分布式高性能自組網節點技術研究

摘" 要： 針對當前主流Mesh自組網技術節點傳輸帶寬不足百兆，級跳數小于10的問題，提出采用多處理器構建實現分布式多跳、高帶寬低時延的無線跳頻的高性能自組網節點，對節點自動化組網連接、多信道選擇避讓、漫游切換及低時延高帶寬網絡多跳實現等關鍵技術進行研究實現。由測試結果分析可知，在20級跳內，文中節點組網帶寬損失在30%以內且帶寬保持在200 Mb/s以上，時延控制在100 ms內，可以滿足現實應急場景下多終端智能硬件實時進行圖像、視頻等大數據量信息交互對高帶寬低時延網絡通信的需求。

關鍵詞： 多處理器； 自組網連接； 多級跳； 高帶寬； 低時延； 信息交互

中圖分類號： TN929.5?34； TP391.44" " " " " " " " " "文獻標識碼： A" " " " " " " " 文章編號： 1004?373X（2024）05?0001?07

Research on distributed high?performance ad hoc network node technology

YU Zhe， ZHOU Shunmin， WANG Bin， SUN Yiming， CHEN Fang， ZHAO Zilong， LI Beibei

（National Supercomputing Center in Zhenzhou， Zhengzhou University， Zhengzhou 450001， China）

Abstract： In response to the current mainstream mesh ad hoc network technology， where the transmission bandwidth of nodes is less than 100 megabytes and the number of hops is less than 10， a high?performance ad hoc network node with distributed multi hop， high bandwidth and low latency wireless frequency hopping is constructed with multiple processors. Key technologies such as node automation network connection， multi?channel selection avoidance， roaming switching， and multi hop implementation in low latency and high bandwidth networks are studied and implemented. According to the analysis of test results， it is known that within 20 hops， the bandwidth loss of nodes network is kept within 30% and its bandwidth is kept above 200 Mb/s， and its delay is kept within 100 ms， so it can meet the demand of high bandwidth and low delay network communication for real?time image， video and other big data information interaction of multi terminal intelligent hardware in emergency scenarios.

Keywords： multiple processors; ad hoc network connection; multistage jump; high bandwidth; low latency; information interaction

0" 引" 言

傳統通信網絡體系技術的實現需要各類固定的基礎通信設備支持，靈活度低、無法短期安裝，且不能提供穩定的網絡環境，在各種復雜應急場景下無法實現快速應用[1]。自組網技術無需任何基礎設施，各節點功能相同、地位平等，通過底層設備網絡化及通信自連功能，實現節點隨時選擇通道加入或離開組網，在各種需求下可實現靈活、實時拓撲組網通信。

隨著智能設備的不斷增加，復雜環境下快速、高帶寬、便攜組網通信需求成為無線網絡技術發展的驅動力，多跳分布式高帶寬低時延自組網節點技術研究成為近幾年來國內外各界關注的重點。

當前，主流Ad Hoc Mesh節點技術的演進主要以解決大規模、復雜化應用問題為主，具體解決技術手段主要集中在信道分配和路由協議等方面進行改進、優化。如文獻[2]提出在明確整個網絡負載矩陣的條件下，將信道分配和路由協議選擇問題拆解成子問題進行逐一優化；文獻[3]提出通過優先保證上游節點數據包轉發調度，下游節點競爭共享通道方式的分布式流控制與鏈路訪問控制的跨層調度策略以解決MAC鏈路競爭導致的網絡擁塞問題；文獻[4]引入節點穩定二維前程值和節點能量分級的計算方法，延長了網絡生存時間，降低了路由開銷；文獻[5]研究了無線Mesh網絡中主動或被動路由環路避讓算法；文獻[6]對基于單兵裝備的Mesh網絡通過業務分類和權重進行信道資源分配研究以改善整體服務質量；文獻[7]和文獻[8]則從鄰居發現角度分別通過實現二進制編碼序列確定收發模式的異步算法和結合節點移動速度進行覆蓋信息收集分析方法研究，提高節點間相互發現概率，降低平均延時；文獻[9]采用樹莓派開源基礎實現自組網，但只實現少數級跳且帶寬不大于2 Mb/s。雖然，眾多學者對Ad Hoc Mesh組網技術進行了系列研究，但是并沒有很好地解決Ad Hoc Mesh技術節點組網級跳數小于10，末端帶寬不足百兆的性能限制問題。

針對上述問題，本文研究實現了一種應用于UMWS?H的新型無線組網設備節點，節點具有自愈合連接、多頻高帶寬低時延等技術特點，預期實現達到200兆帶寬，節點級跳數大于14，公網與自組網之間接近5G的秒切速度等。為實現這一節點無損多跳分布式連接組網技術，本文將主要研究解決基于UMWS?H自組網多跳連接中節點自我管理自動化組網、高帶寬多跳節點連接、多跳帶寬損失最小化、低延遲漫游切換、節點自動愈合及信道避讓等關鍵技術實現。

1" 節點組網連接關鍵技術實現

圖1為擬采用的基于UMWS?H技術構建的先進自組網技術模型圖，利用UMWS?H構建的高帶寬低時延自組網網絡可以實現比其他組網方式更高效、更魯棒的物聯模式，更好地服務于“人機物”三元融合交互。與原來的S波段和C波段無線網絡技術的多模塊、多通道和多射頻技術不同，采用單頻組網的UMWS?H極大簡化了現場配置和部署難度，滿足應急臨時通信組網中快速建網和零配置要求。UMWS?H組網節點采用專有的通信協議，在支持多信道帶寬（如2.5 MHz、5.0 MHz和10.0 MHz）的網狀網絡拓撲中傳輸雙向IP通信流量。通過內置先進調制編碼和前向糾錯技術，實現帶寬高達200 Mb/s，支持進行視頻、圖像數據及語音等雙向通信。高帶寬多跳連接無衰減技術實現承載更多有效數據，進而實現信號遠距離傳輸。

本文構建的基于UMWS?H技術的先進自組網節點，其特征在于設備底層硬件包含多片單主控制器MCU（Microcontroller Unit），MCU實現智能組網控制機制，其組網系統控制實現機制包括節點自愈及智能搜索、節點成環連接、信道避讓及漫游切換等。

1.1" 節點無線接入設備的整體控制

當前主流采用無線網橋和Mesh的方案中，如果其中一個節點掉線，其他節點無法自動調整連接，不能保持整個網絡連通，需要維護人員手動修改其連接指向。本文通過節點實現自動搜索判定連接機制，主動與周邊節點再次建立連接，實現自動組網，如圖2所示。本文中無線接入設備的控制方法集成了網絡轉發Ad Hoc工作模式的優點，使得每一個節點可以同時進行信息雙向收發，且不受制于同頻之間產生的信號干擾導致帶寬極大降低的影響，使得分布式多點連接這種方式不再局限于少數節點的民用家庭場景，可在工業及商用場景大規模應用，實現與5G基礎建設的互補。

采用雙處理器設計的節點，組網過程中無線接入點（Access Point， AP）處理器MCU1為其他無線設備提供無線接入服務，其他設備提供的無線接入點服務通過無線終端（Station， STA）處理器MCU2接入，節點內部MCU1和MCU2之間通過有線網口連接并實現同信道通信協議傳輸。節點設備采用雙處理器設計，主要特征在于：本機節點初始化后將運行自愈機制程序決定是否開啟MCU2的無線網口連接功能，因MCU1和MCU2在節點內部通過網線連接，處于同一局域網，當MCU1接收到MCU2發送的廣播幀時，將提取存儲接收到的本機終端信道信息，當MCU1等待累計到預設等待周期數時還未監聽到MCU2的局域網廣播包，將主動控制觸發MCU2開啟無線網口連接功能。MCU2通過自身智能搜索連接機制，記錄并形成可用連接信道列表，通過調用連接判斷機制選擇出非本機且信號強度最好的信道節點進行連接，若最終未能連接成功則重新開始搜索可用信道連接。當MCU2檢測到與其他無線設備建立連接之后，發送攜帶信道信息的單播探測請求幀至整個網絡設備，本機MCU1將接收并存儲MCU2建立連接的信道信息，并通過信道避讓機制，采用與MCU2連接不同的信道與其他無線設備建立無線連接。在通過成環連接機制確認本節點正確連接到網絡中后，本節點將進入監聽網絡設備連接更改階段，通過對網絡設備連接方式更改與否的實時監聽，采取對應的切換節點連接或通過漫游切換機制切換不同網絡的措施，保證節點時刻在線，實時傳輸數據。圖3為無線設備接入控制實現流程。

1.2" 節點自愈及智能搜索實現

節點設計了連接自愈功能，實現對無限客戶端啟停的主動控制。當無線客戶端MCU2控制的網絡通道進行有線接入時，MCU2通過局域網向MCU1發送廣播包，系統檢測無線接入點MCU1是否可以接收到發送的廣播包，并判斷出本節點客戶端的鏈接方式，當MCU1首次無法接收到MCU2的局域網廣播包時，維持現有鏈路連接；反之，當MCU1首次接收到MCU2發送的局域網廣播包時，則主動關閉MCU2的無線網口鏈接功能，并繼續偵聽廣播包進行判斷，當在一定周期內檢測判斷無法收到MCU2的局域網廣播包時，則主動控制啟動MCU2的無線網口鏈接功能，并進入下一步執行相鄰無線智能自組網設備智能搜索鏈接功能，若MCU1在指定周期內能正常收到廣播包，則維持當前鏈路連接。圖4為節點無線網口自愈切換啟動機制流程。

為更好地實現智能化組網技術，節點多處理器底層設備實現智能搜索功能。對于節點智能搜索機制，節點設備中無線客戶端MCU2通過發送廣播探測請求幀的主動掃描方式搜索周邊是否有其他可用信道節點的無線接入點。若不存在則繼續搜索，若存在，則依據公式[Rv=10lgP]（[Rv]為信號強度判斷值，[P]為搜索到的信號功率）對信號強弱進行判斷分類，將搜索到的所有可接入節點的信道信息依次進行存儲，并篩選信號強度最好的信號源節點進行連接。當有多個同強度可接入信號源時，按記錄先后順序選擇最早記錄的節點信道進行連接。在最強信號源節點未能成功連接時，則按記錄順序或次信號強度選擇新的鏈接目標節點連接，直到連接成功或重新搜索記錄無線接入點信道信息；否則，連接成功后觸發進入執行組網成環避讓處理機制。圖5為節點智能搜索機制。

1.3" 節點成環連接實現

節點成環連接組網實現通過AP和STA共同協調控制實現。對于節點STA端，通常情況下任意節點的無線接入點MCU1首先通過發送廣播包的方式，將自身的MAC地址發送到本機STA終端，STA終端接收并被記錄存儲，當終端MCU2執行智能搜索連接后，將判斷當前選擇即將連接的節點MAC地址是否為本機無線接入點MCU1的MAC地址。若判斷結果表明是本機MCU1無線接入點MAC地址，則進行存儲記錄，放棄本次連接，重新進行可用信道搜索或選擇信道列表記錄中的下一無線接入點進行判斷連接操作；反之，則進行后續的認證、關聯等無線接入點連接操作。圖6為節點STA端成環連接控制流程。

成環連接中，在外部干擾或錯誤連接的情況下，本節點STA終端會誤連到本節點AP，故AP端需具備一定的異常處理能力。在本機終端MCU2接收到鏈路連接建立成功的反饋后，本機終端MCU2將發送廣播包告知整個網絡中所有設備，并且只有建立連接的無線接入點會接收MCU2的廣播包，當本節點MCU1處理器檢測接收到該廣播包時，說明本節點形成了端口自連，MCU1將主動斷開鏈接，MCU2將重新進入智能搜索流程。當MCU1未檢測到本節點MCU2的廣播包時，則通過內部通信協議通道告知MCU2維持當前鏈路鏈接，MCU1繼續處理實現與相鄰節點鏈路信道錯開以及監聽鏈接方式是否改變。圖7為節點AP端成環連接控制流程。

1.4" 節點信道避讓及漫游切換實現

由于4G/5G網絡和低頻傳輸網絡均采用單一頻段進行傳輸，在面臨高強度電磁干擾條件下，節點可能恰好在相應的頻段中受到嚴重干擾，導致癱瘓不能傳輸數據[10]。針對這一情況，節點設計加入多信道自動跳頻的信道避讓技術，時刻探尋各頻段的輸出功率強度和噪聲情況。如遇到當前傳輸信道突然有大功率噪聲數據干擾使傳輸數據到達率不足75%時，則主動搜尋周邊信道，尋找滿足傳輸穩定性大于80%的信道并將自組節點的接收端同步調解至新頻段，以避開針對特定頻段的電磁干擾。圖8為節點多信道避讓實現機制流程圖。當MCU2無線信道鏈接成功時，發送攜帶有該鏈接信道相關信息的廣播包，同時節點MCU1收取該廣播包并存儲該信道信息，在MCU1實現鏈路連接前將持續偵聽整個網絡中節點臨近設備發送的廣播包，并記錄非本節點廣播包攜帶的信道信息，形成可用信道表，進一步對可用信道表中的信道進行判斷，選擇當前預請求鏈接信道使用量最小的進行無線鏈路連接，避免多個節點同時連接使用同一信道影響信道信號質量。

在滿足4G/5G通信條件的情況下，先進自組網設備將優先采用4G/5G網絡進行數據通信，傳輸距離大約為2 km，此距離完全依賴4G/5G基站的發射功率，不以先進自組網設備效能為轉移。如超出范圍時，可切換到先進自組網網絡，但當前絕大多數網絡終端跨基站漫游的切換速度在3 s以上，主要采用網絡layer3路由協議轉發，應用會有短時卡頓，對實時性要求較高的環境中無法應用[11]。本文優化了網絡終端的漫游策略，采用網絡layer2交換協議轉發，使得切換時間小于50 ms。通過設備中自有底層驅動代碼實現與附近熱點快速連接，通過自有數學模型，采用離散、加權等算法解決信號波動帶來的鏈路建立誤判問題。以廣播方式將節點鏈路的更改結果通知整個網絡層，通過循環判斷讀取連接點的信號強度是否穩定，若穩定，保持鏈接并周期性判斷該信號的穩定性；若不穩定，則放棄該接入點，重新搜索附近可接入點并判斷信號的穩定性，放棄或確定接入點并通知全網絡，如此循環檢測判斷。圖9為節點漫游切換實現機制流程圖。

2" 節點鏈路數據高效傳輸實現

帶寬和延遲是決定網絡性能的兩個關鍵核心。通常，在網絡吞吐量固定的條件下，通信延遲有時可達到毫秒級，應急通信作為分布式自組網技術的主要應用場景，對網絡延遲要求較高，延遲是系統性能的核心關鍵指標之一，同時過于復雜的路由開銷也會進一步限制網絡的可擴展性[12]。

2.1" 節點高帶寬覆蓋實現

語音應用和快速漫游切換是智能網絡必須支持的，主流的集中在layer3路由的高通Mesh自組網技術路由開銷極大地限制了網絡的可擴展性。將網絡設計為layer2交換在時延和開銷上有望實現最小，實現節點更多級數跳可能。

為解決多跳衰減的問題，保持網絡帶寬在較高水平，節點設計采用異頻組網及MIMO（多入多出）技術，設計類似蜂窩網絡無線小站點天線實現網絡覆蓋，實現球形面不同信道信號發射，以實現單節點在大范圍區域多用戶同時連接的無沖突高吞吐量數據通信交互[13]。

信道容量是信道能夠達到的最大數據速率，根據香農公式，數字信道的帶寬[B]與信道容量[C]滿足如下計算式：

[C=Blog21+SN] （1）

在一個發射和接收天線數為[m]和[n]的MIMO系統中，式（1）變形為：

[C=m×Blog2nm+SN] （2）

考慮到傳輸距離中空氣衰減的情況，末端帶寬一般都能在170 Mb/s以上，完全可以支持幾十路甚至上百路視頻同時傳輸。

2.2" 節點數據低延時傳輸實現

在節點互聯實現中，傳輸控制協議（TCP）的握手傳輸及用戶數據報協議（UDP）無線連接傳輸方式是常見的信息交互方式[14]。但是TCP握手傳輸方式傳輸效率低、能量消耗大，UDP無線傳輸方式傳輸數據易丟失、可靠性差。在通信系統中，TCP每創建一個新連接都要占據一定的延遲開銷，以及部分由慢啟動動態調整實現鏈接帶寬利用率最大化產生的延遲開銷[15]。

在保證數據完整性及傳輸可靠性的基礎上，針對以上問題，本文對協議應用模式進行優化，設計自動切換數據傳輸模式實現數據的高效傳輸。設計實現中采用TCP長連接復用機制進行優化，即TCP一旦創建連接后，最大限度進行復用，也就是將請求結束，連接斷開，再重新創建通信連接的重復過程，設計成單次連接多次請求交互模式。

具體實現過程為：節點在自動進行傳輸模式切換時，最開始本節點STA與對端節點AP之間通過單次請求單次響應方式通信，本節點STA向對端節點AP發送請求建立連接數據包，對端節點AP接收到請求后發送響應信息給本節點STA，本節點STA若在預設時間周期內接收到該響應信息，則說明請求數據包發送傳輸成功。統計該單次請求響應建立鏈路模式下數據包連續傳輸成功的次數，當達到設定閾值時，則將鏈路單次請求單次響應傳輸模式切換至單次請求多次響應傳輸模式。

通過這種方法可以實現在已確定通信信號達到穩定且通信質量良好的情況下，將單次請求單次響應傳輸模式切換為效率更高、能耗更少的單次請求多次響應傳輸模式，進而在保證數據完整性及傳輸可靠性的基礎上提高傳輸效率，最大限度地降低傳輸延時。

3" 技術可行性驗證及結果

3.1" 網絡測試場景說明

為了驗證上述節點設備自組網實現的可行性，本文在真實環境中對設備進行了無負載下延時測試及考慮應急場景下的極端滿負載情況下延時、上下行速率的測試，測試跳數從1增加到35。測試采用IEEE 802.11n協議作為無線回程的傳輸標準，可實現對自組網絡數據流量的提取與監測。圖10為設備組網測試環境。在每一級設備間加60 dB衰減器，并用饋線連接，使連接強度變弱，模擬實際遠距離500 m使用場景；依次開機使35臺設備按串型順序連接，在第1臺設備有線接入一臺電腦，然后另一臺電腦依次按設備順序有線接入，使用IxChariot軟件跑吞吐量，分別記錄帶寬和延時情況。測試中，在每一跳節點接入有線網絡終端設備以便獲得各節點測試數據。

3.2" 驗證結果

表1為記錄的35跳節點相關測試數據結果，為觀察上行滿負載多級跳相關性能數據變化趨勢，從結果中選取5的倍數節點對應的數據作為趨勢參考點。

圖11為多級跳上行帶寬測試結果趨勢圖，圖12為多級跳上行帶寬衰減率趨勢圖，圖13為上行多級跳各節點延時趨勢圖。

根據試驗結果得出，真實環境中回程網絡數據在經過10級跳的傳輸后吞吐量損失20%，經過20級跳的傳輸后回程吞吐量損失也未超過30%且帶寬保持在200 Mb/s以上。時延結果表明，在20跳之內，上行回程時延都控制在100 ms內，即使經過35級跳時延也未超過150 ms。相較于當前主流的Mesh多跳網絡只能跳3～5跳的結果而言，本文設計的自組網節點性能是突出的，不超過100 ms的時延是滿足VoIP和視頻應用需求的，能夠較好地滿足各種應急組網通信場景下的多跳高帶寬低時延網絡組網需求。

4" 結" 語

分布式無線自組網主要應用面對的諸如應急救援、戰時通信等場景呈復雜、多樣化發展趨勢，對大規模無線智能網絡，特別是無線自組網絡的帶寬、抗干擾能力及網絡時延等提出了更高的要求。當前主流的Mesh節點技術多跳組網存在先天的級跳數少，每跳帶寬損失嚴重等問題。為較好地實現滿足復雜場景下大范圍現場圖像視頻、多路實時音視頻通信數據遠距離高帶寬低時延傳輸需求，本文設計了基于UMWS?H的新型無線組網技術的多處理器組網節點，對節點自動化搜索組網連接、節點自動愈合、信道避讓、低時延漫游切換、高帶寬低時延多跳帶寬損失最小化等關鍵技術進行研究實現。由測試結果可知，在20跳內本文設計的自組網節點帶寬損失和時延結果在視頻流和實時多路通信中都是可以滿足應用需求的，本文設計的分布式自組網技術節點有可能解決各種復雜場景下無線局域組網多跳、高帶寬、低時延網絡需求難題，這也是下一步物聯網傳輸課題研究的支撐基礎之一。

參考文獻

[1] FAN D D， LI B J， FEI L G， et al. Design of global emergency communication system based on geosynchronous TDRSS [C]// International Conference on Wireless Communications amp; Signal Processing （WCSP）. New York： IEEE， 2015： 1?4.

[2] SHI W X， WANG S B， WANG Z， et al. An efficient channel assignment algorithm for multicast wireless mesh networks [J]. AEU： International journal of electronics and communications， 2018， 89： 62?69.

[3] 譚國真，韓國棟，張福新，等.基于網絡效用最大化理論的分布式車聯網擁塞控制策略[J].通信學報，2019，40（2）：82?91.

[4] 白媛，宋焱，栗晨亮，等.移動自組網基于地理位置信息的能量輔助路由協議[J].現代電子技術，2021，44（2）：69?74.

[5] YU T， ZHANG Y C， CHEN D Y， et al. Routing loop audit mechanism based on SDN [J]. China communications， 2019， 16（7）： 96?108.

[6] 吳慶，胡明，孟子健，等.電力應急通信非合作博弈資源分配方法[J/OL].電訊技術，1?7[2022?11?01].http：//kns.cnki.net/kcms/detail/51.1267.TN.20221101.1318.002.html.

[7] 胡鄭峰，王建.一種定向無線自組網鄰居發現算法[J].電訊技術，2022，62（11）：1663?1669.

[8] 魯頂柱，高靜，董守斌.基于鄰居覆蓋信息和節點移動速度的無線自組網多播方案[J].現代電子技術，2019，42（10）：53?59.

[9] 李賢烈，郭超平，王盛青，等.基于樹莓派的無線Mesh網絡組織與實現[J].現代電子技術，2018，41（23）：87?92.

[10] 張繩武，曾鋒，陳志剛.無線Mesh網中一種流量感知和干擾優化的信道分配機制[J].計算機應用研究，2016，33（3）：810?812.

[11] 李方敏，曾樂，沈逸，等.應急通信系統中快速二層切換協議的設計與實現[J].通信學報，2017，38（z2）：8?16.

[12] 王彥剛，萬留進，呂遵明，等.基于跨層設計的無線自組網方案[J].計算機系統應用，2017，26（1）：86?91.

[13] 李飛翔，衛穎，周遠遠.自組網通信技術戰術應用[J].指揮信息系統與技術，2020，11（3）：87?91.

[14] 左登超.基于TCP與UDP通訊的設備自動化接口測試方法[J].計算機測量與控制，2022，30（11）：25?31.

[15] 殷明，任勇毛，張運棟，等.一種差異化可靠傳輸控制機制[J].數據與計算發展前沿，2022，4（5）：138?151.