紫外光Ad Hoc网络中频分复用技术仿真的发展分析

　　0 引 言
　　紫外光Ad Hoc网络是由紫外光通信和Ad Hoc网络结合而成，将紫外光作为信息载体，通过紫外光在大气信道中的散射进行信息交互，并利用Ad Hoc网络的多跳性克服了紫外光通信距离短的困难，同时弥补了传统光通信不能进行非视距通信，受气候影响严重的缺陷，是一种极具发展潜力的军事通信手段。
　　一般情况下，紫外光通信采用波长为200～280 nm的“日盲”紫外光作为载波，导致紫外光通信频谱资源紧缺，再加上大多数的Ad Hoc网络只配置了单一信道，以确保所有节点的连接状态，由紫外光频谱提供的总带宽没有被完全利用。因此，如何设计一个性能良好的MAC协议来提高频谱利用率就成为紫外光Ad Hoc网络研究的主要内容。
　　为了解决以上问题，可以使用频分复用技术即多信道技术，进行多信道接收和转发，提高紫外光Ad Hoc网络的吞吐量。本文在文献[1]的基础上，使用NS2网络仿真软件对一种多信道接入协议进行了仿真验证。不同的是，仿真不仅完成了多信道的扩展，还实现了信道切换功能。
　　1 紫外光非直视通信信道模型
　　由于传统无线传输模型Two?Rayground[2]已经不再适合紫外光非直视通信，因此得图1所示的紫外光非直视单散射通信信道模型[3]，光源[Tx]设置发射仰角和发散角分别为[θ1，][?1]，探测器[Rx]设置接收仰角和视场角分别为[θ2，][?2]。紫外光子通过自由空间衰减到达散射区域[ξ，]接收端则通过收集单次散射后的光束完成非视距通信。
　　由于存在大气吸收等因素[4]，接收功率[Pr]的理论计算公式为：
　　[Pr=PtArKsPsGtGr?2?21sinθ1+θ232π3rsinθ11-cos?12e-Kersinθ1+sinθ2sinθ1+θ2]
　　式中：[Gt]为发送天线增益；[Gr]为接收天线增益；[r]为直线距离；[Ar]为接收孔径面积；[Ps]为散射角[θs]的相函数；衰减系数[Ke=Ka+Ks，]其中[Ka]为大气吸收系数，[Ks]为大气散射系数。[Ks，][Ka，]紫外光波长[λ]和大气信道特性有关。因此，从式中可以看出，除了大气信道特性外，天线增益、通信距离、接收孔径面积、节点发送接收角度等因素都会影响紫外光节点接收功率大小。
　　2 紫外光Ad Hoc网络节点模型
　　Ad Hoc网络节点模型从上到下依次为应用代理（Application Agent）、路由代理（Routing Agent）、链路层（Link Layer）、MAC层、网络接口（Network Interface）和物理信道（Channel）等，每个模块负责实现自己独立的功能。如图2所示，Ad Hoc网络为单信道，当多个节点通过网络接口接入信道，并同时发送数据时，发送包必定会在信道上发生碰撞而造成丢包，严重影响网络性能。
　　为解决上述问题，Cantabria大学的Ramon教授提出了多信道多接口模型，这里简称Ramon模型[5]。Ramon模型是由原模型修改而来，如图3所示。
　对比发现，新模型的本质是通过对信道的复制实现了多信道，同时为每个信道配置了一个由链路层、接口队列、MAC层、ARP、网络接口组成的模块。紫外光Ad Hoc网络节点模型主要借鉴此模型。
　　3 紫外光频分复用协议描述
　　复用技术在紫外光通信上的研究较少，文献[6]讲述了一种空分复用的方法，将节点多个接口连接到单一信道上，每个接口使用定向天线以使其覆盖范围不同。文献[7]针对部队机动指挥所驻停的情况，提出了流冲突图的最优染色算法，为信道时隙分配奠定了基础。
　　频分复用实现最简单，文献[1]将它运用到紫外光通信中，大大提高了网络性能，但它建立了与信道相同数量的接口数，并将各接口固定绑定到不同的信道上，这样静态的绑定状态使节点在分配到一定的频带后，在通信过程中自始至终都占用这个频带，不会根据信道利用情况使用不同的信道，造成了资源的浪费。为了最大化地利用所有可用信道，本文引用分析了动态信道切换[8]。
　　3.1 多信道多接口支持
　　NS2仿真软件实现了网络节点的许多基本功能，但Ad Hoc网络节点模型只能工作在单一信道下。依照图3的紫外光Ad Hoc网络节点模型，在NS2中增加多信道多接口代码，修改部分主要包括OTCL和C++，文献[5]详细介绍了多信道的原理和代码实现，在这里不再赘述。
　　3.2 信道切换
　　信道切换是通过给特殊信道分配接口来保证节点的邻居节点能够随时通信。在讲具体做法前首先介绍下面几个概念：
　　固定接口：固定接口用来接收数据，协议将节点N个接口中的M个接口作为固定接口，其对应的信道为固定信道。
　　变化接口：发送方可通过切换变化接口至接收方的固定接口完成数据发送，协议将剩下的N-M个接口作为变化接口，其对应的信道为变化信道。
　　邻居节点表（NeighbourTable，NT）：邻居节点表包含邻居节点所使用的固定信道。
　　信道使用表（ChannelUsageList，CUL）：信道使用表用于存储固定信道的使用情况。
　　协议如下：
　　（1） 初始化时，每个节点随机选择一个接口作为它的固定接口，并将剩下的接口作为变化接口。以3节点的场景为例，每个节点有[N=2]个接口（其中固定接口[M=1]个，变化接口[N-M=1]个），如图4所示。首先，节点A、B、C都随机选择了接口1为固定接口，接口2为变化接口，相应的信道1为固定信道，信道2为变化信道。
　　（2） 节点定期维护自己的邻居节点表NT和信道使用表CUL，即节点周期性地在每个信道上广播一个Hello或者路由发现包，里面包括有NT和CUL表。当邻居节点收到此包时，立即更新自己NT和CUL表里的内容。
　　（3） 节点周期地访问CUL表，访问周期主要由数据传输时间决定。当节点发现自己所使用的固定信道利用率高时，节点会以[p]的概率改变自己的固定信道至利用率低的信道上，然后发送一个Hello或者路由发现包通知邻居节点。同理，接收到此包的节点会更新自己的NT和CUL表。
　　（4） 发送数据时，发送方的变化接口会根据接收方的固定接口而改变。例如，在节点A向节点B发送数据之前，由于B的固定接口为1，A的变化接口会从2转化至1，这样A、B连接在同一信道上，可以实现通信。同样的，在B向C发送数据之前，B的变化接口也会转换成接口1。最后，一旦数据流建立起来，长时间内就不需要改变固定接口。
　　4 仿真及分析
　　仿照NS2中的Two?Rayground模型和文献[5]分别添加紫外非直视通信信道模型和紫外光 Ad Hoc网络节点模型，设置仿真场景如图5所示。
　　具体参数如下：
　　（1） 拓扑形状为链状拓扑，长度从2个节点增加到10个节点，用N表示，节点之间距离为200 m，仿真时间为100 s，节点0从第1 s开始向节点N-1发送数据，第101 s停止发送；
　　（2） 信道数量从2～4，用C表示。每个节点设置2个接口，其中1个固定接口，1个变化接口，用I表示；
　　（3） 链路数据流为CBR流，数据包大小为1 000 B，发送间隔为0.016 s，信道带宽为600 Kb/s；
　　（4） 假设在理想情况下，当紫外光波长=0.4。
　　仿真测量的吞吐量和丢包率如图6，图7所示。
　　仿真结果表明：在相同的信道带宽下，多信道的网络性能明显优于单信道。
　　从图6中可以看到，当信道数固定时，吞吐量随节点数的增加而减少，并在节点数大于信道数+1时变化敏感。例如，在2C2I这条曲线上，节点数为3时所对应的吞吐量为500 Kb/s，节点数为4时的吞吐量出现大幅度的下降，约为250 Kb/s，而后曲线变化较为平缓。这是因为当节点数为信道数+1时，一些相邻节点会使用到同一个信道而造成数据包冲突，这在图7的丢包率中得到验证。
　　观察图7可得，当节点数为7时，4C2I的丢包率大约为52%，2C2I，1C1I的丢包率大约为70%。而随着节点数的增加，当节点数为10时，4C2I，3C2I，2C2I三条曲线的丢包率在72%左右，相差不大。这说明当节点数远大于信道数量时，网络丢包严重，信道数的变化对网络性能的影响较小。但总体上多信道的性能好于单信道。
　　5 结 语
　　着眼紫外光通信今后在军事领域的发展趋势，本文研究了紫外光Ad Hoc网络条件下频分复用技术及其改进方法，在NS2上进行了多信道扩展，实现了信道切换的功能，并在特定拓扑下进行了测试。仿真结果表明，固定拓扑情况下，当节点数固定时，随着信道数的增加，网络吞吐量增加；当信道数固定时，随着节点数的增加，网络吞吐量呈下降趋势。总体上频分复用技术提高了紫外光Ad Hoc网络的网络性能，有效解决了紫外光通信带宽受限的问题，为时分复用和空分复用在紫外光Ad Hoc网络的研究提供了借鉴。
　参考文献
　　[1] 赵太飞，王小瑞，柯熙政.无线紫外光散射通信中多信道接入技术研究[J].光学学报，2012（3）：14?21.
　　[2] 王曼.无线网络仿真中无线传输模型的比较和评估[D].上海：同济大学，2006.
　　[3] 柯熙政，吴鹏飞，侯兆敏.基于NS2的非视距紫外通信模型的建立与仿真研究[J].激光杂志，2011，32（6）：30?33.
　　[4] 陈君洪，杨小丽.非视线“日盲”紫外通信的大气因素研究[J].激光杂志，2008，29（4）：38?39.
　　[5] CALVO R A， CAMPO J P. Adding multiple interface support in NS?2 [EB/OL]. [2013?11?24]. http：//～.
　　[6] 侯兆敏.紫外无线光Mesh网接入协议研究[D].西安：西安理工大学，2011.
　　[7] 邵平.紫外光非直视通信网络信道共享研究[D].重庆：重庆通信学院，2013.
　　. SIGMOBILE Mobile Computing and Communications Review， 2006， 10（1）： 31?43.
　　： IEEE Press， 2006： 393?401.
　　[10] 柯熙政.紫外光自组织网络[M].北京：科学出版社，2011.
　　[11] 关文勇.基于认知的分布式多信道无线网络仿真模型研究[D].成都：电子科技大学，2011.