DARPA的下下代网络(WNaN)体系架构研究

谢 明，李大双，景中源

(1.中国人民解放军95899部队，北京100085;2.中国电子科技集团公司第三十研究所，四川 成都610041)

0 引言

美国国防部高级研究计划局(DARPA)于2006年就启动了下下代无线网络(WNaN)计划［1］，进行一些新技术的开发，并同时演示基于低成本的、可高密度部署的认知无线节点的军用组网技术的生存能力，这些低成本认知无线节点为采用低廉商用器件制造的军用无线节点。这些节点构成的网络的可靠性和健壮性得益于自适应组网技术，例如动态频谱接入(DSA)、基于内容的组网(CBN)、延迟与容中断组网(DTN)以及基于策略的网络控制与频谱决策［2－3］。

WNaN通过采用一种创新的体系架构和协议套件来应对高带宽、业务流多样性、快速部署、容忍业务与连接中断以及价格要低廉从而可大量密集部署的技术挑战。WNaN寻求实现一个价格低廉而用得起的、高可扩缩的、鲁棒的以及自组织的多跳无线网络，以满足目前和未来的各种新的军事需要。大量新技术的采用，比如基于策略的动态频谱接入、分布式控制、动态频率指派、基于内容的连网(CBN)、以及容中断路由，使得WNaN能够实现这个目标。

WNaN是第一个将移动Ad Hoc网络(MANET)技术［4］、动态频谱接入、容中断组网(DTN)等先进技术融合为一个系统的网络，创新了多种不同的成熟的技术思想，因而WNaN为将多种先进技术融合在一起的一种体系架构。

1 WNaN的体系架构

图1解释了WNaN内每个无线电通信平台中包含的各个组成部分。每个主功能框(媒体接入控制(MAC、路由、集束包协议代理(BPA)以及动态频谱接入(DSA))为一个单独的协议模块，有其特定的用途，并且具有一组到其他模块的接口。在每个主功能框的那些内部功能框描绘了该模块的特别关键的功能。在大多数情况下，这些内部框直接相应于执行那个功能的一个软件线程。

图1 WNaN体系架构的具体实现Fig.1 Realization of WNaN architecture

1)媒体接入控制(MAC)。采用在频率上的周期心跳功能执行邻居发现，创建路由模块使用的链路轮廓。一个链路轮廓为如何才能使通信距离达到一个邻接节点的一个参数化描述(频率、数据率、FEC、功率)。MAC为这几个收发器指派不同的频率，采用一个改进的CSMA/CA机制来仲裁到该信道的接入。MAC支持在探测期内通过静默进行的频谱探测。每个收发器由一个单独的接入工作线程来控制，并且这组工作线程由接入控制器来进行协调。为了实现诸如协作的频谱探测与MIMO操作之类的功能，在各个收发器之间需要进行协调。

2)动态频谱接入(DSA)模块。负责执行频谱策略推理，确定哪个频率可能允许使用，确定在频率上的请求探测周期，对探测事件结果进行分类，向MAC提供频率指派的可用频率表。DSA模块持续地在现有频谱上寻找非合作者(即非WNaN节点，该频谱上可能的主要/次要用户)，重新根据时间和地理位置来评估策略，并且当可用频率表改变时更新提交给MAC的可用频率列表。MAC自身负责确定频率指派、当一个频率退出使用时删除该频率并执行网络的重构。

3)路由模块。包括在连贯的以传统MANET风格选路的网络中的路由，以及在不连贯的以DTN风格选路的网络中的路由。连贯的选路使用朦胧视野链路状态和多点中继(MPR)机制，使用了MAC层提供的链路轮廓描述。不连贯的选路是基于优化的传染路由。WNaN还提供在采用局部传染路由协议的模式间的无缝切换能力。

4)集束包协议代理(BPA)。在路由的控制下提供转发与存储服务。源节点将若干个IP分组封装成为集束包提交给BPA。接收到来自IP层的一个分组后，BPA向路由模块的路由应答线程询问应采取的行动(发送给节点、存储或丢弃)，并执行合适的功能。BPA的功能类似于一个典型MANET内部的转发功能，但其不同点是能够将一个集束包存储起来稍后再传输，并按照DTN标准进行集束包操作而非以IP分组进行操作。这并不意味着每个IP分组都得到DTN服务，而是每个IP分组在其业务流类型合适时有可能得到DTN服务。

WNaN网络在IP协议栈下面运行。WNaN自身作为IP协议栈的一个以太网“设备”形式出现，除了在源和目的端点以外，无需与IP交互就能为分组提供多跳路由转发服务。这个体系架构类似于商用的交换式以太网设备跨越多个设备转发分组的方式，但其IP栈自身可以将所有节点看成为是在同一个子网段上操作。这个体系架构的优势是不需要对基于IP设计的应用进行修改，因此无需将可能会不断改变的多跳路由提供给IP栈和外部的路由器，并且可以自由地改进其逐跳转发机制，以诸如针对DTN服务的及时转发、暂时存储以及网内缓存。

2 WNaN采用的主要技术

2.1 动态频谱接入

WNaN系统能够在干扰影响用户的应用之前，通过探测和避免干扰的方法，在存在非合作干扰者的情况下运行。WNaN遵守针对这些频率规定的选择和使用策略。该体系架构包含一种存储策略的方法和一个“策略符合性推理器”。策略推理器分析探测到的现象并判断一个频率是否可以使用，它使用C++对象窗口库(OWL)来描述，能够将多个策略加载到WNaN中，并且能够自动执行跨策略的组合并区分优先顺序，以便在符合多个策略的前提下确定可以使用哪些频率。

DSA模块粗略地将信道划分为可能存在的、许可(可能存在的范围内的一个子集)以及已用(许可范围内的一个子集)信道。图2给出了对这些频率集之间关系的一个形象的描述。可能信道集合由“主用”集合组成，即基于外部策略在特定的地点和时间可以设法使用的任何频率。许可信道集合由目前正被探测并且经过针对非合作的检测与分类后被认为可以使用的那些频率组成。已用信道为目前已被MAC指派使用的信道。探测是在当前许可列表和至少在可能存在的部分频率列表上持续执行的操作，便于在许可使用列表因动态的策略改变或因一个非合作者出现而使得其中一个频率被删除时，找出替换的频率。

图2 WNaN内的频率集间关系Fig.2 Frequency sets relationship of WNaN

DSA的一个关键功能是探测非合作者。DSA向MAC发出探测时间请求，然后由MAC调度安排探测时间。对于每个探测间隔，DSA提供探测的信道表和要使用的探测器。然后，MAC与其它节点通信会话，在某一半径内在探测的那些频率上执行“静默”，并且使用这些探测器进行探测。然后将其探测结果传递给DSA用于分类和策略审查。

通过持续执行上述过程，使得DSA维持了一个动态的可用信道表，MAC可以使用该表内的那些信道。特别地，当一个先前可用的信道因一个非合作者的出现而成为不可用时，要立即通知MAC，使其能够针对每个策略采取必要的规避与重构操作。

2.2 媒体接入

WNaN媒体接入协议是基于CSMA/CA(其CA为可选项)实现的，类似于IEEE 802.11采用的方法。之所以选择执行TDMA上的CSMA/CA，是因为它具有几个方面的优势:能更好地支持多种类和突发的业务流、能很好地容忍移动性、简单性、具有很好理解的动态特性以及健壮性。此外，虽然TDMA只有在高负荷时才具有效率优势，但是该体系架构通过使用四个收发器和动态的频率指派减轻了其影响，它能够提供充足的容量并消除许多隐藏终端问题。该协议类似于802.11，但有一些差别，比如采用了一种基于业务的自适应后退方案，获得了更好的性能。

WNaN接入方案支持一种空中的QoS区分服务方案，它允许较高优先级业务流能够更快地接入信道。它支持几个信道接入优先级，每个优先级都具有独自的最小和最大竞争窗口。分组的优先级越高，其竞争窗口就越小。每个优先级的后退机制是相同的，即在每次不成功的单播传输时或在信道因广播而处于忙状态时增大后退时间。这种机制也加强了跨节点的优先级能力，例如，如果在彼此的附近存在两个干扰流，但不是穿过同一个节点，这个方案将给予较高优先级的流优先接入的机会。

该媒体接入方案的一个关键部分为支持探测。为了执行合适的探测，在一个节点的干扰范围内的所有节点在探测期间都是静默的。在执行静默时，采用了一种新的称为服从探测(DTS)的控制消息，其目的是为了警告邻接节点即将进行一次探测操作。将该DTS在当前指派了一个频率的所有收发器上广播出去。通过使用一个公共的“覆盖”频率，使DTS能到达所有的邻居。在每个DTS探测间隔之前，可以发送多个DTS，以提供冗余性。一个DTS包含有将在其后执行一次探测的相对时间和探测的时间宽度。一个接收节点基于调制解调器和传播时延计算其绝对探测时间。它不需要诸如GPS这类的任何同步时间。为了使利用率最大化，各节点要协调它们的探测操作，即一个节点尽可能地选取一个与邻居们一致的探测间隔。应该注意，这并非是一个严格的约束，并且某些节点可以具有多个静默期。与所有节点都同步到一个单一时间相比，尤其是面对移动性时，这个体系架构更灵活且更健壮。

2.3 分布式动态频率指派

与传统的单电台单信道网络不同，WNaN能够支持同一个节点在邻域内在多个信道上进行同时的通信，大大地增加了容量。其实现是通过采用一种动态的、分布式算法为节点的每个收发器指派许可频率。当其拓扑改变时，比如当节点移动了，或许可频率列表改变时，或者一个频率因一个非合作信号的出现需要撤销时，将重新指派这些频率。当一个节点被激活时，它首先试图发现其他节点并了解它们的频率指派信息。它将其中的一个收发器“软性”指派一个随机选取的频率，然后发送探测。它并行地扫描其它的许可频率以便发现邻居。在通过收到的心跳信息发现了其邻居们并且了解了它们的指派信息后，节点采用以下叙述的算法将该指派转换为“硬性”。一般说来，在“稳态”下，各节点使用从心跳消息学习到的邻居指派，沿着它们的许可信道列表持续地监视和更新其指派。

频率指派的核心是为每个收发器选择频率的一种启发式算法。需要注意，不同邻居集合在不同的频率是可达的。总而言之，在频率上的共用性越多，其连通性就越好，但却减少了空分重用效率。因而，在频率指派上的一个关键的技术难点是平衡其连通性(物理拓扑)和空分重用效率。WNaN体系架构解除了这种折中难题，即其频率选择启发式算法来源于该分布式算法的实际机制，因而可以使用各种方法。小圈子指派就是这样一种启发式算法，它由两个部分构成:确定哪些信道为可指派的合格信道，并基于其收益对合格信道排序。如果一个信道c如果已被指派给了其他收发器，或者这样的指派将导致一条3跳的路径X－Y－Z(该节点为X、Y或Z之一，并且所有这三个节点都将c指派给了它们的某个收发器)，则被认为是不合格的。在这个方案中，一个信道的“收益”为已经指派到该信道上的邻居数。这个方式使得在每个频率上的节点小圈子个数增多，因而取了这样一个名称。该小圈子启发式算法提供的几个关键能力之一，是它避免了两跳远内的节点共享同一个频率，从而消除了隐藏终端的问题。这种机制，通过消除碰撞以及消除了对碰撞避免分组(RTS/CTS)的需要，能显著地改善吞吐量。

2.4 可扩缩的路由

WNaN路由的功能是从一个给定的源路由和转发集束包到一个或多个目的地，即使一个目的地临时断开了一个拉长的时间段也是如此。特别是，WNaN路由能够在非同时存在的、但最终能连通的或最终可传送的网络路径上递交分组。WNaN路由的其他目标包括在网络规模与密度上的可扩展性、支持移动性与有限的复杂性。

WNaN采用了基于目的地的逐跳路由。一个集束包穿越该网络时遵循的路由为其最终目的地的函数。每个中间跳节点根据它所具有的信息，按照其目的地函数来确定该集束包的下一跳。

对于在连通的区域内路由，WNaN使用先应式路由机制，特别是采用了一种链路状态路由的形式。我们选择工作于在反应式路由之上的先应式路由，以便使网络延迟最小化。为了提高扩展性，WNaN在传统的链路状态路由上增加了两个改进措施，及朦胧视野链路状态(HSLS)和多点中继(MPR)。HSLS提供了一种限制链路状态更新(LSU)扩散的算法，它限制了拓扑更新在网络内穿过的跳－距离。HSLS的基本思想是:离链路变化远的那些节点不需要知道所有的变化，以便做出良好的路由决策。MPR为一种高效率扩散LSU的技术。MPR限制了广播链路状态信息的节点数，而不是允许每个节点都转播。

为了进一步减小网络中的开销总量，WNaN使用了大量的算法，比如链路状态信息业务流整形采用的经典算法。特别是，通过抑制定时器限制了传输的LSU的数量，并且将多个LSU聚集起来封装到单个分组内，以便减小每个分组的信道接入代价。对于在不连通的或断裂的那些区域(即当通过存储来寻找非同时存在的路径时)，WNaN执行了一种基于事件的传染协议，它是专门针对容中断网络(DTN)设计的一种反应式路由协议。传统IP风格的路由与DTN风格路由之间存在显著的差别。传染算法采用在每个邻节点集合之间的一种握手机制，以同步它们之间存储的集束包。其握手或同步消息仅用于传递某个邻居的那些新集束包，因而减少了不必要的集束包传输。已有的研究表明，只要在时间上(非同时)存在某个路径传染协议就能够递交分组。尽管传染协议的开销密集，但考虑到WNaN网络仅偶尔才会断裂，并且仅在某些区域内会发生，因此其影响将很小。

为了适应在时间和拓扑上会出现连通的和断裂的路由，WNaN融合了传染路由协议，以协作增效的目的组合采用了链路状态与传染路由的机制。分组能够以传染机制出发穿越该网络，但是当发现了一个路由时，也能够转换为以传统的连通MANET技术来进行路由。在转发一个分组到其目的地的路途中，能够从连通路由技术到中断路由技术再回到连通路由技术之间切换多次。传染协议结合了一些技术，以防止单纯混合方法固有的路由循环。作为一种红利的负效应，传染协议减小了在该网络的不连通部分中使用传染路由时在网络范围内的开销，但超时的那些集束包将被丢弃，各节点也会停止接收邻居的超过存储时限的那些集束包。

WNaN路由也支持多播。具体地讲，它通过链路状态拓扑数据库来构造多播分发树，并且沿着这些树采用逐跳转发来发送多播分组。在每一跳或分杈点上，根据下游邻居的个数决定以广播或单播方式来发送分组。WNaN提供了两种多播算法，即基于源树和基于网状“自我树”的算法。基于源树的算法需要每个节点针对每个多播组计算从每个潜在的源到其多播目的地集合的多播生成树，然后确定该节点自己关于该树的转发角色。称为自我树的新颖机制提高了单播树的计算量，以便提供网状风格的多播能力，其中各节点动态地基于上一跳的目的地指派来确定它们在转发树中的角色。每种多播算法具有不同的权衡，适合于不同种类的网络与多播组，基于源树的算法在网络中的分组传递数量方面是最佳的，而基于自我树的算法以增加协议头开销的微小代价，减小了多播的运算量。这种高效率支持多播的机制，在多播通信占主导地位的军事通信中具有很大的价值。

3 WNaN的试验情况

WNaN采用了雷神BBN公司的组网软件和科巴姆公司的无线电通信硬件。WNaN无线电通信平台为一种价格低廉的军用组网无线通信装置，它基于商用器件来实现。其设计与构造减少了RF(射频)前端的成本，使得网络具有自适应能力。该无线电通信平台具有四个收发器，每个收发器都能提供900 MHz～6 GHz的宽带操作、90 kb/s～2 Mb/s的自适应数据率，每个收发器的输出功率为1 W。

WNaN的MAC层通过采用一种灵活的支持动态频谱接入等功能的多频CSMA/CA协议，提升了多收发器系统的效率。WNaN网络层同时支持高效率的单播与多播路由，它能够在连贯的和不连贯的路由模式之间自适应。特别地，WNaN采用了容忍中断的组网(DTN)技术，能够在非同时连通的那些路径(例如分割和愈合的、数据骡子等)上路由。

DARPA已进行了多次WNaN组网通信的应用演示，包括2010年6月采用52个移动手持节点的演示和2010年9月、10月采用100个节点进行的演示。通过这多次的演示，经验证了WNaN技术方案的有效性。

4 结语

文中主要叙述了WNaN的网络层和MAC层的体系架构以及其关键机制。WNaN融合了诸如动态频谱接入与容中断路由这样的先进概念，并且利用诸如动态分布式频率指派这样的一些新技术机制来增加网络容量。WNaN体系架构采用了如CSMA/CA与链路状态路由这样的简单、健壮以及易于理解的MAC层与网络层方法，将成熟技术与创新技术相结合，提供了一种十分有效的边缘战术网络解决方案。

基于价格低廉的商用器件，以融合性强的灵活软件平台，构造新一代功能先进、性能优良的新一代战术网络，使得在战术边缘的大量作战人员中密集部署使用成为了可能，真正成为了用得起的军用无线通信产品。这种设计与开发思路，对于下一代战术网络的设计具有重要的指导意义。

［1］REDI J，RAMANATHAN R.The DARPA WNaN Network Architecture［C］//Military Commnunications Conference，2011 － MILCOM 2011.［s.l.］:IEEE，2011:2258－2263.

［2］MARSHALL P.DARPA Progress Towards Affordable，Dense，and Content Focused Tactical Edge Networks［C］//Military Communications Conference，2008 －MILCOM 2008.［s.l.］:IEEE，2008:1 －7.

［3］WIGGINS D P.Scalability Features of the WNaN Routing Protocol［C］//Military Communications Conference，2011 － MILCOM 2011.［s.l.］:IEEE，2011:861 －865.

［4］姜永广，田永春.一种无线自组织网络动态路由协议［J］.通信技术，2010，43(06):154 －156.JIANG Yong－guang，TIAN Yong－chun.A Dynamic Routing Protocol for Wireless Ad Hoc Networks［J］.Communications Technology，2010，43(06):154 －156.