多电台多信道（共7篇）
多电台多信道 篇1
网络的兴起极大的改变了人们的生活方式，让信息的传递变得更为简便。单一网络的范围是有限的，一般局域网的范围最大也只有数百米，即使使用光纤，范围过大的网络也会遇到广播风暴之类的问题，仍然需要网络互连设备来实现更大范围的通讯。
路由器是用来连接多个逻辑上分开的网络，逻辑网络是指一个单独的网络或一个子网。当数据从一个子网传输到另一个子网时，可通过路由器来完成。因为，路由器具有判断网络地址和选择路径的功能，能在多网络互联环境中建立灵活的连接，可用完全不同的数据分组和介质访问方法连接各种子网。路由器是属于网络层的一种互联设备，只接收源站或其他路由器的信息，不关心各子网使用的硬件设备，但要求运行与网络层协议相一致的软件。路由器分本地路由器和远程路由器，本地路由器是用来连接网络传输介质的，如光纤、同轴电缆和双绞线;远程路由器是用来与远程传输介质连接并要求有相应的传输设备，如电话线要配调制解调器，无线通信要通过无线接收机和发射机。
1 军用网络设备的特殊要求
市面上民用的路由器产品种类众多，小到几十元的家用路由器，大到几十万的电信级高端路由器，这些路由器虽然种类繁多，功能齐全，却并不完全适合于军事通信的特殊应用环境。
首先，军用网络和民用网络使用的环境不同。军用网络设备主要在野战条件下使用，自然环境恶劣，甚至敌方会使用电磁干扰等对抗性手段对通信进行破坏。因此整个网络系统必须要能够应对这些挑战。
其次，军用通信的可靠度要求高。民用通信可以接受暂时的中断，而军用通信则要求尽可能高的可靠度。军情如火，在通信上的任何延误都可能造成贻误战机甚至战争失败。
因此，军用网络设备必须能够保证军用网络在遭受打击后，仍然可以保持正常通信。通过对军用网络设备的特殊设计，同时采用多个相互独立的物理信道进行通信，可以避免单点失效。即使某条物理信道遭到毁灭性打击，如通讯电缆被切断，仍然有其他信道，如无线信道可以继续使用，保证非常紧要的信息可以及时传送到目的地。
综合使用多种有线、无线通信手段和多重线路设置是对付敌方对我军通信系统的各种软硬件杀伤的有效手段。各节点之间为保证通信的正常进行，常使用各类信道冗余传输，保证系统的安全性和可靠性。因此很多时候在两台路由设备之间会有多条通信链路存在，为保证系统信息传递的可靠性，这些信道会同时向目的路由器传递相同的数据信息，而目的端需要在接收到多条相同数据时进行取舍，实现数据在信道上的冗余传输。
2 硬件设计
在路由设备中，采用双处理器分别完成系统的主控功能和路由功能，主控单元实现对现役通信设备的兼容，路由单元实现IP数据的路由及数据传输功能。路由单元的设计中，采用基于Xscale架构的Intel425处理器，由实时嵌入式操作系统vxWorks提供系统平台，系统的路由功能完全由处理器上软件实现，二层以下的交换功能由KS8995MA芯片完成。Intel425的最高主频可达533M的XScale核心处理器(可工作在533M,400M,266M三个频率下)，三个网络处理引擎(NPE,network processor engine),32位的PCI接口，8位的UTOPIA-2接口，USB1.1设备控制器，两个高速的串行接口以及SDRAM接口等等。KS8995MA是一款高度综合的具有管理功能的二层交换芯片，具有VLAN、QoS优先级管理，MIB计数器，双工的MII接口和CPU控制/数据接口，KS8995MA包含五个10/100数据收发器，五个媒体访问控制单元(MAC)，一个高速非阻塞的交换结构。所有的物理单元都支持10BASE-T和100BASE-TX，此外端口4和5还支持100BASE-FX。KS8995芯片的功能如图1所示。
Intel425处理器通过GPIO口控制KS8995MA交换芯片，通过以太网接口传递数据信息，Intel425处理器与KS8995MA芯片的连接关系如图2，各信道设备直接连在KS8995MA交换芯片的网口上。
3 软件设计
处理器在通用的动态路由协议基础上还支持了多信道数据的冗余传输，为节点间互为备份的多条信道提供有效数据的提取功能。为实现多信道冗余传输时对数据的有效提取功能，设备启动时，处理器需要将KS8995MA交换芯片设置工作在VLAN模式下，且每个端口具有独立的VLAN标志，这样可以有效地防止芯片工作在交换机模式下出现广播风暴，避免单一信道传输时数据在同一VLAN内部扩散。
用户数据发送时完成上层处理后数据到达IP协议栈，IP协议栈的路由表是用户设置的静态路由和动态路由协议自动学习的路由信息的总和，在IP层完成数据包的路由功能，选择当前路由表中的系统路由后，将数据封装成以太网数据包交给以太网协议处理层。在发送以太网数据之前，根据系统的使用要求和用户设置大致可划分为，自动发送、用户指定信道发送、多信道同传三种数据发送方式。
自动发送方式适用于源路由器和目的路由器之间仅一条信道连接和多条信道连接两种方式，源和目的之间仅一条信道连接时，采用IP层查找到的路由信息，在以太网层仅将数据添加VLAN标志重新封装为802.3Q的VLAN信息，并通过KS8995MA的相应端口发送到信道上。当源和目的之间有多条信道连接时，自动发送根据以太网数据包的下一跳地址信息可以获得对应的信道参数，在用户预设的信道参数表中可以查找到用户指定的和该信道具有相同目的地的其他信道，最终获得各信道在KS8995MA芯片上的端口信息，根据这些端口设置的速率，将数据按照速率最高的端口的VLAN标志，封装成符合802.3Q格式的VLAN信息，并通过速率最高的信道发送。
用户指定发送方式用于源路由器和目的路由器之间有多条信道连接。当源和目的之间仅一条信道连接时，用户也只能指定从该信道发送，系统处理过程和自动发送方式相同。当源和目的之间有多条信道连接时，根据用户指定的信道获得该信道的VLAN标志，将数据添加重新封装为802.3Q的VLAN信息，通过KS8995MA的对应端口发送到信道上。
多信道同传发送方式用于源路由器和目的路由器之间有多条信道连接。根据以太网数据包的下一跳地址信息可以获得对应的信道参数，在信道参数表中可以查找到用户指定的和该信道具有相同目的地的其他用于冗余传输的信道，获得各个信道在KS8995MA芯片上的端口信息，将数据按照各端口的VLAN标志，将数据分别封装成符合802.3Q格式的VLAN信息，并通过KS8995MA的各个端口向连接源路由器和目的路由器的所有信道发送数据。动态路由协议路由更新信息的发送过程与此类似，都是向所有信道冗余发送。
接收端的KS8995MA芯片接收到各条信道的数据后直接发送给处理器，处理器首先去掉802.3Q的帧头，对以太网层的用户数据进行分析，并记录下每一包数据的IP层报文的帧序号，根据IP数据帧序号递增的规则，判断此包数据是否已经收到过了，收到过的数据直接丢弃，未收到过的数据重新封装成标准以太网数据交给IP协议栈进行上层的处理。并将此数据包的帧序号保存，供与下一包数据进行帧序号比较。
4 结束语
Internet的关键协议IP协议，直接用于军事网络互连，可以将互通性较差的各种战术网连成战术互联网(TI)，这在以ATM为核心的B-ISDN尚未普及的今天，不失为一种既利用了现有资源又解决了互通问题的好办法。路由器作为Internet网络组网的关键设备，在军事通信过程中具有重要作用，使用多信道冗余传输方式，可以有效地防止单点失效，增强网络节点的抗毁性。本文设计的多信道冗余传输方式与网络层的动态路由相结合，使路由设备即拥有自动组网的灵活性，又具有备份信道传输的可靠性，适合于战时的恶劣环境。多信道冗余传输在链路层以下通过多信道同时发送来增强数据传输的可靠性，由于网络层IP本身提供的是一种不可靠的服务，因此数据的有效性需要由上层协议进行保证。
参考文献
[1]张公忠.现代网络技术教程[M].北京:电子工业出版社,2000-01.
[2]李晓东.IP QoS的实现[N].北京:计算机世界日报,2000-07-03.
[3]赵慧玲及ITU-T SG13中国代表团.新一代IP网络标准的发展[J].北京:中国通信,2001(2).
多电台多信道 篇2
超宽带通信是一种短距离无线通信技术, 它具有传输速率高, 安全性好, 抗多径能力强以及定位精确等优点, 特别是它不需要占用额外的频谱, 可与现有无线通信系统并存, 使它在频谱资源日益紧张的今天受到广泛关注, 已成为无线通信技术的研究热点。超宽带信号有两种产生方式:一种是基于极窄脉冲的传统冲激无线电;另一种是基于OFDM的多频带超宽带。超宽带技术虽然具有优点, 但是想实现高速率高性能的数据传输还面临许多技术挑战。无线信道是数据传输的媒介, 信源发出的信息都需要通过信道传输, 而信道的多径延迟直接决定通信质量。因此, 就必须在接收端抽样判决之前对数字信号的畸变进行处理, 这就是信道均衡。设计均衡器时, 可以采用两种不同的方法:直接均衡法和间接均衡法。其中, 间接均衡法要求首先进行信道估计。
在基于OFDM的无线通信系统中[1], 由于传输速率较高, 并且需要使用相干检测 (coherent detection) 技术获得较好的性能, 因此通常采用加入导频的非盲估计来获得较好的估计效果, 这样可以更好地跟踪无线信道的变化。OFDM系统中有两种导频方式[2]:一种是块状导频, 即一个OFDM符号内所有的子载波都用来发送导频符号;另一种为梳状导频, 即一个OFDM符号内的某些子载波用来发送导频符号。文献[3]提出的算法先在发送信号中插入块状导频, 然后通过区分不同信道条件选择合适长度的时域滤波器, 来对信道进行估计, 从而降低了MSE。但是在CP长度小于信道最大多径延迟时, 信道估计性能会严重下降。
本文基于块状导频提出了一种信道缩短的信道估计算法。该算法适合于不同信道长度的信道估计。特别在CP长度小于信道最大多径延迟时, 可使得到的复合信道长度小于CP长度, 从而通过估计复合信道来较精确的估计出原始信道参数。仿真结果表明:在CP长度小于信道最大多径延迟时, 本文提出的方法可以得到更低的MSE。
2 系统模型
基于MB-OFDM的超宽带系统的传输和接收如图 1所示。
用X (k) (k=0, 1, 2, …, N-1) 表示输入的二进制比特序列, 在插入导频信息后, 进行IFFT变换转化为时域信号x (n) :
其中n=0, 1, 2, …, N-1, N代表子载波的数目。一个MB-OFDM导频符号和若干个数据符号在一起构成数据块, 其中导频符号用于信道估计, 数据符号用于信道缩短。在发送信号前端插入CP以消除ISI和ICI, 假设CP的长度为l, 在插入循环前缀后x (n) 变为xf (n) :
在此MB-OFDM超宽带系统中做以下假设:
(1) 循环前缀长度不小于信道最大多径延迟;
(2) 信道在一个数据块中保持不变;
(3) 接收机要保持同步。
在以上三个假设的基础上, 接收序列rf (n) 可以表示为xf (n) 与信道的线性卷积再加上噪声w (n) :
其中w (n) 为零均值高斯噪声序列, h (n) 为传输信道的冲激响应。在接收端, 接收信号r (n) 可以表示为:
对r (n) 进行FFT变换可以得到R (k) :
对超宽带信道模型:IEEE802.15.3a工作组及其子委员会于2003年7月颁布了最终的UWB的室内信道模型, 这个信道模型被假定在观察期间是静止的。
IEEE模型的信道冲激响应可以表示为[4]:
其中X是对数正态随机变量, 代表信道的幅度增益;N是观测到的簇的数目, K (n) 是第n簇内接收到的多径数目, αnk是第n簇内第k条路径的系数, Tn是第n簇的时延, τnk是以Tn为基准, 第n 簇的第k个多径分量的时延。
3 信道缩短
由于在信号传输时很难知道信道的确切长度, 所以当CP长度小于信道最大多径延迟时就会造成ISI和ICI, 为了消除这种干扰, 就必须增大CP长度, 然而增大CP会使数据传输率下降, 因此就有必要采用信道缩短技术。其思想为接收信号r (n) 序列通过一个时域均衡器TEQ (F) , 通过调整均衡器的抽头系数, 使信道h 与均衡器f卷积得到复合信道c的能量集中在一个固定长度的时间窗内, 而窗外的抽头系数尽可能为零, 来达到信道缩短的目的。设CP长度l为32, 数据长度u为128, 则数据总长度为M=l+u=160。
假设在一个数据符号内, 发送信号的结构如图 2所示。
其中xf (j) =xf (j+128) (j=1, 2, …, 32) , 当此序列通过信道后, 假设离散信道有64个抽头, 则:
由 (7) 和 (8) 可以得到:
在 (9) 中, 由于w为零均值高斯白噪声, 故w (32) -w (160) 均值为零, 又因为xf (n) 不可能对应位置全部相等, 所以只有h (j) =0 (j=32, 33, …, 63) 。因此可以通过r (32) 与r (160) 之间的误差最小, 使h (32) 、h (33) …… h (63) 趋近于零, 以达到信道缩短的目的[5]。假设通过信道缩短均衡器的输出序列为y (n) , 则据此提出代价函数[5]:
其中M为每个数据符号的长度, k为符号个数, τ为信道延时, 则问题可归结为:求最佳缩短均衡器系数Fopt 使JΔ最小。为避免F=0的情况出现, 设立约束条件:‖F‖=1。
利用梯度算法可以求得最佳信道缩短均衡器系数Fopt。于是在复合信道C中, 信道长度相当于缩短到小于或等于CP的长度l。
4 信道估计
令C=[C (0) C (1) …C (N-1) ]T为复合信道的频域冲激响应, Y=[Y (0) Y (1) …Y (N-1) ]T为经过复合信道传输后接收信号向量。接收信号向量Y可以表示为:
其中X=diag (X (0) X (1) …X (N-1) ) T为传输信号矩阵, W为噪声序列的傅氏变换。
通过LS准则
得到复合信道估计:
然后经过解卷积得到原始信道估计:
5 仿真
仿真中采用IEEE标准室内模型CM1[6], 离散信道分辨率为1ns。发送信号中CP长度l取32, 每个符号中数据长度u取128。
图 3表示当CP长度大于信道最大多径延迟 (离散信道抽头数为20) , 且观测数据长度固定为500时, 采用信道缩短技术与不采用该技术得到原始信道估计的均方误差 (MSE) 和信噪比 (SNR) 的关系曲线。由图可见, 在信道的最大延迟小于CP长度l时, 采用信道缩短技术与否对信道估计的效果影响不大。
图 4表示当CP长度小于信道最大多径延迟时 (离散信道抽头数64) , 且观测数据长度固定为500时, 采用信道缩短技术与不采用该技术得到原始信道估计的均方误差 (MSE) 与信噪比 (SNR) 的关系曲线, 由图可见, 在信道最大多径延迟大于CP长度l时, 采用信道缩短技术比不采用该技术可得到更低的MSE。尤其在信噪比为7dB情况下, 其MSE平均低约2.67dB。
6 结论
在基于MB-OFDM的超宽带系统中, 针对CP长度小于信道最大多径延迟时无法准确估计信道的问题, 本文提出一种基于信道缩短的信道估计算法。算法通过MB-OFDM超宽带系统中的CP结构, 在最小误差准则的基础上, 建立了信道缩短模型, 从而得到缩短后的复合信道, 然后利用LS算法对复合信道进行估计, 最后由解卷积得到原始信道的估计。仿真实验表明, 采用了本文所提出的算法后, 在CP长度大于信道最大多径延迟时, 估计信道的MSE性能几乎没有变化;在CP长度小于信道最大多径延迟时, 在相同信噪比情况下得到很大改善。
摘要：针对多频带超宽带系统, 提出了一种基于信道缩短的信道估计方法。利用循环前缀 (CP) 结构, 在接收机前端设计信道缩短均衡器, 解决了循环前缀长度小于信道最大多径延迟时难于估计信道参数的问题。根据均衡器输出序列估计出复合信道, 通过反卷积解出原信道参数。计算仿真表明该算法具有良好性能。
关键词：多频带超宽带,信道缩短,信道估计
参考文献
[1]王文博, 郑侃.宽带无线通信通信OFDM技术 (第一版) [M].北京:人民邮电出版社, 2003.
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多电台多信道 篇3
自从Hyacinth[3]与Ramon[4]提出了多接口多信道技术后，已经有很多人对静态信道分配算法进行了研究。在文献[2,5]中，一个集中的信道分配和路由算法是被提出，它主要是链路被遍历时按照某种顺序，同时不同链路的结尾节点必须使用相同的信道。如果两条相邻链路的末端节点分配的信道不同，此时必须对一条链路的末端节点进行重新分配信道，保证整个网路的连通性。在文献[6]中，一个混合的信道分配算法是被提出，它主要是使一些射频接口被固定的分配信道，另一些射频接口没有与固定的信道绑定，可以频繁的进行信道切换。在文献[7]中，提出了一种根据流过链路流量大小来对节点进行分优先级，然后根据优先级的高低来对链路进行信道分配。文献[8]提出了一种集中式信道分配算法，它以网络受到总干扰量最小为目标，每个节点贪婪的选择使用后对自己干扰最小的信道来进行信道分配。在文献[9,10]提出一种考虑网络中链路负载的信道分配算法，它假定每条链路上的流量为一个常量，与实际网络中局部流量过大会出现随机冲突产生的情况不符。
总之上面提到的多信道分配方法虽然在一定程度上改善了网络的性能，但它们都很难满足以下的条件要求:
1)当分配一条信道给一个射频接口时，这个信道分配算法不能仅仅依据在这个节点附近是否存在干扰，还要根据此时该节点附近的流量情况做出选择。忽略节点间的相互影响和网络中实际的带宽分配情况往往得到的不是最优解，往往还会伴随着发生由于射频接口的限制出现的信道数大于射频接口数的情况，需要对信道进行重新分配如图1所示。
2)信道分配算法应该独立于任何特定的链路带宽分配。因为依据特定的带宽分配情况而得到的信道分配方案，往往没有什么意义。因为对于实际的网络而言，它的网络带宽情况不同于特定的网络，这样之前的所做的信道分配就会变得与依据实际带宽情况分配的信道不同。
在这里我们提出一种集中式的信道分配算法用来解决这些问题。这个算法分成两个阶段，分别是对链路进行分组和对组进行信道分配的信道分配方法。这个信道分配方法不依赖于任何特定的链路带宽进行信道分配。
1 问题定义
无线Mesh的路由节点相对固定，客户端节点可以移动。客户端节点传送数据给路由节点，路由节点再向有线网转发数据。在这里我们定义每个路由节点u共有k(u)个射频接口，同时有|C|个可用的信道数。每个射频传输的最大距离和干扰距离分别为rT和rI。定义无线Mesh拓扑图GI=(V,EI)，节点u,v∈V，无向边uv∈EI，只有在d(u,v)≤rT时，这个边才存在，d(u,v)定义了u和v间的距离，c(u,v)定义了边u和v间能传输的最大的数据量。定义节点集合VAV是网络中充当路由节点的集合，定义集合VGV是路由节点中充当网关节点的集合。
定义一个信道分配集合R，其中R(u)定义为节点u所代表的信道数，其中|R(u)|≤k(u),u∈V。R信道分配方案会出现一个新的图G=(V,E)。两个节点使用同一信道在彼此的通信范围时，它们的边才存在。即当d(u,v)≤rT和R(u)∩R(v)≠同时成立时，uv∈E边才存在。当xy∈E和uv∈E中x、y、u,v共4个节点中存在任意一个节点在另一个节点的链路的干扰范围内时，同时它们有共同的信道即R(u)∩R(v)∩R(x)∩R(y)≠时，两条链路才会出现干扰。
所有的信道分配结果都会出现一个连通图，我们要在这些连通图中选择一个网络吞吐量最大的连通图。不同的连通图的网络性能不一样的原因是不同的连通图选择的边的子集不一样，不同的信道分配会使链路受到的干扰程度也不一样。
2 网络结构
2.1 网络拓扑
考虑到一些环境恶劣的地方如地震救灾现场、自然保护区的生态监测等地的客观原因，在这些地方部署无线Mesh网往往需要在不同的区域同时设置多个节点。为了避免一些节点失效，导致整个网络瘫痪。这里采用分层的网络拓扑进行组网，如图2所示。
2.2 协议干扰模型
对于任意两个接口u和v，能成功通信的条件为，接口u和接口v之间的物理距离小于通信距离，并且接收节点在所有其他发送数据的节点的干扰范围之外。在协议干扰模型中，假设两节点间的通信距离为r，干扰距离为RI，在k-跳协议干扰模型[11,12]中RI=kr，即在单个节点k跳通信范围内的所有节点都会受到干扰。
在图3所示的网络中，节点集合为V={v1,v2,v3,v4,v5,v6}，链路集合为E={(v1,v2),(v1,v4),(v2,v3),(v2,v5),(v3,v6),(v4,v5),(v5,v6)}，虚线圆形分别为节点v1和节点v4的干扰范围。考虑链路(v1,v4)，在协议干扰模型下，除了链路(v3,v6)，其余所有链路都为链路(v1,v4)的干扰链路。
3 信道分配
为了最大化网络的整体吞吐量和减少关键链路受到干扰的程度，我们对于承载更多流量的关键链路优先分配信道，对于数据很少经过的链路最后分配信道。原因是优先分配信道的链路，受到的干扰少，而干扰往往是链路吞吐量下降的主要因素[13]。链路吞吐量[14]主要取决于这条链路所能承载的最大流量的能力和网络的拓扑结构GI和它们的射频传输数据的能力。
3.1 链路分组
为了确定关键链路，利用最大流最小割定理[15,16]计算出在图GI中从客户端节点到网关节点的关键链路。利用最大流最小割定理，把无线Mesh网络这个多个源节点多个目的节点的网络N=(V,E,c,X,Y)，将其等价为一个单个源节点单个目的节点的网络N'=(V',E',c',X',Y')，其中(1)V'=V∪{s,t}，s,t分别是N'的源节点与目的节点;(2)E'=E∪{(s,x)|x∈X}∪{(y,t)|y∈Y};(3)c'=c(e),e∈E;c'(s,x)=",x∈X,c'(y,t)=",y∈Y。也就是说，添加两个超级节点在Mesh网中分别当作源节点VA和网关节点VG，现在形成了一个新的单个源节点单个目的节点的有向图G'I=(V',E'I),V'节点集中包含集合V中的所有节点包括节点VA和VG。E'I边集合包含集合EI中的所有边和节点VA、VG与其他节点所构成的边。最大流最小割计算的结果可以用fG'I(u→v)来表示链路所承载的带宽。
为了避免网络中节点出现信道数大于射频接口需要重新递归解决和减少关键链路的干扰的情况。我们把信道分配算法分成两部分，第一部分根据链路所负载的带宽进行分组，一个组内可以包括很多不同的链路，同时每个节点所在的组数不能超过它的射频接口数。第二部分分配信道根据组内流量大小优先选择的组。
首先对所有的链路进行分组，如表1所示。
定义L(e)∈N,e∈EI，起始阶段所有的链路都没有分组。neigh(u)是任意节点u在图GI中的邻居节点，同时任意节点u所在的不同组的集合可以用g表示，经过任意节点u的所有链路的流量总和为Ftot，任意节点u所在的所有链路中分到一个组的链路流量之和定义为Floc。在对链路进行分组时，如果一个节点所包含的组数超过了它的射频接口数，那我们就需要对它所在的组进行合并，直到其组数最多和射频接口数相等。合并的原则是在该节点所在的组集合g中，找出所承载的流量最少的两个组进行合并，直到组数不超过节点的接口数为止(line 9—14)。把节点u承载的所有流量Ftot均分成k(u)份，经过节点u的所有链路按照链路流量的大小进行降序排序。把排序的链路依次分到一个组，直到该组的流量Floc超过Ftot/k(u)为止。按照这样的方法，对经过节点u的所有链路进行分组。若分组结束后，还有经过节点u的链路没有分组，那么就把剩下的流过流量较少的链路都分到最后一组(line 15—35)。这样做会使最后一个组的链路比较多。虽然它们使用一个共同的信道时，会出现很大的链路干扰，但可以保证前面降序排序的关键链路不会因为使用相同的信道的链路比较多，出现严重干扰。这样网络中的关键链路就不会成为限制网络性能的瓶颈。
3.2 对组内链路分配信道
由于已经对所有的链路进行了分组，这样可以保证每个节点上的接口数始终大于信道数，接下来我们只需对组进行分配信道，如表2所示。
为了保证网络的连通性，对每条链路的末端节点都分配一个相同的信道。当一条链路的末端节点在另一条链路中的节点干扰范围内时，两条链路可能出现干扰。定义εc为所有分配信道c的链路的集合，P(g)为与组g中链路存在干扰的所有链路的集合。集合I为组g中的所有链路的末端节点的集合。S(g,c)为组g分配信道c后与其干扰的链路的集合。如果S(g,c0)是空集，则表示没有链路与g存在干扰在使用信道c0。此时分配信道c0时，要使分配c0信道的链路尽可能的多。如果S(g,c0)不是空集时，那么我们在给c0分配链路时，在干扰不可避免的情况下应该尽量在S(g,c0)中选择干扰最小的链路给它分配信道c0。这个信道分配算法是对流量多的链路所在的组优先进行信道分配，这样尽可能地避免关键链路出现链路干扰。总之，在进行信道分配时，首先以链路所承载的流量降序排序所有的链路，对承载流量越多的链路优先分配信道。
3.3 信道分配的时间复杂度
定义网络中共有n个节点，共有m条链路。在链路分组阶段:当合并分组时，每条链路上的节点都需要检查其所在的组数是否超过它的接口数时，超过时需要合并节点所在的组，这总共需要o(m)，由于共有m条链路，则整个过程共需要o(m2)。同时在利用最大流最小割原理[7]确定关键链路需要消耗时间，这一过程总需要时间。在信道分配分配阶段:给每个组分配一个信道，同时每个组内的链路都使用相同的信道。计算链路分组的数目消耗时间o(m)，在计算与每个组g存在干扰的链路集合P(g)需要时间o(mn)，在这一阶段可以看作总的消耗时间为o(mn+m)=o[m(n+1)]≈o(mn)。故而该算法两个阶段总共需要消耗时间o(m2+mn)≈o(m2n)。
4 实验仿真与分析
本文采用ns2仿真软件来比较基于链路分组优先的信道分配算法(LD-CCA)和集中信道分配[2](CCA)的性能。仿真场景如下:25个节点均匀分布在110 m×110 m区域，分别随机选取5个源节点和目的节点。5个源节点分别按照特定速率产生udp数据流为240 Kb/s、430 Kb/s、350 Kb/s、280Kb/s、130 Kb/s，同时设置源节点发数据的速率在原来的基础上从1到10倍的变化，然后随机选择目的节点并向其发送数据。设置各数据包固定长度L=100 Byte，其中物理层宽带选用2 Mbps。多信道MAC协议的最小退让窗口CWmin=32，最大窗口值为CWmax=1 024。源节点发送数据在链路层最大重传3次。网络采用AODV路由协议，信道分配算法分别采用信道分配算法LD-CCA和CCA。实验采用分层的网络拓扑(图2)。为了保证实验结果的正确性，文中所有实验重复30次。实验中的平均吞吐量和平均丢包率分别指的是统计5个目的节点的平均值。可以得到结果如图4和图5所示。
从图4和图5，可以看出在网络带宽较少时，信道分配方法LD-CCA与OCCA的性能差别不是特别大，但是当网络的带宽继续变大时，OCCA的网络丢包率开始变得明显比LD-CCA多。原因是由于LD-CCA在信道分配时优先保证承载带宽较大的链路选择干扰较少的信道，同时该算法不是针对任何预先特定的链路带宽分配进行的信道分配。它对于复杂多变的实际网络情形具有很好的适应性。网络吞吐量和丢包率都很一致，差别不是特别大在丢包率和吞吐量上信道分配算法LD-CCA的性能优于OC-CA。
5 结论
矿井巷道多径信道模型研究 篇4
在矿井巷道中无线电波沿多条路径传播时会出现时延问题, 对多径信道的描述可采用冲激响应表示[1]:
其中, N表示多径的数目, αi表示第i径的幅值 (衰落系数) , τi表示输入到第i抽头的时延 (相对时延差) , θi为第i抽头的相位。该多径信道的仿真模型如下:
二、多径幅度统计特性
在传播环境和载波频率有差异的情况下, 如矿井巷道, 多径信号的幅度可以服从多个不同分布, 采用单一分布对其进行描述是不完善的, 这里我们采用覆盖程度最大的三种分布逐一进行分析。即Nakagami分布, Rician分布和Rayleigh分布。
矿井巷道环境下, 无线通信的发射天线距接受天线的距离一般在几百米的范围, 相对于Rayleigh分布和Rician分布对信号较为粗糙的描述, Nakagami分布监测到了其缺陷, 并采用变参伽马分布密度函数对监测数据进行拟合, 最终产生信号结果。通过改变衰落因子m的值, 可以灵活的表征多径信号不同程度的衰落。
三、Nakagami衰落矿井巷道信道的建模
综上, 若要合理方便的描述矿井信道中快衰落多径信号的统计特性, 采用变参的Nakagami分布较为合适。要使生成的Nakagami随机序列比较简便快速, 急需解决的是如何构建矿井Nakagami衰落信道模型。如图2所示, 本文采用Matlab中的Simulink模块, 根据Rayleigh衰落信道的基础, 搭建出矿井Nakagami幅度统计衰落信道模型。
模型的设计流程:将In1端口输入经过调制的随机信号, 通过Rayleigh衰落信道, 变换出瑞利采样序列, 将复信号转为相角和幅值, 幅值通过unbuffer模块, 将unbuffer模块的参数overlap设置为0, 找到正确的频率范围, 进一步函数变换, 先后产生均匀分布随机序列和Nakagami随机序列, 在增益模块的作用下, 将输出的信号归一化Nakagami分布规整为要求的功率值。再由相角与幅值输入转化为Nakagami的复信号输出。
关于Nakagami随机序列的产生:采用Rayleigh分布随机序列产生均匀的分布随机序列, 通过Nakagami累积分布函数的近似反函数变换得到Nakagami分布的随机序列。
产生Rayleigh衰落采样序列可以采用滤波法。序列为:
其中, Ω=E (r2) =σ2;u∈U (0, 1) ;FRayleigh是瑞利随机变量r的累积分布函数。
对u进行Nakagami累积分布反函数变换, A=FN-1 (u) , 变换后的A服从Nakagami分布的随机变量序列, FN-1 (u) 是Nakagami累积分布函数FN (u) 通过反函数变换而来。FN (u) 定义为:
则Nakagami累积分布函数的反函数的近似表达式为:
其中, a1, a2, a3, b1, b2是最小化近似误差的系数, ξ是一个辅助变量, ξ= (-ln (1-u) ) 1/2m, G (ξ) ≈FN-1 (ξ) ;。
衰落因子m影响最小化近似误差系数的具体取值。通过增益G= (Ω/m) 1/2, 可以求出3-2的功率值Ω, 即可达到输出的归一化Nakagami分布规整要求的值。
四、MATLAB仿真及结果分析
相关资料显示, 巷道中的电磁传输视距和非视距传播略有区分, m值的范围大约在为1≤m<4。对Nakagami衰落信道模型正确性的验证可通过一下方式:分别取载波频率为900MHz、1800MHz、2.45GHz的信号, 把收发机置于同一条控制巷道内, 传输距离不变的情况下对其进行仿真。
模型参数设置为:巷道截面4m*3m, 航道长度为257m, 发射机与接收机之间的距离为70m, 巷道四壁的相对介电常数设为恒定的10, 倾斜角均方根1度, 粗糙系数均方根0.1, 模型参数m=3, 对数正态分布偏差σ2=3d B, 蒙特卡洛仿真次数一千次, 发射机和接收机之间的距离设置为70m。仿真结果图3所示。
将Nakagami分布的累积分布函数的仿真值和理论值进行对比仿真, 从结果看出, 仿真值与理论值相比较吻合。同时对Nakagami分布中载波频率的影响进行了仿真。
仿真结果显示, 本文所提出的矿井Nakagami信道模型不但能灵活地表述多径幅度分布不同的衰落程度, 还可以改善信号性能。与其他衰落信道模型相比, 有很大的优越性。因此, 该模型对矿井移动通信系统的开发和设计具有较大的理论参考价值。
摘要：针对矿井无线信道快衰落多径信号幅度统计特性的可变性, 介绍了描述矿井无线信道多径幅度分布的Rayleigh分布、Rician分布、Nakagami分布三种统计特性, 提出了一种Nakagami幅度统计衰落信道的Simulink仿真模型。仿真结果显示, 该模型能灵活地表述多径幅度分布不同的衰落程度, 还可以改善信号性能, 与其他衰落信道模型相比, 有很大的优越性。
关键词：衰落,信道,模型,仿真
参考文献
战术电台多波形技术分析 篇5
近年来, 战术电台作为各国军队旅级及以下梯队乃至单兵的主要通信装备, 获得了高度重视并处在迅猛发展之中。适应21世纪信息化部队对通信容量、组网能力、互通性等的更高要求, 针对电台设备的规范化、小型化、扩展频段、减少品种和数量等亟待解决的问题, 基于通用硬件平台及软件无线电技术运行多波形, 实现多频段多模式多用途的新型战术电台已成为主流发展趋势。
1 多波形技术分析
美国联合战术无线电系统 (JTRS) 计划的联合计划执行办公室 (JPEO) 将“波形”定义为“从用户输入到电台频率输出发生的一整套电台和/或通信功能”。将其理解为从信息发送到接收包括协议在内的全部处理过程。多波形战术电台旨在开发一种多频段、多功能、多模式、可编程/可重新配置的无线电台, 其软件可以加载/卸载, 硬件可以即插即用, 可根据用户需要和可供通信的信道条件, 通过灵活的配置选择运行不同波形, 满足各种信息传输需求, 其最终实现方式将是基于软件通信体系架构 (SCA) 的软件定义电台 (SDR) 。
美国JTRS是当前国际上基于SCA开发多波形、多外形因子SDR系列的典型代表。美国国防部于1997年开始实施的JTRS计划, 从根本上是要采用无线电波形技术开发一种开放结构的战术电台系列, 用其将战术部队连接到全球信息栅格 (GIG) 和卫星通信系统, 将大容量数据链路扩展到直接与敌方部队接触的较小战术编队的作战人员, 使JTRS成为可在战场上进行移动ad hoc组网的可互操作SDR电台系列。JTRS多波形、多外形因子电台的主要技术特点包括:
① 通用硬件平台:支持多波形、多频段、多任务的JTRS硬件平台的基带部分 (调制解调器) 基本上是通用的, 而射频部分和天线能共用则共用;不能共用时则根据不同波形 (分配不同工作频率) 选配。例如AN/PRC-117G (V) 1 (C) 运行窄带波形时, 采用1副30～512 MHz天线;运行宽带波形时, 采用1副225 MHz～2 GHz天线;运行卫星通信波形时, 采用1副243～318 MHz天线;
② 软件通信体系架构 (SCA) :SCA是基于通用对象请求代理架构 (CORBA) 制定的软件无线电软件协议和相应技术标准, 由操作环境 (OE) 和应用 (Applications) 组成。多波形JTRS基于SCA构建, 实现了无线电台加载波形、运行应用以及组网到综合系统的可编程性, 成为真正的SDR。而SCA作为提供标准操作环境的核心框架, 必须在每个硬件装置上实现。不同JTRS电台之间可通过SCA架构加载同一种波形, 轻松实现互通;
③ 新组网波形设计:JTRS面向不同应用运行环境/领域 (如地面、机载和海上) 开发4类组网波形, 包括宽带组网波形 (WNW) 、士兵电台波形 (SRW) 、联合机载网络-战术边缘 (JAN-TE) 波形、移动用户目标系统 (MUOS) 波形。各类组网新波形又针对不同作战需求设计了多种空间信号 (SIS) 形式。例如:WNW具有正交频分复用 (OFDM-宽带) 、抗干扰 (宽带) 、先进有效带宽调制 (BEAM-窄带) 和低截获/低探测概率 (LPI/LPD-窄带) 4种不同的空间信号;而SRW具有战斗通信 (CC) -宽带、LPI/LPD、电子战 (EW) -宽带抗干扰3种空间信号。新波形的每种空间信号形式具有广泛的可设置波形参数域, 不但涉及的参数全面, 而且参数值可设置范围广, 由此每种波形的空间信号形式又衍生了多种具体工作模式, 从而在波形的空间信号层涵盖各种带宽和数据率。例如WNW OFDM波形可通过设置调制进制、前向纠错编码 (FEC) 、展宽因子、分集因子等参数, 工作在共计38种模式;SRW的各波形工作方式可对工作频率、带宽、调制、编码和发射功率等参数进行配置;
④ 传统波形的后向兼容:JTRS计划为后向兼容在役的卫星通信、增强型定位报告系统 (EPLRS) 、单信道地面机载无线电系统 (SINCGARS) 、“迅捷” (Have Quick) 、HF、Link 16等, 开发了十几种传统波形。传统波形基本上沿袭继承原有波形, 并未再将各种通信手段/方式的波形进一步合并;
⑤ 多外形因子 (Form Factor) 电台型谱:JTRS计划主要根据搭载平台/用户的不同, 划分电台运行的不同领域, 进而开发出多种外形因子的电台, 形成如表1所示的电台型谱, 每种电台根据需要选择加载JTRS波形库内的若干几种波形。
通过对JTRS技术特点进行分析, 可总结出多波形战术电台的基本技术内涵是:基于通用硬件平台和软件通信体系架构, 面向不同应用运行环境开发多波形, 每种波形可提供满足不同作战需求的多种空间信号形式, 并具有广泛的可设置波形参数域, 新一代波形应采用通信自适应措施, 具备非视距传输能力, 能够根据信道情况自适应改变空间信号工作参数, 从而在一部战术电台上实现多频段多模式多功能, 提高装备的多用途能力, 减少装备品种数量, 提高装备的互联互通互操作能力。
2 发展途径
国内战术电台现状与发展基于软件通信体系架构的软件定义电台的最终目标相比还有较大差距。不妨在现阶段以能够运行多波形的软件可编程调制解调器、宽带射频及天线为重点开展研究工作。技术途径如下:
① 首先类似JTRS的电台外形因子分类方式, 根据应用需求做好未来电台装备型谱发展规划, 明确每型电台的主要功能用途及选择加载的几种波形工作模式;
② 梳理运行每种波形所需的模块化的软件可编程调制解调器硬件结构, 并描述每个功能模块的输入端和输出端的信号结构 (包括信号形式、接口类型以及频率、带宽、速率、电平等指标) , 以及用于表征该模块功能的所有参数及参数值范围, 明确哪些参数可进行软件重新配置;
③ 归纳得到支持运行多波形的通用硬件平台架构 (各模块尽量能共用则共用) ;用于波形加载/卸载、波形类型及工作模式选择、波形参数配置、波形运行控制的通用系统操作控制软件平台架构;以及按照3个层次设计的波形库软件架构:一是按应用运行环境划分的波形类型, 二是波形工作模式, 三是波形参数配置;
④ 根据多波形电台的体系架构, 开发尽可能靠近射频天线的通用、模块化、接口规范标准化的数字处理硬件平台;支撑软件可重新编程的通用系统操作控制软件平台;以及符合通用设计规范、便于扩展升级的波形库软件。
这样, 战术电台在便于升级的通用软硬件平台及通用接口规范支撑下, 以软件可编程调制解调器为核心, 通过现场加载波形或事先加载多波形、现场选择配置的方式, 即可根据用户需要和应用环境选择运行适宜的通信波形, 灵活实现多功能、多任务。
3 主要关键技术
3.1通用硬件平台
通用硬件平台的基本思想是将宽带A/D变换尽可能地靠近射频天线, 即尽可能早地将收到的模拟信号数字化, 使得在同一硬件平台上能够最大程度地通过可重新编程软件来实现电台的各种空中接口、传输机制、协议和应用, 即运行基于SCA的多波形。
通用硬件平台可参照图1所示的体系结构构建, 规定了一种树形结构的硬件类和一组实现要求。在最顶层, 硬件体系结构类包括机箱类和硬件模块类, 而硬件模块类又派生出射频、调制解调、处理器、信息安全、输入输出、电源、定位模块等子类。该结构采用面向对象的方式, 以类和属性继承的结构包括了所有应用领域中通用的硬件。对应于硬件子类的硬件对象就是实际设备中的硬件模块, 也就是这些硬件子类的物理实现。硬件模块应根据平台和环境的要求来确定具体的属性值, 进而被实例化为适用于不同平台和应用领域的硬件模块。
多波形战术电台在逐渐发展成为SDR的初级阶段, 其核心是能够运行多波形的软件可编程调制解调器。软件可编程调制解调器作为运行多波形的基带处理平台, 其构建过程是通过梳理每种波形运行所需的硬件平台架构, 进而以支撑多模式、多波形的最大化设计原则, 归纳得到通用的基带处理硬件平台。该平台采用模块化结构, 严格确定各模块的接口规范以便于重构升级, 各模块尽量共用以节省资源和简化结构, 采用高性能元器件以适应多任务需求, 提供多模式所需的最大通道数, 支持运行各种波形工作模式;并基于通用系统操作控制应用软件, 实现多波形一体化调制解调器的软件可编程、可重新配置、可现场升级。
3.2软件通信体系架构
软件通信体系架构即符合通用设计规范的系统操作控制软件平台, 可参照图2所示的各模块间关系进行软件构建, 通过分层的、开放的基础软件将核心应用和非核心应用与底层硬件分离开, 并通过CORBA中间件技术提供分布式的处理环境, 以提高波形应用软件的可移植性、可扩展性和可重用性, 具有波形加载/卸载、波形类型及工作模式选择、波形参数配置以及对基带设备、射频设备的波形运行控制等功能。现阶段其研究重点是开发具有自主知识产权的可操作、可裁减、可扩展的系统软件模块及相关协议标准。
基于该软件平台的SDR将可以在通用硬件平台上, 加载不同的通信波形组件、网络协议和其他软件;支持软硬件即插即用, 能根据多种特定战术域的作战需求对波形进行重配置;并通过更换软硬件模块, 容许加入新的功能、技术和标准, 便于实现扩展升级。
3.3多波形技术
战术电台多波形技术即构建满足需求的多种波形, 形成一个通用的波形库。多波形技术的研究重点包括波形库的组织规范和波形组件的设计规范。波形库的组织规范是将波形库内的模块有机组合起来的整体框架结构。波形组件设计指开发独立于硬件的、基于软件体系架构的波形应用程序。多波形设计可分为3个层次:一是面向运行环境/应用领域进行波形分类;二是每类波形根据工作场景的不同可选不同的空间信号形式;三是每种空间信号形式具有广泛的可设置波形参数域, 可进一步划分为不同的基本波形组件, 例如信号帧处理波形组件、信道编译码波形组件、调制解调波形组件等, 定义组件之间的交互方式与接口, 使组件能够在系统中根据需求连接成完整的波形应用, 组合为一系列工作模式。这种设计方式使得多波形电台能够涵盖多频段、各种带宽 (宽带、窄带) 以及各种数据率。
3.4通信自适应技术
新型战术电台波形应采用通信自适应措施, 具有链路自适应的能力, 能够感知信道传播条件, 自动适应业务载荷、干扰和电子战威胁条件, 通过数据率自适应和前向纠错等机制动态地适应链路, 并支持频谱管理策略, 从而智能地将工作参数调整至使链路性能最佳。
4 结束语
基于通用硬件平台及软件无线电技术运行多波形的新型战术电台, 是实现战术通信装备的多频段多模式多用途、互连互通互操作以及增强信息化部队战术通信能力的关键装备之一。开发符合通用设计规范的硬件平台、系统操作控制软件平台以及波形库软件, 已成为未来多波形战术电台发展中的核心技术, 亟待开展深入研究。
参考文献
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[2]邱永红, 朱勤.基于软件通信体系结构的无线通信系统研究[J].系统工程与电子技术, 2004 (5) :621-623.
多信道指挥车市场应用前景介绍 篇6
近年来,随着各种通信技术的不断发展和国家政策不断调整,大量新的通信手段和方法的应用,设备的集成度不断提高,同时设备造价和使用费不断降低,使得在同一辆指挥车中实现多种通信方式共存、互补,实现在任何情况下的通信指挥功能成为可能。
由于卫星通信具有通信距离远、通信容量大、可靠性强、覆盖面积大、机动灵活等优点,但使用费用较高等缺点。同时,3G网络发展很快,它的通信范围广、带宽高、费用低,但其传输效果较差、且受运营商网络影响较大。基于以上两种无线通信手段的分析,多信道指挥车中应以卫星通信为主要的通信手段,以3G通信为辅助通信,同时借助于有线光纤SDH等传输系统,实现语音、数据、图像传输,并利用短波、超短波、WLAN等无线设备实现远距离的语音通信和现场的语音和网络通信,使其真正成为多种传输通信手段基于一身的移动应急指挥平台。
二、应用场景介绍
根据通信方式和手段的不同,多信道通信指挥车中一般主要包括卫星通信系统,3G传输系统、视频会议系统、短波通信系统、专网通信系统、WLAN无线网络系统、综合语音调度系统、图像采集传输处理系统等。其主要应用于一下几个场景:
1.城市应急场景
当事故现场发生在城市,由于城市内的3G网络覆盖基本无盲区、有线网络基本上实现了光纤到户,可通过运营商已有的无线信号覆盖,利用3G传输系统或事故现场的有线光纤SDH系统,把现场情况及时、有效地传输至指挥中心;并利用车载超短波系统、综合语音调度系统、无线网络系统和图像采集处理系统,对现场工作人员进行指挥调度工作,使工作效率和配合程度得到有效提高。对应这种场景,多信道指挥车各功能模块可提供的服务有:
(1)数据通信。因现场有运行商无线信号覆盖,多信道指挥车可不使用卫星链路而使用3G进行传输,通过3G网络实现多信道指挥车与应急指挥中心及通过应急指挥中心平台与其他应急相关部门的通信,保证音视频信号、语音调度系统、视频会议系统的通信需求。
(2)音视频图像采集。通过车顶摄像机等图传采集系统将突发事件现场信号进行实时采集,一方面进行现场保存,另一方面经过编码器进行编码通过通信网络传回应急指挥中心,以方便指挥中心进行事件现场分析研判。同时也需支持指挥中心图像传给移动指挥车,给指挥车提供其他方面的影像信息。
(3)语音通信保障。车内使用专网通信系统和综合语音调度系统,通信网络或使用短波电台与指挥中心保持联系;车外通过集群系统、手机、无线IP电话通过语音调度系统与指挥中心保持联系。
(4)现场情况报告、指令上传下达。现场情况汇报及相关职能部门指令上传下达可通过视频会议系统、传真系统、语音调度系统进行。
2,偏远地区应急通信
偏远地区环境比较恶劣,当突发公共事件或地质灾害发生后,现场可能没有可利用的有线、无线网络环境,需完全独立通信。多信道指挥车主要进行现场与外界的通信保障、现场情况图像声音实时上传、现场事态实时上报、现场应急指挥调度、现场视频会议召开等工作。对应这种场景,多信道指挥车各功能模块可提供的服务有:
(1)数据通信。通过车载卫星通信系统及实现与应急指挥中心及通过应急指挥中心与其他相关部门的语音、视频、数据通信,建立现场与指挥中心及外界的通信通道,在保证应急指挥工作的前提下也可为现场工作人员提供语音及数据通信服务。
(2)视频会议系统。当需用应急现场会议时,视频会议系统可通过卫星通信系统与应急指挥中心会议系统相连,实现应急视频会议召开。
(3)视频监控。通过车顶摄像机等图像采集设备将突发事件现场信号进行实时采集,一方面进行现场保存,另一方面经过编码器进行编码通过卫星通信网络传回应急指挥中心,以方便指挥中心进行事件现场分析研判。同时也需支持指挥中心图像传给移动指挥车,给指挥车提供其他方面的影像信息。
(4)语音通信保障。车内使用专网通信系统和综合语音调度系统,通信网络或使用短波电台与指挥中心保持联系,车外通过集群系统、手机、无线IP电话通过语音调度系统与指挥中心保持联系。
3.重大灾害场景
近年来,全国部分省市出现了比较严重的、不可抗拒的、破坏性大的自然灾害。当这些自然灾害发生后,导致当地的无线网络和有线网络遭到毁灭性的破坏,现场的通信需求剧增并且通信状态非常复杂,可能单一的通信手段无法满足现场需求,多信道指挥车在一定程度上可缓解上述矛盾。
(1)数据通信。利用车载卫星通信系统,把采集到的现场图像、数据等信息及时、有效的传送到远端指挥中心,并接收远端指挥中心任务指令。
(2)音视频图像采集。利用车载摄像机或其他图像采集系统,把现场周围的影音信息采集并储存,方便以后不时之需,同时在有网络传输情况下,实现现场各种图像及时传送至远端指挥中心,方便领导了解和掌握现场情况。
(3)语音通信保障。留用车载短波系统,把现场的情况及时通过语音方式回报到指挥中心,方便指挥中心了解现场情况,并作出判断,同时可通过语音方式对现场下达任务指令。
(4)现场指挥调度。利用车载专网通信系统和WLAN无线通信网络,实现现场周围数公里范围内的语音通信和数据通信,方便现场指挥人员对每个工作人员的指挥调度,使其有序、高效。
三、特点介绍
多信道指挥车在生产和使用过程中主要有一下特点:
(1)功能齐全。多信道指挥车集成了卫星系统、3G传输系统,有线SDH系统、短波系统、超短波系统、音视频采集处理系统、会议系统、综合语音调度系统等系统;整套系统可有效的处理各种信号,完成各种通信功能。
(2)传输手段多样化。多信道指挥车可借助任意一种传输手段,把车内采集到的音视频信号传输至远端的指挥中心,真正实现了多种通信方式共存的通信网络。
(3)节约成本。它把原有的需要2辆或多辆车才能完成的工作通过1辆多信道指挥车来完成,这样即节约了有限的财政资源,也减少了由于车辆多导致的拥挤、油耗大,相应配套的设备及人员增加,也减少了公共资源的浪费。
四、结束语
多电台多信道 篇7
网络容量受限已成为大规模自组织 (Ad Hoc) 网络应用中的瓶颈问题, 与此同时新涌现的无线应用业务对带宽的需求以及用户对QoS近乎苛刻的要求, 都给单信道Ad Hoc 网络的性能提出了挑战。为了提高Ad Hoc网络性能, 研究者开始把他们的注意力转移到了利用节点位置信息与多信道多接口方面。
多信道技术允许多对节点在一个干扰范围内同时通信, 所以多信道在吞吐量、可靠性、带宽利用率、可扩展性、QoS支持等方面优于单信道系统, 能够满足不断增长的吞吐量的要求[1]。
多信道技术的研究主要集中在路由层与MAC层。曹勇利用马尔可夫链理论分析了多信的容量问题, 并提出一种基于AODV的多信道的路由协议[1]。王凡等研究了如何在网络仿真器NS下进行AODV协议的仿真问题[2]。Carine Toham等研究了OSLR协议的多信道实现与性能分析[3]。
基于位置的路由协议利用节点的位置信息来提高网络性能, 具有良好的可扩展性, 适应规模较大的Ad Hoc网络。国内外学者也对此进行了不少研究[4,5,6] 。
Eiman Alotaibi等提出一种Mesh网络中基于位置信息、多信道的路由度量, 该度量利用位置信息计算链路干扰, 以选择效率高的路径, 可以应用于任何按需的路由协议[6]。
本文提出一种在多信道、多接口条件下的基于位置的路由转发策略-基于队列长度和顺序信道选择的方法QLSSCF (Queue Length and Sequential Selected Channel based Forwarding) 。
1 基于位置与多信道的路由协议
在Ad Hoc网络中, 节点间的竞争可以分为流内竞争和流间竞争。所谓流内竞争是指同一个流上的不同节点竞争信道;所谓流间竞争是指属于不同流的节点进行竞争。
本文假设网络中每个节点配有三个网络接口, 每个接口都是一个半双工的无线收发器, MAC协议使用未经修改的802.11b/g协议。它们具有三个相互正交的信道, 可以在这三个信道上同时传输而不相互干扰。
由于节点具有三个接口, 每个接口具有不同的信道, 可以同时传输, 因此节点具有双工通信的功能, 即可以在接收数据包的同时, 在另外一个接口上发送数据包。这样将带来传输时延的降低。
1.1 基于位置的路由协议
一个典型的基于位置的路由协议是贪婪的无状态周边路由GPSR (Greedy Perimeter Stateless Routing) [5], 它是采用贪婪的转发策略和面遍历算法相结合的路由协议。在GPSR协议中, 每一个节点都知道自己的位置信息, 通过周期性的HELLO包, 每一个节点向一跳内的邻居节点广播自己的位置信息。当一个节点想与另外一个节点通信时, 它首先要获得目的节点的位置信息。而目的节点位置信息的获得通常是通过位置服务协议来实现的。
在获取目的节点的位置信息后, 源节点根据自己的位置信息、邻居节点的位置信息和目的节点的位置信息, 通过贪婪的方式选择下一跳。贪婪的转发算法可以表示为:
其中:d (ni, nd) 表示节点ni到节点nd的欧氏距离, nc是当前节点, ni是nc的邻居节点, nd是目的节点, Nc是节点nc的邻居表。如果节点n存在, 则向n转发, 否则进入边界转发模式。
1.2 基于队列长度和顺序信道选择的方法
由于节点具有多个正交信道, 可以同时收发数据, 为了减少传输时延, 本文提出一种转发策略, 即节点在信道n上收到一个包后, 在信道n+1上进行传输。如果n+1大于最大信道数M-1, 则从最小的信道号从新循环计算。由于信道n和n+1不相互干扰, 可以同时进行传输, 降低了传送时延。在源节点, 由于没有包的信道信息, 采用最小队列长度法来选择接口。本节假设N=M, 且每个接口使用不同的信道。具体算法如下:
(1) 在源节点, 先根据位置信息选择下一跳, 然后根据公式1选择数据包发送的接口。
假设每个节点有N个接口, k表示节点拥有的第k个接口, Lk表示第k个接口的队列长度, 信道数目集合为{0, 1, …, M-1}, M为最大信道数目, If表示数据包要进行转发的接口。基于负载均衡的选择算法:
(2) 在中间节点, 先利用位置信息选择下一跳, 再根据式 (2) 选择接口。
If= (channel (Rk) +1) modM (3)
其中, Rk表示包是从第k个接口收到的;channel (Rk) 表示第k接口所使用的信道号;mod表示取余运算。
2 仿真分析
为了验证本文提出的新的路由协议的正确性和有效性, 本文使用NS-2进行了仿真分析和比较。
在单信道模式下, 每个节点只使用一个接口, 而对于多信道模式下, 每个节点有3个接口, 每个接口固定在指定的信道上。为求仿真的普遍性, 仿真采用随机拓扑和随机流量的方式进行, 每个仿真环境进行20次仿真, 然后求平均值。
仿真环境: 网络中的节点数为50个;仿真拓扑大小为1000m×1000m的方形区域;仿真时间为200s;数据类型为CBR流, 包大小为512字节, 数据包的到达速率分别为1、2.5、5、10包/…/s/节点, 共有25个节点对传输数据;节点运动模型为改进的random waypoint模型, 最大运动速度为5m/s;路由协议采用基于单信道模型的GPSR和基于顺序选择算法的QLSSCF, 数据速率为2Mbps;MAC层使用802.11;节点传输范围为250m。
2.1 平均传包率比较
GPSR和QLSSCF的平均传包率对比如图1所示。从图中可以看出在低负载时, 两者的差别不大, 主要是信道未饱和, 多信道的优势没有充分发挥, 在中高负载是, 多信道的优势则比较明显, 如在每个节点每秒发送10个包的情况下, QLSSCF仍有70%的传包率, 远大于GPSR协议。
2.2 平均时延对比
GPSR和QLSSCF的平均时延对比如图2所示。从中可以看出, 使用顺序信道选择算法在不同负载下, 都能减少时延, 在低负载情况下不是很明显, 但随着负载的增加, QLSSCF能明显减少平均端到端的时延。如在每个节点每秒发送10个包的情况下, 减少50%以上。
2.3 汇聚吞吐量对比
GPSR和QLSSCF的汇聚吞吐量对比如图3所示。
对于单信道情况下, 当包到达到速率大于5以后, 汇聚吞吐量不再增加, 基本上达到饱和。而对于多信道而言, 其有效吞吐量基本上仍继续增加, 在流量达到10packets/s/node时, 其有效吞吐量是单信道2.2左右。
3 结 论
多信道技术与基于位置的路由协议已经成为研究的热点技术之一。本文给出了一种基于位置和多信道的路由协议, 并经过仿真证明该协议的有效性和优越性。但如何在接口数目少于信道数目下进行路由转发策略, 是以后的研究方向之一。
参考文献
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