多信道定向MAC协议详解

1）NLOS（c）方式下通信覆盖范围

在飞行编队之间进行通信时采用定向到定向MAC协议，紫外光工作在NLOS（c）模式下，这种通信方式和NLOS（a），NLOS（b）相比通信距离最远、带宽最宽、通信效果最好。

c类通信方式投影立体图如图9.13所示。θt和θr分别为发送端仰角和接收端仰角，均小于90°；φt和φr分别为发散视场角和接收视场角。∠EAF为可见覆盖范围的方位角。参考文献［29］可知：

图9.13　NLOS（c）类通信投影立体图

前向散射的覆盖距离为

式中，r为传输距离，θs为散射角。由该式可知，紫外光NLOS（c）模式下，覆盖范围方向角和发散视场角、发送端仰角有关。前向散射的覆盖距离和收发视场角、收发端仰角、散射角和传输距离有关。

2）区域划分

由于定向紫外光束覆盖范围有限，覆盖范围以外区域的信息无法接收，引起严重的“耳聋”问题。“耳聋”问题指覆盖区域以外的节点给该节点发送消息时，该节点无法“听见”信息，导致发送节点发送失败，退避窗口不断增加甚至认为该节点不可达的问题。如图9.14所示，节点A在和节点B进行定向通信的过程中无法通知其他节点设置方向性网络配置矢量（DNAV），并且节点A接收不到节点C发送的RTS信息，导致节点C不断退避重传，A节点成为听不到信息的“耳聋”节点。(www.xing528.com)

“耳聋”问题的存在，使得紫外光定向通信性能很差，无法满足网络中大量信息交换的要求，因此要通过引入多信道传输来提高紫外通信的空间利用率。紫外光定向通信过程中，一套收发装置对应一个接口，每个接口对应一个紫外光传输信道，只能在一个固定方向上进行信息交换。

图9.14　定向通信方式下的“耳聋”问题

图9.15　3信道紫外光定向通信

在机间紫外光通信网络中，每个簇首节点上安装N个紫外收发器，N个接口均匀分布，且发射仰角和发散视场角相同（本节设定覆盖范围方向角为60°），则通信区域被分为N个等间距分布且覆盖范围相同的区间。飞行网络中各个簇首节点均采用统一配置，图9.15为N=3的节点通信平面图。由图可知，A节点和B节点分别对应1，2，3三个接口，根据通信节点所在的位置选择相应的接口进行通信。例如：当A节点和B节点需要信息传输时，则使用A节点的1接口与B节点的2接口进行通信。

3）协议描述

网络初始化：在网络初始化时，根据飞机上安装的导航定位装置（global position system，GPS），确定相邻飞机方向并构建每个通信飞机的邻居表。邻居表中包括邻居飞机、接口号两个信息，邻居表根据飞机位置实时更新。如果发送信息飞机的邻居表中直接有接收飞机信息，即为单跳通信；若邻居表中没有接收飞机的接口信息，则需要多跳实现信息传输。

信道预约：数据传输前首先要进行信道扫描。位于空闲信道扫描模式时，各个接口方向收发器同时进行扫描。以图9.15中A机与B机通信为例，当确定有数据从A机发送到B机时，从A机的邻居表中直接选择B机相对应的接口1发送DRTS请求，A机其余接口继续扫描，等待新的信息传输任务。B机收到A机发送的DRTS请求后，按B机邻居表中的接口信息，通过接口2回复DCTS给A机，同样B机其余接口方向继续扫描。A机收到B机传回的DCTS，则表明信道预约成功，开始进行数据传输，新协议数据传输方式和传统DCF方式相同，数据传输和确认帧传输均为定向模式，传输过程为DRTSDCTS-DDATA-DACK。

DNAV更新：当B机收到A机发送的DRTS请求，同时A机的邻居飞机C会接收到A机发送给B的DRTS请求。A机的其余邻居飞机会根据向B发送的DRTS请求中的Duration／ID域值更新自身方向上的DNAV值，DNAV值表示网络中正在进行信息交换的节点要占用信道的时间，此DNAV值只表示这个时间内不可以向A机被占用的接口方向发送信息，不影响其他接口方向的信息传输。

接收信息的飞机B的邻居飞机也会收到B发送给A的DCTS应答，并根据向A机发送的DCTS请求中的Duration／ID域值更新自身方向上的DNAV值。同样此DNAV值只表示这个时间内不可以向B被占用接口方向发送信息，不影响其他接口方向的信息传输。载波侦听只要确定通信方向DNAV值为0，则判定通信信道空闲，和非通信方向DNAV值无关。