傳統(tǒng)的無線通信系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)主要采用點(diǎn)到點(diǎn)或點(diǎn)到多點(diǎn)等形式，與有線網(wǎng)連接的基站須有一定的控制管理能力，這使得傳統(tǒng)的通信系統(tǒng)的應(yīng)用限于那些設(shè)有基站或有線骨干網(wǎng)的地方。對(duì)于軍用通信網(wǎng)等需要網(wǎng)絡(luò)靈活性大、快速重組網(wǎng)絡(luò)、可移動(dòng)性強(qiáng)的網(wǎng)絡(luò)，就不能滿足其要求[1]。為研究出一種能滿足類似軍用通信網(wǎng)絡(luò)的通信系統(tǒng)，本文特提出寬帶智能無線電臺(tái)組網(wǎng)，寬帶智能無線電臺(tái)組網(wǎng)是一種與傳統(tǒng)的無線通信網(wǎng)絡(luò)不同的網(wǎng)絡(luò)，它可根據(jù)不同的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/a>結(jié)構(gòu)建立有效、適時(shí)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，靈活地適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)渥兓瓿啥喾N用戶業(yè)務(wù)的通信。各節(jié)點(diǎn)設(shè)備組網(wǎng)后可擴(kuò)展電臺(tái)的覆蓋范圍、增加網(wǎng)絡(luò)用戶數(shù)、增加通信系統(tǒng)的抗毀性和靈活性，具有廣泛的應(yīng)用前景。研究無線電臺(tái)組網(wǎng)通信對(duì)未來軍事、民用通信領(lǐng)域、各種應(yīng)急場(chǎng)所等的應(yīng)用具有重要意義。

1 寬帶智能無線電臺(tái)組網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)分析
    在無線網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)中，組網(wǎng)方法決定網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)所執(zhí)行的網(wǎng)絡(luò)控制功能（如路由選擇等），極大地影響網(wǎng)絡(luò)的性能，故需選擇適當(dāng)?shù)慕M網(wǎng)方法、采用合適的技術(shù)來實(shí)現(xiàn)組網(wǎng)。影響組網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)主要包括：網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的確定、組網(wǎng)協(xié)議體系結(jié)構(gòu)的研究、MAC協(xié)議及路由協(xié)議的設(shè)計(jì)等，下面將對(duì)這些關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行詳細(xì)介紹。
1.1 寬帶智能無線電臺(tái)組網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
　 無線電臺(tái)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)主要對(duì)鏈路、節(jié)點(diǎn)和連接規(guī)則進(jìn)行了定義，它主要規(guī)定了網(wǎng)絡(luò)中源節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)的路徑、網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間的連接方式、網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的位置。通過對(duì)無線電臺(tái)網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、組網(wǎng)的特征及國外第三代電臺(tái)組網(wǎng)技術(shù)的要求進(jìn)行研究，本文決定采用分層分布式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)[2-3],如圖1 所示。在分層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，節(jié)點(diǎn)分成三種類型：普通節(jié)點(diǎn)、中繼節(jié)點(diǎn)、群首。

    采用分層分布式的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)進(jìn)行電臺(tái)組網(wǎng)具有以下優(yōu)點(diǎn)：
   （1）通過集中管理節(jié)點(diǎn)，可減少網(wǎng)絡(luò)中控制分組的長度、數(shù)量；
   （2）節(jié)點(diǎn)的路由路徑由群中節(jié)點(diǎn)計(jì)算，不會(huì)超出相鄰群的范圍，比正常的路徑短；
   （3）網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)具有相同的軟硬件配置，群間路由相對(duì)較穩(wěn)定，很少出現(xiàn)路由循環(huán)和失效故障；
   （4）具有較好的自愈能力，可有效提升網(wǎng)絡(luò)的抗毀性及通信可靠性；
   （5）在節(jié)點(diǎn)數(shù)很大的網(wǎng)絡(luò)中，利用分層結(jié)構(gòu)，每個(gè)群中的節(jié)點(diǎn)只需了解本群的路由信息，使每個(gè)節(jié)點(diǎn)需要交換和存儲(chǔ)的信息量少。
    由于具有以上特點(diǎn)，分層結(jié)構(gòu)適應(yīng)于建立較大規(guī)模的無線電臺(tái)網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)中每一個(gè)節(jié)點(diǎn)都具有組網(wǎng)功能，可以自己進(jìn)行路由選擇、流量控制、頻率選擇、自動(dòng)建鏈等。這使得整個(gè)網(wǎng)絡(luò)具備了自組織自愈合的能力，將每個(gè)群的網(wǎng)絡(luò)控制集中到群首，可以很好地保障網(wǎng)絡(luò)安全、實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)管理功能，增加網(wǎng)絡(luò)的抗毀性。
1.2 寬帶智能無線電臺(tái)組網(wǎng)協(xié)議體系結(jié)構(gòu)
    根據(jù)無線電臺(tái)組網(wǎng)、OSI經(jīng)典的7層協(xié)議模型、TCP/IP的體系結(jié)構(gòu)的特征，可將寬帶智能無線電臺(tái)組網(wǎng)協(xié)議棧分為5層，如表1所示。

　為滿足電臺(tái)組網(wǎng)的特殊要求，需根據(jù)TCP/IP體系結(jié)構(gòu)現(xiàn)有的特點(diǎn)進(jìn)行一定的修改和擴(kuò)充。在電臺(tái)分組無線網(wǎng)協(xié)議棧結(jié)構(gòu)中，各層擴(kuò)充后實(shí)現(xiàn)的功能是[4-5]：
    （1）物理層：該層主要是利用通信的傳輸介質(zhì)為無線訪問控制提供連接，完成無線信號(hào)的發(fā)送和接收等任務(wù)。
    （2）數(shù)據(jù)鏈路層：分為MAC子層和LLC子層。MAC子層實(shí)現(xiàn)對(duì)共享物理信道的訪問；LLC子層負(fù)責(zé)建立、維護(hù)、釋放數(shù)據(jù)鏈路的連接，實(shí)現(xiàn)對(duì)鏈路的差錯(cuò)控制和流量控制等。由于自組織網(wǎng)絡(luò)對(duì)網(wǎng)絡(luò)具有較高的靈活性及自適應(yīng)能力，本層采用速率自適應(yīng)MAC協(xié)議。
    （3）網(wǎng)絡(luò)層：可分為網(wǎng)絡(luò)層和網(wǎng)絡(luò)互連層，網(wǎng)絡(luò)層主要實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)路由功能；網(wǎng)絡(luò)互連層主要實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)之間的互連以及和有線網(wǎng)之間的連接功能。由于自組織網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和移動(dòng)性特征，它與一般的無線網(wǎng)絡(luò)的最大差別是在網(wǎng)絡(luò)層。這主要體現(xiàn)在尋址協(xié)議上，本項(xiàng)目采用改進(jìn)的泛洪機(jī)制路由協(xié)議。
    （4）傳輸層：用于向應(yīng)用層提供可靠的端到端服務(wù)，使上層和通信子網(wǎng)相隔離，并根據(jù)網(wǎng)絡(luò)層的特性來高效地利用網(wǎng)絡(luò)資源。
    （5）應(yīng)用層：用于提供面向用戶的各種應(yīng)用服務(wù)，包括具有嚴(yán)格限制時(shí)延和丟包率的應(yīng)用、基于RTP/RTCP的自適應(yīng)應(yīng)用和沒有任何服務(wù)質(zhì)量保障的數(shù)據(jù)報(bào)業(yè)務(wù)。
2 速率自適應(yīng)無線電臺(tái)組網(wǎng)MAC協(xié)議研究
    在無線電臺(tái)自組網(wǎng)應(yīng)用中，各種不同應(yīng)用對(duì)網(wǎng)絡(luò)傳輸速率的要求相差很大。若兩種不同性質(zhì)網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)包同時(shí)到達(dá)MAC層,采用802.11協(xié)議的策略來競(jìng)爭信道訪問權(quán)會(huì)發(fā)生很大沖突，會(huì)使有優(yōu)先權(quán)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包排在最后傳輸，易導(dǎo)致本地?cái)?shù)據(jù)包緩沖隊(duì)列快速增長而溢出。故需要對(duì)802.11協(xié)議進(jìn)行適當(dāng)?shù)母倪M(jìn)和拓展，使之能夠根據(jù)上層的速率需求自適應(yīng)地調(diào)整接入策略。
    本文主要是基于802.11 協(xié)議，采用跨層的思想對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)，使應(yīng)用層對(duì)速率的需求能夠直接反映在MAC 層的媒介接入策略中，達(dá)到對(duì)不同速率需求的數(shù)據(jù)流區(qū)別對(duì)待，將來自較高速率流的包在競(jìng)爭信道時(shí)具有更高優(yōu)先權(quán)[6]。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，在應(yīng)用層的數(shù)據(jù)包構(gòu)建過程中，將數(shù)據(jù)源的流速率（Rate）作為新的域加入包的公共頭部。在MAC層實(shí)現(xiàn)時(shí)，采用“速率優(yōu)化因子”來決定傳輸數(shù)據(jù)優(yōu)先權(quán)。速率需求越高，速率優(yōu)化因子值越小，競(jìng)爭窗口也越小。從而提高對(duì)無線信道的競(jìng)爭力，達(dá)到使來自較高速率流的包在競(jìng)爭信道時(shí)具有一定優(yōu)勢(shì)的目的。
    將改進(jìn)的MAC協(xié)議與NS2中現(xiàn)有的MAC協(xié)議的性能進(jìn)行仿真對(duì)比，在該仿真過程中，網(wǎng)絡(luò)使用恒定速率(CBR)的數(shù)據(jù)流向兩個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù), 仿真時(shí)間為100 s，畫出網(wǎng)絡(luò)吞吐量、丟包率與時(shí)間的關(guān)系圖，仿真結(jié)果如圖2、圖3所示。

    上面的仿真實(shí)驗(yàn)表明，通信環(huán)境相同的情況下，改進(jìn)的Mac協(xié)議較現(xiàn)有Mac協(xié)議可使網(wǎng)絡(luò)獲得更高的網(wǎng)絡(luò)吞吐量及更低的丟包率。由于改進(jìn)的Mac協(xié)議可以迅速地選擇速率較高的業(yè)務(wù)進(jìn)行優(yōu)先傳送，提高了信道的利用率，減少了傳輸所需的時(shí)間，進(jìn)而提高寬帶無線自組網(wǎng)的性能。
3 泛洪機(jī)制的路由協(xié)議設(shè)計(jì)
　路由協(xié)議主要工作在傳輸層，用于對(duì)本地?cái)?shù)據(jù)分組或?qū)?shù)據(jù)傳送到目的節(jié)點(diǎn)，起到選路轉(zhuǎn)發(fā)作用。本文通過對(duì)單播協(xié)議AODV協(xié)議做適當(dāng)?shù)母倪M(jìn)，并結(jié)合泛洪機(jī)制路由協(xié)議的特性，得到改進(jìn)后的AODV—MPR路由協(xié)議[7]。該協(xié)議不僅具有原AODV協(xié)議的簡單有效性，如不需周期性地更新網(wǎng)絡(luò)中的路由信息，在沒有傳輸任務(wù)的情況下不需要維護(hù)路由信息。同時(shí)該路由還支持中間節(jié)點(diǎn)應(yīng)答，使得網(wǎng)絡(luò)中已有的路由資源得到充分利用，縮短建立路徑的時(shí)間等。
   將改進(jìn)的AODV協(xié)議與NS2現(xiàn)有的AODV協(xié)議的性能進(jìn)行對(duì)比，在該仿真過程中，網(wǎng)絡(luò)使用恒定速率(CBR)的數(shù)據(jù)流向2個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)流, 仿真時(shí)間為100 s，分析其網(wǎng)絡(luò)吞吐量、丟包率與時(shí)間的關(guān)系圖，仿真結(jié)果如圖4、圖5所示。

    仿真結(jié)果表明，在通信環(huán)境相同的條件下，改進(jìn)的AODV協(xié)議較現(xiàn)有的 AODV協(xié)議有更高吞吐量、更低的丟包率。因?yàn)楦倪M(jìn)的AODV協(xié)議中，采用了洪泛機(jī)制，節(jié)點(diǎn)發(fā)現(xiàn)鄰居節(jié)點(diǎn)的功率值要大于原來路徑上的鄰居節(jié)點(diǎn)的接收功率，節(jié)點(diǎn)的發(fā)送包的路由會(huì)自動(dòng)切換，所需時(shí)間短。而現(xiàn)有的AODV協(xié)議中，只有當(dāng)節(jié)點(diǎn)能量小于閾值時(shí)，才開始切換，切換前會(huì)丟掉很多的數(shù)據(jù)包。
    寬帶智能無線電臺(tái)組網(wǎng)是針對(duì)目前寬帶高速網(wǎng)絡(luò)提出的，本文在對(duì)現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、路由技術(shù)和MAC協(xié)議等進(jìn)行系統(tǒng)分析的基礎(chǔ)上，對(duì)無線電臺(tái)組網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究，實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞闹悄軇?dòng)態(tài)規(guī)劃，對(duì)電臺(tái)進(jìn)行組網(wǎng)不僅可充分發(fā)揮電臺(tái)自身高度的兼容性、靈活性、可靠性，還可使網(wǎng)絡(luò)具備靈活的組網(wǎng)和網(wǎng)絡(luò)重組功能。這對(duì)于擺脫傳統(tǒng)的基于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)組網(wǎng)的限制，提高網(wǎng)絡(luò)的抗干擾性和抗毀性，增強(qiáng)各電臺(tái)系統(tǒng)間的互操作性，具有廣泛應(yīng)用前景。
參考文獻(xiàn)
[1] 譚雪松.基于多頻段多工作模式無線電臺(tái)的組網(wǎng)方法[D].成都：電子科技大學(xué)，2001.
[2] 戴暉，王春江，于全. 一種分層分布式的短波電臺(tái)組網(wǎng)性能分析[A]. 第一屆中國圖學(xué)大會(huì). 煙臺(tái)：2007:231-235
[3] 蘇劍，郭偉，任青春. 一種基于軟件無線電臺(tái)的組網(wǎng)方案設(shè)計(jì)[J]. 電子科技大學(xué)學(xué)報(bào),2003，32(5):560-563.
[4] 鄭相全，郭偉. 軟件無線電臺(tái)自組網(wǎng)技術(shù)研究[J]. 研究與設(shè)計(jì)，2004，20(2):13-18.
[5] 覃振權(quán). 無線自組網(wǎng)路由和MAC關(guān)鍵技術(shù)的研究[D].合肥：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)，2007.
[6] 劉道科，呂軍，韓孝軍. 自適應(yīng)速率需求的無線Ad hoc網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議[J]. 微電子學(xué)與計(jì)算機(jī)，2009，26(4):186-192.
[7] 肖繼瓏.無線Mesh網(wǎng)絡(luò)AODV泛洪機(jī)制的研究及改進(jìn)[D]. 廣州：中山大學(xué)，2010.    (收稿日期：2012-12-26)