一种基于多信道分簇结构Ad Hoc网络的簇间中继实现方案
0引言
与传统网络相比，Ad Hoc网络无需依赖于任何预先布置的固定基础设施，具有网络方便快捷、灵活性高、抗毁性强等优点，在军事战场、紧急救灾、公共服务等场合发挥了重要作用，也成为近年来人们研究的热点。Ad Hoc网络结构可以分为平面式和分簇式两种［12］，平面结构可扩充性差，适合于小规模网络，而在大规模应急救援时网内节点数量较多且不断变化，采用分簇结构将更加适合。
在Ad Hoc网络中，节点能量有限，发射功率较小，辐射范围有限，往往需要多跳才能达到目的节点，如果使用单信道通信，可能导致隐藏/暴露终端的问题［3］，影响MAC协议的性能。为了解决该问题，人们提出了多信道MAC协议，它不仅可以解决隐藏/暴露终端问题，还能提高网络吞吐量，容纳更多的用户，更适合于分簇结构的Ad Hoc网络。因此，本文将基于多信道分簇结构Ad Hoc网络的框架进行讨论。
1相关工作
目前，关于分簇结构Ad Hoc网络的节点通信方案的理论研究［47］有很多，其中簇间通信的职责由簇头承担，而簇头本身还需要对簇内普通节点进行维护管理，当簇头节点出现故障时，该簇将与其他簇失去连接，成为网络性能提升的瓶颈。参考文献［810］中对于该问题提出了不同的改进方法，但都是基于优化簇头选举和分簇算法的，并没有真正解决簇头负担过重的问题。参考文献［11］提出了用网关节点来转发簇间通信，但是当两个归属于不同簇的节点可以直达时，如果仍然交给固定的网关节点转发，则无法实现最优路径，造成一定的资源浪费。
另一方面，在分簇结构Ad Hoc网络的基础上，结合多信道MAC协议的研究目前还比较少。参考文献［12］虽然为簇内和簇间通信提供了基于分簇结构的多信道调度算法，但是其只适合基于时隙分配的通信，不适合突发业务。参考文献［13］也提出了一种基于分簇结构的多信道管理协议，并为不同的业务需求提供了竞争和非竞争两种类型，但仍然存在频谱资源管理复杂、簇间通信依靠指定节点存在瓶颈等问题。参考文献［1416］都是基于车载无线自组织网，这是一种特殊的移动性自组织网，其中节点高速移动、电量充足，不适合应急救援场景。
本文基于多信道分簇Ad Hoc网络的结构基础，针对节点间通信，特别是簇间通信提出一套实现方案。首先定义了系统的模型框架和运行机制，并提出了基于分簇结构的多信道混合接入协议，用于满足不同服务质量 (Quality of Service, QoS)需求的业务，最后针对簇间中继提出了具体的实现方案。
2系统模型
在应急救援场景下，Ad Hoc自组织网络需要支持多业务通信，如信令、短数据包等对实时性要求不高的业务，以及语言、视频等对时延和带宽都有一定要求的实时业务，因此本文采用了多用户混合信道接入机制，在IEEE 802.11e MAC协议［17］的基础上提出以下更适合多信道分簇结构Ad Hoc网络的系统模型。
系统宽带被分为1个公共控制信道 (Common Control Channel, CCC)和n-1个数据信道 (Delicated Channel, DCH)。网络中全局共享CCC信道，每个簇都有属于自己的数据信道DCHi，簇内节点都在该频点收发数据。为了实现多信道通信方案，节点必须至少配备两个接收机分别监听CCC信道和DCHi信道，综合考虑通信效率和设备成本，本文采用由一个半双工发送机和两个半双工接收机构成的硬件设备来完成通信任务。
在分簇结构的Ad Hoc网络中，节点分为主控节点、簇头节点、普通节点和中继节点4种类型。其中主控节点通过管理簇头节点来管理整个网络，簇头节点管理本簇内的普通节点，中继节点用于不能直连的节点间的通信。网络结构如图1所示。簇B中簇头用B表示，簇内普通节点用b1、b2表示，簇内数据信道用DCHB表示，以此类推。
3基于分簇结构的多信道混合接入协议
信道周期性地划分为帧来进行多用户、多业务的接入管理。每个超帧由N个长度相等的复帧构成。在每个复帧头部，主控/簇头节点在CCC/DCHi信道广播BEACON帧，用于节点同步、告知CFP时隙分配表等。每个节点会周期性地在CCC信道上发送身份广播帧（HELLO帧），用于向周围节点告知自己的节点信息以及两跳范围内的邻居节点表。每个复帧可分为竞争时段 (Contend Period, CP)和非竞争时段(Contend-Free Period, CFP)，分别对应时隙竞争接入和时隙分配接入。在CP时段，节点间采用CSMA/CA机制避免碰撞，适合传输控制症短数据包等突发业务；在CFP时段，节点采用TDMA接入方式，把信道划分为若干个时隙，每个时隙内只允许一个节点发送数据帧，每个节点根据自身业务需求在CP时段发送时隙申请帧
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