侯波濤

(中國西南電子技術(shù)研究所，四川 成都 610036)

0 引言

隨著天線技術(shù)和無線通信技術(shù)的飛速發(fā)展，基于定向天線的移動自組織網(wǎng)(Mobile Ad Hoc Networks，MANET)得到越來越廣泛的應用[1-2]。定向天線技術(shù)可增加空間復用率，提高網(wǎng)絡吞吐量，減少干擾和被探測的概率[3-4]。基于定向通信的Ad Hoc網(wǎng)絡是一種新型的航空通信方式，具有無中心、多節(jié)點和拓撲變化迅速等特點[5-6]。實時性要求較高的場合一般采用TDMA接入機制。

高機動平臺高速移動的節(jié)點和動態(tài)變化的拓撲使基于定向天線的Ad Hoc網(wǎng)絡MAC協(xié)議、鄰居發(fā)現(xiàn)、路由算法設計較復雜，給系統(tǒng)的測試驗證帶來了困難[7-8]。定向通信要求通信雙方波束同時指向?qū)Ψ角沂瞻l(fā)屬性相反才能完成通信，傳統(tǒng)的全向通信測試方法無法模擬定向天線的波束特性。目前，基于定向通信網(wǎng)絡的仿真驗證手段較多。文獻[9-10]分析了幾種定向通信的仿真驗證方法；文獻[11]提出了一種定向通信網(wǎng)絡資源分配算法及仿真方法，但是針對定向通信系統(tǒng)的MAC協(xié)議、鄰居發(fā)現(xiàn)和路由算法的測試驗證方法研究較少，本文提出一種定向Ad Hoc網(wǎng)絡的實驗室有線測試驗證方法，包括對鄰居發(fā)現(xiàn)、波束跟蹤誤差、信道分配、路由算法、功率控制、數(shù)據(jù)傳輸以及網(wǎng)絡穩(wěn)定性等測試驗證，可用于定向Ad Hoc通信系統(tǒng)實驗室有線測試驗證和事后數(shù)據(jù)分析，比仿真更具有真實性。

1 系統(tǒng)組成及工作原理

1.1 系統(tǒng)組成

測試系統(tǒng)如圖1所示，其中多節(jié)點模擬器模擬多個網(wǎng)絡節(jié)點，每個節(jié)點具有獨立的多發(fā)多收中頻通道和天線低頻控制接口。天線模擬器模擬天線低頻接口，處理邏輯和實裝天線一致，計算天線指向與理論指向誤差并生成控制射頻交換網(wǎng)絡的控制碼。射頻交換網(wǎng)絡模擬所有網(wǎng)絡節(jié)點多個中頻通道間的所有通路，根據(jù)天線模擬器發(fā)送的控制碼進行射頻通路切換，同時可對所有通路進行程控衰減，天線模擬器到顯控計算機的定時控制用于慣導數(shù)據(jù)和真實指向數(shù)據(jù)的周期定時下發(fā)。信道模擬器借助專用信道模擬器或通用儀器輔助實現(xiàn)，可模擬高斯信道、空間時延及多普勒頻偏等功能。顯控計算機可用于場景生成、鏈路控制、功率控制、數(shù)據(jù)模擬、數(shù)據(jù)記錄和回放以及數(shù)據(jù)分析。

圖1 測試系統(tǒng)組成Fig.1 Test system composition diagram

1.2 工作原理

系統(tǒng)測試流程如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)測試流程Fig.2 System test flow chart

① 顯控計算機選擇場景并下發(fā)初始化參數(shù)、慣導數(shù)據(jù)給多節(jié)點模擬器，下發(fā)初始化參數(shù)和真實指向數(shù)據(jù)給天線模擬器。

② 多節(jié)點模擬器加載初始化參數(shù)并啟動入網(wǎng)流程。

③ 天線模擬器接收多節(jié)點模擬器輸出的天線低頻控制信號，解析出波束指向、頻率、收發(fā)狀態(tài)和功率控制等信息。

④ 對于通信節(jié)點A和B，天線模擬器解析A的天線波束指向信息并進行坐標轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換到機體直角坐標系坐標(x1，y1，z1)，根據(jù)余弦定理計算與實時接收到的A到B的理論指向(x2，y2，z2)的夾角θ1，此為A到B的波束指向誤差，同理，可計算B到A的誤差θ2，多個通信節(jié)點需計算兩兩之間所有的指向誤差。

⑤ 當且僅當θ1，θ2同時小于門限值(一般取定向天線3 dB波束寬度的一半)且A，B收發(fā)狀態(tài)相反、頻率一致時，天線模擬器下發(fā)控制碼給射頻交換網(wǎng)絡，導通A到B、B到A之間對應的2條中頻鏈路，A與B組網(wǎng)成功，多個網(wǎng)絡節(jié)點需導通多條中頻鏈路。

⑥ 根據(jù)測試用例生成測試數(shù)據(jù)，對場景進行可視化回放并對記錄數(shù)據(jù)進行分析。

2 關(guān)鍵技術(shù)及具體實現(xiàn)

2.1 場景及真實指向生成

利用Satellite Tool Kit(STK)軟件對模擬場景或真實場景生成測試用慣導數(shù)據(jù)和真實指向數(shù)據(jù)，過程如圖3所示。

圖3 慣導及真實指向數(shù)據(jù)生成流程Fig.3 Flow chart of INS and real pointing data generation

① 創(chuàng)建場景，添加飛行器、傳感器組件，分別模擬網(wǎng)絡節(jié)點和定向天線的波束。

② 對于模擬場景，規(guī)劃飛行器的航跡，如規(guī)劃測試用例中的高機動航跡、距離動態(tài)變化航跡和空分航跡等。對于真實場景，導入位置及姿態(tài)數(shù)據(jù)。

③ 設置傳感器指向模式為Targeted，跟蹤對象為目標網(wǎng)絡節(jié)點，對于多節(jié)點場景需設置多個傳感器分別跟蹤不同的網(wǎng)絡節(jié)點。

④ 慣導數(shù)據(jù)和真實指向數(shù)據(jù)生成，將飛行器的經(jīng)緯高、速度加速度、姿態(tài)及姿態(tài)速度數(shù)據(jù)生成報告，將傳感器的瞄準線向量的(Parent BodyX，Parent BodyY，Parent BodyZ)坐標生成報告。慣導數(shù)據(jù)和真實指向數(shù)據(jù)的時間根據(jù)場景時間嚴格對齊，真實指向數(shù)據(jù)生成周期不大于慣導數(shù)據(jù)生成周期。

⑤ 4個網(wǎng)絡節(jié)點需生成4個慣導數(shù)據(jù)和12個真實指向坐標，將生成的數(shù)據(jù)格式進行坐標轉(zhuǎn)換，生成本系統(tǒng)所用格式。

2.2 拓撲及鏈路模擬

對于節(jié)點A，四節(jié)點網(wǎng)絡情況下典型拓撲如圖4所示，分為全連通、一跳鄰居、雙一跳鄰居和兩跳鄰居4種狀態(tài)。為了測試不同網(wǎng)絡拓撲下的鄰居發(fā)現(xiàn)能力、拓撲維護能力、數(shù)傳能力、路由能力、網(wǎng)絡狀態(tài)轉(zhuǎn)換能力及自愈能力，需模擬不同的網(wǎng)絡拓撲和鏈路狀態(tài)。本系統(tǒng)采用系統(tǒng)時延更小的基于鏈路狀態(tài)信息的主動式路由機制，網(wǎng)絡拓撲可根據(jù)鏈路狀態(tài)模擬實現(xiàn)。對于通信節(jié)點A和B，可設置A到B、B到A的雙向鏈路狀態(tài)，模擬TDMA體制下的A發(fā)B收和B發(fā)A收的雙向鏈路，特殊情況也可模擬單邊通的情況。圖4(d)中節(jié)點A到D為兩跳中繼，需同時設置A和C，D之間、B和D的所有鏈路，鏈路狀態(tài)設置界面如圖5所示，斷開時長為通信時隙的整數(shù)倍，周期可配置。

圖4 四節(jié)點網(wǎng)絡典型拓撲Fig.4 The typical topology of four-node network

圖5 中頻鏈路通斷設置界面Fig.5 The on-off setting interface of intermediate frequency link

2.3 測試用例設計

根據(jù)圖4的網(wǎng)絡拓撲設計測試用例如表1所示，分為基本測試項和邊界測試項。對每個測試用例的拓撲狀態(tài)、鏈路狀態(tài)、鏈路衰減、場景、數(shù)據(jù)及信道特性進行了相應設計。

表1 四節(jié)點網(wǎng)絡測試用例Tab.1 Test cases for four-node network

用例1：波束跟蹤誤差存在多方面影響因素，如位置及姿態(tài)誤差、波束躍度誤差和天線安裝誤差等，但主要是高機動情況下的姿態(tài)及位置(近距離)造成的外推誤差[12]。測試系統(tǒng)實現(xiàn)中頻鏈路導通是通過判斷節(jié)點波束指向與真實指向的偏差來實現(xiàn)的，通過模擬高機動慣導數(shù)據(jù)可測出波束指向誤差，測試結(jié)果如圖6所示。由圖可以看出，波束指向誤差隨著橫滾角的變化會出現(xiàn)波動，最大誤差小于1.2°，小于波束寬度的1/10，系統(tǒng)跟蹤性能良好。

圖6 高機動航跡的波束指向誤差Fig.6 Beam pointing error of high maneuvering track

用例2：在無線試驗過程中，由于天線副瓣的存在，距離較近時即使有功率控制策略也較難測得實際的入網(wǎng)時間，因此入網(wǎng)時間的實驗室驗證很有必要。根據(jù)空域搜索策略特點生成不同相對位置的場景數(shù)據(jù)，測試各場景的入網(wǎng)時間。雙節(jié)點的相對位置為三維球體中的任意2點。圖7模擬平面4組不同位置場景，通過數(shù)據(jù)分析結(jié)果如表2所示，入網(wǎng)時間1和入網(wǎng)時間2分別為位置1、位置2做詢問站的情況。根據(jù)測試結(jié)果，結(jié)合時隙分配及空域搜索策略計算出的理論入網(wǎng)時間，驗證系統(tǒng)實現(xiàn)與設計一致性。

圖7 不同相對位置的場景規(guī)劃Fig.7 Scenario planning of different relative positions

表2 不同相對位置入網(wǎng)時間測試結(jié)果Tab.2 Access time test results of different relative positions

用例3：主要測試圖4不同網(wǎng)絡拓撲下的鄰居發(fā)現(xiàn)能力和路由能力。中繼節(jié)點間入網(wǎng)需要在直連節(jié)點入網(wǎng)后通過路由信息感知，入網(wǎng)時間也會相應增加。

用例4：定向天線可增加空間復用率，從而增加網(wǎng)絡吞吐量，TDMA系統(tǒng)需要在網(wǎng)絡拓撲滿足條件時配置多信道協(xié)同工作，同時實現(xiàn)SDMA，主要測試不同網(wǎng)絡拓撲下的信道動態(tài)配置能力。如圖8所示場景，節(jié)點A，B，C，D從初始位置移動到(A1，B1，C1，D1)最后到(A2，B2，C2，D2)的過程中，節(jié)點A對于節(jié)點B，C，D只有在過程中的部分時間段才能啟動多信道并行工作。節(jié)點B對于節(jié)點A，C，D可全程啟動多信道并行工作。對過程中的波控狀態(tài)及通道導通情況、數(shù)據(jù)傳輸情況進行分析，驗證系統(tǒng)的信道分配策略是否符合設計。

圖8 四節(jié)點空分航跡規(guī)劃Fig.8 Air separation track planning of four-node network

用例5：測試不同網(wǎng)絡拓撲下的數(shù)據(jù)傳輸能力及路由能力。數(shù)據(jù)模擬包括不同周期、不同長度和不同優(yōu)先級的消息，對數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐掏铝俊G包率和端到端時延等服務質(zhì)量進行測試驗證。通過對鏈路進行短暫的配置驗證高優(yōu)先級數(shù)據(jù)的重傳能力。4種不同優(yōu)先級消息的端到端時延及數(shù)據(jù)吞吐量的變化曲線如圖9所示，高優(yōu)先級消息的平均端到端時延應小于低優(yōu)先級消息。

圖9 不同優(yōu)先級消息時延及吞吐量Fig.9 Delay and throughput of different priority messages

用例6：良好的功率控制不但可降低被探測的概率，還可有效減少對外界的干擾[13]。功率控制原則是在目標方向上的輻射能量剛好滿足正常通信需求。天線模擬器可實時顯示天線的程控衰減值A1，通過不同距離場景調(diào)節(jié)中頻鏈路衰減值A2，疊加實裝天線等效的高斯白噪聲，使系統(tǒng)調(diào)節(jié)到穩(wěn)定狀態(tài)。設置A1與A2聯(lián)動變化，通過場景的距離變化和噪聲功率的動態(tài)調(diào)節(jié)，觀察接收端的信噪比估計值，驗證系統(tǒng)功率控制策略是否符合設計。

用例7：根據(jù)載波頻率及相對速度可計算節(jié)點間的多普勒頻移，可借助信道模擬器實現(xiàn)測試。本系統(tǒng)物理層信號處理以時隙為單位，持續(xù)時間為ms級，對多普勒頻偏不敏感。

用例8：高機動Ad Hoc的網(wǎng)絡節(jié)點是動態(tài)性、臨時性且瞬變的，需要測試網(wǎng)絡拓撲的動態(tài)切換能力和自愈能力。將鏈路狀態(tài)設置為周期斷開狀態(tài)，節(jié)點間的鏈路將周期從連接到間接再到連接，多種網(wǎng)絡拓撲隨著鏈路狀態(tài)動態(tài)切換，通過拷機測試網(wǎng)絡的穩(wěn)定性。

用例9：對于TDMA系統(tǒng)，時隙持續(xù)時間較短，空間延遲對組網(wǎng)和數(shù)據(jù)傳輸有直接影響。隨著通信距離的增加，物理層數(shù)據(jù)幀長度需動態(tài)調(diào)整，調(diào)整步進為物理層信號處理的一個編碼塊的長度。數(shù)據(jù)發(fā)送長度lensend的計算方法為：

(1)

式中，tslot為時隙持續(xù)時間；t1為空間傳播時延；t2為同步保護時間；tcode為物理層一個編碼塊的持續(xù)時間；lencode為一個編碼塊可發(fā)送的用戶數(shù)據(jù)比特數(shù)。

用例10：通過疊加噪聲使系統(tǒng)工作在靈敏度狀態(tài)，此時物理層數(shù)據(jù)傳輸有隨機錯誤，測試網(wǎng)絡管理消息及用戶數(shù)據(jù)的隨機錯誤會不會導致網(wǎng)絡無法恢復，通過拷機測試系統(tǒng)高誤碼情況下的魯棒性。

用例11：多節(jié)點模擬器的中頻信道具有模擬agc功能，僅進行電平的衰減無法模擬有源天線的噪聲特性。為了測試實裝天線的通信能力，將中頻鏈路進行程控衰減得到接收信號電平，用通用儀器疊加高斯白噪聲模擬天線的工作噪聲，可模擬不同距離的接收端載噪比C/N0，測試系統(tǒng)工作的邊界值。根據(jù)式(2)可計算接收端C/N0，其中L為總損耗，包括自由空間損耗、大氣損耗和雨衰損耗等傳輸損耗以及指向損耗、極化損耗和天線罩損耗等固定損耗：

C/N0(dB/Hz)=EIRP(dBW)+G/T(dB/K)-L(dB)+228.6。

(2)

2.4 場景可視化

將各節(jié)點位置及姿態(tài)數(shù)據(jù)、波束指向數(shù)據(jù)導入STK軟件，可以對整個過程進行三維可視化回放。如圖10所示，可以直觀地看出各網(wǎng)絡節(jié)點的波束對準情況和切換情況，通過導入地形數(shù)據(jù)可進一步進行遮擋及覆蓋分析。

圖10 三維可視化回放Fig.10 3D visualization playback

3 結(jié)束語

定向天線用于Ad Hoc網(wǎng)絡后，可顯著提升網(wǎng)絡的性能。本文介紹了一種定向Ad Hoc網(wǎng)絡的實驗室有線測試驗證方法，對相應的測試用例及結(jié)果進行了分析，此方法在實驗室可模擬真實場景，通過中頻有線方式對系統(tǒng)的定向MAC協(xié)議、鄰居發(fā)現(xiàn)和路由算法等進行較全面的上機測試。隨著網(wǎng)絡規(guī)模的進一步提升，后續(xù)需研究在大規(guī)模組網(wǎng)情況下Ad Hoc的測試驗證方法。