摘" 要： 針對當前主流Mesh自組網(wǎng)技術(shù)節(jié)點傳輸帶寬不足百兆，級跳數(shù)小于10的問題，提出采用多處理器構(gòu)建實現(xiàn)分布式多跳、高帶寬低時延的無線跳頻的高性能自組網(wǎng)節(jié)點，對節(jié)點自動化組網(wǎng)連接、多信道選擇避讓、漫游切換及低時延高帶寬網(wǎng)絡(luò)多跳實現(xiàn)等關(guān)鍵技術(shù)進行研究實現(xiàn)。由測試結(jié)果分析可知，在20級跳內(nèi)，文中節(jié)點組網(wǎng)帶寬損失在30%以內(nèi)且?guī)挶３衷?00 Mb/s以上，時延控制在100 ms內(nèi)，可以滿足現(xiàn)實應(yīng)急場景下多終端智能硬件實時進行圖像、視頻等大數(shù)據(jù)量信息交互對高帶寬低時延網(wǎng)絡(luò)通信的需求。

關(guān)鍵詞： 多處理器； 自組網(wǎng)連接； 多級跳； 高帶寬； 低時延； 信息交互

中圖分類號： TN929.5?34； TP391.44" " " " " " " " " "文獻標識碼： A" " " " " " " " 文章編號： 1004?373X（2024）05?0001?07

Research on distributed high?performance ad hoc network node technology

YU Zhe， ZHOU Shunmin， WANG Bin， SUN Yiming， CHEN Fang， ZHAO Zilong， LI Beibei

（National Supercomputing Center in Zhenzhou， Zhengzhou University， Zhengzhou 450001， China）

Abstract： In response to the current mainstream mesh ad hoc network technology， where the transmission bandwidth of nodes is less than 100 megabytes and the number of hops is less than 10， a high?performance ad hoc network node with distributed multi hop， high bandwidth and low latency wireless frequency hopping is constructed with multiple processors. Key technologies such as node automation network connection， multi?channel selection avoidance， roaming switching， and multi hop implementation in low latency and high bandwidth networks are studied and implemented. According to the analysis of test results， it is known that within 20 hops， the bandwidth loss of nodes network is kept within 30% and its bandwidth is kept above 200 Mb/s， and its delay is kept within 100 ms， so it can meet the demand of high bandwidth and low delay network communication for real?time image， video and other big data information interaction of multi terminal intelligent hardware in emergency scenarios.

Keywords： multiple processors; ad hoc network connection; multistage jump; high bandwidth; low latency; information interaction

0" 引" 言

傳統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)體系技術(shù)的實現(xiàn)需要各類固定的基礎(chǔ)通信設(shè)備支持，靈活度低、無法短期安裝，且不能提供穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，在各種復(fù)雜應(yīng)急場景下無法實現(xiàn)快速應(yīng)用[1]。自組網(wǎng)技術(shù)無需任何基礎(chǔ)設(shè)施，各節(jié)點功能相同、地位平等，通過底層設(shè)備網(wǎng)絡(luò)化及通信自連功能，實現(xiàn)節(jié)點隨時選擇通道加入或離開組網(wǎng)，在各種需求下可實現(xiàn)靈活、實時拓撲組網(wǎng)通信。

隨著智能設(shè)備的不斷增加，復(fù)雜環(huán)境下快速、高帶寬、便攜組網(wǎng)通信需求成為無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展的驅(qū)動力，多跳分布式高帶寬低時延自組網(wǎng)節(jié)點技術(shù)研究成為近幾年來國內(nèi)外各界關(guān)注的重點。

當前，主流Ad Hoc Mesh節(jié)點技術(shù)的演進主要以解決大規(guī)模、復(fù)雜化應(yīng)用問題為主，具體解決技術(shù)手段主要集中在信道分配和路由協(xié)議等方面進行改進、優(yōu)化。如文獻[2]提出在明確整個網(wǎng)絡(luò)負載矩陣的條件下，將信道分配和路由協(xié)議選擇問題拆解成子問題進行逐一優(yōu)化；文獻[3]提出通過優(yōu)先保證上游節(jié)點數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)調(diào)度，下游節(jié)點競爭共享通道方式的分布式流控制與鏈路訪問控制的跨層調(diào)度策略以解決MAC鏈路競爭導(dǎo)致的網(wǎng)絡(luò)擁塞問題；文獻[4]引入節(jié)點穩(wěn)定二維前程值和節(jié)點能量分級的計算方法，延長了網(wǎng)絡(luò)生存時間，降低了路由開銷；文獻[5]研究了無線Mesh網(wǎng)絡(luò)中主動或被動路由環(huán)路避讓算法；文獻[6]對基于單兵裝備的Mesh網(wǎng)絡(luò)通過業(yè)務(wù)分類和權(quán)重進行信道資源分配研究以改善整體服務(wù)質(zhì)量；文獻[7]和文獻[8]則從鄰居發(fā)現(xiàn)角度分別通過實現(xiàn)二進制編碼序列確定收發(fā)模式的異步算法和結(jié)合節(jié)點移動速度進行覆蓋信息收集分析方法研究，提高節(jié)點間相互發(fā)現(xiàn)概率，降低平均延時；文獻[9]采用樹莓派開源基礎(chǔ)實現(xiàn)自組網(wǎng)，但只實現(xiàn)少數(shù)級跳且?guī)挷淮笥? Mb/s。雖然，眾多學者對Ad Hoc Mesh組網(wǎng)技術(shù)進行了系列研究，但是并沒有很好地解決Ad Hoc Mesh技術(shù)節(jié)點組網(wǎng)級跳數(shù)小于10，末端帶寬不足百兆的性能限制問題。

針對上述問題，本文研究實現(xiàn)了一種應(yīng)用于UMWS?H的新型無線組網(wǎng)設(shè)備節(jié)點，節(jié)點具有自愈合連接、多頻高帶寬低時延等技術(shù)特點，預(yù)期實現(xiàn)達到200兆帶寬，節(jié)點級跳數(shù)大于14，公網(wǎng)與自組網(wǎng)之間接近5G的秒切速度等。為實現(xiàn)這一節(jié)點無損多跳分布式連接組網(wǎng)技術(shù)，本文將主要研究解決基于UMWS?H自組網(wǎng)多跳連接中節(jié)點自我管理自動化組網(wǎng)、高帶寬多跳節(jié)點連接、多跳帶寬損失最小化、低延遲漫游切換、節(jié)點自動愈合及信道避讓等關(guān)鍵技術(shù)實現(xiàn)。

1" 節(jié)點組網(wǎng)連接關(guān)鍵技術(shù)實現(xiàn)

圖1為擬采用的基于UMWS?H技術(shù)構(gòu)建的先進自組網(wǎng)技術(shù)模型圖，利用UMWS?H構(gòu)建的高帶寬低時延自組網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)可以實現(xiàn)比其他組網(wǎng)方式更高效、更魯棒的物聯(lián)模式，更好地服務(wù)于“人機物”三元融合交互。與原來的S波段和C波段無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的多模塊、多通道和多射頻技術(shù)不同，采用單頻組網(wǎng)的UMWS?H極大簡化了現(xiàn)場配置和部署難度，滿足應(yīng)急臨時通信組網(wǎng)中快速建網(wǎng)和零配置要求。UMWS?H組網(wǎng)節(jié)點采用專有的通信協(xié)議，在支持多信道帶寬（如2.5 MHz、5.0 MHz和10.0 MHz）的網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)拓撲中傳輸雙向IP通信流量。通過內(nèi)置先進調(diào)制編碼和前向糾錯技術(shù)，實現(xiàn)帶寬高達200 Mb/s，支持進行視頻、圖像數(shù)據(jù)及語音等雙向通信。高帶寬多跳連接無衰減技術(shù)實現(xiàn)承載更多有效數(shù)據(jù)，進而實現(xiàn)信號遠距離傳輸。

本文構(gòu)建的基于UMWS?H技術(shù)的先進自組網(wǎng)節(jié)點，其特征在于設(shè)備底層硬件包含多片單主控制器MCU（Microcontroller Unit），MCU實現(xiàn)智能組網(wǎng)控制機制，其組網(wǎng)系統(tǒng)控制實現(xiàn)機制包括節(jié)點自愈及智能搜索、節(jié)點成環(huán)連接、信道避讓及漫游切換等。

1.1" 節(jié)點無線接入設(shè)備的整體控制

當前主流采用無線網(wǎng)橋和Mesh的方案中，如果其中一個節(jié)點掉線，其他節(jié)點無法自動調(diào)整連接，不能保持整個網(wǎng)絡(luò)連通，需要維護人員手動修改其連接指向。本文通過節(jié)點實現(xiàn)自動搜索判定連接機制，主動與周邊節(jié)點再次建立連接，實現(xiàn)自動組網(wǎng)，如圖2所示。本文中無線接入設(shè)備的控制方法集成了網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)Ad Hoc工作模式的優(yōu)點，使得每一個節(jié)點可以同時進行信息雙向收發(fā)，且不受制于同頻之間產(chǎn)生的信號干擾導(dǎo)致帶寬極大降低的影響，使得分布式多點連接這種方式不再局限于少數(shù)節(jié)點的民用家庭場景，可在工業(yè)及商用場景大規(guī)模應(yīng)用，實現(xiàn)與5G基礎(chǔ)建設(shè)的互補。

采用雙處理器設(shè)計的節(jié)點，組網(wǎng)過程中無線接入點（Access Point， AP）處理器MCU1為其他無線設(shè)備提供無線接入服務(wù)，其他設(shè)備提供的無線接入點服務(wù)通過無線終端（Station， STA）處理器MCU2接入，節(jié)點內(nèi)部MCU1和MCU2之間通過有線網(wǎng)口連接并實現(xiàn)同信道通信協(xié)議傳輸。節(jié)點設(shè)備采用雙處理器設(shè)計，主要特征在于：本機節(jié)點初始化后將運行自愈機制程序決定是否開啟MCU2的無線網(wǎng)口連接功能，因MCU1和MCU2在節(jié)點內(nèi)部通過網(wǎng)線連接，處于同一局域網(wǎng)，當MCU1接收到MCU2發(fā)送的廣播幀時，將提取存儲接收到的本機終端信道信息，當MCU1等待累計到預(yù)設(shè)等待周期數(shù)時還未監(jiān)聽到MCU2的局域網(wǎng)廣播包，將主動控制觸發(fā)MCU2開啟無線網(wǎng)口連接功能。MCU2通過自身智能搜索連接機制，記錄并形成可用連接信道列表，通過調(diào)用連接判斷機制選擇出非本機且信號強度最好的信道節(jié)點進行連接，若最終未能連接成功則重新開始搜索可用信道連接。當MCU2檢測到與其他無線設(shè)備建立連接之后，發(fā)送攜帶信道信息的單播探測請求幀至整個網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，本機MCU1將接收并存儲MCU2建立連接的信道信息，并通過信道避讓機制，采用與MCU2連接不同的信道與其他無線設(shè)備建立無線連接。在通過成環(huán)連接機制確認本節(jié)點正確連接到網(wǎng)絡(luò)中后，本節(jié)點將進入監(jiān)聽網(wǎng)絡(luò)設(shè)備連接更改階段，通過對網(wǎng)絡(luò)設(shè)備連接方式更改與否的實時監(jiān)聽，采取對應(yīng)的切換節(jié)點連接或通過漫游切換機制切換不同網(wǎng)絡(luò)的措施，保證節(jié)點時刻在線，實時傳輸數(shù)據(jù)。圖3為無線設(shè)備接入控制實現(xiàn)流程。

1.2" 節(jié)點自愈及智能搜索實現(xiàn)

節(jié)點設(shè)計了連接自愈功能，實現(xiàn)對無限客戶端啟停的主動控制。當無線客戶端MCU2控制的網(wǎng)絡(luò)通道進行有線接入時，MCU2通過局域網(wǎng)向MCU1發(fā)送廣播包，系統(tǒng)檢測無線接入點MCU1是否可以接收到發(fā)送的廣播包，并判斷出本節(jié)點客戶端的鏈接方式，當MCU1首次無法接收到MCU2的局域網(wǎng)廣播包時，維持現(xiàn)有鏈路連接；反之，當MCU1首次接收到MCU2發(fā)送的局域網(wǎng)廣播包時，則主動關(guān)閉MCU2的無線網(wǎng)口鏈接功能，并繼續(xù)偵聽廣播包進行判斷，當在一定周期內(nèi)檢測判斷無法收到MCU2的局域網(wǎng)廣播包時，則主動控制啟動MCU2的無線網(wǎng)口鏈接功能，并進入下一步執(zhí)行相鄰無線智能自組網(wǎng)設(shè)備智能搜索鏈接功能，若MCU1在指定周期內(nèi)能正常收到廣播包，則維持當前鏈路連接。圖4為節(jié)點無線網(wǎng)口自愈切換啟動機制流程。

為更好地實現(xiàn)智能化組網(wǎng)技術(shù)，節(jié)點多處理器底層設(shè)備實現(xiàn)智能搜索功能。對于節(jié)點智能搜索機制，節(jié)點設(shè)備中無線客戶端MCU2通過發(fā)送廣播探測請求幀的主動掃描方式搜索周邊是否有其他可用信道節(jié)點的無線接入點。若不存在則繼續(xù)搜索，若存在，則依據(jù)公式[Rv=10lgP]（[Rv]為信號強度判斷值，[P]為搜索到的信號功率）對信號強弱進行判斷分類，將搜索到的所有可接入節(jié)點的信道信息依次進行存儲，并篩選信號強度最好的信號源節(jié)點進行連接。當有多個同強度可接入信號源時，按記錄先后順序選擇最早記錄的節(jié)點信道進行連接。在最強信號源節(jié)點未能成功連接時，則按記錄順序或次信號強度選擇新的鏈接目標節(jié)點連接，直到連接成功或重新搜索記錄無線接入點信道信息；否則，連接成功后觸發(fā)進入執(zhí)行組網(wǎng)成環(huán)避讓處理機制。圖5為節(jié)點智能搜索機制。

1.3" 節(jié)點成環(huán)連接實現(xiàn)

節(jié)點成環(huán)連接組網(wǎng)實現(xiàn)通過AP和STA共同協(xié)調(diào)控制實現(xiàn)。對于節(jié)點STA端，通常情況下任意節(jié)點的無線接入點MCU1首先通過發(fā)送廣播包的方式，將自身的MAC地址發(fā)送到本機STA終端，STA終端接收并被記錄存儲，當終端MCU2執(zhí)行智能搜索連接后，將判斷當前選擇即將連接的節(jié)點MAC地址是否為本機無線接入點MCU1的MAC地址。若判斷結(jié)果表明是本機MCU1無線接入點MAC地址，則進行存儲記錄，放棄本次連接，重新進行可用信道搜索或選擇信道列表記錄中的下一無線接入點進行判斷連接操作；反之，則進行后續(xù)的認證、關(guān)聯(lián)等無線接入點連接操作。圖6為節(jié)點STA端成環(huán)連接控制流程。

成環(huán)連接中，在外部干擾或錯誤連接的情況下，本節(jié)點STA終端會誤連到本節(jié)點AP，故AP端需具備一定的異常處理能力。在本機終端MCU2接收到鏈路連接建立成功的反饋后，本機終端MCU2將發(fā)送廣播包告知整個網(wǎng)絡(luò)中所有設(shè)備，并且只有建立連接的無線接入點會接收MCU2的廣播包，當本節(jié)點MCU1處理器檢測接收到該廣播包時，說明本節(jié)點形成了端口自連，MCU1將主動斷開鏈接，MCU2將重新進入智能搜索流程。當MCU1未檢測到本節(jié)點MCU2的廣播包時，則通過內(nèi)部通信協(xié)議通道告知MCU2維持當前鏈路鏈接，MCU1繼續(xù)處理實現(xiàn)與相鄰節(jié)點鏈路信道錯開以及監(jiān)聽鏈接方式是否改變。圖7為節(jié)點AP端成環(huán)連接控制流程。

1.4" 節(jié)點信道避讓及漫游切換實現(xiàn)

由于4G/5G網(wǎng)絡(luò)和低頻傳輸網(wǎng)絡(luò)均采用單一頻段進行傳輸，在面臨高強度電磁干擾條件下，節(jié)點可能恰好在相應(yīng)的頻段中受到嚴重干擾，導(dǎo)致癱瘓不能傳輸數(shù)據(jù)[10]。針對這一情況，節(jié)點設(shè)計加入多信道自動跳頻的信道避讓技術(shù)，時刻探尋各頻段的輸出功率強度和噪聲情況。如遇到當前傳輸信道突然有大功率噪聲數(shù)據(jù)干擾使傳輸數(shù)據(jù)到達率不足75%時，則主動搜尋周邊信道，尋找滿足傳輸穩(wěn)定性大于80%的信道并將自組節(jié)點的接收端同步調(diào)解至新頻段，以避開針對特定頻段的電磁干擾。圖8為節(jié)點多信道避讓實現(xiàn)機制流程圖。當MCU2無線信道鏈接成功時，發(fā)送攜帶有該鏈接信道相關(guān)信息的廣播包，同時節(jié)點MCU1收取該廣播包并存儲該信道信息，在MCU1實現(xiàn)鏈路連接前將持續(xù)偵聽整個網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點臨近設(shè)備發(fā)送的廣播包，并記錄非本節(jié)點廣播包攜帶的信道信息，形成可用信道表，進一步對可用信道表中的信道進行判斷，選擇當前預(yù)請求鏈接信道使用量最小的進行無線鏈路連接，避免多個節(jié)點同時連接使用同一信道影響信道信號質(zhì)量。

在滿足4G/5G通信條件的情況下，先進自組網(wǎng)設(shè)備將優(yōu)先采用4G/5G網(wǎng)絡(luò)進行數(shù)據(jù)通信，傳輸距離大約為2 km，此距離完全依賴4G/5G基站的發(fā)射功率，不以先進自組網(wǎng)設(shè)備效能為轉(zhuǎn)移。如超出范圍時，可切換到先進自組網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)，但當前絕大多數(shù)網(wǎng)絡(luò)終端跨基站漫游的切換速度在3 s以上，主要采用網(wǎng)絡(luò)layer3路由協(xié)議轉(zhuǎn)發(fā)，應(yīng)用會有短時卡頓，對實時性要求較高的環(huán)境中無法應(yīng)用[11]。本文優(yōu)化了網(wǎng)絡(luò)終端的漫游策略，采用網(wǎng)絡(luò)layer2交換協(xié)議轉(zhuǎn)發(fā)，使得切換時間小于50 ms。通過設(shè)備中自有底層驅(qū)動代碼實現(xiàn)與附近熱點快速連接，通過自有數(shù)學模型，采用離散、加權(quán)等算法解決信號波動帶來的鏈路建立誤判問題。以廣播方式將節(jié)點鏈路的更改結(jié)果通知整個網(wǎng)絡(luò)層，通過循環(huán)判斷讀取連接點的信號強度是否穩(wěn)定，若穩(wěn)定，保持鏈接并周期性判斷該信號的穩(wěn)定性；若不穩(wěn)定，則放棄該接入點，重新搜索附近可接入點并判斷信號的穩(wěn)定性，放棄或確定接入點并通知全網(wǎng)絡(luò)，如此循環(huán)檢測判斷。圖9為節(jié)點漫游切換實現(xiàn)機制流程圖。

2" 節(jié)點鏈路數(shù)據(jù)高效傳輸實現(xiàn)

帶寬和延遲是決定網(wǎng)絡(luò)性能的兩個關(guān)鍵核心。通常，在網(wǎng)絡(luò)吞吐量固定的條件下，通信延遲有時可達到毫秒級，應(yīng)急通信作為分布式自組網(wǎng)技術(shù)的主要應(yīng)用場景，對網(wǎng)絡(luò)延遲要求較高，延遲是系統(tǒng)性能的核心關(guān)鍵指標之一，同時過于復(fù)雜的路由開銷也會進一步限制網(wǎng)絡(luò)的可擴展性[12]。

2.1" 節(jié)點高帶寬覆蓋實現(xiàn)

語音應(yīng)用和快速漫游切換是智能網(wǎng)絡(luò)必須支持的，主流的集中在layer3路由的高通Mesh自組網(wǎng)技術(shù)路由開銷極大地限制了網(wǎng)絡(luò)的可擴展性。將網(wǎng)絡(luò)設(shè)計為layer2交換在時延和開銷上有望實現(xiàn)最小，實現(xiàn)節(jié)點更多級數(shù)跳可能。

為解決多跳衰減的問題，保持網(wǎng)絡(luò)帶寬在較高水平，節(jié)點設(shè)計采用異頻組網(wǎng)及MIMO（多入多出）技術(shù)，設(shè)計類似蜂窩網(wǎng)絡(luò)無線小站點天線實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)覆蓋，實現(xiàn)球形面不同信道信號發(fā)射，以實現(xiàn)單節(jié)點在大范圍區(qū)域多用戶同時連接的無沖突高吞吐量數(shù)據(jù)通信交互[13]。

信道容量是信道能夠達到的最大數(shù)據(jù)速率，根據(jù)香農(nóng)公式，數(shù)字信道的帶寬[B]與信道容量[C]滿足如下計算式：

[C=Blog21+SN] （1）

在一個發(fā)射和接收天線數(shù)為[m]和[n]的MIMO系統(tǒng)中，式（1）變形為：

[C=m×Blog2nm+SN] （2）

考慮到傳輸距離中空氣衰減的情況，末端帶寬一般都能在170 Mb/s以上，完全可以支持幾十路甚至上百路視頻同時傳輸。

2.2" 節(jié)點數(shù)據(jù)低延時傳輸實現(xiàn)

在節(jié)點互聯(lián)實現(xiàn)中，傳輸控制協(xié)議（TCP）的握手傳輸及用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議（UDP）無線連接傳輸方式是常見的信息交互方式[14]。但是TCP握手傳輸方式傳輸效率低、能量消耗大，UDP無線傳輸方式傳輸數(shù)據(jù)易丟失、可靠性差。在通信系統(tǒng)中，TCP每創(chuàng)建一個新連接都要占據(jù)一定的延遲開銷，以及部分由慢啟動動態(tài)調(diào)整實現(xiàn)鏈接帶寬利用率最大化產(chǎn)生的延遲開銷[15]。

在保證數(shù)據(jù)完整性及傳輸可靠性的基礎(chǔ)上，針對以上問題，本文對協(xié)議應(yīng)用模式進行優(yōu)化，設(shè)計自動切換數(shù)據(jù)傳輸模式實現(xiàn)數(shù)據(jù)的高效傳輸。設(shè)計實現(xiàn)中采用TCP長連接復(fù)用機制進行優(yōu)化，即TCP一旦創(chuàng)建連接后，最大限度進行復(fù)用，也就是將請求結(jié)束，連接斷開，再重新創(chuàng)建通信連接的重復(fù)過程，設(shè)計成單次連接多次請求交互模式。

具體實現(xiàn)過程為：節(jié)點在自動進行傳輸模式切換時，最開始本節(jié)點STA與對端節(jié)點AP之間通過單次請求單次響應(yīng)方式通信，本節(jié)點STA向?qū)Χ斯?jié)點AP發(fā)送請求建立連接數(shù)據(jù)包，對端節(jié)點AP接收到請求后發(fā)送響應(yīng)信息給本節(jié)點STA，本節(jié)點STA若在預(yù)設(shè)時間周期內(nèi)接收到該響應(yīng)信息，則說明請求數(shù)據(jù)包發(fā)送傳輸成功。統(tǒng)計該單次請求響應(yīng)建立鏈路模式下數(shù)據(jù)包連續(xù)傳輸成功的次數(shù)，當達到設(shè)定閾值時，則將鏈路單次請求單次響應(yīng)傳輸模式切換至單次請求多次響應(yīng)傳輸模式。

通過這種方法可以實現(xiàn)在已確定通信信號達到穩(wěn)定且通信質(zhì)量良好的情況下，將單次請求單次響應(yīng)傳輸模式切換為效率更高、能耗更少的單次請求多次響應(yīng)傳輸模式，進而在保證數(shù)據(jù)完整性及傳輸可靠性的基礎(chǔ)上提高傳輸效率，最大限度地降低傳輸延時。

3" 技術(shù)可行性驗證及結(jié)果

3.1" 網(wǎng)絡(luò)測試場景說明

為了驗證上述節(jié)點設(shè)備自組網(wǎng)實現(xiàn)的可行性，本文在真實環(huán)境中對設(shè)備進行了無負載下延時測試及考慮應(yīng)急場景下的極端滿負載情況下延時、上下行速率的測試，測試跳數(shù)從1增加到35。測試采用IEEE 802.11n協(xié)議作為無線回程的傳輸標準，可實現(xiàn)對自組網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流量的提取與監(jiān)測。圖10為設(shè)備組網(wǎng)測試環(huán)境。在每一級設(shè)備間加60 dB衰減器，并用饋線連接，使連接強度變?nèi)酰M實際遠距離500 m使用場景；依次開機使35臺設(shè)備按串型順序連接，在第1臺設(shè)備有線接入一臺電腦，然后另一臺電腦依次按設(shè)備順序有線接入，使用IxChariot軟件跑吞吐量，分別記錄帶寬和延時情況。測試中，在每一跳節(jié)點接入有線網(wǎng)絡(luò)終端設(shè)備以便獲得各節(jié)點測試數(shù)據(jù)。

3.2" 驗證結(jié)果

表1為記錄的35跳節(jié)點相關(guān)測試數(shù)據(jù)結(jié)果，為觀察上行滿負載多級跳相關(guān)性能數(shù)據(jù)變化趨勢，從結(jié)果中選取5的倍數(shù)節(jié)點對應(yīng)的數(shù)據(jù)作為趨勢參考點。

圖11為多級跳上行帶寬測試結(jié)果趨勢圖，圖12為多級跳上行帶寬衰減率趨勢圖，圖13為上行多級跳各節(jié)點延時趨勢圖。

根據(jù)試驗結(jié)果得出，真實環(huán)境中回程網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)在經(jīng)過10級跳的傳輸后吞吐量損失20%，經(jīng)過20級跳的傳輸后回程吞吐量損失也未超過30%且?guī)挶３衷?00 Mb/s以上。時延結(jié)果表明，在20跳之內(nèi)，上行回程時延都控制在100 ms內(nèi)，即使經(jīng)過35級跳時延也未超過150 ms。相較于當前主流的Mesh多跳網(wǎng)絡(luò)只能跳3～5跳的結(jié)果而言，本文設(shè)計的自組網(wǎng)節(jié)點性能是突出的，不超過100 ms的時延是滿足VoIP和視頻應(yīng)用需求的，能夠較好地滿足各種應(yīng)急組網(wǎng)通信場景下的多跳高帶寬低時延網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)需求。

4" 結(jié)" 語

分布式無線自組網(wǎng)主要應(yīng)用面對的諸如應(yīng)急救援、戰(zhàn)時通信等場景呈復(fù)雜、多樣化發(fā)展趨勢，對大規(guī)模無線智能網(wǎng)絡(luò)，特別是無線自組網(wǎng)絡(luò)的帶寬、抗干擾能力及網(wǎng)絡(luò)時延等提出了更高的要求。當前主流的Mesh節(jié)點技術(shù)多跳組網(wǎng)存在先天的級跳數(shù)少，每跳帶寬損失嚴重等問題。為較好地實現(xiàn)滿足復(fù)雜場景下大范圍現(xiàn)場圖像視頻、多路實時音視頻通信數(shù)據(jù)遠距離高帶寬低時延傳輸需求，本文設(shè)計了基于UMWS?H的新型無線組網(wǎng)技術(shù)的多處理器組網(wǎng)節(jié)點，對節(jié)點自動化搜索組網(wǎng)連接、節(jié)點自動愈合、信道避讓、低時延漫游切換、高帶寬低時延多跳帶寬損失最小化等關(guān)鍵技術(shù)進行研究實現(xiàn)。由測試結(jié)果可知，在20跳內(nèi)本文設(shè)計的自組網(wǎng)節(jié)點帶寬損失和時延結(jié)果在視頻流和實時多路通信中都是可以滿足應(yīng)用需求的，本文設(shè)計的分布式自組網(wǎng)技術(shù)節(jié)點有可能解決各種復(fù)雜場景下無線局域組網(wǎng)多跳、高帶寬、低時延網(wǎng)絡(luò)需求難題，這也是下一步物聯(lián)網(wǎng)傳輸課題研究的支撐基礎(chǔ)之一。

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