孫超山,李大雙,鄭 恩,姜永廣

(中國電子科技集團(tuán)公司第三十研究所,四川成都610041)

對WNW中使用的USAP MAC協(xié)議的研究*

孫超山,李大雙,鄭 恩,姜永廣

(中國電子科技集團(tuán)公司第三十研究所,四川成都610041)

寬帶組網(wǎng)波形(WNW)為美軍聯(lián)合戰(zhàn)術(shù)無線電系統(tǒng)(JTRS)中的一個重要波形,它采用了統(tǒng)一的資源指派協(xié)議(USAP)作為媒介訪問控制(MAC)協(xié)議。USAP為一種支持多信道的動態(tài)分布式時分多址(TDMA)MAC協(xié)議,其協(xié)議內(nèi)容除了在2-跳鄰域內(nèi)無沖突指派時隙的方法以外,還包括引導(dǎo)時隙管理通信資源的使用方法、自適應(yīng)廣播循環(huán)管理通信資源的使用方法、備用時隙來管理通信資源的使用方法、機(jī)會時隙通信資源的使用方法、信道化鄰域管理通信資源的使用方法、以鄰居隔離來管理通信資源的方法。

鄰域引導(dǎo) 循環(huán)廣播 信道化鄰域 備用時隙

0 引 言

MAC協(xié)議為多跳戰(zhàn)術(shù)自組織網(wǎng)絡(luò)設(shè)計的一個關(guān)鍵技術(shù)[1-2]。美軍JTRS中寬帶接入組網(wǎng)波形(WNW)采用了統(tǒng)一資源指派協(xié)議(USAP)這種MAC協(xié)議,它采用了由發(fā)送節(jié)點發(fā)起的多跳分布式按需指派動態(tài)時隙的MAC機(jī)制,用于基于鏈路激活TDMA時隙的多跳自組織戰(zhàn)術(shù)網(wǎng)絡(luò)。USAP允許發(fā)送節(jié)點從未分配的時隙池中選擇一個或多個時隙,通過各鄰節(jié)點之間對時隙指派的聲明和確認(rèn),將時隙指派信息傳至兩跳范圍。在2-跳范圍鄰域內(nèi),即使存在因不合適的時間調(diào)度安排和節(jié)點的移動性引起暫時的時隙指派沖突,也可以很快發(fā)現(xiàn)并加以解決。

USAP為一個完備的協(xié)議系列,在這篇文章中,將分別敘述已公布的USAP系列協(xié)議簇中的幾個主要專利包含的基本技術(shù)思想。

1 USAP MAC協(xié)議的TDMA幀結(jié)構(gòu)

圖1為USAP MAC協(xié)議的一種TDMA幀結(jié)構(gòu)示意圖,它由3種獨立的循環(huán)周期組成,包括一個引導(dǎo)循環(huán)周期、一個廣播循環(huán)周期以及一個預(yù)約循環(huán)周期[3]。每一種循環(huán)周期最好采用1 s的循環(huán),每一種循環(huán)分割為8個幀,每幀125 ms長(循環(huán)周期的個數(shù)、循環(huán)周期的長度以及每幀的長度由設(shè)計來選擇,也可以采用其它的循環(huán)周期數(shù)、幀長度以及循環(huán)周期長度)。每個125 ms幀包含了多個引導(dǎo)微時隙、廣播時隙以及預(yù)約/備用時隙。此外,每幀包括了顯示為信道的眾多信道。

圖1 USAP TDMA幀結(jié)構(gòu)Fig.1 Frame structure for USAP TDMA

引導(dǎo)(自舉)微時隙用于共享關(guān)鍵的USAP信息,這些信息是實現(xiàn)動態(tài)分配其余時隙所需要的。廣播時隙基于節(jié)點分配的模式來使用,用于支持?jǐn)?shù)據(jù)報服務(wù)和節(jié)點需要共享的任何其它控制業(yè)務(wù)流。

2 USAP協(xié)議相關(guān)的其它資源管理方法

USAP協(xié)議的內(nèi)容除了基本的2-跳鄰域內(nèi)無沖突動態(tài)指派鄰居鏈路TDMA時隙的方法[3]以外,還包括引導(dǎo)時隙管理通信資源的使用方法[4]、自適應(yīng)廣播循環(huán)管理通信資源的使用方法[5]、備用時隙來管理通信資源的使用方法[6]、機(jī)會時隙通信資源的使用方法[7]、信道化鄰域來管理通信資源的使用方法、以鄰居隔離來管理通信資源的方法。

2.1 引導(dǎo)時隙循環(huán)的使用方法

對于小型戰(zhàn)術(shù)網(wǎng)絡(luò),最有效率的方法是為每個節(jié)點指派一個永久的引導(dǎo)時隙。但是,隨著戰(zhàn)術(shù)網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的增大,這種方法會導(dǎo)致業(yè)務(wù)流容量變得越來越小。因此,最好是采用一種技術(shù)來動態(tài)地指派這些時隙?？墒?由于引導(dǎo)分組承載USAP無競爭指派所需要的信息,每個節(jié)點需要初始化信息與其鄰居們進(jìn)行協(xié)調(diào)。每個新的或正在加入的節(jié)點,在為自己指派一個時隙和傳輸自己的引導(dǎo)信息之前,先收聽其鄰居們的引導(dǎo)信息。如果發(fā)生了一次沖突,受影響的那些節(jié)點將從它們的鄰接節(jié)點們傳輸?shù)腢SAP信息中了解到這個情況,然后選擇另一個時隙。

在圖1所示的幀結(jié)構(gòu)中,若每幀使用13個引導(dǎo)時隙,并且其引導(dǎo)周期為4個幀,則最多可以支持52個節(jié)點。

2.2 自適應(yīng)廣播循環(huán)的使用方法

在圖1所示的幀結(jié)構(gòu)中,采用4個幀的廣播周期,在一個鄰域內(nèi),最多有8個節(jié)點可以在這2個廣播時隙內(nèi)傳輸,或者最多40個節(jié)點可以在5個不同的廣播信道上傳輸。每一幀的預(yù)約時隙都是重復(fù)的,其時延為125 ms。當(dāng)一個預(yù)約時隙未被分配時,它則擔(dān)任備用(或應(yīng)急)的廣播時隙,每一幀內(nèi)的預(yù)約時隙被分配給同一個發(fā)射機(jī)作為相應(yīng)的廣播時隙。此外,其對應(yīng)關(guān)系是每幀位移一個時隙,使其對廣播容量和分配了一個預(yù)約時隙的任何一個節(jié)點的時延影響最小化。

圖2描繪了在1 s時間寬度內(nèi)在單個信道上的8個幀。每幀含有8個預(yù)約/備用廣播時隙。這些時隙中的每一個都可以作為一個廣播時隙(以(B0)～(B7)表示)來使用,也可以作為一個預(yù)約時隙(以R0～R7表示)來使用。在第一個幀F(xiàn)0內(nèi),(B0)是在第一列的位置上;在第二個幀F(xiàn)1中(B0)滑移了一個時隙位置即移位到了第8列去了;在第三個幀F(xiàn)2中,(B0)在第七列上,一直到第八幀F(xiàn)7中,B0移位到了第二列。

圖2 單個信道上的自適應(yīng)廣播循環(huán)Fig.2 Adaptive broadcast cycle one single channel

2.3 機(jī)會時隙的方法

在一些戰(zhàn)術(shù)應(yīng)用環(huán)境中,其業(yè)務(wù)流具有零星的和突發(fā)的特性。傳統(tǒng)上,這種情形采用最有效的競爭訪問方式來應(yīng)對,而在重負(fù)荷下預(yù)約訪問方式才最有效。在還沒有進(jìn)行任何分配的情況下,USAP多址接入(USAP-MA)以永久的或暫時的方式有效地向鄰居們廣播預(yù)約所有的時隙。但是,在競爭訪問最讓人滿意的情況下,允許各節(jié)點在不屬于它們的、因缺乏業(yè)務(wù)流而空閑的備用時隙內(nèi)傳輸,這樣效率將會更高。換句話說,如果一個節(jié)點知道在其即將產(chǎn)生的幀中它將不需要其備用時隙了,那么它可以在幀的開頭由引導(dǎo)分組(其StandbyFree比特設(shè)置為“1”)來宣告,使得另一個有需要的節(jié)點能夠在那個時隙內(nèi)傳輸。然后,其它節(jié)點可以決定:①它是否能有效地使用該時隙;②是否存在著意向的接收機(jī)將收聽到其傳輸?shù)囊粋€好機(jī)會,這就是“機(jī)會時隙”的由來。由于該時隙存在競爭,因而可能會出現(xiàn)碰撞,但這些可以通過前述的差錯檢測來彌補。

一個節(jié)點在接收到StandbyFree比特設(shè)置為1的引導(dǎo)信息時,如果它目前等待傳輸?shù)臉I(yè)務(wù)量超過了它在這一幀內(nèi)的那些預(yù)約時隙的總傳輸容量,將考慮使用這個鄰居的備用時隙。如果是那樣的話,它將確定在其發(fā)送隊列中是否存在要向那些正在正確的信道上收聽的鄰居們傳輸?shù)臉I(yè)務(wù)數(shù)據(jù)。這樣的鄰居包括最早的鄰居和它與這個節(jié)點共有的任何其它鄰居。現(xiàn)在,如果這些共同鄰居中的任何一個碰巧也機(jī)會地使用這個時隙,那么將會發(fā)生一次碰撞,這取決于意向的那些接收機(jī)相對于這兩個發(fā)射機(jī)的位置情況。為了確定是否其鄰居中有一個正在正確的信道上收聽,一個節(jié)點可參考針對每個鄰居的USAP私有接收表(SRj)。作為選擇,如果引導(dǎo)分配時隙記錄(ASR)也包含有NRi(鄰居接收表,確定一個鄰居是否允許傳輸),一個節(jié)點可以對碰撞的可能性進(jìn)行更精確的計算。更進(jìn)一步地,為了確定這些鄰居是否為與最初的傳輸節(jié)點共同擁有的鄰居,節(jié)點將需要參考其路由信息。一旦確定了那些合格的鄰居,則要向它們傳遞的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)將排隊等待在那個時隙傳輸。

以圖3所示的多跳點為例,節(jié)點2可能通過設(shè)置備用空閑比特進(jìn)行申明。如果節(jié)點1要發(fā)送到節(jié)點2、5與/或8的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)過多,假如節(jié)點3沒有在相同的信道-時隙上傳輸,它能將節(jié)點2的備用時隙用作機(jī)會時隙。否則,在節(jié)點9和13處可能發(fā)生一次碰撞。這樣做是為了核對節(jié)點1進(jìn)行機(jī)會傳輸?shù)乃袧撛诮邮諜C(jī)是否節(jié)點2的鄰居。

圖3 機(jī)會時隙傳輸Fig.3 Opportunistic slot transmission

2.4 信道化鄰域機(jī)制

如果將廣播時隙數(shù)限制為8,則與多于7個的鄰居通信時將需要使用額外的廣播周期,可以在時間上或信道上將多個循環(huán)周期分隔開來。USAPMA采用后一種方法,以達(dá)到最大化的信道利用率。為了使一個接收機(jī)收聽到每個發(fā)射機(jī)的傳輸,它根據(jù)這個(時隙-信道)調(diào)度循環(huán)地從一個信道轉(zhuǎn)換到另一個信道上去接收,按照這個方式,將一個2 s時元分割為4個循環(huán)周期,每個循環(huán)周期包含4幀。

USAP-MA采用一種更進(jìn)一步的優(yōu)化方法來減少指派單播預(yù)約時隙對廣播信道的影響。如圖4所示,USAP-MA首選5個可用的信道,編號為0～4 (即C0～C4)。如果各個廣播信道以從0到4的順序而各信道上的預(yù)約時隙以從4到0的相反順序來指派,則在網(wǎng)絡(luò)變成為重負(fù)荷之前,在廣播和預(yù)約時隙之間僅存在最少的交疊。事實上,當(dāng)在信道4上完成了一個單播預(yù)約時,除了這兩個單播節(jié)點不能在那個時隙上進(jìn)行廣播以外,對廣播信道沒有任何的影響。此外,如果將這些預(yù)約限制在兩個信道上進(jìn)行,它仍然能給予單播指派很大的靈活性,直到該鄰域密度達(dá)到了24且該廣播信道溢出到了信道3,都沒有減小廣播容量的任何可能性。這是USAPMA如何在相同鄰域同時進(jìn)行無競爭單播與廣播傳輸時使信道利用率最大化的一個例子。

圖4 信道化鄰域Fig.4 Channelized neighborhood

USAP協(xié)議可以結(jié)合正交域多址訪問(ODMA)使用。采用圖5所示的幀結(jié)構(gòu),其中的Synch、NiB以及CNiB時隙用于傳輸管理業(yè)務(wù)流,而RBS/FRS時隙用于發(fā)送用戶業(yè)務(wù)流。對于每類時隙,每幀的時隙數(shù)由確定其循環(huán)周期的總時隙數(shù)確定。同步(Synch)時隙位于全網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的一個公共信道上,這些時隙用于載送網(wǎng)絡(luò)融合信息,使處于割裂狀態(tài)的幾個分塊網(wǎng)絡(luò)能融合在一起。預(yù)先為每個節(jié)點在一個公共信道上指定一個鄰域引導(dǎo)(NiB)時隙,并給予其最長的循環(huán)周期。NiB時隙用于分配在信道之間長時間預(yù)約的固定預(yù)約時隙(FRS)。以空間重用的方式在不同的默認(rèn)ODMA信道(DOCk)上為每個節(jié)點動態(tài)地分配一個信道化鄰域引導(dǎo)(CNiB)時隙,因而其周期時間通常要比NiB的周期短得多。NiB時隙用于以足夠快的響應(yīng)時間分配若干廣播時隙即CNiB和輪流廣播時隙(RBS),以跟蹤移動性引起的拓?fù)渥兓Ｐ枰⒁?在該幀內(nèi)各時隙的布置并非如所描繪的那樣,而是分散的和混雜的,以便使RBS之間的最大時延最小化,RBS時隙用于廣播用戶業(yè)務(wù)流以及交換鄰居表與某些狀態(tài)信息的監(jiān)視分組。

在ODMA幀中,FRS和RSB共享幀內(nèi)的相同時隙部分,但FRS的優(yōu)先權(quán)高于RBS。為了減輕FRS對所有RBS的影響,每個FRS在每幀移動一個時隙位置,使得RBS的輪循周期為RBS/FRS時隙的總數(shù)。

圖5 USAP與ODMA結(jié)合使用的幀結(jié)構(gòu)Fig.5 Frame structure for combining USAP and ODMA

兩個DOCk之間的業(yè)務(wù)流通信,通過在不同的DOCk內(nèi)的節(jié)點之間在幀內(nèi)的FRS使用接收節(jié)點的DOCk信道建立單播鏈路來實現(xiàn)。因而,在兩個鄰接的信道化鄰域CN1(DOC1信道上)和CN2(DOC2信道上)之間需要路由轉(zhuǎn)發(fā)業(yè)務(wù)信息時,首先使用RBS在DOC1信道上經(jīng)過幾個節(jié)點中繼到CN1的一個邊界節(jié)點。然后,使用RBS在DOC2上將該業(yè)務(wù)信息從CN1內(nèi)的這個邊界節(jié)點單播到CN2內(nèi)的一個邊界節(jié)點。最后,使用RBS在DOC2信道上經(jīng)由CN2內(nèi)的幾個中繼節(jié)點將該業(yè)務(wù)信息傳遞到CN2內(nèi)的目的節(jié)點。

2.5 鄰居隔離的機(jī)制

在一個廣播信道上采用自適應(yīng)傳輸參數(shù)的問題,是一個節(jié)點必須使用與信號最差鄰居通信的參數(shù),以確保所有的節(jié)點接收到該廣播。一個最差的播送場景是:一個節(jié)點具有一組信號質(zhì)量優(yōu)良、通常能以高速傳輸?shù)泥従?但是由于受單個信號質(zhì)量差的鄰居的影響,為實現(xiàn)可靠傳輸只好采用一個較低的速率。USAP-MA的解決方法是將鄰居隔離為2個(或更多個)群(由鄰居分割啟發(fā)式試探算法來控制),并且對每個群單獨調(diào)整傳輸參數(shù)。采用這種方式,一個節(jié)點能夠以高效率的高速率向其信號質(zhì)量優(yōu)良的鄰居傳輸,同時以一個健壯的較低速率向信號質(zhì)量差的鄰居傳輸。

當(dāng)然,為了使用兩種不同的速率,一個節(jié)點要么需要具有不同的傳輸機(jī)會,要么能夠在傳輸一個分組的中間改變速率。在廣播和備用時隙之間,一個節(jié)點名義上具有兩次廣播機(jī)會。由于備用時隙具有較低的延遲并且具有提高吞吐率的潛力,因而針對信號質(zhì)量高的鄰居使用備用時隙、針對信號質(zhì)量較差的鄰居使用廣播時隙,這是有實際意義的。當(dāng)然,如果所有鄰居的信號質(zhì)量相同,則這兩種時隙可以交替使用。

必須到達(dá)所有鄰居的那些分組(如路由更新),或必須到達(dá)一個或多個較差信號質(zhì)量鄰居的那些分組,將使用廣播時隙進(jìn)行傳輸。除非廣播時隙中有剩余空間,去往高信號質(zhì)量鄰居們的那些分組才會使用備用時隙進(jìn)行傳輸。需要注意的是,路由選擇往往偏向于高信號質(zhì)量的鄰居,因而將大多數(shù)的分組指引到速率更高的備用時隙去傳輸。

除了以更高速率來增加傳輸效率以外,鄰居分隔也允許各接收機(jī)采用一個更高的數(shù)據(jù)采樣率,使得它們能更好地為其鄰居選擇合適的傳輸參數(shù)。

3 結(jié) 語

USAP已發(fā)展成為了一種完備的多信道MAC協(xié)議,它能夠動態(tài)自適應(yīng)不同規(guī)模的戰(zhàn)術(shù)網(wǎng)絡(luò)、動態(tài)自適應(yīng)不同的傳輸信道質(zhì)量,并最終成為了WIN-T部署的主要波形MAC協(xié)議之一。仔細(xì)研究并透徹、深入地了解其MAC協(xié)議機(jī)制與技術(shù)原理,對于我軍下一代寬帶無線戰(zhàn)術(shù)網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計將具有重要的參考價值。此外,在設(shè)計戰(zhàn)術(shù)多跳自組織網(wǎng)絡(luò)的MAC協(xié)議時,對其安全性也應(yīng)該做進(jìn)一步的一體化考慮。

[1] 祁志娟,劉偉,張麗麗.無線Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)MAC層速率自適應(yīng)技術(shù)研究[J].通信技術(shù),2010,43(02):172-144.

QI Zhi-juan,LIU Wei,ZHANG Li-li.Rate Adaptation Technology of MAC Layer for Wireless Ad Hoc Network[J]. Communications Technology,2010(2),43(02):172-144.

[2] 馬鵬飛,常書杰,黃成亮,等.無線自組織網(wǎng)絡(luò)MAC幀傳輸技術(shù)研究[J].通信技術(shù),2012,45(01):75-77.

MA Peng-fei,CHANG Shu-jie,HUANG Cheng-liang, YANG Hai-bo.Study on MAC Frames Transmitting Technology based on Router in Wireless Ad Hoc Network[J]. Communications Technology,2012(01),45(01):75-77.

[3] Young David,James A.Stevens et al.Method and Apparatus for Managing Communication Resources using Bootstrap Slots[EB/OL].(2002-11-26)[2013-11-10]. http://www.lens.org/lens/patent/US_6487186.

[4] Young David,James A.Stevens et al.Method and Apparatus for Managing Communication Resources using an A-daptive Broadcast Cycle(ABC)[EB/OL].(2001-11-13)[2013-11-10].http://www.lens.org/lens/patent/US_6317436.

[5] Young David.Method and Apparatus for Managing Communication Resources upon Speculation Slots[EB/OL]. (2003-06-03)[2013-11-10].http://www.lens.org/ lens/patent/US_6574206.

[6] Young David,James A.Stevens et al.Method and Apparatus for Managing Communication Resources using Channelized Neighborhoods[EB/OL].(2003-01-07) [2013-11-10].http://www.lens.org/lens/patent/US_ 6504829.

[7] Young David.Method and Apparatus for Managing Communication Resources Using Neighbor Segregation[EB/ OL].(2003-09-30)[2013-11-10].http://www. lens.org/lens/patent/US_6628636.

SUN Chao-shan(1982-),male,M.Sci., engineer,mainly engaged intactical communication technology.

李大雙(1963—),男,博士,研究員,主要研究方向為戰(zhàn)術(shù)網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)與路由技術(shù);

LI Da-shuang(1963-),male,Ph.D,research fellow,

mainly engaged in the research oftactical networking and routing technology.

鄭 恩(1985—),男,碩士,助理工程師,主要研究方向為戰(zhàn)術(shù)通信技術(shù);

ZHENG En(1986-),male,M.Sci.,assistant engineer, mainly engaged intactical communication technology.

姜永廣(1976—),男,碩士,研究員,主要研究方向為戰(zhàn)術(shù)通信與交換技術(shù)。

JIANG Yong-guang(1976-),male,M.Sci.,research

fellow,mainly engaged in the research oftactical communication and switching technology.

Study on USAP MAC Protocol Used in WNW

SUN Chao-shan,LI Da-shuang,ZHENG En,JIANG Yong-guang
(No.30 Institute of CETC,Chengdu Sichuan 610041,China)

WNW is an important waveform in JTRS,where the Unifying Slot Assignment Protocol(USAP) is used as it’s MAC protocol.USAP is a MAC protocol for dynamic distributed TDMA with multi-channel,in addition to the basic method of conflict free slot assignment in two hops,USAP also includes the method for managing communication resources using bootstrap slots,the method for managing communication resources with an adaptive broadcast cycle,the method for managing communication resources upon speculation slots,the method for managing communication resources with channelized neighborhoods,as well as the method for managing communication resources using neighbor segregation.

neighborhood bootstrap;rotating broadcast;channelized neighborhood;standby slot

TN393

A

1002-0802(2014)08-0900-05

10.3969/j.issn.1002-0802.2014.08.012

孫超山(1983—),男,碩士,工程師,主要研究方向為戰(zhàn)術(shù)通信技術(shù);

2014-05-06;

2014-06-24 Received date：2014-05-06;Revised date：2014-06-24