董 超 陶 婷* 馮斯夢(mèng) 屈毓錛 劉青昕 吳鈺蕾 張 珉

①(南京航空航天大學(xué)電子信息工程學(xué)院 南京 211106)

②(上海交通大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程系 上海 200240)

1 引言

近年來(lái)，陸、海、空以及航天領(lǐng)域?qū)σ苿?dòng)通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的需求與日俱增。隨著人工智能技術(shù)以及智能控制理論研究的不斷發(fā)展，與新型移動(dòng)自組織網(wǎng)絡(luò)相關(guān)的研究日新月異?；凇爸圃鞆?qiáng)國(guó)”的戰(zhàn)略目標(biāo)，移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)已成為社會(huì)重點(diǎn)研究對(duì)象，而其中的媒體接入控制(Medium Access Control,MAC)協(xié)議問(wèn)題無(wú)疑是未來(lái)自組織網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的核心研究?jī)?nèi)容之一。

現(xiàn)如今，新型移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)正朝著多元化、綜合化、智能化的方向發(fā)展。在傳統(tǒng)的移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)中，主要依靠基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)來(lái)維持通信系統(tǒng)的部署及運(yùn)營(yíng)，這樣做既增加了運(yùn)行成本，又浪費(fèi)了相關(guān)的人力資源，并且網(wǎng)絡(luò)性能優(yōu)化效果也不甚理想。因此，新型移動(dòng)自組織網(wǎng)絡(luò)則成了如今和未來(lái)網(wǎng)絡(luò)發(fā)展必不可少的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。新型移動(dòng)自組織網(wǎng)絡(luò)的用戶(hù)終端可以在網(wǎng)內(nèi)隨意移動(dòng)而保持通信，例如地面車(chē)輛、無(wú)人機(jī)、船艦、無(wú)人傳感器等，這使得它不僅能夠在現(xiàn)代作戰(zhàn)場(chǎng)景中執(zhí)行情報(bào)偵察、戰(zhàn)場(chǎng)監(jiān)視、目標(biāo)指示等任務(wù)，作為未來(lái)作戰(zhàn)和攻防的主力；而且在日常生活中的精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)[1]、網(wǎng)絡(luò)覆蓋[2]、目標(biāo)跟蹤[3]等方面均大顯身手。目前各國(guó)均很重視新型移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的開(kāi)發(fā)、試驗(yàn)等，將其列為面向未來(lái)的重要裝備之一。

其核心之一的MAC協(xié)議控制著網(wǎng)絡(luò)中的資源分配、介入和調(diào)度， MAC協(xié)議設(shè)計(jì)的好壞往往決定著網(wǎng)絡(luò)性能高低，因此設(shè)計(jì)合理的MAC協(xié)議顯得尤為重要。在真實(shí)應(yīng)用場(chǎng)景中，往往存在著傳輸沖突以及信道資源分配不公平等問(wèn)題。此外，由于信道受外界環(huán)境因素影響較大，信道不穩(wěn)定的情況時(shí)有發(fā)生，甚至?xí)霈F(xiàn)通信鏈路突然中斷等情況，因此移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)比起固定網(wǎng)絡(luò)來(lái)說(shuō)更容易受到安全威脅?？紤]到種種因素的影響，對(duì)移動(dòng)自組織網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議的設(shè)計(jì)任重道遠(yuǎn)。通常MAC協(xié)議的設(shè)計(jì)和構(gòu)建需要遵從以下6個(gè)原則。

(1)低時(shí)延原則。時(shí)延不僅決定了數(shù)據(jù)發(fā)送的時(shí)效性，而且極大地影響節(jié)點(diǎn)傳輸和工作的效率。從用戶(hù)角度來(lái)說(shuō)，時(shí)延是指1個(gè)報(bào)文或分組從一個(gè)網(wǎng)絡(luò)的一端傳送到另一端所需要的時(shí)間，它包括了發(fā)送時(shí)延、傳播時(shí)延、處理時(shí)延和排隊(duì)時(shí)延。MAC協(xié)議控制節(jié)點(diǎn)接入信道的方式，決定了數(shù)據(jù)發(fā)送和轉(zhuǎn)發(fā)的時(shí)間，因此MAC協(xié)議應(yīng)當(dāng)充分考慮到時(shí)延對(duì)網(wǎng)絡(luò)通信性能的影響，從而合理地設(shè)計(jì)時(shí)隙寬度。

(2)高吞吐量原則。吞吐量是衡量通信網(wǎng)絡(luò)性能的常用有效指標(biāo)之一。MAC協(xié)議決定信道資源的分配和調(diào)度，合理的信道資源分配是網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)建立可靠的通信前提，也是實(shí)現(xiàn)信道資源利用最大化的重要保障。當(dāng)信道資源滿(mǎn)負(fù)荷使用時(shí)，網(wǎng)絡(luò)的吞吐量便能得到有效提高，高效的時(shí)隙預(yù)約和合理的時(shí)隙分配機(jī)制則必不可少。

(3)低功耗原則。在新型移動(dòng)自組織網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，通常是靠獨(dú)立電池供能來(lái)維持節(jié)點(diǎn)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。由于獨(dú)立電池的電量有限，且在電量耗凈前難以進(jìn)行及時(shí)更換回收，所以在實(shí)際情況下對(duì)節(jié)點(diǎn)的功耗有一定的要求。另外消息的頻發(fā)也會(huì)增加功耗，因此高效的時(shí)隙分配算法和時(shí)間同步算法至關(guān)重要。

(4)低丟包率原則。通信鏈路頻繁的改變，會(huì)導(dǎo)致較高的網(wǎng)絡(luò)丟包率。如若信息發(fā)送不成功，則會(huì)導(dǎo)致重傳，進(jìn)而使得網(wǎng)絡(luò)延遲增大，影響整個(gè)通信網(wǎng)絡(luò)的性能。作為導(dǎo)致丟包最突出的重要因素便是網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞膭?dòng)態(tài)變化和信道干擾問(wèn)題，因此MAC協(xié)議設(shè)計(jì)時(shí)往往需要考慮一種高頻鄰居發(fā)現(xiàn)策略，鄰居列表需要隨著網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的變化不斷更新，保持列表的實(shí)時(shí)性，從而降低整個(gè)通信網(wǎng)絡(luò)的丟包率。

(5)信道接入優(yōu)先性原則。在實(shí)際的移動(dòng)自組織網(wǎng)絡(luò)中，通常存在某些節(jié)點(diǎn)需要承擔(dān)更多特殊或重要的業(yè)務(wù)，這類(lèi)節(jié)點(diǎn)往往需要更多的信道資源，以便于整個(gè)通信網(wǎng)絡(luò)的管理和協(xié)調(diào)。所以在設(shè)計(jì) MAC協(xié)議時(shí)，應(yīng)該給予這些節(jié)點(diǎn)優(yōu)先使用信道的權(quán)力，或者為此類(lèi)節(jié)點(diǎn)預(yù)留更多的時(shí)隙數(shù)量等。

(6)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓瓌t。在移動(dòng)自組織網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點(diǎn)的訪(fǎng)問(wèn)或退出是頻繁發(fā)生的，因此網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋾r(shí)常處于高度動(dòng)態(tài)變化之中。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)退出較多時(shí)，空閑信道應(yīng)盡可能分配給其他在線(xiàn)節(jié)點(diǎn)；當(dāng)網(wǎng)絡(luò)接入多個(gè)新節(jié)點(diǎn)時(shí)，則有可能會(huì)面臨網(wǎng)絡(luò)擁塞引起的信道沖突問(wèn)題。因此，在MAC協(xié)議的設(shè)計(jì)中應(yīng)充分考慮網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)變化。

MAC協(xié)議主要分類(lèi)方式見(jiàn)表1。

表1 MAC協(xié)議分類(lèi)

相較于傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，新型移動(dòng)自組織網(wǎng)絡(luò)能夠快速地部署獨(dú)立的通信網(wǎng)絡(luò)或者有效地延伸已有的通信網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍，做到自發(fā)現(xiàn)、自組織、自配置等，具有良好的應(yīng)用前景。在這其中，最突出的兩個(gè)應(yīng)用為車(chē)載自組織網(wǎng)絡(luò)(Vehicular Ad-hoc NETworks, VANET，簡(jiǎn)稱(chēng)車(chē)聯(lián)網(wǎng))和無(wú)人機(jī)自組織網(wǎng)絡(luò)(Flying Ad-hoc NETworks, FANET，簡(jiǎn)稱(chēng)無(wú)人機(jī)自組網(wǎng))。

于2003年舉辦的國(guó)際電信聯(lián)盟電信標(biāo)準(zhǔn)分局(Internatial Telecommunication Union- Telecommunication standardization sector, ITU-T)汽車(chē)通信標(biāo)準(zhǔn)化會(huì)議，提出了車(chē)載自組織網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)概念。各國(guó)專(zhuān)家首次將移動(dòng)自組織網(wǎng)絡(luò)(Mobile Ad hoc NETwork, MANET)技術(shù)引入車(chē)載通信系統(tǒng)，提出了VANET。時(shí)至至今，電氣和電子工程師協(xié)會(huì)(Institute of Electrical and Electronics Engineers, IEEE)已推出了VANET的相關(guān)協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)IEEE 802.11p[4]和 IEEE 1609[5–8]。而無(wú)人機(jī)自組網(wǎng)目前仍處于研究發(fā)展階段，因此并沒(méi)有相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)，需要不斷地進(jìn)行研究探討。

作為自組織網(wǎng)絡(luò)突出的重要應(yīng)用之一，車(chē)聯(lián)網(wǎng)現(xiàn)如今被廣泛應(yīng)用于日常生活當(dāng)中。車(chē)聯(lián)網(wǎng)融合了全雙工通信、大規(guī)模天線(xiàn)陣列等技術(shù)，具有低時(shí)延、高可靠以及高效的頻譜資源利用等特點(diǎn)，以完成車(chē)、人、互聯(lián)網(wǎng)間的信息共享；無(wú)人機(jī)由于其體積小、成本低、不易被發(fā)現(xiàn)、便于部署等優(yōu)勢(shì)，在現(xiàn)在乃至未來(lái)都將發(fā)揮重大作用，不僅僅是民用領(lǐng)域的實(shí)時(shí)監(jiān)控、自動(dòng)跟蹤、搜尋與救援等，在軍用領(lǐng)域也舉足輕重，用于實(shí)地偵察、精準(zhǔn)打擊，甚至能夠保障作戰(zhàn)人員的安全。

目前已有許多針對(duì)移動(dòng)通信技術(shù)相關(guān)研究的綜述，但對(duì)于車(chē)聯(lián)網(wǎng)和無(wú)人機(jī)自組網(wǎng)的MAC協(xié)議性能的分類(lèi)總結(jié)仍尚有不足之處。文獻(xiàn)[9]主要總結(jié)了蜂窩系統(tǒng)和無(wú)人機(jī)技術(shù)之間的集成協(xié)同效應(yīng)，并通過(guò)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)判斷不同設(shè)計(jì)方案的優(yōu)略及可行性分析。文獻(xiàn)[10]針對(duì)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的移動(dòng)管理，從功耗、安全性和延時(shí)3個(gè)方面對(duì)其進(jìn)行了綜述。文獻(xiàn)[11]從環(huán)境條件、應(yīng)用需求和資源可用性3個(gè)角度，對(duì)自組織網(wǎng)絡(luò)的MAC協(xié)議進(jìn)行分類(lèi)，并對(duì)其可編程性水平進(jìn)行總結(jié)。文獻(xiàn)[12]從保證安全控制與用戶(hù)業(yè)務(wù)需求入手，詳細(xì)總結(jié)了基于IEEE 1069.4信道架構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)衍生的車(chē)聯(lián)網(wǎng)多信道MAC協(xié)議。文獻(xiàn)[13]概述了3GPP 第5代移動(dòng)通信(5th-Generation mobile networks, 5G)網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和安全功能，重點(diǎn)介紹了新的功能和技術(shù)，包括車(chē)輛到一切通信等。文獻(xiàn)[14]對(duì)第3代合作伙伴計(jì)劃(The 3rd Generation Partnership Project, 3GPP)標(biāo)準(zhǔn)支持車(chē)輛通信所涉及的系統(tǒng)架構(gòu)方面進(jìn)行了嚴(yán)格而詳細(xì)的審查，并從研究和標(biāo)準(zhǔn)化的角度，表明3GPP在自組織通信網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)在乃至未來(lái)發(fā)展中的重要作用。

與上述綜述文章不同，本文主要針對(duì)現(xiàn)代移動(dòng)通信技術(shù)下基于移動(dòng)自組織網(wǎng)絡(luò)的MAC協(xié)議，以車(chē)聯(lián)網(wǎng)和無(wú)人機(jī)自組網(wǎng)為例，研究并整理了不同的MAC協(xié)議對(duì)于網(wǎng)絡(luò)通信性能的影響。本文主要貢獻(xiàn)如下：第一，對(duì)于現(xiàn)代移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)下，針對(duì)車(chē)聯(lián)網(wǎng)和無(wú)人機(jī)自組網(wǎng)的場(chǎng)景研究，從系統(tǒng)架構(gòu)及網(wǎng)絡(luò)特征等方面進(jìn)行相關(guān)介紹；第二，對(duì)兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景下不同的MAC協(xié)議進(jìn)行了分類(lèi)與歸納，總結(jié)了不同的性能指標(biāo)對(duì)自組織網(wǎng)絡(luò)通信性能的影響；第三，針對(duì)現(xiàn)代移動(dòng)通信技術(shù)的局限性進(jìn)行分析，并對(duì)移動(dòng)通信MAC協(xié)議的未來(lái)研究提出了相關(guān)技術(shù)挑戰(zhàn)。

2 車(chē)聯(lián)網(wǎng)和無(wú)人機(jī)自組網(wǎng)的結(jié)構(gòu)分析

第5代移動(dòng)通信技術(shù)定義了3大技術(shù)場(chǎng)景，包括增強(qiáng)型移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)(Enhanced Mobile BroadBand,EMBB)、海量機(jī)器類(lèi)通信(Massive Machine Type of Communication, MMTC)以及高可靠低時(shí)延通信(Ultra Reliable & Low Latency Communication, URLLC)。其中URLLC 主要表現(xiàn)為滿(mǎn)足端到端毫秒級(jí)的低時(shí)延性能[15,16]，車(chē)聯(lián)網(wǎng)[17]是5G通信系統(tǒng)高可靠低時(shí)延通信場(chǎng)景的重要應(yīng)用之一。

如圖1所示，將車(chē)聯(lián)網(wǎng)的組網(wǎng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行劃分，即車(chē)際網(wǎng)、車(chē)內(nèi)網(wǎng)以及車(chē)載移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)3個(gè)主要模塊。其中，車(chē)際網(wǎng)的通信考慮的是車(chē)輛與車(chē)輛之間的通信，即車(chē)輛間端到端的信息交互；車(chē)內(nèi)網(wǎng)的通信考慮的是車(chē)輛與行人之間的通信，即通過(guò)內(nèi)置的車(chē)載單元(On-Board Unit, OBU)與移動(dòng)終端進(jìn)行通信，行人可以實(shí)時(shí)了解到環(huán)境中交通信息的變化情況；在車(chē)載移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)中，基站充當(dāng)中繼的功能，為車(chē)輛與互聯(lián)網(wǎng)之間的無(wú)線(xiàn)通信和信息交換提供服務(wù)，實(shí)現(xiàn)全網(wǎng)無(wú)縫連接。

圖1 車(chē)聯(lián)網(wǎng)結(jié)構(gòu)示意圖

與傳統(tǒng)的移動(dòng)自組織網(wǎng)絡(luò)相比，車(chē)聯(lián)網(wǎng)融合了認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電(Cognitive Radio, CR)、大規(guī)模天線(xiàn)陣列、全雙工通信、超密集組網(wǎng)等技術(shù)，具有更低的時(shí)延，更高的可靠性，以及高效的頻譜和能源利用。但它作為移動(dòng)自組織網(wǎng)絡(luò)的一種特殊應(yīng)用，也具有其獨(dú)特的特點(diǎn)。首先，車(chē)聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)規(guī)模很大，且節(jié)點(diǎn)數(shù)量較多；其次，車(chē)輛節(jié)點(diǎn)一般受公路約束，移動(dòng)速度較快；然后，車(chē)輛受能源限制影響較大，一般由車(chē)載電池或獨(dú)立電池供能；最后，為了避免碰撞和事故，車(chē)輛節(jié)點(diǎn)之間需要傳輸可靠的安全信息，因此對(duì)保障信息傳輸?shù)哪芰σ约靶畔r(shí)效性有更高的要求[18]。

隨著移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，越來(lái)越多的設(shè)備將接入到移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)中，且新的服務(wù)和應(yīng)用層出不窮，移動(dòng)數(shù)據(jù)流量將會(huì)迎來(lái)井噴式的暴漲，這會(huì)給未來(lái)的移動(dòng)通信帶來(lái)嚴(yán)峻的考驗(yàn)與挑戰(zhàn)。因此，滿(mǎn)足日益增長(zhǎng)的移動(dòng)流量需求，亟需發(fā)展第6代移動(dòng)通信技術(shù)(6th-Generation mobile networks, 6G)。

航空6G是指以無(wú)人機(jī)等空中平臺(tái)為紐帶的6G網(wǎng)絡(luò)，涵蓋以空為核心的空天、空空、空地通信、組網(wǎng)及其應(yīng)用，其特征包括全覆蓋、全頻譜和全應(yīng)用[19]。它會(huì)嘗試將衛(wèi)星通信、平流層通信與地面蜂窩狀通信技術(shù)相融合，使覆蓋沒(méi)有盲區(qū)。與5G相比，航空6G的特征超出了傳統(tǒng)移動(dòng)通信的概念，將與人工智能[20]、區(qū)塊鏈[21,22]、移動(dòng)邊緣計(jì)算[23]融合到一起。由此可見(jiàn)，以無(wú)人機(jī)為代表的各類(lèi)空中平臺(tái)在航空6G中具有重要作用，針對(duì)無(wú)人機(jī)自組網(wǎng)MAC通信協(xié)議的研究很有意義。

無(wú)人機(jī)自組網(wǎng)的構(gòu)架如圖2所示。其中，移動(dòng)邊緣計(jì)算(Mobile Edge Computing, MEC)無(wú)人機(jī)代表攜帶移動(dòng)邊緣計(jì)算服務(wù)器的無(wú)人機(jī)，用于輔助用戶(hù)無(wú)人機(jī)進(jìn)行計(jì)算任務(wù)，用戶(hù)無(wú)人機(jī)在規(guī)定區(qū)域中移動(dòng)以覆蓋任務(wù)點(diǎn)，其計(jì)算任務(wù)可以卸載到邊緣計(jì)算無(wú)人機(jī)上進(jìn)行計(jì)算，也可以卸載到簇頭無(wú)人機(jī)上進(jìn)行計(jì)算。FANETs往往存在多個(gè)簇頭無(wú)人機(jī)能協(xié)調(diào)網(wǎng)絡(luò)中所有用戶(hù)無(wú)人機(jī)的通信，這種組網(wǎng)方式在多無(wú)人機(jī)的系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用；與此同時(shí)，無(wú)人機(jī)覆蓋范圍內(nèi)的各種節(jié)點(diǎn)，包括地面車(chē)、移動(dòng)用戶(hù)、基站等，能夠相互轉(zhuǎn)發(fā)指控指令，交換感知態(tài)勢(shì)、健康情況和情報(bào)搜集等數(shù)據(jù)，并與無(wú)人機(jī)一同構(gòu)成空、天、地一體化的無(wú)人機(jī)組網(wǎng)結(jié)構(gòu)，以滿(mǎn)足未來(lái)通信網(wǎng)絡(luò)更高效、更穩(wěn)定的通信需求。

圖2 無(wú)人機(jī)自組網(wǎng)結(jié)構(gòu)示意圖

無(wú)人機(jī)自組網(wǎng)與車(chē)聯(lián)網(wǎng)(表2)相比，其網(wǎng)絡(luò)規(guī)模更大，節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)性更強(qiáng)，且在3維空間移動(dòng)。無(wú)人機(jī)通常要完成偵察和監(jiān)測(cè)等任務(wù)，需要傳輸圖像、視頻等多媒體信息[24]，因此無(wú)人系統(tǒng)組網(wǎng)不僅要保障信息安全性、有效性和實(shí)時(shí)性，還需要提高吞吐量和信道利用率。

表2 車(chē)聯(lián)網(wǎng)和無(wú)人機(jī)自組網(wǎng)特點(diǎn)對(duì)比

在多無(wú)人系統(tǒng)的通信中，傳輸?shù)南▋深?lèi)：安全控制類(lèi)信息和用戶(hù)業(yè)務(wù)類(lèi)信息[25]。其中，安全控制類(lèi)信息包括節(jié)點(diǎn)速度、位置和節(jié)點(diǎn)碰撞故障等信息，通常以廣播的形式傳輸給網(wǎng)絡(luò)中的所有鄰居節(jié)點(diǎn)或者全部節(jié)點(diǎn)，此類(lèi)信息對(duì)于網(wǎng)絡(luò)的延遲性能和可靠性有著嚴(yán)格的要求。用戶(hù)業(yè)務(wù)類(lèi)信息主要涉及圖像、視頻等多媒體業(yè)務(wù)信息，通常采用單播的形式進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的傳輸。相比較于安全控制類(lèi)信息，用戶(hù)業(yè)務(wù)信息一般要求較高的網(wǎng)絡(luò)吞吐量，對(duì)信道利用率有一定的要求，但對(duì)于時(shí)延、可靠性有一定的容忍能力。如何保證兩類(lèi)信息不同的服務(wù)質(zhì)量(Quality of Service, QoS)需求，對(duì)MAC協(xié)議的設(shè)計(jì)帶來(lái)了嚴(yán)峻的考驗(yàn)，也是多無(wú)人系統(tǒng)能否成功且高效應(yīng)用的關(guān)鍵。

3 面向車(chē)聯(lián)網(wǎng)的MAC協(xié)議研究

目前VANET正在與蜂窩網(wǎng)絡(luò)融合，涌現(xiàn)出了基于全球統(tǒng)一規(guī)定的體系架構(gòu)及其通信協(xié)議和數(shù)據(jù)交互標(biāo)準(zhǔn)制定的車(chē)輛的長(zhǎng)期演變(Long Term Evolution-Vehicle, LTE-V)技術(shù)的車(chē)聯(lián)網(wǎng)方案，并向著5G車(chē)對(duì)一切外界信息進(jìn)行互聯(lián)(Vehicle to Everything, V2X)的方向演進(jìn)[26]。VANET研究的主要目標(biāo)是保障業(yè)務(wù)傳輸?shù)臅r(shí)效性與可靠性：如果時(shí)效性過(guò)低，時(shí)延過(guò)大，則會(huì)導(dǎo)致信息傳達(dá)過(guò)于緩慢，用戶(hù)體驗(yàn)極差；如果可靠性不強(qiáng)，則會(huì)導(dǎo)致信息傳達(dá)不準(zhǔn)確或無(wú)法傳遞，對(duì)后續(xù)一系列的行為或判斷造成不可預(yù)估的影響。其次，信道利用率對(duì)于車(chē)聯(lián)網(wǎng)的MAC協(xié)議研究來(lái)說(shuō)也很重要。目前，車(chē)聯(lián)網(wǎng)MAC協(xié)議根據(jù)優(yōu)化目標(biāo)的不同通常可分為表3中的兩類(lèi)。

表3 根據(jù)優(yōu)化目標(biāo)對(duì)車(chē)聯(lián)網(wǎng)的MAC協(xié)議進(jìn)行分類(lèi)

3.1 低時(shí)延高可靠

MAC層端到端的時(shí)延是指一條道路安全消息在MAC層端到端進(jìn)行傳輸所需要的時(shí)間，從在發(fā)射端由高層協(xié)議遞交給MAC層開(kāi)始計(jì)算，終止于接收端的MAC層把這條消息遞交給上層協(xié)議?？煽啃苑从碁閷?duì)安全控制類(lèi)消息的性能保障能力。

基于時(shí)分多址的MAC協(xié)議提供了一個(gè)很有前途的解決方案，很好地支持車(chē)輛自組織網(wǎng)絡(luò)中對(duì)延遲敏感的安全應(yīng)用，因?yàn)闀r(shí)隙接入方案確保傳輸在超低延遲內(nèi)。然而，由于車(chē)輛之間的移動(dòng)性會(huì)導(dǎo)致拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的快速變化[27]，頻繁地?cái)嚅_(kāi)連接會(huì)導(dǎo)致碰撞和數(shù)據(jù)包丟失等各種問(wèn)題，從而導(dǎo)致通信不穩(wěn)定[28]。文獻(xiàn)[29]提出了一種移動(dòng)感知的機(jī)動(dòng)性感知與避碰媒體接入控制(Mobility-aware and collisionavoidance MAC, MoMAC)協(xié)議，它可以根據(jù)道路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和車(chē)道分布情況，并考慮車(chē)輛的移動(dòng)性，為每輛車(chē)輛分配一個(gè)時(shí)間段。在MoMAC中，同一路段的不同車(chē)道和十字路口的不同路段都存在不相交的時(shí)隙集。此外，每輛車(chē)還會(huì)廣播安全信息以及鄰近車(chē)輛的占位信息；通過(guò)更新由單跳鄰居間接獲取的兩跳鄰居占用時(shí)隙信息，車(chē)輛可以檢測(cè)時(shí)隙沖突，并以完全分布式的方式訪(fǎng)問(wèn)空閑時(shí)隙。與基于時(shí)分多址(Time Division Multiple Access,TDMA)的MAC協(xié)議相比，該方法的傳輸碰撞減少了近1/2，安全信息的傳輸/接收率大大提高。

為了使網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湎鄬?duì)穩(wěn)定，文獻(xiàn)[30]提出了一種基于簇的無(wú)沖突多通道媒體接入控制協(xié)議(Clustering-based Collision-Free Multi-channel MAC, CCFM-MAC)，簇頭可以管理簇內(nèi)的資源?？紤]到簇內(nèi)和簇間的消息沖突問(wèn)題，文獻(xiàn)[30]提出兩點(diǎn)想法：(1)在相鄰的簇間分配不同的頻帶，以避免集群間的干擾；(2)通信資源必須由簇頭統(tǒng)一分配給集群成員。該協(xié)議在平均端到端延遲和成功傳輸概率方面均有很大的優(yōu)勢(shì)。

上述幾種方法均是基于網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對(duì)于車(chē)聯(lián)網(wǎng)MAC協(xié)議進(jìn)行時(shí)延和可靠性的優(yōu)化。不同于上述方法，文獻(xiàn)[31]提出了基于流量信息避免消息沖突的MAC協(xié)議。在車(chē)輛密度較高的情況下，如果車(chē)輛采用固定的傳輸周期，則很可能會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的信道阻塞和信息傳輸沖突。為了緩解信道擁塞，該協(xié)議研究了一種全分布的信標(biāo)擁塞控制方案，以保證每輛車(chē)主動(dòng)適應(yīng)一個(gè)最小但足夠的信標(biāo)率。通過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)?zāi)M，該設(shè)計(jì)在不同交通密度和各種基礎(chǔ)道路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中的效率得以驗(yàn)證。

協(xié)同通信可以通過(guò)降低車(chē)載移動(dòng)對(duì)無(wú)線(xiàn)信道的影響來(lái)提高通信鏈路的可靠性，從而提高通信速率，降低時(shí)延，緩解移動(dòng)車(chē)輛造成的無(wú)線(xiàn)信道損耗。文獻(xiàn)[32]提出了一種適用于VANETs的新型可靠、高效協(xié)同媒體接入控制協(xié)議(Reliable and Efficient CooperatiVe MAC, RECV-MAC)。該方法引入了新的控制消息來(lái)支持協(xié)作通信，并兼容了IEEE 802.11p所采用的隨機(jī)訪(fǎng)問(wèn)方法，即避免沖突的載波偵聽(tīng)多址訪(fǎng)問(wèn)。為了研究RECV-MAC協(xié)議的性能，基于馬爾可夫鏈模型的分析方法被采用，驗(yàn)證了RECV-MAC協(xié)議的有效性，表明RECV-MAC協(xié)議在提高吞吐量的情況下提高了性能，通過(guò)降低數(shù)據(jù)包丟棄率提高了通信的可靠性，并降低了延遲，特別是滿(mǎn)足100 ms的延遲約束。

然而，RECV-MAC協(xié)議只適用于流量較低的車(chē)聯(lián)網(wǎng)場(chǎng)景下。在高流量場(chǎng)景下，RECV-MAC協(xié)議的性能相對(duì)較低。在此基礎(chǔ)之上，文獻(xiàn)[33]提出了一種新的基于正交頻分多址(Orthogonal Frequency Division Multiple Access, OFDMA)的高效協(xié)同MAC(OFDMA based Efficient Cooperative MAC, OEC-MAC)協(xié)議。該協(xié)議提供了副載波信道分配和訪(fǎng)問(wèn)機(jī)制，并通過(guò)定義新的控制消息來(lái)支持協(xié)作通信。通過(guò)基于馬爾可夫鏈模型的分析，OEC-MAC協(xié)議在保證吞吐量顯著提高的同時(shí)，也滿(mǎn)足VANETs安全消息中的嚴(yán)格延遲要求。此外，還通過(guò)降低丟包率來(lái)提高通信的可靠性。

3.2 高信道利用率

在現(xiàn)實(shí)生活中，車(chē)聯(lián)網(wǎng)不僅僅需要考慮傳輸信息的時(shí)延問(wèn)題以及可靠性問(wèn)題，也需要將網(wǎng)絡(luò)信道利用率納入考慮范圍。在大規(guī)模車(chē)載網(wǎng)絡(luò)中，信道利用也是協(xié)議設(shè)計(jì)的一大挑戰(zhàn)。信道利用率的主要表現(xiàn)為網(wǎng)絡(luò)吞吐量，當(dāng)信息傳輸速率保持不變時(shí)，網(wǎng)絡(luò)吞吐量越大，信道利用率越高。

文獻(xiàn)[34]提出了一種自適應(yīng)的高吞吐量多通道MAC協(xié)議，即自適應(yīng)高吞吐量媒體接入控制(Adaptive High-Throughput MAC, AHT-MAC)協(xié)議，以支持車(chē)聯(lián)網(wǎng)在業(yè)務(wù)信道上的數(shù)據(jù)傳輸。使用AHT-MAC，數(shù)據(jù)傳輸范圍根據(jù)控制信道(Control CHannel,CCH)上信標(biāo)傳輸范圍進(jìn)行調(diào)整，以便發(fā)送節(jié)點(diǎn)可以確定適當(dāng)?shù)耐ㄐ藕蜻x節(jié)點(diǎn)，并在傳輸前為兩個(gè)通信節(jié)點(diǎn)準(zhǔn)備可用資源。此外，通信協(xié)調(diào)是通過(guò)雙向握手進(jìn)行的。在握手過(guò)程中，根據(jù)提出的資源共享機(jī)制實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)資源保留，節(jié)點(diǎn)首先盡可能多地利用資源，然后主動(dòng)與他人共享資源。為了提高通信握手的成功率，提出了一種請(qǐng)求沖突解決機(jī)制來(lái)消除不恰當(dāng)?shù)奈帐帧Ｒ虼?，AHT-MAC可以減少由于握手失敗和重新傳輸請(qǐng)求的額外開(kāi)銷(xiāo)而造成的資源浪費(fèi)，提高吞吐量，以此來(lái)提高信道利用率。

文獻(xiàn)[35]提出了一種新穎的時(shí)隙共享MAC(time Slot-SharingMAC, SS-MAC)協(xié)議。該方法引入了一個(gè)循環(huán)記錄隊(duì)列來(lái)在線(xiàn)感知時(shí)隙的占用狀態(tài)，然后設(shè)計(jì)了一種分布式時(shí)隙共享(Distributed Time Slot Sharing, DTSS)方法，以有效地共享特定的時(shí)隙。此外，該協(xié)議還開(kāi)發(fā)了隨機(jī)指標(biāo)優(yōu)先擬合(Random Index First Fit, RIFF)算法，以幫助車(chē)輛選擇合適的時(shí)間段進(jìn)行共享，使信道利用率最大化。

未來(lái)的車(chē)載通信系統(tǒng)必須提供車(chē)際通信以確保行車(chē)安全，向相鄰車(chē)輛發(fā)送安全信息是一項(xiàng)關(guān)鍵策略。文獻(xiàn)[36]提出了一種新的幀結(jié)構(gòu)，并在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了一種高效的報(bào)文廣播MAC協(xié)議，該協(xié)議允許信標(biāo)報(bào)文和應(yīng)急報(bào)文共享信道，從而節(jié)省帶寬資源。該協(xié)議通過(guò)區(qū)分這兩類(lèi)消息的優(yōu)先級(jí)和設(shè)置信道資源搶占機(jī)制，大大降低了消息沖突概率，在滿(mǎn)足延遲要求的基礎(chǔ)上，大大提升了信道利用率。但是，在大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)中，由于時(shí)隙數(shù)量有限，應(yīng)用該協(xié)議時(shí)，系統(tǒng)容量成為主要限制因素。

一種基于競(jìng)爭(zhēng)強(qiáng)度的分布式協(xié)調(diào)(Contention Intensity based Distributed Coordination,CIDC)安全消息廣播方案在文獻(xiàn)[37]中被提及。CIDC的應(yīng)用層設(shè)計(jì)充分利用了安全消息廣播的高頻和周期性特點(diǎn)，使每輛車(chē)都能以完全分布式的方式估計(jì)瞬時(shí)信道競(jìng)爭(zhēng)強(qiáng)度。根據(jù)競(jìng)爭(zhēng)強(qiáng)度信息，CIDC的MAC層設(shè)計(jì)允許車(chē)輛采用比802.11p更好的通道訪(fǎng)問(wèn)策略，從而提高吞吐量和信道利用率。但是，該文獻(xiàn)并沒(méi)有考慮到協(xié)同傳輸這種情況。協(xié)同傳輸有兩種方式：當(dāng)中繼節(jié)點(diǎn)處于松弛狀態(tài)時(shí)，其他節(jié)點(diǎn)僅在其緩沖區(qū)空閑時(shí)協(xié)助傳遞消息；當(dāng)中繼節(jié)點(diǎn)處于忙碌狀態(tài)時(shí)，其他節(jié)點(diǎn)將在緩沖區(qū)空閑時(shí)協(xié)同傳遞消息。

基于此，文獻(xiàn)[38]針對(duì)車(chē)載自組織網(wǎng)絡(luò)，提出了一種基于增強(qiáng)型TDMA、用于車(chē)聯(lián)網(wǎng)的協(xié)作MAC協(xié)議(Enhanced TDMA based Cooperative MAC protocol for Vehicular networks, EVC-TDMA)，該協(xié)議有助于多模式協(xié)同傳輸。在EVC-TDMA中，當(dāng)車(chē)輛需要傳輸多個(gè)消息時(shí)，根據(jù)相對(duì)速度和緩沖區(qū)長(zhǎng)度動(dòng)態(tài)選擇中繼節(jié)點(diǎn)。通過(guò)監(jiān)控廣播消息，其他節(jié)點(diǎn)可以知道中繼節(jié)點(diǎn)的緩沖區(qū)長(zhǎng)度，當(dāng)緩沖區(qū)空閑或更少時(shí)，它們將幫助中繼節(jié)點(diǎn)傳輸消息。在車(chē)輛速度相對(duì)穩(wěn)定的情況下，EVC-TDMA網(wǎng)絡(luò)性能良好，極大地提高了信道利用率。

車(chē)聯(lián)網(wǎng)一般采用廣播來(lái)進(jìn)行信息的傳輸，但是一般來(lái)說(shuō)，相比于單播，廣播被認(rèn)為是不太可靠的一種傳播方式。文獻(xiàn)[39]介紹了一種新型的無(wú)線(xiàn)廣播協(xié)議，稱(chēng)為混合協(xié)作無(wú)線(xiàn)廣播協(xié)議，它利用信道化的概念，大大提高了車(chē)載網(wǎng)絡(luò)廣播的可靠性。該協(xié)議引入了一種混合協(xié)議，它結(jié)合了時(shí)分多址的時(shí)隙分配和載波偵聽(tīng)多址(Carrier Sense Multiple Access, CSMA)[40]的隨機(jī)存取技術(shù)，從而使數(shù)據(jù)碰撞[41,42]的概率最小化。此外，它的反饋策略通過(guò)防止在發(fā)生碰撞的時(shí)隙中傳輸，進(jìn)一步提高了車(chē)聯(lián)網(wǎng)信道利用率，為信息傳輸提供了更快的信道訪(fǎng)問(wèn)。

與上述協(xié)議類(lèi)似，基于位圖的混合媒體接入控制(Bitmap based Hybrid Medium Access Control,BH-MAC)協(xié)議[43]也是通過(guò)減少?zèng)_突的方法，提供更快的信道訪(fǎng)問(wèn)速度，提高吞吐量，以達(dá)到提高信道利用率的效果。BH-MAC，即基于一種采用TDMA的VANETs可靠廣播MAC(a TDMA-based MAC protocol for reliable broadcast in VANETs,VeMAC)協(xié)議的位圖混合媒體接入控制協(xié)議，通過(guò)使用固定大小的位圖來(lái)表示槽發(fā)送請(qǐng)求(Request-To-Send, RTS)位的狀態(tài)來(lái)減少數(shù)據(jù)包開(kāi)銷(xiāo)。它采用載波偵聽(tīng)多址機(jī)制來(lái)保留TDMA插槽以減少訪(fǎng)問(wèn)沖突。此外，BH-MAC還提出了一種檢測(cè)傳輸碰撞誤差的新方法。與VeMAC相比，BH-MAC減少了訪(fǎng)問(wèn)沖突，提供了更快的通道訪(fǎng)問(wèn)，并提高了吞吐量。

在車(chē)聯(lián)網(wǎng)中，基于時(shí)分多址的覆蓋協(xié)議也可以防止傳輸沖突，在提供有效的通信信道方面起著重要的作用。然而，由于車(chē)輛的高機(jī)動(dòng)性和時(shí)變的交通流，現(xiàn)有的基于TDMA的槽位分配方法不能充分利用信道資源，可能導(dǎo)致信道利用率極低。為了克服這些缺點(diǎn)，文獻(xiàn)[44]提出了一種基于TDMA的流量感知MAC(Traffic-Aware TDMA MAC,TA-MAC)協(xié)議，該協(xié)議利用了移動(dòng)邊緣計(jì)算的能力。首先，基于MEC和車(chē)輛到路側(cè)單元(Vehicle to Road, V2R)通信，提出了一種交通感知機(jī)制來(lái)估計(jì)路段上的交通狀況。其次在此基礎(chǔ)上，提出了一種新的信道分配方法，以保證動(dòng)態(tài)流量條件下的高信道利用率。

3.3 分析和總結(jié)

根據(jù)車(chē)聯(lián)網(wǎng)相關(guān)研究場(chǎng)景架構(gòu)中是否需要路邊單元(Road Side Unit, RSU)的輔助，將車(chē)聯(lián)網(wǎng)MAC協(xié)議進(jìn)行如下分類(lèi)，具體見(jiàn)表4。

從表4可以看出，目前的主要工作集中在需要RSU進(jìn)行輔助的車(chē)聯(lián)網(wǎng)場(chǎng)景架構(gòu)下，關(guān)于不需要RSU輔助的車(chē)聯(lián)網(wǎng)MAC協(xié)議的相關(guān)研究較少?？偟膩?lái)看，帶RSU的協(xié)議的共同特點(diǎn)是，RSU可以作為網(wǎng)絡(luò)中的一個(gè)中心節(jié)點(diǎn)來(lái)執(zhí)行協(xié)調(diào)與調(diào)度工作，直接與車(chē)聯(lián)網(wǎng)中的所有節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信，收集車(chē)聯(lián)網(wǎng)內(nèi)信息，基于此動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)安全信道間隔和業(yè)務(wù)信道間隔長(zhǎng)度，因此需要R S U 進(jìn)行輔助的車(chē)聯(lián)網(wǎng)MAC協(xié)議往往能夠動(dòng)態(tài)適應(yīng)流量變化，提高車(chē)聯(lián)網(wǎng)的性能。相比之下，不帶RSU的協(xié)議的安全信道間隔和業(yè)務(wù)信道間隔都是固定的，其中EVC-TDMA通過(guò)動(dòng)態(tài)選擇中繼節(jié)點(diǎn)的方法，廣播緩沖區(qū)長(zhǎng)度進(jìn)行協(xié)同傳輸，從而提高網(wǎng)絡(luò)性能；TDCSMA則通過(guò)區(qū)分消息優(yōu)先權(quán)采用信道資源搶占機(jī)制，在滿(mǎn)足延遲要求的基礎(chǔ)上通過(guò)提高信道利用率來(lái)提高網(wǎng)絡(luò)性能。

表4 根據(jù)是否需要RSU輔助對(duì)車(chē)聯(lián)網(wǎng)MAC協(xié)議進(jìn)行分類(lèi)

總的來(lái)看，相對(duì)無(wú)RSU輔助的MAC協(xié)議，具有RSU輔助的車(chē)聯(lián)網(wǎng)MAC協(xié)議具有較好的性能優(yōu)勢(shì)，且易于實(shí)現(xiàn)不需要額外的開(kāi)銷(xiāo)，但基站等RSU基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)增加了車(chē)聯(lián)網(wǎng)的構(gòu)建成本，也限制了其應(yīng)用環(huán)境。而不帶RSU輔助的車(chē)載自組織網(wǎng)絡(luò)建設(shè)成本和運(yùn)營(yíng)成本都很低，且更加容易布設(shè)，組網(wǎng)更加方便，但其需要額外的開(kāi)銷(xiāo)以支持其分布式結(jié)構(gòu)，并且就如何解決同時(shí)保障安全控制信息與用戶(hù)業(yè)務(wù)信息不同QoS要求的問(wèn)題存在更加嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。

4 面向無(wú)人機(jī)自組網(wǎng)的MAC協(xié)議研究

無(wú)人機(jī)這一終端的興起，尤其是無(wú)人機(jī)通信的迅猛發(fā)展，引起了國(guó)內(nèi)外研究組織的廣泛關(guān)注。3GPP標(biāo)準(zhǔn)于2017年開(kāi)始研究無(wú)人機(jī)，2018年啟動(dòng)針對(duì)R16的無(wú)人機(jī)通信的討論，研究5G網(wǎng)絡(luò)如何更好地支持無(wú)人機(jī)終端，探討如何最大效率地復(fù)用地面網(wǎng)絡(luò)為空中無(wú)人機(jī)提供通信、如何為無(wú)人機(jī)通信劃分頻段資源或者專(zhuān)用網(wǎng)絡(luò)等。

4.1 無(wú)人機(jī)自組網(wǎng)MAC協(xié)議性能分析

與車(chē)聯(lián)網(wǎng)不同，無(wú)人機(jī)自組網(wǎng)由于具有部署容易、靈活性強(qiáng)和應(yīng)用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，常常會(huì)被應(yīng)用于監(jiān)視和監(jiān)控[45]、救災(zāi)應(yīng)急[46]、航空攝影[47]、搜救[48]等方面，因此對(duì)于安全信息和業(yè)務(wù)信息的傳輸具有更高的要求。

時(shí)延敏感型目標(biāo)對(duì)信息傳輸?shù)臅r(shí)效性和可靠性有嚴(yán)格的要求，而為該應(yīng)用設(shè)計(jì)的媒體接入控制協(xié)議只能在負(fù)載很輕的情況下工作，其吞吐量和信道利用率的性能較低。針對(duì)這一問(wèn)題，文獻(xiàn)[49]提出了一種基于反饋重傳的異步跳頻媒體接入(feedback-retransmission based asynchronous FRequency hopping Media Access, FRMA)控制協(xié)議。該協(xié)議采用了突發(fā)通信、異步跳頻、信道編碼和反饋重傳等方法。通過(guò)異步跳頻機(jī)制，實(shí)現(xiàn)了即時(shí)報(bào)文傳輸任務(wù)和多報(bào)文接收，提高了實(shí)時(shí)性。此外，還通過(guò)信道編碼和反饋重傳來(lái)實(shí)現(xiàn)信息傳輸可靠性。雖然FRMA控制協(xié)議大大提高了系統(tǒng)吞吐量，但隨著流量負(fù)荷的增加，數(shù)據(jù)包端到端延遲也在增加，因此，在采用該協(xié)議時(shí)，流量負(fù)荷應(yīng)根據(jù)時(shí)效性和可靠性的具體要求加以限制。

無(wú)人機(jī)通信由于參與網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)具有高度的動(dòng)態(tài)性，并且由于不協(xié)調(diào)的時(shí)間、擁擠、碰撞或過(guò)高的能源消耗而存在很大的損失問(wèn)題，因而難以保障組網(wǎng)通信的可靠性和性能。文獻(xiàn)[50]利用螢火蟲(chóng)優(yōu)化算法的特性，提出了一種新的節(jié)能和位置感知的媒體接入控制(Energy-efficient and Locationaware Medium Access Control, ELMAC)協(xié)議。該算法構(gòu)成了一種有效的時(shí)隙機(jī)制，同時(shí)考慮了能量需求和網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)無(wú)人機(jī)的位置，以避免可能導(dǎo)致整個(gè)網(wǎng)絡(luò)失效的瓶頸，提高無(wú)人機(jī)網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)質(zhì)量。ELMAC能夠提供無(wú)擁堵、無(wú)碰撞和節(jié)能的MAC協(xié)議，從而在無(wú)人機(jī)網(wǎng)絡(luò)中提供可持續(xù)的連接，高效的控制以及提供高質(zhì)量的服務(wù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，EL-MAC在丟包率、平均吞吐量和端到端延遲等方面都具有優(yōu)勢(shì)。它還提供了更好的信道利用率，使得無(wú)人機(jī)自組網(wǎng)的整體性能得到了提升。

文獻(xiàn)[51]考慮了地面站具有連續(xù)干擾消除(Successive Interference Cancellation, SIC)能力，以提高無(wú)人機(jī)自組網(wǎng)的信道利用率。該文獻(xiàn)關(guān)注的重點(diǎn)在于推演出一個(gè)無(wú)人機(jī)與地面站頻繁通信的傳輸時(shí)間表，并盡量減少碰撞。在引入一種新的分布式學(xué)習(xí)媒體接入控制(distributed Learning Medium Access Control, LMAC)協(xié)議之前，本文首先提出了一個(gè)隨機(jī)優(yōu)化問(wèn)題，使得無(wú)人機(jī)能夠在給定的調(diào)度長(zhǎng)度下學(xué)習(xí)最佳的傳輸時(shí)隙和相應(yīng)的方向，從而獲得最高的解碼成功率。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，LMAC的平均數(shù)據(jù)速率至少是參考協(xié)議的兩倍，大大提高了信道的利用率。

考慮到多無(wú)人系統(tǒng)任務(wù)的多樣性和應(yīng)用場(chǎng)景的多樣性，自適應(yīng)MAC協(xié)議[28]應(yīng)運(yùn)而生。文獻(xiàn)[52]提出的容錯(cuò)(Fault-tolerant Synchronous-MAC,FS-MAC)協(xié)議可以在故障無(wú)人機(jī)的TDMA和CSMA/CA之間同步切換合適的MAC協(xié)議。在FS-MAC中，提出了分布式基于Q學(xué)習(xí)的切換方案來(lái)處理切換決策。首先，單個(gè)無(wú)人機(jī)使用MAC預(yù)選操作來(lái)確定合適的MAC協(xié)議。其次，利用提出的基于實(shí)用拜占庭容錯(cuò)(Practical Byzantine Fault Tolerance, PBFT)的共識(shí)決策過(guò)程，實(shí)現(xiàn)了多架無(wú)人機(jī)之間的同步切換協(xié)議。采用FS-MAC協(xié)議，平均吞吐量、延遲和分組重傳率的性能都得到了改善。

文獻(xiàn)[53]提出了一種基于自適應(yīng)載波偵聽(tīng)多址的FANET群集MAC(Self-Adaptive MAC Protocol for Flocking of Flying Ad-hoc Network,FMAC)協(xié)議，以在密度變化的群集場(chǎng)景下提供可靠的廣播信息服務(wù)。在FMAC協(xié)議中定義了群體鄰域勢(shì)(Collective Neighboring Potential, CNP)來(lái)表示無(wú)人機(jī)聚集過(guò)程中密度的變化趨勢(shì)。在每個(gè)周期開(kāi)始時(shí)，每個(gè)UAV計(jì)算當(dāng)前CNP基于可用鄰居的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)；然后，利用無(wú)人機(jī)的動(dòng)力學(xué)方程，對(duì)相同鄰域下一周期初的CNP值進(jìn)行預(yù)測(cè)；之后，每個(gè)無(wú)人機(jī)都可以通過(guò)比較當(dāng)前的競(jìng)爭(zhēng)窗口和預(yù)測(cè)的競(jìng)爭(zhēng)窗口來(lái)更新競(jìng)爭(zhēng)窗口的大小，如果當(dāng)前的競(jìng)爭(zhēng)窗口比預(yù)測(cè)的競(jìng)爭(zhēng)窗口大(小)一段時(shí)間，競(jìng)爭(zhēng)窗口的大小就會(huì)減少(增加)。仿真結(jié)果表明，F(xiàn)MAC協(xié)議在密度變化的群集情況下能夠保證較高的成功傳輸概率，其吞吐量?jī)?yōu)于典型的MAC方案，有效提高了信道利用率。

近年來(lái)，多通道MAC協(xié)議被證明是支持不同QoS的有效協(xié)議。文獻(xiàn)[54]提出了FANETs多通道MAC (FANETs Multi-channel MAC, FMMAC)協(xié)議，它結(jié)合了多通道天線(xiàn)和定向天線(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)，以提供不同的QoS保證，并在一定程度上有效地解決了鏈路中斷的問(wèn)題。首先，針對(duì)無(wú)人機(jī)高機(jī)動(dòng)性帶來(lái)的鏈路中斷問(wèn)題，該協(xié)議提出了一種基于移動(dòng)預(yù)測(cè)的預(yù)約方案。其次，F(xiàn)M-MAC提出了一種搶占機(jī)制，為業(yè)務(wù)信息提供優(yōu)先級(jí)。通過(guò)仿真結(jié)果表明，F(xiàn)M-MAC對(duì)安全控制信息可以實(shí)現(xiàn)低延遲和高分組傳輸率，對(duì)用戶(hù)業(yè)務(wù)信息也可以實(shí)現(xiàn)高吞吐量。

文獻(xiàn)[55]所提出的協(xié)議也是一種多通道負(fù)載感知(Multi-Channel Load Awareness, MCLA)MAC協(xié)議，與FM-MAC不同的是，該協(xié)議是一種基于負(fù)載感知的分布式隨機(jī)競(jìng)爭(zhēng)的MAC協(xié)議。MCLA協(xié)議主要由多優(yōu)先級(jí)排隊(duì)與服務(wù)機(jī)制、分組準(zhǔn)入控制機(jī)制、信道占用統(tǒng)計(jì)與預(yù)測(cè)機(jī)制、退讓機(jī)制和多信道分配機(jī)制5個(gè)部分組成，利用多類(lèi)排隊(duì)理論對(duì)多優(yōu)先級(jí)排隊(duì)和服務(wù)機(jī)制進(jìn)行了進(jìn)一步的建模，并利用馬爾可夫鏈模型對(duì)退避機(jī)制進(jìn)行了建模。MCLA根據(jù)信道的實(shí)時(shí)狀態(tài)控制數(shù)據(jù)包對(duì)信道的訪(fǎng)問(wèn)，并根據(jù)網(wǎng)絡(luò)中活動(dòng)節(jié)點(diǎn)的數(shù)量調(diào)整回退持續(xù)時(shí)間，因此在高負(fù)載條件下優(yōu)于傳統(tǒng)的MAC協(xié)議，具有卓越的性能優(yōu)勢(shì)。

文獻(xiàn)[56]提出了一種用于飛行自組織網(wǎng)絡(luò)中反向陣列天線(xiàn)開(kāi)發(fā)的多信道媒體接入控制協(xié)議(Multi-Channel MAC Protocol With Retrodirective Array Antennas in Flying Ad Hoc Networks,FA-MMAC)。FA-MMAC利用信道的特性增加了信道的空間復(fù)用能力，其核心思想是無(wú)人機(jī)在數(shù)據(jù)窗口交換數(shù)據(jù)包之前，在控制窗口交換控制包，選擇數(shù)據(jù)通道并對(duì)齊波束，以減少隱形終端和耳聾問(wèn)題。無(wú)人機(jī)可以通過(guò)控制幀的循環(huán)定向傳輸來(lái)保留信道和對(duì)齊波束，因此該協(xié)議可以利用空間重用的反向陣列天線(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)和增加的覆蓋范圍，而無(wú)須事先知道位置。與全向天線(xiàn)相比，在相同的傳輸距離下，反向陣列天線(xiàn)所需的功率較小，可以有效地節(jié)省功耗。另外，通過(guò)控制幀和數(shù)據(jù)幀的定向傳輸，可以大大提高節(jié)點(diǎn)的通信范圍和網(wǎng)絡(luò)的空間復(fù)用性，提供了更好性能的網(wǎng)絡(luò)聚合吞吐量和分組傳送率。

此外，還有一些工作如文獻(xiàn)[56,57]關(guān)注了多個(gè)同頻節(jié)點(diǎn)同時(shí)有數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)的信道資源爭(zhēng)用問(wèn)題。文獻(xiàn)[57]提出了PPMAC，該協(xié)議結(jié)合了定向天線(xiàn)和位置預(yù)測(cè)，克服了定向天線(xiàn)的耳聾問(wèn)題；為解決多個(gè)無(wú)人機(jī)和地面基站之間的有效通信，文獻(xiàn)[58]提出一種用于長(zhǎng)距離無(wú)人機(jī)通信的基于傳播延遲感知的MAC協(xié)議LDMAC，但是它需要地面站參與控制?？梢钥闯?，現(xiàn)有的工作雖然對(duì)無(wú)人機(jī)自組網(wǎng)的MAC協(xié)議進(jìn)行了一些探索，但對(duì)于協(xié)議的自主性考慮的還不太充分。

上述無(wú)人機(jī)自組網(wǎng)MAC協(xié)議的特點(diǎn)性能分析見(jiàn)表5。

表5 無(wú)人機(jī)自組網(wǎng)的MAC協(xié)議特性整理

4.2 分析與總結(jié)

本節(jié)將對(duì)部分無(wú)人機(jī)自組網(wǎng)的MAC協(xié)議從性能優(yōu)化目標(biāo)方面進(jìn)行對(duì)比分析，見(jiàn)表6。

表6 根據(jù)優(yōu)化目標(biāo)對(duì)無(wú)人機(jī)自組網(wǎng)的MAC協(xié)議進(jìn)行對(duì)比分析

可以明顯看出，目前的無(wú)人機(jī)自組網(wǎng)在研究的過(guò)程中大多會(huì)針對(duì)安全控制類(lèi)和用戶(hù)業(yè)務(wù)類(lèi)信息同時(shí)進(jìn)行研究，但往往只能夠較好地保障一方的性能，例如FM-MAC協(xié)議的吞吐量和信道利用率較高，但它的時(shí)延相對(duì)于其他協(xié)議來(lái)說(shuō)也比較高；MCLA-MAC協(xié)議的時(shí)延較低，但其吞吐量也比其他協(xié)議要低得多。可見(jiàn)，想要同時(shí)保障無(wú)人機(jī)自組網(wǎng)的時(shí)延和吞吐量，仍需要對(duì)其MAC協(xié)議進(jìn)行改進(jìn)研究。

總體來(lái)說(shuō)，無(wú)人機(jī)自組網(wǎng)作為一種新興的移動(dòng)自組網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)，它與車(chē)聯(lián)網(wǎng)在某些方面有很多相似之處，因此無(wú)人機(jī)自組網(wǎng)的MAC協(xié)議往往會(huì)在一定程度上借鑒車(chē)聯(lián)網(wǎng)的MAC協(xié)議。但車(chē)聯(lián)網(wǎng)的MAC協(xié)議并不能直接應(yīng)用于無(wú)人機(jī)自組網(wǎng)，首先是因?yàn)闊o(wú)人機(jī)自組網(wǎng)并沒(méi)有基礎(chǔ)設(shè)施的輔助，而車(chē)聯(lián)網(wǎng)在很大程度上需要基站等路邊單元的輔助；其次，無(wú)人機(jī)的移動(dòng)速度一般要比車(chē)輛快得多，且在3維空間內(nèi)自由移動(dòng)，因此其網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的變化更加復(fù)雜，相比較而言，車(chē)聯(lián)網(wǎng)的移動(dòng)軌跡順延道路方向，有跡可循，其拓?fù)渥兓幸欢ǖ臈l件限制和規(guī)律。

無(wú)人機(jī)自組網(wǎng)目前來(lái)說(shuō)還處于發(fā)展階段，在未來(lái)航空6G的構(gòu)建中占據(jù)重要地位。航空6G通信網(wǎng)絡(luò)中擁有超海量的異構(gòu)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)接入節(jié)點(diǎn)，這些網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)形態(tài)各異、距離不定、功率不一[59]，均給未來(lái)的通信覆蓋方面帶來(lái)信道挑戰(zhàn)。無(wú)人機(jī)自組網(wǎng)飛行速度快，其依托的航空6G通信時(shí)延需要達(dá)到微秒級(jí)別，通信時(shí)延長(zhǎng)、可靠性低將會(huì)造成無(wú)人機(jī)遠(yuǎn)程控制困難，因此對(duì)無(wú)人機(jī)自組網(wǎng)的MAC協(xié)議的研究還有待進(jìn)一步的提高。

5 下一步研究

隨著5G的不斷普及，通信面向未來(lái)的需求會(huì)更加明確，尤其重視低時(shí)延、大帶寬、泛連接等需求。通信技術(shù)的發(fā)展對(duì)于一個(gè)國(guó)家來(lái)說(shuō)是至關(guān)重要的，往往會(huì)對(duì)與之相連的新應(yīng)用、新服務(wù)渠道以及新材料的制造領(lǐng)域存在極大的促進(jìn)作用。此外，云計(jì)算、大數(shù)據(jù)等新技術(shù)與通信技術(shù)也在不斷融合，這些迫切需要結(jié)合通信最新變化和網(wǎng)絡(luò)發(fā)展趨勢(shì)，以更先進(jìn)的技術(shù)推進(jìn)，即隨之而來(lái)的航空6G的開(kāi)發(fā)。

本文對(duì)現(xiàn)代移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)下的新型移動(dòng)自組織網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議進(jìn)行了整理歸納，主要針對(duì)車(chē)聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)和無(wú)人機(jī)自組網(wǎng)系統(tǒng)，依據(jù)不同的優(yōu)化目標(biāo)，對(duì)現(xiàn)有的MAC協(xié)議進(jìn)行了分類(lèi)總結(jié)，與此同時(shí)，就目前工作方法的局限性提出未來(lái)研究的技術(shù)挑戰(zhàn)。

(1)車(chē)聯(lián)網(wǎng)場(chǎng)景的條件限制：考慮到安全類(lèi)消息和業(yè)務(wù)類(lèi)消息的流量需求動(dòng)態(tài)變化，在未來(lái)6G通信時(shí)代，車(chē)聯(lián)網(wǎng)需以更加靈活的方式組建和運(yùn)行。MAC協(xié)議需要適應(yīng)安全控制信息與用戶(hù)業(yè)務(wù)信息動(dòng)態(tài)的流量需求，保障安全信息的可靠性，提高業(yè)務(wù)信息的吞吐量。

(2)車(chē)聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的多元變化：考慮到道路情況多變，基站等RSU基礎(chǔ)設(shè)施可能時(shí)有時(shí)無(wú)，車(chē)聯(lián)網(wǎng)需要適應(yīng)帶RSU和無(wú)RSU輔助的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，充分利用RSU的優(yōu)勢(shì)，避免沖突協(xié)調(diào)資源，尤其是在無(wú)RSU輔助的條件下應(yīng)主動(dòng)切換到無(wú)RSU的狀態(tài)，提高網(wǎng)絡(luò)性能。

(3)無(wú)人機(jī)自組網(wǎng)能耗與性能的均衡：由于定向天線(xiàn)被廣泛應(yīng)用于無(wú)人機(jī)網(wǎng)絡(luò)中以提高通信距離，這些天線(xiàn)即使不是在發(fā)射或接收模式下也會(huì)消耗大量的能量；此外，當(dāng)通信設(shè)備與GPS和另一個(gè)傳感器一起使用時(shí)，無(wú)人機(jī)的電池壽命將被減少，這將阻礙無(wú)人機(jī)的性能和操作。因此，如何既保證無(wú)人機(jī)的順利運(yùn)行，降低能耗，又提高無(wú)人機(jī)的傳輸性能，這將是未來(lái)的一個(gè)研究熱點(diǎn)。

(4)無(wú)人機(jī)自組網(wǎng)的安全性：因?yàn)闊o(wú)人機(jī)網(wǎng)絡(luò)便于部署，無(wú)人機(jī)在軍事和民用領(lǐng)域的應(yīng)用呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)。但在無(wú)人機(jī)網(wǎng)絡(luò)中，往往容易受到各種被動(dòng)或主動(dòng)的攻擊。因此，維護(hù)無(wú)人機(jī)共享數(shù)據(jù)的完整性、保密性、私密性和真實(shí)性就顯得尤為重要。如何設(shè)計(jì)出能夠更好地保障這些要求的MAC協(xié)議，尤其在存在無(wú)人機(jī)節(jié)點(diǎn)失效的情況下，在未來(lái)顯得尤為重要。

(5)無(wú)人機(jī)自組網(wǎng)的同步連接：隨著6G時(shí)代的到來(lái)，無(wú)人機(jī)自組網(wǎng)在航空6G的發(fā)展中起到了重要的紐帶作用。這種網(wǎng)絡(luò)與其他網(wǎng)絡(luò)的協(xié)作可以使各種應(yīng)用程序受益。因此在未來(lái)，如何研究出有效的MAC協(xié)議來(lái)支持通過(guò)無(wú)人機(jī)技術(shù)實(shí)現(xiàn)的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)之間的同步連接也是一個(gè)非常值得研究的方向。

6 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了現(xiàn)代移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)下無(wú)人機(jī)自組網(wǎng)和車(chē)聯(lián)網(wǎng)MAC機(jī)制的研究現(xiàn)狀，并對(duì)相關(guān)工作進(jìn)行了分類(lèi)總結(jié)，分析了新型移動(dòng)自組織網(wǎng)絡(luò)的未來(lái)研究趨勢(shì)和挑戰(zhàn)。目前的MAC協(xié)議受環(huán)境場(chǎng)景的限制較大，并且由于拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的高度多元變化，如何提高自組織網(wǎng)絡(luò)的性能將成為未來(lái)的一個(gè)巨大挑戰(zhàn)。此外，由于通信網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，如何實(shí)現(xiàn)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)之間的同步連接以滿(mǎn)足未來(lái)航空6G的需求也是一個(gè)嚴(yán)峻的考驗(yàn)。