一種基于PMP 方式的多跳無線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

李廣志，劉 俊，葉榮飛

(1.中國人民解放軍駐重慶氣體壓縮機廠軍事代表室，重慶 400030;2.重慶金美通信有限責任公司，重慶 400030)

1 引言

對于當前無線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，如圖1，2 所示，存在基本的2種網(wǎng)絡(luò)拓撲:點到多點(PMP)拓撲和自組織網(wǎng)拓撲。PMP 方式中，用戶站與用戶站之間的通信必須通過中心站中轉(zhuǎn);對于自組織方式的網(wǎng)絡(luò)，節(jié)點之間可直接連通，也可進行多跳方式的路由中轉(zhuǎn)。從使用上來看，PMP 方式適用于固定布點的方式來滿足地域的無線覆蓋，而自組織網(wǎng)可以不依賴基礎(chǔ)設(shè)施靈活建網(wǎng)。但是，自組織網(wǎng)的系統(tǒng)帶寬隨著節(jié)點數(shù)量增加而快速下降，滿足不了當前各種視頻、音頻等高帶寬業(yè)務(wù)需求。為此，提出一種基于PMP 方式的多跳網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)來滿足高帶寬的需求，并相應(yīng)的給出路由算法適應(yīng)拓撲自主變化，不失自組網(wǎng)方式的靈活性。

圖1 自組織網(wǎng)拓撲

圖2 PMP 拓撲

2 拓撲結(jié)構(gòu)及特點

如圖3 所示，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點由2個獨立信道組成，1個信道提供BS 功能，另外一個信道完成MS 功能。這樣，1個信道對上接入，1個信道對下提供接入的模式實現(xiàn)了樹形拓撲組網(wǎng)。從組網(wǎng)特點看，每個BS 均使用獨立頻點來滿足多級組網(wǎng)需求。這樣，通過雙信道的方式，二跳鄰居之間并無任何關(guān)系，避免了自組織網(wǎng)方式下的隱藏終端和暴露終端問題，使網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)性能并不是隨著節(jié)點規(guī)模增大而快速下降，而是隨著BS 信道的增多，系統(tǒng)整體性能反而會上升。

當節(jié)點移動，即網(wǎng)絡(luò)拓撲發(fā)生變化時，通過MS的搜索掃描機制可實現(xiàn)拓撲的重新形成。如果輔于地理信息，可更精確、快速的進行頻率掃描，實現(xiàn)快速的拓撲重組。

從上述對此網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的描述及分析可知，基于PMP 模式的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，由于信道是獨立使用的，故鏈路繼承PMP 接入方式的優(yōu)點，同時拓撲可以動態(tài)變化滿足自組織，自愈合的靈活組網(wǎng)要求。

圖3 新型多跳結(jié)構(gòu)圖示及抽象網(wǎng)絡(luò)拓撲圖

3 路由協(xié)議

對于ad－h(huán)oc 方式下的路由，目前已提出大量的路由算法，有基于鏈路算法，也有基于距離矢量，既有主動路由方式，也有按需式的路由。針對多跳網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，雖然目前一般的ad－h(huán)oc 網(wǎng)絡(luò)路由均可以滿足一般的多跳數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的需求，但由于本網(wǎng)絡(luò)拓撲的特殊性，特提出結(jié)合物理拓撲的樹形路由算法:既充分考慮了拓撲特點，也降低了路由的復(fù)雜度。

3.1 路由協(xié)議基本描述

根節(jié)點主動周期性的發(fā)送路由宣告消息，樹枝上的節(jié)點接收此報文后，應(yīng)答節(jié)點的本地路由，完成一次路由交互。這樣，樹中的節(jié)點即可以獲得以本節(jié)點為根的樹的全部路由，網(wǎng)絡(luò)中根節(jié)點獲得全網(wǎng)路由，而其他節(jié)點可獲得其節(jié)點以下的全部路由。

根節(jié)點通過定時器方式來刪除未應(yīng)答的路由條目。

3.2 協(xié)議報文

·路由宣告消息

其中根節(jié)點為此節(jié)點認為的根節(jié)點，本地等級為根節(jié)點的選舉使用。

·路由應(yīng)答消息

其中本地IP 網(wǎng)段、掩碼為本地上報的路由信息，如果接入大網(wǎng)，則需匯報網(wǎng)關(guān)信息。

3.3 網(wǎng)絡(luò)重組

在本網(wǎng)絡(luò)拓撲中，各個節(jié)點是基于根節(jié)點來完成樹形結(jié)構(gòu)重組的，所以根節(jié)點的動態(tài)選擇是網(wǎng)絡(luò)重組的的前提。根節(jié)點的自動選舉是路由的一個子功能，通過節(jié)點間優(yōu)先級自動比較和動態(tài)退避來實現(xiàn)，其規(guī)則如下:

(1)根節(jié)點(包括臨時根節(jié)點)周期廣播路由宣告消息，廣播報文中帶有當前根節(jié)點節(jié)點號，同時帶有當前的計數(shù):規(guī)劃的根節(jié)點級數(shù)基準為0，而臨時根節(jié)點級數(shù)基準為N1(N1根據(jù)網(wǎng)絡(luò)實際跳數(shù)定義)，數(shù)值越低優(yōu)先級越高;

(2)在失去上級節(jié)點的聯(lián)系后，普通節(jié)點均有權(quán)利聲明自己為根節(jié)點;

(3)升級自己為根節(jié)點后，應(yīng)開始周期發(fā)送路由宣告消息，廣播時間間隔應(yīng)有一個在0～N2s 之間的隨機時間抖動(N2根據(jù)網(wǎng)絡(luò)定義);

(4)未聲明自己為根節(jié)點的普通節(jié)點一旦接收到路由宣告消息廣播，則維持普通節(jié)點身份并轉(zhuǎn)發(fā)路由宣告消息廣播;

(5)聲明自己為根節(jié)點的節(jié)點或在非規(guī)劃樹中的普通節(jié)點一旦收到規(guī)劃樹的根節(jié)點(級數(shù)＜N1)的廣播報文后，應(yīng)馬上取消自己的根身份，并轉(zhuǎn)發(fā)當前根節(jié)點樹的路由宣告消息;

(6)原先聲明自己為根節(jié)點的節(jié)點一旦收到其他臨時根節(jié)點(級數(shù)≥N1)的廣播報文后，應(yīng)馬上取消自己的根身份，應(yīng)答后并轉(zhuǎn)發(fā)當前根節(jié)點樹的路由宣告消息。

4 結(jié)束語

基于PMP 模式的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架組網(wǎng)能力強，既兼顧自組織網(wǎng)的靈活方便、拓撲自適應(yīng)性、節(jié)點可擴充性的優(yōu)點，也保證了大規(guī)模系統(tǒng)下的帶寬，同時可擴展基站系統(tǒng)進行多跳組網(wǎng)應(yīng)用?；诖司W(wǎng)絡(luò)構(gòu)架的設(shè)備應(yīng)用范圍廣泛。目前已經(jīng)應(yīng)用在應(yīng)急場合、煤礦通訊、鐵路/輕軌沿線的中繼傳輸?shù)刃袠I(yè)。實踐證明此網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可滿足高效率的多跳傳輸。

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