基于探通識共生的無線自組織網絡快速組網協議

摘要：近年來，研究人員提出將通感一體化技術應用于無線自組織網絡的組網過程中，以加快組網速度。但是，現有方法要么將探測和通信分時工作，要么以吞吐量為約束選擇一體化波形，導致這些方法難以滿足組網信令對更大覆蓋范圍和更少傳輸次數的要求。針對此，文章充分考慮組網信令數據量小、傳輸頻率低的特點，提出一種基于探通識一體化的無線自組織網絡組網方法。在該方法中，數據按照設計的幀格式被調制在雷達信號上，以充分利用雷達信號窄波束、高威力的優勢。同時為了實現雙向信息交換和身份識別，文章方法進一步將敵我識別（Identify Friend or Foe，IFF）機制應用在探通信號上，給出了探通識一體化信號的發送和響應原則。理論分析和仿真實驗證明，與傳統方法相比，文章方法具有更快的組網速度和更小的信令開銷。

關鍵詞：自組織網絡；探測；通信；識別

中圖分類號：TN929.5 "文獻標志碼：A

0 引言

無人機物流、應急通信、無人機突防等應用正在成為生活、經濟和軍事活動中不可或缺的一部分。無線自組織網絡因可突破節點間通信距離限制，實現跨點通信，被認為是支撐上述應用的關鍵技術之一［1］。自組織網絡中，節點間的互認互知須要通過分布式的信息交換（即組網）來實現。如何減少組網時間，以提升網絡吞吐量，增強拓撲適應性，是自組織網研究中的一個重要方向［2］。

近年來，探通一體化被認為可以加快無線自組織網絡的組網速度，得到了廣泛的關注［3-12］。其中，Liu等［3］提出利用相控陣雷達來提升鄰節點的發現效率，展示了其在半雙工工作模式下的性能優勢。劉寧昕等［4］針對車聯網，提出利用自身的雷達掃描一跳鄰節點信息，然后根據探測信息構造散列函數，再結合隨機選擇機制完成對通信時隙的分配。Liu等［5］則提出結合雷達探測信息和卡爾曼濾波技術來預測和跟蹤節點。上述工作考慮使用雷達探測節點的狀態信息，但沒有討論這些信息在網絡中的擴散問題。Wei等［6］針對不同的雷達探測精度，提出了多種鄰居發現過程中節點間的信息交互方法。Wei等［7］提出一種節點間使用Gossip方法進行雷達探測信息交換的方法。但Wei等［6］和Wei等［7］中的工作只探討了Mesh網絡（所有節點兩兩可直接通信）中的組網問題。Cheng等［8］和Fan等［9］則針對存在多跳的無線自組織網絡，證明通過探測輔助通信的方式，可以提升多跳傳輸的能量效率。但是，上述所有工作所提方法中探測和通信是分時進行的。

另一方面，研究人員考慮在自組織網中使用通感一體化波形，以增加資源利用率，同時降低成本［10-12］。韓晨等［11］設計了一個基于一體化信號鄰居發現方法。該方法首先利用目標的RIS（Reconfigurable Intelligent Surfaces）反射信息對其進行識別，然后再使用一體化信號與合法目標通信。Han等［12］提出利用探測到的節點數優化回退窗口大小，提升網絡吞吐量并給出時頻資源在單雷達和雷達通信一體化2個工作模式下的分配方法。但該方法只適用于采用CSMA接入的網絡。需要注意的是，上述工作都沒有討論節點間的通信內容。此外，由于要求要盡量避免通信性能下降，一體化信號的通信距離被限制在傳統通信信號的范圍內。

但是，組網中的控制信令數據量小、傳輸頻率低，因此，實際應用中一般不以吞吐量來衡量和指導信令的傳輸。針對節點ID等須要在全網擴散的內容，則往往以信令的發送次數作為性能指標［13］。因此，本文考慮不以通信容量為約束，而是充分利用雷達信號窄波束、高威力的特點選擇和構造一體化波形，通過突破傳統通信距離的限制，以實現增加信令覆蓋范圍、減少節點信息轉發次數的目標。

例如，圖1（a）中，當采用傳統方法時，由于只能在相鄰節點間傳遞信息，組網過程中節點3和6想要知曉對方的消息，至少需要3次轉發過程，如圖中箭頭指示。圖1（b）給出了一個利用一體化波形加速信息擴散的例子。圖中，節點3利用一體化波形可以無需中轉即可將自身信息傳遞給節點1，因此只需2次轉發即可被擴散到全網。

需要注意的是，在圖1（b）所示例子中，節點6的信息依然需要傳輸3次才能被所有節點獲得。為了進一步加速節點6信息的擴散，需要節點1收到節點3的一體化信號后，立即對其應答并廣播節點6的信息。為實現這一點，可借助敵我識別（Identify Friend or Foe，IFF）機制，采用詢問-應答的方式，一方面實現節點的雙向信息交換，另一方面還可以同時完成對各自身份的認證。

基于此，本文提出一種基于探通識一體化的無線自組織網絡組網方法。該方法針對組網過程中節點信息擴散的需求，設計了探通識一體化信息的幀格式。接著，在此基礎上給出使用探通識一體化信號進行組網的流程，討論了探通識一體化信號的發送和響應原則。針對該方法，本文還從轉發次數出發，分析了感知距離和一體化信號中信息量與組網性能間的關系。最后，通過仿真驗證了相比傳統方法，本文所提方法具有更快的組網速度和更小的信令開銷。

1 系統符號與定義

令N表示節點數，距離d（i，j），（i≠j）表示節點i和j之間信息傳輸所需的最小轉發次數，d（i，j）=1表示節點i和j直連，d（i，j）=∞表示節點i和j不連通。（i;k）={j|d（i，j）=k，j=1，2，…，N}包含節點i的所有k階鄰節點。節點同時具有一套通信系統和一套雷達系統。所有節點的通信設備都裝配全向天線且工作在同一頻段。通信和雷達工作在不同頻段。

定義1：網絡寬度Γ為網絡中任意兩點間傳遞信息所需經過的最大轉發數，如式（1）所示。

Γ=maxi，j（d（i，j））（1）

例如圖1中，網絡的寬度為Γ=3。

時分多址（Time Division Multiple Access，TDMA）被認為是減少多節點同時同頻干擾的重要手段之一［13］。因此，本文將討論在使用TDMA的無線自組織網絡中的探通識一體化組網方法。本節給出本文設計的時幀結構，如圖2所示。每個時幀包括3個階段，鄰居發現階段、業務申請階段和業務傳輸階段。

1.1 鄰居發現階段

每個節點會通過通信設備發送通告信息以向鄰節點告知自己的網絡信息。節點在收到其他節點的信息后，會更新自己的網絡信息。鄰居發現階段始終存在于每個時幀中，以便各個節點能及時獲知網絡拓撲的變化情況。

1.2 業務申請階段

每個節點會在自己的時隙發送自身業務申請和在當前階段已收到的其他節點的業務申請信息。

1.3 業務傳輸階段

每個節點會在自己申請到的時隙中發送業務數據。

當采用TDMA時，須要保證每個節點處的時幀結構一致，包括階段數和每個階段的時隙數，同時還要求所有節點有相同的時幀起始時間。這須要通過分布式申請和協商實現節點間時間和時隙的對齊。為此，每個節點都須要向全網通告自身的ID和時幀情況，以保證網絡中的所有節點都具有相同的網絡信息。這既是組網過程要達到的一個重要目標，也是組網過程收斂的標志。因此，本文定義組網過程收斂如下。

定義2：組網過程收斂是指網絡中任一節點都已知網絡中的其他節點。

2 基于探通識一體化的無線自組織網絡快速組網協議

本節將首先描述面向組網的信息幀格式，然后設計結合探通識一體化技術的無線自組織網絡組網協議，最后分析該組網過程的性能。

2.1 探通識一體化

探通識共生波形包含2個關鍵部分：一體化波形和數據幀結構。目前，一體化波形的研究有2個方向［14］，一是設計具有探測能力的通信波形，二是設計具有通信能力的探測波形。前一方向以通信系統為主，因此，一體化信號的通信距離無法超越傳統通信范圍。為了突破傳統通信范圍，本文考慮采用在探測信號中加入通信信息的方向來生成一體化波形。

雖然利用探測波形傳輸數據存在數據率低、占空比低等問題，但是在無線自組織網絡組網過程中，傳 "輸節點ID和時幀信息的數據量小、傳輸頻率低。因此，使用探測波形傳輸信令數據，可以充分利用探測系統的優勢且不受前述問題的限制。須要注意的是，本文所提出的基于探通識共生的組網方法不限于某個一體化波形。在使用本文方法時，可根據實際情況選用與探測系統適配的一體化波形。

另一方面，在將數據加載在探測波形前，須要先對數據進行封裝。本文設計的數據幀結構包括圖3所示部分。其中，同步頭的作用是實現完成對信號頻率、時間和相位的同步。

（1）同步頭：對信號頻率、時間和相位的同步并界定數據幀的邊界。

（2）幀頭：用以給出數據幀的性質，以此確定接收端處理該段數據的方法。

（3）識別數據段：存放識別數據。

（4）網絡數據段：存放網絡控制信令數據。

（5）校驗段：確保數據的正確性和完整性，可以使用CRC校驗碼、消息完整碼（Message Integrity Code，MIC）等方式生成。

2.2 探識通共生組網協議

2.2.1 探識通共生的組網過程

從定義2可知，要滿足組網過程結束的條件，每個節點的信息都要被傳遞到網絡中的其他所有節點。此傳遞過程所需時間與網絡寬度呈正比。因此，通過采用探通識一體化波形，利用探測信號有更大的覆蓋范圍來減小網絡寬度，即能有效地減少組網過程所需時間。探通識共生的組網流程如圖4所示。

圖4（a）中，每次啟動探測時，節點會判斷是否使用探通識一體化波形。當決定啟用探通識一體化波形時，節點首先根據如圖3所示的數據幀格式生成詢問幀。其中，目的節點字段置為0，幀類型置為詢問信號。同時節點會將新收到的節點入網請求放入數據字段。然后，將生成的數據幀經過加密處理再通過編碼調制加載在探測信號上發送出去。最后，節點持續偵聽信道。

同時，在鄰居發現階段，當節點有自身和鄰居節點的信息須要發送時，也會生成通告信息并在指定的時隙內廣播給鄰節點。

圖4（b）中，當一個節點收到一段探測信號后，首先會檢測該信號中是否存在詢問信息的同步頭。其次，檢測到同步頭后，對通過解調解碼從后續信號中獲得加密后的詢問信息。最后，做解密操作并比對校驗數據，比對成功則判定為合法信息，否則丟棄該數據。

如圖4（c）所示，在詢問端，當一個節點收到一段信號后，首先會檢測該信號中是否存在應答信息的同步頭。其次，檢測到同步頭后，對通過解調解碼從后續信號中獲得加密后的應答信息。最后，做解密操作并比對校驗數據，比對成功則判定為合法信息，否則丟棄該數據。對于合法的應答信息，節點會根據其內容更新自己的網絡信息。

2.2.2 探識通共生波形的調度方法

在使用探識通共生波形時，2個重要的問題是，何時使用探通識一體化波形以及如何回應探通識一體化信號。為解決上述問題，每個節點都須要運行如圖5所示的流程。

圖5（a）中，節點i（i = 1，2，…，N）有探測任務后，首先須要判斷自己是否處在鄰居發現階段。因為只有處于該階段才會處理入網請求信息并對業務申請階段和業務傳輸階段的時隙數進行調整。接著，節點i通過式（2）判斷探測方向是否指向網絡邊緣。

ωi=（UNk=2（i;k））∩（）（2）

其中，集合（）表示節點i下次執行探測任務時，探測范圍內所包含的網絡節點。節點通過下式還須判斷探測方向。如果ωi=0，則表示節點i的下次探測范圍不包含大于等于2階的鄰節點。此時，節點i不啟用探通識一體化波形。

在此種情況下節點i通過發送探通識一體化波形只能與未入網節點交互信息。假設存在這樣的點a，因為（a;1）=，所以將節點a的信息傳遞給網絡中其他節點，不僅不能加快組網過程，反而會導致其他節點誤以為節點a可通過i到達，即d（i，a）≤Γ+1。

當ωigt;0，最后還須判斷探通識有效距離大于自身通信范圍。因為只有與UNk=2（i;k）中的節點交換信息才能加速組網。當上述條件都滿足時，節點i即會生成和發送探通識一體化波形。

另一方面，對于合法的詢問信息，節點會依據5（b）判斷是否在應答中加入網絡節點信息。從加速組網的角度出發，以下情況須要節點j應答節點i的詢問。

（1）即i∈UNk=2（j;k）且自己有新收到的入網請求；

（2）即i∈UNk=2（j;k）且詢問信息數據段中有記錄自己未知的節點；

（3）發送節點在自己預加入的網絡中且自己已發送入網請求信息。

當上述情況發生時，節點首先根據圖3所示的數據幀生成應答信息。其中，目的節點字段置為詢問信息的發送節點，幀類型置為應答幀。然后，根據不同的情況設置網絡數據段內容。其中，情況（1）中節點會將新收到的節點入網請求放入網絡數據字段；情況（2）中不生成網絡數據段；情況（3）中將自己的入網請求放入網絡數據段。

最后，當一個節點a打算加入一個網絡時，會首先廣播入網請求信息。但是，在收到響應信息前，該節點不應在一體化信號中加入網絡數據段。首先，節點a與網絡中的任一節點可能都無法通信，d（i，a）=∞（i=1，…，N）。但是，當有節點i收到a的一體化信號并從中獲得了網絡信息，則節點i誤以為節點a可達，即d（i，a）≤（Γ+1）。此時，節點i會更新業務申請階段和業務傳輸階段的時隙數，造成時隙的浪費。其次，即使節點a與網絡中某節點可通信，但是可能出現網絡拒絕接納新節點的情況。因此，同樣可能出現上面誤判的情況。

3 仿真驗證

本小節將分別對線形網絡和一般網絡的組網過程進行仿真。圖6 給出了在不同線形網絡中本文所提方法與傳統方法在組網時間和信令開銷上的比較。實驗中，網絡中有N個節點，網絡寬帶為N-1，網絡中任一節點i至多有2個鄰節點，通信信號的丟幀率都置為0.1。每個節點在鄰居發現階段以0.2的概率啟動探測任務，探測距離分別為通信距離的2、3和4倍。為了避免沖突，每個節點會隨機后退一段時間后再發送應答信號。

從圖6（a）和（b）中可以看到，與傳統方法相比，本文所提方法可以減少組網時間和通信信令的數量。而且，探測信號的距離越遠，本文所提方法的性能越好。

圖7給出了在一般網絡中本文所提方法與傳統方法在組網時間和信令開銷上的比較。實驗中，節點被隨機放置在一個半徑為100的圓中，節點的通信半徑為20，通信信號的丟幀率都置為0.1。在實驗開始時，每個節點會隨機在第一和第二象限范圍內選擇一個方向執行探測任務，探測信號寬度為3度，探測距離分別為30、40和50，在整個實驗中節點的探測方向、角度和距離都不改變。每個節點在鄰居發現階段以0.2的概率啟動探測任務。每種節點數量的實驗進行100次，圖中結果為平均值。

與圖6相似，圖7也顯示出本文所提方法可以減少組網時間和通信信令的數量。而且，探測信號的距離越遠，本文所提方法的性能越好。但是，與前一實驗結果不同，無論是組網時間還是通信信令的減少幅度要遠小于理論情況。這是因為本實驗中選擇的探測波束參數無法覆蓋一個節點的全部2階及其以上鄰居，所以存在探測盲區而導致位于該區域的節點無法獲得一體化后的增益。

4 結語

本文針對無線自組織網絡組網過程，在充分考慮組網信令數據量小、傳輸頻率低等的基礎上，提出一種基于探通識一體化的無線自組織網絡組網方法。該方法設計了面向一體化波形的信息幀格式，以實現在雷達信號上調制數據比特。進一步，本文提出將IFF機制應用在一體化信號的收發過程中，實現了雙向信息交換和身份識別功能。因此，本文所提方法能夠充分利用雷達信號窄波束、高威力的優勢，從而達到提升組網性能的目標。最后，理論分析和仿真實驗表明，本文所提方法具有更短的組網時間和更小的信令開銷。

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（編輯 王雪芬）

Fast networking protocol for wireless adhoc networks based on integrated sensing， communication and IFF

YANG" Xuezhou1， ZHOU" Zhiheng2*， BAO" Qinghong1

（1.Sichuan Jiuzhou Electrical Group Co.， Ltd.， Mianyang 621000， China; 2.University of Electronic

Science amp; Technology of China， Chengdu 611731，China）

Abstract： Recent research has focused on integrated sensing and communication for wireless ad hoc networks to enhance networking speed. However， existing approaches either deal with sensing and communication in a time-sharing manner or select integrated waveforms based on throughput constraints. This limitation hampers the ability to meet network signaling requirements for larger coverage range and fewer transmission times. To address this issue， this paper proposes a method for wireless ad hoc networks based on probe integration， which takes into account the characteristics of signaling that are of small data and low transmission rate. In this approach， data is integrated into radar signals according to a specially designed frame format， leveraging the narrow beamwidth and high power of radar signals. Furthermore， to facilitate two-way information exchange and identity verification， the Identify Friend or Foe （IFF） mechanism is incorporated into the integrated signal， outlining the principles for sending and responding to integrated probe signals. Through theoretical analysis and simulations， it demonstrates that the proposed method can achieve faster networking speed and reduce signaling overhead compared to traditional methods.

Key words： Ad hoc networks; sensing; communication; IFF