證系統功率控制策略是否符合設計。

用例7：根據載波頻率及相對速度可計算節點間的多普勒頻移，可借助信道模擬器實現測試。本系統物理層信號處理以時隙為單位，持續時間為ms級，對多普勒頻偏不敏感。

用例8：高機動Ad Hoc的網絡節點是動態性、臨時性且瞬變的，需要測試網絡拓撲的動態切換能力和自愈能力。將鏈路狀態設置為周期斷開狀態，節點間的鏈路將周期從連接到間接再到連接，多種網絡拓撲隨著鏈路狀態動態切換，通過拷機測試網絡的穩定性。

用例9：對于TDMA系統，時隙持續時間較短，空間延遲對組網和數據傳輸有直接影響。隨著通信距離的增加，物理層數據幀長度需動態調整，調整步進為物理層信號處理的一個編碼塊的長度。數據發送長度lensend的計算方法為：

(1)

式中，tslot為時隙持續時間；t1為空間傳播時延；t2為同步保護時間；tcode為物理層一個編碼塊的持續時間；lencode為一個編碼塊可發送的用戶數據比特數。

用例10：通過疊加噪聲使系統工作在靈敏度狀態，此時物理層數據傳輸有隨機錯誤，測試網絡管理消息及用戶數據的隨機錯誤會不會導致網絡無法恢復，通過拷機測試系統高誤碼情況下的魯棒性。

用例11：多節點模擬器的中頻信道具有模擬agc功能，僅進行電平的衰減無法模擬有源天線的噪聲特性。為了測試實裝天線的通信能力，將中頻鏈路進行程控衰減得到接收信號電平，用通用儀器疊加高斯白噪聲模擬天線的工作噪聲，可模擬不同距離的接收端載噪比C/N0，測試系統工作的邊界值。根據式(2)可計算接收端C/N0，其中L為總損耗，包括自由空間損耗、大氣損耗和雨衰損耗等傳輸損耗以及指向損耗、極化損耗和天線罩損耗等固定損耗：

C/N0(dB/Hz)=EIRP(dBW)+G/T(dB/K)-L(dB)+228.6。

(2)

2.4 場景可視化

將各節點位置及姿態數據、波束指向數據導入STK軟件，可以對整個過程進行三維可視化回放。如圖10所示，可以直觀地看出各網絡節點的波束對準情況和切換情況，通過導入地形數據可進一步進行遮擋及覆蓋分析。

圖10 三維可視化回放Fig.10 3D visualization playback

3 結束語

定向天線用于Ad Hoc網絡后，可顯著提升網絡的性能。本文介紹了一種定向Ad Hoc網絡的實驗室有線測試驗證方法，對相應的測試用例及結果進行了分析，此方法在實驗室可模擬真實場景，通過中頻有線方式對系統的定向MAC協議、鄰居發現和路由算法等進行較全面的上機測試。隨著網絡規模的進一步提升，后續需研究在大規模組網情況下Ad Hoc的測試驗證方法。