Adhoc网络物理层关键技术

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ＣＨＩＮＡ ＮＥＷ ＴＥＬＥＣＯＭＭＵＮＩＣＡＴＩＯＮＳ （ Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｅｄｉｔｉｏｎ） ＭＡＹ ２００８ Ｎｏ．９
网络与应用
ＮＥＴＷＯＲＫ ＡＮＤ ＡＰＰＬＩＣＡＴＩＯＮ
ＣＨＩＮＡ ＮＥＷ ＴＥＬＥＣＯＭＭＵＮＩＣＡＴＩＯＮＳ （ Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｅｄｉｔｉｏｎ）
输入 编码
交织
信道上的负载均衡。将信道分为控制信道和数据信 道， 节点在控制信道中协商数据交换采用的数据信 道， 然后在相应的数据信道上进行数据通信。控制信 道和数据信道的划分可能是时间上的， 也可能是空 间上的。虽然需要占用一定的资源用于信道协商， 但 目前在多信道的理论分析结果说明， 在合理设计的 多信道条件下， 不仅可以提高整体网络容量， 还可以 提高每个信道的实际吞吐量。
ＱＰＳＫ 调制
导频加入
串／并
ＩＦＦＴ
并／串
Ｄ／Ａ
ＰＮ 序列发生器
频率合成器
译码 输出
解交织
ＱＰＳＫ 解调
信道估计
并／串
ＦＦＴ 串 ／ 并 定时频 Ｄ／Ａ 率同步
图 ２ ＦＨ／ＯＦＤＭ 系统的总体框图
高收发器的功率， 这将带来能耗的提高； 另一方面， 对同步的要求非常高。而且， 由于在 ＦＨ－ ＯＦＤＭ 系统
多信道无线自组织网络， 则需要关注如何在节 点间分配信道， 以提高网络吞吐量， 避免冲突， 实现
３ 物理层的关键技术
正 是 由 于 Ａｄ ｈｏｃ 网 络 与 传 统 的 固 定 网 络 的 巨 大区别， 其网络协议栈也有比传统协议栈更高的要 求， 物理层要能实现分布式多点发起的同步； 媒体访 问控制（ ＭＡＣ） 层要能管理多个分布站点随机的收发 行为； 网络层要能高效地管理分布式的路由协议； 传 输 层 要 针 对 各 种 不 同 的 业 务 进 行 优 化 等 等 ［３］。其 中 物 理层主要负责频率选择、载波产生和监听、信号监 测、调制、数据的发送接收等。
图 ３ 符号起始点的取值范围
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ＯＦＤＭ 符 号 的 时 间 和 频 率 偏 移 都 不 一 样 ， 而 且 ＯＦＤＭ 对频率同步要求比较严格， 所以要求频偏估 计 算 法 能 够 快 速 有 效 、精 度 较 高 的 得 到 频 率 偏 移 。图 ５ 描述算法的跟踪性能， 其中每个 ＯＦＤＭ 符号的频 率偏移是随时间作正弦变化的。由图 ５（ ａ） 以看出在 ＳＮＲ＝５ｄＢ 时， 由算法得到的频偏估计就能跟踪上频 率偏移的变化， 且除了极个别点外， 均能满足系统关 于频率偏移要小于载波间间隔的 １％￣２％的要求。图 ５（ ｂ） 在 ＳＮＲ＝１０ｄＢ 时 ， 频 偏 估 计 在 所 有 点 都 满 足 系 统关于频偏的要求。
层可采用功率控制来节能。
在本文所讨论的跳频通信环境中， 我们设定
４ ＦＨ－ ＯＦＤＭ 调制及仿真
ＯＦＤＭ 符号在一个跳频间隔内重复发送两次。可以 利用重复发送的 ＯＦＤＭ 符号提取同步信息， 通过对
基于以上分析， 在 Ａｄ ｈｏｃ 网络物理层采用跳频 间隔一定符号长度的样本点的相关运算来进行同步
ＯＦＤＭ 调 制 方 式 ， 来 提 高 频 谱 利 用 率 和 抗 干 扰 。 信号的检测。由于此处的符号封装特点以及跳频系
ＯＦＤＭ 其基本思想是将一个高速数据流分成若干个 统对估计速度和估计精度有较高的要求， 而且频带
并行低速数据流， 采用一组正交的子载波进行调制， 资源的利用力求节省， 所以在这里我们采用 ＭＬ 算
子载波间的频谱可互相交叠， 从而提高了频谱利用 法联合实现符号定时和频率偏移的估计， 极大似然
率。跳频是一种扩频方式， 频率随着伪随机序列而该 （ ＭＬ） 算 法 ［５］具 有 快 速 获 得 时 间 同 步 和 频 率 同 步 信
Ａｄ ｈｏｃ 网络的物理层要解决的问题主要包括 ： 物 理 信 道 成 型 、物 理 层 同 步 、高 吞 吐 量 技 术 的 采 用 与 改造、安全性的提高等。Ａｄ ｈｏｃ 物理层采用的调制方 式（ ＯＦＤＭ， ＭＩＭＯ） 等。
（ １） 安全性的提高 Ａｄ ｈｏｃ 网络为了给用户提供安全服务， 应该提 供跨越整个协议栈的全面保护。现在对于无线自组 织网络安全的研究， 链路层可以采用安全的无线 ＭＡＣ 协议， 采用检测和响应策略进行反应式保护， 修补现有协议的安全漏洞； 在网络层一般采取了相 邻 节 点 验 证 、安 全 增 强 型 路 由 协 议 、相 邻 节 点 监 视 、 入侵响应等方法； 传输层采用数据加密认证和保护 端到端通信。 物 理 层 则 采 用 信 道 加 密 、抗 干 扰 、用 户 认 证 等 其
（ １） 无 中 心 和 自 组 织 性 。由 于 网 络 的 分 布 式 特 征、节点的冗余性和不存在单点故障点， 使得网络的 健壮性和抗毁性很好。
（ ２） 动态变化的网络拓扑（ 见图 １） 。移动终端能 够以任意速度和任意方式在网中移动， 并可以随时 关闭电台， 加上无线发送装置的天线类型多种多样、 发 送 功 率 的 变 化 、无 线 信 道 间 的 互 相 干 扰 、地 形 和 天 气等综合因素的影响， 移动终端间通过无线信道形 成的网络拓扑随时可能发生变化， 而且变化的方式 和 速 度 都 难 以 预 测 。因 而 网 络 层 的 路 由 协 议［１］是 其 关 键。
变， 从而保证了安全性。
息， 且估计精度较高并且节省频带资源的特点， 能够
图 ２ 给 出 了 一 个 ＦＨ－ ＯＦＤＭ 系 统 的 原 理 框 图 。 满足系统要求。
该系统的工作原理是输入的信Biblioteka Baidu经过编码， 并经过
在跳频环境下， 由于多径和跳频会造成 ＯＦＤＭ
交织后进行 ＱＰＳＫ 调制， 根据系统传输帧格式进行 符号的混叠， 在进行同步估计时， 混叠区域的数据会
Ｅ
Ｉ
侦听， 采用不等长时隙的退避机制和冲突避免策略，
竞 争 信 道 进 行 发 送 。ＴＤＭＡ 可 以 将 信 道 按 照 时 间 片
图 １ Ａｄ ｈｏｃ 网络的拓扑结构
划分为多个时隙， 节点按照静态或者动态分配方式
主动入侵、拒绝服务、剥夺“睡眠”等网络攻击。 （ ４） 多跳路由。由于节点发射功率的限制， 节 点
（ ３） 安 全 性 较 差 ［２］。由 于 采 用 无 线 信 道 、有 限 电 源、分布式控制等技术 ， 它更加容易受到被动窃听、
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（ ３） 调制及编码方式 Ａｄ ｈｏｃ 网络是多跳共享的无线信道， 考虑到竞 争 共 享 无 线 信 道 产 生 的 冲 突 、信 号 衰 减 、噪 音 和 信 道 之间干扰等多种因素， 移动终端得到的实际带宽远 远小于理论上的最大带宽。因此要采用频谱利用率 较高的调制方式 ＯＦＤＭ， 且 ＯＦＤＭ 有着抗干扰抗多 径衰落等优势， 非常适合于 Ａｄ ｈｏｃ 网络。 采用 ＭＩＭＯ 技术， 利用空分复用和分集， 在不增 加额外功率和带宽的前提下提供高的频谱利用率， 是一种智能天线技术。能够有效地提高通信系统的 抗干扰能力， 降低系统传输的误比特率， 提高链路及 路由传输的可靠性， 能够满足无线信道条件较差环 境的应用要求。 （ ４） 节点能耗 可 达 性 和 便 携 性 在 Ａｄ ｈｏｃ 网 络 中 是 一 对 矛 盾 的综合体。一方面， 为了提高通信的可达性， 可以提
１ 引言
未来移动通信网络除了以低成本达到高数据率 外， 还要求网络组网灵活， 具有适应性和生存能力。 Ａｄ ｈｏｃ 网络是一种没有预定的基础设施支撑的自组 织可重构的多跳无线网络， 可独立存在， 也可以作为 蜂窝移动网络的有效加强。因此， Ａｄ ｈｏｃ 网络将因其 灵活性而在未来移动通信网络中扮演重要作用。
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Ａｄ ｈ ｏ ｃ 网络物理层关键技术
畅志贤
（ 西安邮电学院 通信工程系 西安 ７１０１２１）
摘 要 目前移动自组织网（ Ａｄ ｈｏｃ Ｎｅｔｗｏｒｋ） 被越来越多的方面应用， 对它的研究也越来越多的关注。由于网络结 构的特殊性， 其物理层的安全性， 信道及调制方式等均有其特殊要 求 。本 文 中 在 Ａｄ ｈｏｃ 物 理 层 采 用 跳 频 正 交 频 分 复用的调制方式， 并讨论了其同步问题。 关键词 自组织网 物理层 调制 跳频正交频分复用
便携性又对设备的体积、重量电源等提出了种种限 中采用了跳频方法进行数据传输， 所以在接收端每
制。为了保证节点的工作时间， 如何降低移动节点的 个 ＯＦＤＭ 符号的时间和频率偏移都是不同的， 这就
能量消耗是一关键问题。如减少分组重传， 提高收发 需要对每个 ＯＦＤＭ 符号单独进行时间和频率同步估
器的使用效率， 设计基于功耗的路由算法等， 在物理 计。
Ａｄ ｈｏｃ 网络是一种多跳的、无中心的、自组织无 线 网 络 ， 又 称 为 多 跳 网（ Ｍｕｌｔｉ－ ｈｏｐ Ｎｅｔｗｏｒｋ） 、无 基 础 设 施 网 （ Ｉｎｆｒａｓｔｒｕｃｔｕｒｅｌｅｓｓ Ｎｅｔｗｏｒｋ） 或 自 组 织 网 （ Ｓｅｌｆ－ ｏｒｇａｎｉｚｉｎｇ Ｎｅｔｗｏｒｋ） 。 其 中 没 有 绝 对 的 控 制 中 心， 所有节点的地位平等， 网络中的节点通过分布式 算法来协调彼此的行为， 无需人工干预和任何其他 预置的网络设施， 可以在任何时刻任何地方快速展 开并自动组网。
导频插入、补零成帧等处理， 进行 ＩＦＦＴ 变换， 然后在 使相关估计性能下降。我们设定每个 ＯＦＤＭ 符号的
跳频码发生器的控制下对数据进行调制， 得到的跳 循环前缀和有效数据等长， 因此算法的相关窗口有
频信号经短波单边带发射机发射。发射信号经信道 较大的可选范围。由于每个符号前面和后面都有混
传输到接收方。接收方将接收到的信号在本地跳频 叠区， 所以窗口的选取如下图 ３ 所示。
的覆盖范围有限。当它要与其覆盖范围之外的节点 进行通信时， 需要中间节点的转发。此外， 自组织网 络中的多跳路由是由普通节点协作完成的， 其信道 是多跳共享的无线信道。
占用其中的一个或者几个时隙。但是对于无线自组 织网络来说， 静态分配方式不能适应节点的移动和 拓扑的变化； 而在一个分布式多跳系统内， 进行动态 分配也还有很多问题需要解决， 将 ＣＳＭＡ／ＣＡ 和 ＴＤ－ ＭＡ 结合， 提高信道分配效率， 减少冲突。
２ Ａｄ ｈｏｃ 网络特点
Ａｄ ｈｏｃ 网络和一般移动通信一样具有信道、用 户和业务 ３ 个动态特性， 即： 信道的动态性， 主要表
现为信道受自然和大气环境的影响极大， 信道参数 随时间快变化； 用户的动态性， 具体表现为信道随用 户的移动而产生较快的变化， 带宽不稳定； 业务的动 态性， 具体表现为用户可随机自由选择不同媒体的 通信方式， 各类用户不同媒体业务要求互不干扰， 用 户需要实现同时多接入。但是 Ａｄ ｈｏｃ 网络也具有以 下显著特点：
码发生器的控制下， 进行解跳解调。该信号经解交织 和译码后得到输出信息。且从图中也可以看出， 同步 是十分重要的部分， 关系到解跳解调能否正常完成
相关峰最大峰值的范围 Ｔｃ
和收发双方码相位和载波能否保持一致。
１
１
２
２
将 ＯＦＤＭ 技术应用于跳频通信中， 并令在每一
跳频点传输一个 ＯＦＤＭ 符号。 ＯＦＤＭ 技术本身对于定时和频偏的敏感致使其
Ａ
双向信道
Ｂ
Ｄ
他安全措施。其中本文选择跳频的方式来改善其抗
Ｃ
干扰性能［４］。
（ ２） 利用信道分配策略改善吞吐量
对于单信道 Ａｄ ｈｏｃ 网络， 其 ＭＡＣ 协议需要考
Ｆ
虑的是如何充分利用信道， 避免冲突。ＣＳＭＡ／ＣＡ 是
单向信道
目前应用非常广泛的协议， 节点通过物理信道侦听
Ｇ Ｈ
（ ＣＣＡ） 与虚拟网络侦听（ ＮＡＶ） 结合的方式进行载波