郭首江 劉強

摘要：無人機蜂群網(wǎng)絡(luò)中，網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和媒體接入控制（MAC）協(xié)議是影響網(wǎng)絡(luò)性能的重要因素。根據(jù)無人機蜂群通信網(wǎng)絡(luò)的特點，提出了樹形拓撲的分層通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，并針對這一網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，設(shè)計了一種混合型媒體接入控制協(xié)議。該混合型媒體接入控制協(xié)議采用動態(tài)時隙分配的方法，結(jié)合了載波監(jiān)聽多路訪問（CSMA）協(xié)議和時分多址（TDMA）協(xié)議的優(yōu)點，可以滿足無人機蜂群網(wǎng)絡(luò)高帶寬、低時延的要求。仿真結(jié)果顯示，該混合型媒體接入控制協(xié)議在高負載場景下，端到端時延約為0.1 s，投遞率約為95%，緩存隊列大小穩(wěn)定，沒有發(fā)生隊列堆積的情況。在多優(yōu)先級業(yè)務場景下，高優(yōu)先級業(yè)務的端到端時延約為0.08 s，投遞率約為98%。相較于單獨的CSMA和TDMA協(xié)議來說，可以更好地支持樹形拓撲的無人機蜂群網(wǎng)絡(luò)。

關(guān)鍵詞：媒體接入控制協(xié)議;無人機蜂群網(wǎng)絡(luò);樹形拓撲

中圖分類號：TP393文獻標志碼：A文章編號：1008-1739（2021）19-62-6

0引言

隨著作戰(zhàn)范圍的日益擴大和戰(zhàn)場環(huán)境的日趨復雜，單個無人機在執(zhí)行任務時很難全方位感知各種信息，一旦出現(xiàn)故障或被敵方摧毀，將無法完成任務。無人機蜂群是指將多種任務載荷的低成本小型無人機基于開放式體系架構(gòu)綜合集成[1]，以通信網(wǎng)絡(luò)信息為中心，構(gòu)建具有抗毀性、低成本、功能分布化等優(yōu)勢的作戰(zhàn)體系[2-3]。無人機蜂群組成的網(wǎng)絡(luò)即無人機自組網(wǎng)（UAV Ad Hoc Network，UANET），屬于移動自組網(wǎng)（Mobile Ad Hoc Network，MANET）的一種。相較于一般的移動自組網(wǎng)和車輛構(gòu)成的車載自組網(wǎng)（Vehicle Ad Hoc Network，VANET）來說，無人機自組網(wǎng)具有移動速度更快、拓撲變化更快、覆蓋面積更廣等特點。

樹形拓撲的無人機蜂群網(wǎng)絡(luò)是一種特殊陣列的無人機蜂群網(wǎng)絡(luò)，在網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)上具有更加規(guī)整的層級劃分，各層級無人機的通信方式和通信能力都不盡相同。這種特殊形態(tài)的網(wǎng)絡(luò)，具有高帶寬低時延的需求。媒體接入控制（Medium Access Control，MAC）協(xié)議是影響無人機網(wǎng)絡(luò)性能的重要因素，可以通過對MAC協(xié)議的改進來適應樹形拓撲的無人機蜂群網(wǎng)絡(luò)，從而降低無人機之間通信的時延，提高無人機之間的通信帶寬，以達到樹形拓撲無人機網(wǎng)絡(luò)的QoS需求。

目前，無人機蜂群網(wǎng)絡(luò)中一般使用的MAC協(xié)議主要分為競爭類MAC協(xié)議、分配類MAC協(xié)議和混合類MAC協(xié)議。

競爭類MAC協(xié)議的代表性協(xié)議是CSMA/CA協(xié)議，文獻[4]為了提高無人機自組網(wǎng)的QoS性能，對CSMA/CA協(xié)議進行了結(jié)構(gòu)調(diào)整，但是調(diào)整之后的時延仍然無法滿足無人機自組網(wǎng)的需求。文獻[5]以CSMA協(xié)議為基礎(chǔ)，加入了業(yè)務優(yōu)先級的影響因素，設(shè)計了基于統(tǒng)計優(yōu)先級的多址接入（Statistical Priority-Based Multiple Access，SPMA）協(xié)議，此協(xié)議依據(jù)業(yè)務的優(yōu)先級將其存入優(yōu)先級緩存中，根據(jù)信道檢測的結(jié)果決定是否對其進行發(fā)送。但是競爭類協(xié)議在遇到高負載業(yè)務時，網(wǎng)絡(luò)中會產(chǎn)生大量碰撞，影響整個網(wǎng)絡(luò)的性能。

分配類MAC協(xié)議的代表性協(xié)議是TDMA協(xié)議。文獻[6]提出了一種根據(jù)業(yè)務需求而動態(tài)分配的TDMA協(xié)議，為不同業(yè)務類型的節(jié)點分配相應的時隙。文獻[7]將MAC協(xié)議分成2個階段：信標幀階段和數(shù)據(jù)幀階段。在信標幀階段對時隙資源進行競爭，在空間重用的基礎(chǔ)上可以找到空閑的時隙作為節(jié)點的額外時隙，從而提高TDMA協(xié)議的吞吐量和信道利用率。文獻[8]在TDMA協(xié)議中考慮了業(yè)務優(yōu)先級的因素，從而提高了無人機節(jié)點的信道利用率，確保了時隙資源的有效分配。但是分配類MAC協(xié)議存在著網(wǎng)絡(luò)業(yè)務不均勻時，有的節(jié)點沒有業(yè)務發(fā)送也分配到了時隙，從而導致信道利用率下降。

混合類MAC協(xié)議是將競爭類MAC協(xié)議和分配類MAC協(xié)議的優(yōu)點進行整合的協(xié)議。文獻[9]設(shè)計了一種結(jié)合CSMA/CA和TDMA協(xié)議優(yōu)點的CC-MAC協(xié)議，采用空間分集技術(shù)，提出一種基于附近2架無人機合作的數(shù)據(jù)同步傳輸方案，網(wǎng)絡(luò)分配矢量狀態(tài)的節(jié)點可以在不發(fā)生延遲的情況下同時傳輸數(shù)據(jù)。文獻[10]提出了一個自適應MAC框架，允許多個MAC協(xié)議根據(jù)業(yè)務信息相互切換。依據(jù)此框架設(shè)計了CT-MAC，無人機可以根據(jù)偵查任務時自身位置的不同在CSMA和TDMA之間切換，從而達到協(xié)議的效果好過單一的CSMA和TDMA協(xié)議。然而以上2種混合類MAC協(xié)議無法滿足樹形拓撲無人機網(wǎng)絡(luò)集中式管控的需求。

總體而言，現(xiàn)有的針對無人機網(wǎng)絡(luò)的MAC協(xié)議并沒有很好地滿足樹形拓撲無人機網(wǎng)絡(luò)的高帶寬低時延需求。本文根據(jù)提高吞吐量及降低延時的要求，采用一種基于載波監(jiān)聽多路訪問（CSMA）和時分多址（TDMA）混合的MAC協(xié)議。協(xié)議整體上采用的TDMA的超幀結(jié)構(gòu)，根據(jù)不同優(yōu)先級的業(yè)務量情況，動態(tài)地在CSMA階段和TDMA階段進行轉(zhuǎn)移，從而自適應調(diào)整無人機的接入狀態(tài)，以達到高帶寬、低時延的需求。

1網(wǎng)絡(luò)模型

本文考慮的場景包括一個高層無人機和多個低層無人機。高層無人機和低層無人機構(gòu)建了樹形的層級網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。高層無人機首先對地面環(huán)境進行探測，隨后根據(jù)任務釋放出低層無人機對地面進行視距探測。低層無人機需要將探測的情報實時回傳給高層無人機，高層無人機也會定期發(fā)送指控命令等信息給低層無人機，樹形拓撲的無人機蜂群網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

①高層無人機是一架大型固定翼無人機，具有移動速度快、安全性高、通信能力強等特點，可以直接和低層無人機進行通信。高層無人機還可以對地面環(huán)境進行偵查并釋放出低層無人機。

②低層無人機由多架旋翼微機組成，移動速度緩慢、通信能力較差、受高層無人機控制，可以對地面環(huán)境進行信息采集。

2 MAC協(xié)議設(shè)計

2.1樹形拓撲無人機蜂群網(wǎng)絡(luò)混合MAC協(xié)議

本文提出的混合MAC協(xié)議整體上采用集中式管控的思路，將上層的無人機作為父節(jié)點，相應的下層無人機作為子節(jié)點。由于在多層無人機網(wǎng)絡(luò)場景中，存在多種類型的業(yè)務，各個業(yè)務對帶寬和時延的需求也不盡相同。業(yè)務大體上可以分成輕量級業(yè)務和重量級業(yè)務。輕量級業(yè)務如指控業(yè)務和地理信息業(yè)務，此類業(yè)務延時要求較高，而本身的業(yè)務量很少。重量級業(yè)務如圖片業(yè)務和視頻業(yè)務，此類業(yè)務延時要求較低，而本身的業(yè)務量很大，因此所需的網(wǎng)絡(luò)帶寬需求很高。

傳統(tǒng)的CSMA協(xié)議是一種競爭型MAC協(xié)議，適用于低流量的場景，在高負載時容易發(fā)生碰撞，進而導致整個網(wǎng)絡(luò)時延的暴增。傳統(tǒng)的TDMA協(xié)議是一種預約型MAC協(xié)議，適用于高流量固定拓撲場景。即使遇到大量的業(yè)務，也會按照事先分配好的時隙去傳輸業(yè)務，因此不會發(fā)生碰撞。本文提出的混合MAC協(xié)議結(jié)合以上2種協(xié)議的優(yōu)點，在遇到輕量級業(yè)務的時候采用CSMA協(xié)議，確保業(yè)務的延時要求。在遇到重量級業(yè)務的時候，則切換到CSMA階段和TDMA階段的組合，以確保業(yè)務的帶寬要求，混合MAC協(xié)議的超幀結(jié)構(gòu)如圖2所示。

超幀由CSMA信標幀、CSMA數(shù)據(jù)幀、TDMA信標幀以及TDMA數(shù)據(jù)幀四部分構(gòu)成，其中超幀的總長度、CSMA信標幀長度以及TDMA信標幀長度都是固定的，CSMA數(shù)據(jù)幀和TDMA數(shù)據(jù)幀長度由動態(tài)算法決定。

在超幀中，信標幀用來進行父節(jié)點對子節(jié)點的廣播，CSMA數(shù)據(jù)幀和TDMA數(shù)據(jù)幀用來進行節(jié)點之間的數(shù)據(jù)傳輸。子節(jié)點在CSMA時隙的末尾匯報自己的消息隊列長度、消息排隊時間以及消息優(yōu)先級。其匯報數(shù)據(jù)幀格式在常規(guī)的MAC數(shù)據(jù)幀頭和數(shù)據(jù)部分之間加入了自身的隊列消息，匯報數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)如圖3所示。

當子節(jié)點的業(yè)務處于輕量級時，整個超幀持續(xù)執(zhí)行CSMA協(xié)議，低流量場景下的幀結(jié)構(gòu)如圖4所示。

當子節(jié)點的業(yè)務處于重量級時，整個超幀執(zhí)行圖2所示的混合MAC協(xié)議，即協(xié)議以CSMA階段和TDMA階段組合的方式運行。

2.2動態(tài)TDMA時隙劃分算法

動態(tài)TDMA時隙分配算法是在父節(jié)點上運行的。父節(jié)點收集來自子節(jié)點的隊列長度、業(yè)務優(yōu)先級信息以及隊列的排隊時間，然后根據(jù)這些已知信息來決定：超幀是否進入TDMA階段和TDMA階段的長度，以及每個節(jié)點消息隊列分配的時隙長度等信息。

2.2.3每個節(jié)點消息隊列分配的時隙長度

在CSMA階段的時候，消息隊列的消息采用PQ（Priority Queuing）的調(diào)度方式去發(fā)送數(shù)據(jù)。在TDMA階段的時候，父節(jié)點采用集中式的調(diào)度方式，為每個子節(jié)點的消息隊列分配相應時隙。

首先父節(jié)點根據(jù)子節(jié)點的緊急程度i’來等比例分配子節(jié)點的時隙塊，子節(jié)點在分配的時隙塊中再劃分不同優(yōu)先級消息隊列的時隙。這里采用基于EDF（Earliest Deadline First）算法的改進版本。

EDF算法是根據(jù)不同隊列的截止期來確定調(diào)度的優(yōu)先級，當目前隊列的截止期越小時優(yōu)先級越高，這是一種動態(tài)優(yōu)先級調(diào)度算法。本文中，在兼顧截止期的前提下，同時考慮消息隊列本身的優(yōu)先級，從而更加公平地進行動態(tài)優(yōu)先級調(diào)度。

2.3算法過程

動態(tài)TDMA時隙分配算法運行在高層無人機上，以實現(xiàn)對低層無人機的控制。低層無人機在CSMA時隙的最后進行隊列信息的匯報，高層無人機收集到信息之后，根據(jù)這些信息來完成時隙分配算法，父節(jié)點算法執(zhí)行過程如圖5所示。

3仿真分析

3.1仿真參數(shù)設(shè)置

為了驗證混合MAC協(xié)議的性能，本文基于OPNET Modeler 16.0仿真工具建立仿真場景，使用IP業(yè)務流進行業(yè)務仿真，對比傳統(tǒng)的TDMA協(xié)議、CSMA協(xié)議以及本文設(shè)計的混合MAC協(xié)議，仿真參數(shù)配置如表1所示。

設(shè)計一個典型的應用場景：1臺高層無人機和20臺低層無人機在10 km×10 km的區(qū)域組成一個樹形拓撲的無人機蜂群網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)拓撲仿真場景如圖6所示。

針對此場景設(shè)置了2個不同的業(yè)務模式。一種是高負載下的壓力測試模式，低層無人機會向高層無人機發(fā)送第一優(yōu)先級高流量的視頻流業(yè)務，由于多個無人機同時發(fā)送高流量業(yè)務，因此整個網(wǎng)絡(luò)會處于擁塞狀態(tài)，進而可以對比3種協(xié)議在此環(huán)境下的性能。另一種是多優(yōu)先級業(yè)務測試模式，低層無人機會向高層無人機發(fā)送4種優(yōu)先級的業(yè)務，進而可以對比3種協(xié)議對于不同優(yōu)先級業(yè)務的性能。

3.2仿真結(jié)果分析

3.2.1高負載模式

（1）數(shù)據(jù)平均時延仿真結(jié)果

圖7為高負載模式下的數(shù)據(jù)平均時延。由圖可知，隨著發(fā)送速率的逐漸增大，網(wǎng)絡(luò)擁塞逐漸加大，平均數(shù)據(jù)時延也相應增加。由于CSMA協(xié)議是一種競爭性的協(xié)議，當發(fā)送速率增大到400 kbps的時候，發(fā)生了退避行為，從而導致時延大幅度上升。TDMA協(xié)議是預約型的MAC協(xié)議，各個無人機節(jié)點會按照事先分配好的時隙發(fā)送數(shù)據(jù)，以確保信道不會發(fā)生碰撞，但是由于時隙分配固定，會導致信道利用冗余，因而時延穩(wěn)定在0.4 s左右。而本文提出的混合MAC協(xié)議，在網(wǎng)絡(luò)擁塞產(chǎn)生時，會動態(tài)轉(zhuǎn)移到TDMA狀態(tài)，從而減少信道碰撞，因此時延被控制在0.1 s以下，保證了傳輸?shù)牡蜁r延要求。

（2）投遞成功率

圖8為投遞成功率仿真結(jié)果。由圖可知，隨著發(fā)送速率的逐漸增大，整個網(wǎng)絡(luò)變得擁堵，因此投遞成功率也隨之下降。隨著網(wǎng)絡(luò)負載加重，CSMA協(xié)議檢測到了碰撞并開始退避，從而使投遞率大幅度降低。而TDMA協(xié)議由于初期已經(jīng)分配好了時隙，因此信道不會發(fā)生碰撞，投遞率一直維持在99%以上的水平。本文提出的混合MAC協(xié)議在檢測到信道碰撞之后，動態(tài)轉(zhuǎn)移到TDMA階段，從而確保了投遞率不會大幅下降。但是由于一個超幀結(jié)束后，協(xié)議又會跳轉(zhuǎn)到CSMA階段，因此投遞率并沒有達到TDMA那樣的水平，大致控制在95%左右。

（3）隊列緩存大小仿真結(jié)果

圖9為高負載模式下的隊列緩存大小。由圖可知，隨著發(fā)送速率的逐漸增加，隊列緩存隨之增加。由于CSMA在高負載的情況下會產(chǎn)生退避，因此隊列緩存持續(xù)累積，這也就解釋了CSMA協(xié)議在高負載狀態(tài)下高時延的原因。TDMA協(xié)議按照初期分配好的時隙進行發(fā)包，不會根據(jù)業(yè)務流量的變化而進行時隙的調(diào)整，因而會出現(xiàn)業(yè)務流量增大但是分配時隙很小的情況，這就會導致來不及發(fā)出的包越來越多，隊列緩存逐漸累積。混合MAC協(xié)議會根據(jù)業(yè)務流量的變化而動態(tài)調(diào)整協(xié)議狀態(tài)，因此可以及時把緩存隊列中的包發(fā)送出去，不會出現(xiàn)緩存累積的情況。

3.2.2多優(yōu)先級業(yè)務測試模式

（1）數(shù)據(jù)平均時延仿真結(jié)果

圖10為多優(yōu)先級模式下的平均時延。由于4個優(yōu)先級的業(yè)務同時發(fā)送，整個網(wǎng)絡(luò)會保持在擁塞狀態(tài)，因此CSMA會發(fā)生退避，隨著隊列緩存的不斷堆積，4個優(yōu)先級業(yè)務的時延均保持在4 s左右。而由于4種優(yōu)先級業(yè)務的帶寬不盡相同，TDMA協(xié)議無法根據(jù)實際流量去分配時隙，因此在不均勻業(yè)務量情況下，時延會大幅上升，4個優(yōu)先級業(yè)務的時延保持在2.5 s左右。本文提出的混合MAC協(xié)議會根據(jù)實時不同優(yōu)先級業(yè)務的負載，動態(tài)的調(diào)整協(xié)議狀態(tài)，因此不會發(fā)生緩存隊列的堆積，4種優(yōu)先級的時延隨著優(yōu)先級別的提升，時延不斷遞減，并且總體保持在0.1 s左右。

（2）平均投遞率仿真結(jié)果

圖11為多優(yōu)先級模式下的平均投遞率，隨著優(yōu)先級級別的提高，投遞率有上升的趨勢。本文提出的混合MAC協(xié)議會根據(jù)優(yōu)先級來判定網(wǎng)絡(luò)環(huán)境是否緊急，因此在遇到高優(yōu)先級業(yè)務的時候，會動態(tài)轉(zhuǎn)移到TDMA狀態(tài)，以確保投遞率。因此，隨著優(yōu)先級別的增加，投遞率也會隨之增加。而由于CSMA協(xié)議和TDMA協(xié)議均沒有對優(yōu)先級的分類處理，因此其投遞率均穩(wěn)定在固定水平。其中CSMA協(xié)議的投遞率大概在50%，而TDMA協(xié)議的投遞率為99%。

4結(jié)束語

針對無人機蜂群通信特點，提出了一種樹形拓撲的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，并對此設(shè)計了混合MAC協(xié)議，以達到可以滿足無人機網(wǎng)絡(luò)高帶寬低時延的要求。在低流量業(yè)務時保持在CSMA階段以確保低時延，在高流量業(yè)務時切換到TDMA狀態(tài)以保證高帶寬。仿真結(jié)果表明，混合MAC協(xié)議改善了CSMA協(xié)議無法滿足高帶寬以及TDMA協(xié)議無法滿足低時延的需求，通過動態(tài)切換的方式，自適應地調(diào)整協(xié)議運行狀態(tài)，當網(wǎng)絡(luò)業(yè)務負載較低時，可以滿足低時延的需求。當網(wǎng)絡(luò)負載增大時，可以滿足高帶寬的需求。因此，該混合MAC協(xié)議可以很好地適應樹形拓撲的無人機蜂群網(wǎng)絡(luò)。下一步將會針對無人機蜂群網(wǎng)絡(luò)高移動性、拓撲變化快和能耗平衡等方面做進一步的研究。

參考文獻

[1]劉廣鐘，徐藝原.一種針對樹形拓撲網(wǎng)絡(luò)的混合MAC協(xié)議[J].計算機工程，2017，43（11）：32-39.

[2]李建勛，樊曉光，喆張，等.基于優(yōu)先級的TDMA動態(tài)時隙分配算法[J].計算機工程，2011，37（14）：288-290.

[3]類延增，劉廣鐘，徐明.基于水聲傳感網(wǎng)絡(luò)的樹形拓撲混合MAC協(xié)議[J].微型機與應用，2015，34（15）：71-74.

[4] WANG L， HAI L， LIU Z . Research and Pragmatic-improvement of Statistical Priority-based Multiple Access Protocol[C]// 2016 2nd IEEE Interna-tional Conference on Computer and Communications （ICCC）.Chengdu：IEEE，2016：1-6.

[5] WANG P， LI H， YE B L， et al.Research on Statistics Based Multi-Priority MAC Protocol for Ad Hoc Networks[J]. Applied Mechanics & Materials， 2014，644（650）：3103-3107.

[6] CHEON H R， CHO J W， KIM J H . Dynamic Resource Allocation Algorithm of UAS by Network Environment and Data Requirement[C]// 2017 International Conference on Information and Communication Technology Convergence（ICTC）.Chengdu： IEEE， 2017：1-10.

[7] CHEN L， YU Z， JIAN S， et al. A Novel Broadcasting MAC Algorithm for Ad Hoc Networks[J].Procedia Computer Science，2017，6（63）：268-276.

[8] SAY S， INATA H， SHIMAMOTO S. A Hybrid Collision Coordination-based Multiple Access Scheme for Super Dense Aerial Sensor Networks[C]// 2016 IEEE Wireless Communications and Networking Conference.Doha： IEEE，2016：1-6.

[9] WANG W， CHAO D， HAI W， et al.Design and Implementation of Adaptive MAC Framework for UAV Ad Hoc Networks[C]// International Conference on Mobile Ad-hoc & Sensor Networks.Hefei： IEEE，201： 1-106.

[10]姜文超，金海，王述振，等.一種基于多優(yōu)先級隊列和QoS的服務調(diào)度策略[J].小型微型計算機系統(tǒng)，2008（3）：450-454.

[11]楊海東，景博，李建海.無人機網(wǎng)絡(luò)中支持視頻傳輸?shù)腗AC協(xié)議[J].計算機工程，2013，39（4）：94-99.

[12]卓琨，張衡陽，鄭博，等.無人機自組網(wǎng)研究進展綜述[J].電信科學，2015，31（4）：134-144.