一种新型的基于自组网车载通信系统的MAC协议
侯延顺+孙甲琦+王晓波
摘 要： 战争形式的转变推动了数据链组网技术的转变，最新一代的数据链开始采用自组网技术，这也代表了数据链未来的发展方向。MAC协议是数据链自组网的关键技术之一，数据链自组网的MAC协议急需提高抗干扰能力和安全性，增强对突发业务的支持，据此，提出了HPRMA协议。在此对协议的跳频处理增益和抗转发式干扰的效能进行了分析，论证了协议的高抗干扰能力和可实现性。通过仿真，验证了该协议对突发业务的支持。
关键词： 数据链； 自组网； 多址接入； HPRMA
中图分类号： TN915?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2014）22?0042?06
MAC protocol for TADILs Ad Hoc network
HOU Yan?shun， SUN Jia?qi， WANG Xiao?bo
（Telemetry Technology Research Institute of Beijing， Beijing 100076， China）
Abstract： The evolvement of the war form promotes the evolvement of TADILs networking techniques， so the up to date TADIL has adopted Ad Hoc techniques， which indicates the future trend of TADIL. MAC protocol is one of the key techniques of TADILs networking with ad hoc techniques， and needs to improve security and antijamming capability of MAC protocol urgently. Hereby， HPRMA protocol is put forward in this paper. The frequency hopping processing gain and effectiveness in allusion to forwarding interference are analyzed. The high antijamming capability and realizability of the protocol was demonstrated. The simulation results validate that this protocol can provide quick access for emergency business.
Keywords： TADIL； Ad Hoc network； MAC； HPRMA
0 引 言
在几次局部战争中的成功应用使数据链（Tactical Digital Information Link，TADIL）获得了“战斗能力倍增器”的美誉。战争形式从传统作战到平台中心战，进而到网络中心战的演变，对数据链的组网方式、网络规模、网络管理方式、数据传输速率、机动性、抗毁性等提出了越来越高的要求。传统的点对点、轮询、TDMA多址接入等组网技术已经无法满足要求[1?4]。美军最新一代的战术目标瞄准网络技术（Tactical Target Network Technology，TTNT）数据链采用了自组网技术，全方面提升了数据链的性能，这也代表了数据链未来的发展方向[5?10]。
多址接入是数据链自组网中的一项关键技术，其实现是由数据链路层的介质接入控制（Medium Access Control，MAC）协议完成的。本文从提高数据链系统的抗干扰能力和安全性、增强对突发业务的支持出发，提出了一种基于跳扩频的MAC协议——跳频图案预留多址接入（Hop?Pattern Reservation Multiple Access，HPRMA）协议，并进行了理论分析和仿真验证。
1 协议描述
数据链自组网的MAC协议照某种算法或安排给网络中的节点分配信道接入权，实现有序、高效的通信。MAC协议的设计面临很多问题，既包括隐含和暴露终端、冲突避免和处理、公平性保障和优先级支持等一般自组网固有的典型问题，还包括由数据链设备较大的发射功率和移动速度所造成的新问题，以及更高的抗毁性和安全性需求等。在阅读大量文献后，作者发现，当前数据链自组网MAC协议的设计面临两个迫切需求：
（1） 安全性需求。数据链的工作环境使其面临着复杂多样的干扰，还存在被敌方截获的危险，因此，必须提高其抗干扰、抗侦听、抗截获能力，增强安全性。
（2） 对突发业务的支持。战术作战平台承担着特殊的任务，需要处理多种突发事件，因此，数据链系统中的业务具有很强的突发特性，这些突发业务往往来源于指挥控制信息、紧急事件和意外情况的发生等，如果得不到及时处理，将会造成严重后果。因此，MAC协议必须为此类突发业务提供优先级支持，使其能够尽快接入信道，获得及时处理，以提高数据链系统处理突发业务、应对紧急事件的能力。对于其他问题，已经有很多研究者给出了相应的解决方案[11?30]。
因此，本文从提高数据链系统的安全性、增强对突发业务的支持出发，提出一种基于跳扩频的MAC协议——跳频图案预留多址接入（Hop?Pattern Reservation Multiple Access，HPRMA）协议。
该协议将跳频图案分为两类：公共跳频图案和子跳频图案。公共跳频图案用于公共信息、控制信息的交互和子跳频图案的预约。除了公共跳频图案以外的其他跳频图案称为子跳频图案，当一对节点成功完成子图案的预留以后，在子跳频图案上进行点对点的跳频通信。初始化时，所有的子跳频图案均为可用状态，在工作过程中，节点通过侦听控制分组来更新本地的子跳频图案状态。
1.1 公共跳频图案上的时隙结构
公共跳频图案上的每个时隙对应一个频率，每个时隙分为同步管理阶段和图案预留阶段，如图1所示。
图1 公共跳频图案上的时隙结构
（1） 同步管理阶段。同步管理阶段用于同步信息、控制信息、管理信息、广播信息等的交互。
（2） 图案预留阶段。有分组要发送的节点，若正处于退避过程中，或者没有可用的跳频图案，就继续退避；若不在退避过程中，且有跳频图案为可用时，就持续侦听信道一段随机时间，若侦听信道为空闲，就向接收节点发送请求发送（Request To Send，RTS）分组。RTS分组中的业务优先级别与当前待发送的最高级别的分组一致；若侦听到分组，则根据侦听到的分组的目标节点和业务优先级别，进行退避或者回应。没有分组要发送的节点，收到控制分组以后，根据分组类型和目标节点进行退避或回应。
目标节点收到RTS分组以后，查看RTS中的可用跳频图案索引，并结合本地的跳频图案状态，确定两者之间进行通信的跳频图案索引；复制RTS分组中的占用时间估计；将发送节点ID、跳频图案索引、占用时间估计，写允许发送分组（Clear to Send，CTS）分组中，发送出去，然后调整到对应频率上，设定计时器，等待数据分组的到来。若上一次使用过的跳频图案为可用状态，就优先选用此图案。这样，当跳频图案的数目足够时，该协议趋向于为每一对节点“软预留”一个跳频图案。若接收节点发现没有可供二者共用的跳频图案，就不进行回应。
节点发送完任何一个控制分组以后，都要设定计时器，等待目标分组的到来。若目标分组没有及时到来，则认为此次交互失败，进入退避状态。当为了发送一个数据分组所经历的交互失败次数达到某一上限或者某一数据分组在MAC层滞留时间超过某一上限以后，丢弃该分组。
1.2 子跳频图案上的通信过程
发送节点发送完RTS分组后设定计时器，若在计时器超时前收到来自接收节点的CTS分组，就按照约定好的跳频图案发送数据。当上层传递过来的分组较长，无法在一个时隙中发送完毕时，就把这个分组拆分为较短的分组，在多个时隙内进行发送。节点发送完CTS分组以后，把收发信机频率调整到子图案的第一个频点上，等待数据分组的到来，若数据分组及时到来，则进入双向通信过程，接收数据；若数据分组没有及时到来，则认为交互失败，进行退避。发送节点发送完最后一个分组以后，暂时停留在此频率上，等待确认分组，若确认分组及时到来，则通知上层并调整时间返回公共跳频图案；若确认分组没有及时到来，则设定退避时间并返回公共跳频图案。
1.3 协议工作过程
综上，协议完整的工作过程如图2所示。
2 协议抗干扰能力分析
2.1 处理增益
相对于普通通信方式，跳频通信系统的强抗干扰能力直接体现在其处理增益上。跳频处理增益可以定义为：
[GFH=10lgBsBm] （1）
式中：[Bs]为跳频信号占用带宽；[Bm]为一个频点占用的带宽。当跳频图案上的N个频点占用带宽相等时，式（1）可以表示为：
[GFH=10lgN] （2）
即跳频图案中频点个数直接决定了跳频系统的处理增益和抗干扰能力。
HPRMA协议中的跳频图案包括一个公共跳频图案和若干个子跳频图案，系统的抗干扰能力取决于抗干扰能力最弱的一环。因此，平均分配各跳频图案中的频点数目，可以使系统的抗干扰能力最强，安全性最高。
2.2 协议抗转发式干扰的效果
对跳频系统干扰的一个重点是首先得到跳频图案，然后根据图案发送干扰。由于目前跳频图案的设计越来越复杂，每个完整的跳频周期可能达到数天，甚至数月时间，要得到跳频图案是相当困难的。转发式干扰则成功地避开了此难题。
图2 HPRMA协议的工作过程
所谓转发式干扰，是指干扰机将接收到的信号经过一定的处理后，作为干扰激励信号，经功放后发送出来形成干扰。转发式干扰的特点是干扰频率自动对准通信频率，从而不必对跳频图案进行侦察就可以施放干扰，实施起来比较简单，是干扰跳频通信的一种有效手段。然而，当一定的条件被满足时，转发式干扰将无法形成有效干扰。
图3为转发式干扰示意图。其中，[Si]为跳频收、发信机之间的距离，[St]为转发式干扰机到发信机之间的距离，[Sr]为转发式干扰机到收信机之间的距离。由于通信频率不断变化，只要转发式干扰机到达收信机时干扰频率与通信频率不重合，转发式干扰就会失效。即，当转发式干扰机接收到信号并进行处理、发送干扰，直到干扰到达接收机时，通信频率已经跳变到另一个频率上，转发式干扰就不会对跳频通信产生影响。
图3 转发式干扰示意图
在图3中，跳频信号冲发信机到达接收机时间为[Sic]，信号从发信机到达转发式干扰机时间为[Stc]，信号从转发式干扰机达接收机时间为[Src]。设转发式干扰机对信号进行处理时间为τ，那么只要跳频速率R满足：
[R>1Stc+Src+τ-Sic] （3）
转发式干扰就会失效。例如，当收、发信机的距离为20 km，干扰机与发信机距离为15 km、与接收机距离为12 km时，如果忽略干扰机的处理时间，则为了有效抑制转发式干扰，跳频速率R必须满足：
[R>3×108（15+12-20）×10≈42 857 跳/s] （4）
当前，美国的Link?16数据链系统跳频速率已达到76 000 跳/s。因此，现有技术已能够保证使用跳频通信的数据链系统有效抵抗转发式干扰，提高系统的安全性。
3 协议对突发业务的支持
在本协议中，通过以下方式，为紧急突发业务提供优先级支持：
（1） 节点将所有待发送的分组，按照优先级的高低进行排序，每次发送最高优先级别的分组。
（2） 在图案预留阶段，节点在侦听时可能接收到别的节点发送给自己的RTS分组。这种情况下，按照优先级的方式进行处理：若收到的RTS分组所代表的业务优先级比该节点自己要发送的业务优先级高，则将自己的发送搁置，发送允许发送CTS分组进行回应；否则，不予理会。在这一部分，将通过仿真，验证协议对突发业务的支持。仿真使用的软件为OPNET。OPNET是当前网络仿真领域最著名的主流产品，是目前世界上最先进的网络仿真开发和应用平台，近几年被第三方权威机构评选为“世界级网络仿真软件”第一名。目前全球有1 400多个组织，包括美国军方和许多著名的电信公司都在使用OPNET软件。
3.1 节点模型
OPNET中的节点模型是用进程模型来搭建协议栈。为了研究所提MAC协议的性能，并尽量使工作简洁有效，将上层结构进行抽象和省略，得到如图4所示的节点模型。模型中各个模块的功能如下：
（1） source模块：产生数据分组；
（2） interspace模块：为简化mac模块而独立出来的模块，将接收到的来自source模块的数据分组，按照优先级高低进行排序，以辅助和支持MAC协议的实现；
（3） mac模块：即封装好的HPRMA协议的进程模型；
（4） transmit模块：实现发信机和全向天线的功能；
（5） receive模块：实现收信机和全向天线的功能；
（6） sink模块：接收来自下层模块的分组，将其销毁以释放内存；更新统计量，以便进行性能评估。
节点模型中没有使用天线模块，这时，OPNET默认为收信机和发信机配置一个各方向增益相等的全向天线。
图4 节点模型
3.2 进程模型
OPNET的进程模型是对具体算法和协议的实现，本文所提出的HPRMA协议由interspace模块和mac模块实现，其进程模型分别如图5和图6所示。
图5 interspace模块的进程模型
interspace模块中各状态的功能如下：
（1） initial状态：完成初始化工作；
（2） idle状态：系统空闲时的停留状态；
（3） packet_sort状态：按照优先级高低，对本地待发送的分组进行排序；
（4） packet_to_sink状态：将收到的分组移交给上层模块；
（5） packet_to_mac状态：将上层分组按照优先级顺序传递给下层模块。
mac模块中各状态的功能如下：
（1） initial状态：完成初始化工作，如加载跳频图案、初始化所有跳频图案为可用状态、初始化退避时隙数为0、加载随机分布、查询节点ID并存入表格、清空分组队列等；
（2） syn_manage状态：对应同步管理阶段，在此状态驻留规定时间后，开始图案预留；若收到其他节点发送的控制分组、同步分组等，则进行相应处理；
（3） syn_mng_pkt：发送一个固定长度的无格式分组，用来模拟同步分组、控制分组等的传输；
（4） idle状态：若节点没有分组待发送，则在此状态驻留规定时间后，跳转回到syn_manage状态；若有分组待发送，则根据情况跳转到相应的状态；
（5） backoff_return状态：节点预留跳频图案失败或发送数据分组失败后，跳转到此状态，设置退避时隙数，并在合适的时间回到同步管理阶段；
（6） sensing状态：有分组待发送的节点，在此状态侦听信道，根据侦听结果跳转到相应的状态：
（7） send_rts_wait_cts状态：节点在侦听信道为空闲后，发送RTS分组，设定计时器，等待CTS分组；
（8） send_cts_wait_data状态：节点在收到RTS分组后，若有可供二者进行通信的跳频图案，则回复CTS分组，调整频率，设定计时器，等待数据分组；
（9） send_data_wait_ack状态：发送数据；若分组过长，则拆分后发送；发送完全部分组以后，设定计时器，等待ACK分组；
（10） wait_data状态：节点收到数据分组后，若没有接收完全部分组（过长的分组会被拆分后发送），则跳转到此状态，等待下一个分组；
（11） send_ack状态：接收完全部分组以后，发送ACK分组；
（12） adjust_return状态：发送完或接收完全部分组以后，调整时隙，在相应的时间返回同步管理阶段；
（13） pkt_read，pkt_read0，pkt_read1，pkt_read2状态：读取控制分组携带的信息，以便进行正确的状态跳转。
仿真使用的source模块、sink模块都是在标准模块上稍作修改得到的，在此不再详述其进程模型。
图6 mac模块的进程模型
3.3 仿真验证
通过仿真，得到了各优先级别的业务的接入时延，如图7所示。其中，最下面一条曲线代表的业务的优先级别为最高等级1，中间曲线代表的业务的优先级别为2，最上面一条曲线代表的业务的优先级别为3。节点以泊松规律产生业务分组，各优先级别业务产生的概率相等。此时，网络中节点的连通度为5。
从图7可以看到：仿真开始时，由于网络中待发送的数据分组较少，处于退避过程中的节点也较少，各个优先级别的业务都能获得较快的接入；随着时间的推移，待发送的分组越来越多，由于冲突而导致退避的节点也越来越多，业务的接入时延开始增加，并逐渐达到稳定；在稳定状态下，高优先级别的业务的接入时延明显低于低优先级别的业务的时延，从而保证了紧急突发业务的快速接入。将连通度增大为10，重复以上仿真，得到各个级别业务的时延，如图8所示。可以看到，三个优先级别的业务的接入时延同样表现出先增加、后稳定的趋势，这与图7是一致的；不同的是，三个级别的业务的接入时延较图7有所增大，而且，相互之间的差别有所减小，这是由于连通度的增加加剧了节点之间的竞争。继续增大连通度，令其分别为20和30，得到各优先级别业务的接入时延，如图9所示。
图7 连通度为5时各级别业务的接入时延
图8 连通度为10时各级别业务的接入时延
图9 连通度为20和30时各级别业务的接入时延
可以看到，随着连通度的增加，竞争的加剧，各个优先级别的业务的接入时延进一步增加，不同级别的业务的接入时延的差距则进一步减小。从以上仿真可知，在连通度较低的情况下，HPRMA协议能够提供良好的优先级支持，使得高优先级别的业务快速接入信道；连通度越高，高优先级别的业务在快速接入方面优势越弱。数据链系统是一种相对稀疏的网络，网络中节点的连通度较低，因此，该协议非常适用于数据链系统，能够为高优先级别的业务提供优先级支持，以增强系统处理紧急突发事件的能力。
4 结 语
数据链自组网的多址接入急需提高抗干扰能力和安全性，增强对突发业务的支持。基于此，本文提出了HPRMA协议。通过对协议的跳频处理增益和抗转发式干扰的效能进行分析，论证了协议的高抗干扰能力和可实现性；通过仿真，验证了协议对突发业务的支持，证明了在数据链系统中使用该协议，可以提高数据链系统处理突发紧急事件的能力。
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