于必成， 趙學(xué)軍， 袁修久， 侯 蓓

(空軍工程大學(xué), a.基礎(chǔ)部; b.信息與導(dǎo)航學(xué)院，西安 710000)

0 引言

隨著無(wú)人機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，多無(wú)人機(jī)協(xié)同應(yīng)用在近些年來(lái)興起，無(wú)人機(jī)自組網(wǎng)(UAV Ad Hoc Network，UANET)[1-4]引起了眾多學(xué)者的廣泛關(guān)注。無(wú)人機(jī)自組網(wǎng)是移動(dòng)自組網(wǎng)(Mobile Ad Hoc Network，MANET)[5]和車載自組網(wǎng)(Vehicle Ad Hoc Network，VANET)[6]概念的拓展，其基本思想是各無(wú)人機(jī)將自身作為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，不依賴于固定的基礎(chǔ)設(shè)施，相互之間分發(fā)和傳遞指控信息、態(tài)勢(shì)信息和數(shù)據(jù)采集信息等[7]。相較于傳統(tǒng)自組網(wǎng)，UANET中的無(wú)人機(jī)節(jié)點(diǎn)具有高速移動(dòng)性，因此，在軍事和民用領(lǐng)域上應(yīng)用價(jià)值極大，但同時(shí)因?yàn)槠鋸?fù)雜多變的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，UANET也存在許多技術(shù)問題亟待解決。在軍事上，隨著戰(zhàn)爭(zhēng)形態(tài)的不斷演變，戰(zhàn)爭(zhēng)節(jié)奏不斷加快，對(duì)于一些時(shí)延敏感目標(biāo)，必須保證指控信息發(fā)送具有嚴(yán)格的時(shí)效性和可靠性，無(wú)人機(jī)系統(tǒng)才能實(shí)現(xiàn)精確打擊[8]，對(duì)于信息量較大的態(tài)勢(shì)信息和數(shù)據(jù)采集信息等，則需要保障其較高的吞吐量需求，因此，UANET需保證不同類型業(yè)務(wù)區(qū)分服務(wù)[9]。媒體接入控制(MAC)協(xié)議是無(wú)線通信協(xié)議棧的重要組成部分，在保證通信系統(tǒng)信道利用率、信息傳輸成功率和時(shí)延等性能方面起到至關(guān)重要的作用。

按照信道資源分配方式的不同，UANET的MAC協(xié)議可以分為基于調(diào)度的和基于競(jìng)爭(zhēng)的兩大類[10]，在數(shù)據(jù)傳輸之前，基于調(diào)度的MAC協(xié)議需要對(duì)網(wǎng)絡(luò)資源進(jìn)行規(guī)劃，傳輸過(guò)程中需要中心節(jié)點(diǎn)進(jìn)行調(diào)度，對(duì)于固定的基礎(chǔ)設(shè)施之間通信，基于調(diào)度的MAC協(xié)議能夠有效減少?zèng)_突，保證系統(tǒng)穩(wěn)定的吞吐量，但是，由于無(wú)人機(jī)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的高動(dòng)態(tài)性，很難對(duì)信道資源進(jìn)行調(diào)度，難以滿足軍事上毫秒級(jí)別的需求[11]，因此，基于調(diào)度類的協(xié)議不大適用于UANET場(chǎng)景?；诟?jìng)爭(zhēng)的MAC協(xié)議通過(guò)直接競(jìng)爭(zhēng)信道資源的機(jī)制接入信道，保證了無(wú)人機(jī)節(jié)點(diǎn)接入信道的時(shí)效性，因而更符合UANET的需求。載波偵聽多址接入(Carrier Sense Multiple Access,CSMA)協(xié)議[12]是自組網(wǎng)中使用最廣泛的一種競(jìng)爭(zhēng)MAC協(xié)議，CSMA協(xié)議有非堅(jiān)持CSMA、1-堅(jiān)持CSMA和p-堅(jiān)持CSMA 3種機(jī)制，其中,p-堅(jiān)持CSMA[13]結(jié)合了非堅(jiān)持CSMA和1-堅(jiān)持CSMA這兩種協(xié)議的特點(diǎn)，所以應(yīng)用最為廣泛，但是在該協(xié)議中，發(fā)送概率p的選擇影響整個(gè)協(xié)議的性能。統(tǒng)計(jì)優(yōu)先級(jí)多址接入(Statistical Priority-based Multiple Access,SPMA)協(xié)議[14]是美軍戰(zhàn)術(shù)瞄準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)(Tactical Targeting Network Technology,TTNT[15])采用的MAC協(xié)議，該協(xié)議在某些方面與CSMA協(xié)議類似，不同于CSMA協(xié)議，由于網(wǎng)絡(luò)中存在多種優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)，所以在SPMA 協(xié)議中，信道會(huì)出現(xiàn)多種狀態(tài)，而不是只有忙和閑兩種狀態(tài)。SPMA系統(tǒng)根據(jù)信道忙閑程度會(huì)為不同優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)設(shè)定不同的發(fā)送閾值，為保證高優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)擁有較高信道使用權(quán)限，在各優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)的發(fā)送閾值設(shè)定上，高優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)的閾值會(huì)比低優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)的閾值大。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)需要發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，首先檢測(cè)當(dāng)前信道的忙閑程度，然后根據(jù)數(shù)據(jù)包的優(yōu)先級(jí)發(fā)送閾值，判斷是否可以發(fā)送數(shù)據(jù)[16]。

鑒于此，為了滿足無(wú)人機(jī)自組網(wǎng)多業(yè)務(wù)區(qū)分服務(wù)，以及最高優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)的低時(shí)延和較高的一次成功傳輸率，同時(shí)保證系統(tǒng)在高負(fù)載的情況下依然保持較高信道利用率，在p-堅(jiān)持CSMA協(xié)議和SPMA協(xié)議的基礎(chǔ)上，提出了一種模糊信道忙閑劃分的概率媒體接入控制協(xié)議(P-FMAC)。

1 協(xié)議描述

由于UANET中存在著多種不同的優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)，P-FMAC協(xié)議采用多信道機(jī)制傳輸多種優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)，該協(xié)議主要包含以下兩種核心機(jī)制。

1) 模糊信道忙閑劃分機(jī)制：該機(jī)制在論域信道負(fù)載上根據(jù)業(yè)務(wù)類型建立多種信道忙閑模糊子集，為每一個(gè)信道忙閑模糊子集設(shè)置合理的隸屬度函數(shù)，并根據(jù)當(dāng)前信道負(fù)載，計(jì)算各信道忙閑等級(jí)的隸屬度，通過(guò)定義概率決策函數(shù)，綜合利用各隸屬度信息，確定當(dāng)前信道的忙閑等級(jí)。

2) 概率接入機(jī)制：為了保證系統(tǒng)在重網(wǎng)絡(luò)負(fù)載下最高優(yōu)先級(jí)的成功傳輸率和信道利用率，在監(jiān)測(cè)到信道忙閑程度允許發(fā)送后，發(fā)送節(jié)點(diǎn)以概率p發(fā)送數(shù)據(jù)。

P-FMAC協(xié)議工作原理如圖1所示。

圖1 P-FMAC原理Fig.1 Principle of P-FMAC

P-FMAC協(xié)議具體過(guò)程如下。

1) 編碼：發(fā)送節(jié)點(diǎn)通過(guò)RS-Turbo級(jí)聯(lián)糾錯(cuò)編碼[17]，將系統(tǒng)中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)包劃分為長(zhǎng)度更短的突發(fā)包，并在每個(gè)突發(fā)包中加入冗余信息，用于分組解碼。

2) 排隊(duì)過(guò)程：系統(tǒng)中存在多種優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)分組，分組到達(dá)后在節(jié)點(diǎn)的隊(duì)列緩沖區(qū)按照優(yōu)先級(jí)順序進(jìn)行排列。

3) 信道接收突發(fā)監(jiān)測(cè)：統(tǒng)計(jì)各個(gè)信道在一段時(shí)間內(nèi)接收到的突發(fā)數(shù)量，并將結(jié)果反饋給各發(fā)送節(jié)點(diǎn)。

4) 信道忙閑決策：各節(jié)點(diǎn)將反饋的突發(fā)數(shù)量根據(jù)模糊信道忙閑等級(jí)劃分機(jī)制，對(duì)當(dāng)前時(shí)刻的信道忙閑等級(jí)進(jìn)行決策。

5) 發(fā)送節(jié)點(diǎn)根據(jù)需要發(fā)送突發(fā)的優(yōu)先級(jí)選擇合適的信道，以概率p進(jìn)行發(fā)送。

6) 解碼：通過(guò)識(shí)別突發(fā)包中加入的冗余信息，對(duì)原分組進(jìn)行重組和譯碼，根據(jù)Turbo編碼原理，如果目標(biāo)節(jié)點(diǎn)正確接收到一個(gè)分組解碼產(chǎn)生的突發(fā)包總數(shù)的一半，就可以將該分組成功還原。

2 協(xié)議建模

2.1 信道忙閑程度量化

對(duì)于多信道網(wǎng)絡(luò)，各個(gè)信道相互獨(dú)立，信道與信道之間不存在干擾，各信道以統(tǒng)計(jì)周期內(nèi)接收到的突發(fā)數(shù)量表示信道忙閑程度。圖2為信道接收時(shí)頻圖，其中，N為統(tǒng)計(jì)周期，f1,…,fM表示網(wǎng)絡(luò)中共有M條信道。

設(shè)在N個(gè)時(shí)隙內(nèi)，信道fi上接收到的突發(fā)數(shù)量為Nfi，Nfi反映信道忙閑程度，Nfi越大，信道越忙，反之，信道越閑。

2.2 模糊信道忙閑等級(jí)劃分

由于UANET具有多優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)的特點(diǎn)，為保證各優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)區(qū)分服務(wù)，MAC協(xié)議需要為不同優(yōu)先級(jí)數(shù)據(jù)包設(shè)置不同的閾值門限。隨著網(wǎng)絡(luò)負(fù)載的增加，當(dāng)負(fù)載達(dá)到一個(gè)超標(biāo)狀態(tài)時(shí)，可以讓優(yōu)先級(jí)較低的數(shù)據(jù)包退避一段時(shí)間再發(fā)送出去，保證高優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)的時(shí)效性。不同優(yōu)先級(jí)分組接入信道的閾值可以用信道忙閑程度表示，由于信道忙閑是一種模糊概念[18]，當(dāng)反饋的突發(fā)數(shù)量介于信道忙閑等級(jí)劃分的閾值附近，信道忙閑程度雖然相差不大，但此時(shí)信道忙閑狀態(tài)卻隸屬于兩種不同的信道忙閑等級(jí)，顯然，這種信道忙閑等級(jí)劃分的方式是不準(zhǔn)確的，所以該協(xié)議采用模糊信道忙閑等級(jí)劃分的方式對(duì)信道忙閑狀態(tài)進(jìn)行劃分。

所謂的模糊信道忙閑等級(jí)劃分即在論域信道負(fù)載上，根據(jù)發(fā)送業(yè)務(wù)的類型建立多種信道忙閑模糊子集[19-20]，根據(jù)統(tǒng)計(jì)時(shí)隙內(nèi)的突發(fā)數(shù)量為每一個(gè)信道忙閑模糊子集設(shè)置合理的隸屬度函數(shù)，通過(guò)監(jiān)測(cè)各信道負(fù)載，計(jì)算各信道忙閑等級(jí)的隸屬度，通過(guò)定義概率決策函數(shù)，判斷當(dāng)前各信道屬于各信道忙閑等級(jí)的概率。

節(jié)點(diǎn)在發(fā)送數(shù)據(jù)包前，根據(jù)信道前N個(gè)時(shí)隙接收到的突發(fā)數(shù)量，計(jì)算各信道忙閑等級(jí)的隸屬度，例如信道i此時(shí)向發(fā)送節(jié)點(diǎn)反饋的信道負(fù)載為x，則得到所對(duì)應(yīng)的各信道忙閑等級(jí)隸屬度為A1(x)，A2(x)，…，AM(x)。為綜合利用各信道忙閑等級(jí)隸屬度，更好地反映實(shí)際信道忙閑情況，定義決策概率函數(shù)為

(1)

式中，pj表示信道忙閑屬于j等級(jí)的決策概率，信道忙閑等級(jí)隸屬度越大，決策概率越大，則隸屬于該信道等級(jí)的可能性越大。模糊信道忙閑等級(jí)劃分的流程如圖3所示。

圖3 模糊信道忙閑等級(jí)劃分流程圖Fig.3 Flow chart of fuzzy division of the channel busy and idle degree

2.3 概率接入機(jī)制

隨著網(wǎng)絡(luò)負(fù)載的不斷增加，網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)碰撞也在不斷增加，為了保證在重負(fù)載下，信道依然保持較高的利用率，提出了概率接入機(jī)制。當(dāng)發(fā)送節(jié)點(diǎn)監(jiān)測(cè)到當(dāng)前信道忙閑程度允許數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)，發(fā)送節(jié)點(diǎn)并不是直接發(fā)送數(shù)據(jù)，而是以概率p進(jìn)行發(fā)送，從而降低數(shù)據(jù)包的碰撞概率。

當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)對(duì)信道忙閑程度監(jiān)測(cè)結(jié)束后，節(jié)點(diǎn)根據(jù)當(dāng)前需要發(fā)送數(shù)據(jù)包的優(yōu)先級(jí)，選擇合適信道進(jìn)行發(fā)送。用γ1(m|n)表示n個(gè)發(fā)送節(jié)點(diǎn)中在該時(shí)隙有m個(gè)發(fā)送節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)的概率，其發(fā)送數(shù)據(jù)的概率為p，則

(2)

(3)

節(jié)點(diǎn)成功傳輸優(yōu)先級(jí)j的業(yè)務(wù)的概率可以表示為

(4)

將式(2)、式(3)代入式(4)整理可得

(5)

3 仿真分析

采用OMNeT++仿真平臺(tái)對(duì)協(xié)議性能進(jìn)行分析。仿真場(chǎng)景大小設(shè)置為200 km×200 km×10 km，在該場(chǎng)景中，所有節(jié)點(diǎn)都隨機(jī)分布，每個(gè)節(jié)點(diǎn)通過(guò)隨機(jī)選擇目的節(jié)點(diǎn)通信，構(gòu)成一個(gè)全連通的網(wǎng)絡(luò)。根據(jù)無(wú)人機(jī)自組網(wǎng)應(yīng)用需求，協(xié)議設(shè)定4種優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)，其中,優(yōu)先級(jí)Ⅰ業(yè)務(wù)的分組到達(dá)率固定為100包/s，優(yōu)先級(jí)Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ業(yè)務(wù)分組到達(dá)率的比例為1∶1∶1。概率接入機(jī)制的發(fā)送概率p是影響節(jié)點(diǎn)碰撞的關(guān)鍵因素，如果p的取值過(guò)大，則在網(wǎng)絡(luò)負(fù)載較大時(shí)，碰撞加??；如果p的取值過(guò)小，則節(jié)點(diǎn)傳輸數(shù)據(jù)的選擇過(guò)于保守，導(dǎo)致信道利用率降低。因此，設(shè)置發(fā)送概率p=0.5，具體參數(shù)設(shè)置見表1。

表1 仿真參數(shù)設(shè)置Table 1 Simulation parameters

在論域信道負(fù)載上設(shè)置的各優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)的隸屬度函數(shù)可以表示為

(6)

仿真過(guò)程中，發(fā)送概率p=1表示當(dāng)監(jiān)測(cè)到信道忙閑程度低于當(dāng)前數(shù)據(jù)的優(yōu)先級(jí)閾值時(shí)，節(jié)點(diǎn)直接發(fā)送數(shù)據(jù)。隨著網(wǎng)絡(luò)負(fù)載的不斷增加，協(xié)議中各優(yōu)先級(jí)分組成功傳輸率、平均時(shí)延以及信道利用率等性能也在不斷變化。圖4所示為各優(yōu)先級(jí)分組的平均時(shí)延，由圖4(a)可知，隨著網(wǎng)絡(luò)負(fù)載的不斷增加，各優(yōu)先級(jí)分組的平均時(shí)延均不斷增加，在相同的網(wǎng)絡(luò)負(fù)載下，高優(yōu)先級(jí)分組平均時(shí)延小于低優(yōu)先級(jí)分組平均時(shí)延；從圖4(b)中可以看出，當(dāng)p=0.5時(shí)，由于發(fā)送概率降低，各優(yōu)先級(jí)分組的平均時(shí)延有所增加，但優(yōu)先級(jí)Ⅰ分組的平均時(shí)延均能始終保持在2 ms以內(nèi)。圖5所示為各優(yōu)先級(jí)分組的成功傳輸率，隨著網(wǎng)絡(luò)負(fù)載的不斷增加，網(wǎng)絡(luò)碰撞不斷加劇，各優(yōu)先級(jí)分組的成功傳輸率不斷下降，但優(yōu)先級(jí)Ⅰ分組的成功傳輸率均能保證在97%以上，在高負(fù)載時(shí)，當(dāng)p=0.5，由于降低發(fā)送概率，碰撞減少，各優(yōu)先級(jí)分組的成功傳輸率得到提高。圖6所示為協(xié)議信道利用率，在低負(fù)載時(shí)，協(xié)議信道利用率隨著網(wǎng)絡(luò)負(fù)載的增加不斷增大；高負(fù)載時(shí)，由于碰撞加劇，信道利用率隨著網(wǎng)絡(luò)負(fù)載的不斷增加而下降，當(dāng)p=0.5時(shí)，發(fā)送概率降低，有效減少了數(shù)據(jù)分組碰撞發(fā)生，使該協(xié)議在高負(fù)載情況下依然保持較高的信道利用率。

圖4 平均時(shí)延Fig.4 Mean delay

圖5 分組成功傳輸率Fig.5 Rate of successful transmission

圖6 信道利用率Fig.6 Channel utilization rate

4 結(jié)論

針對(duì)無(wú)人機(jī)自組網(wǎng)中多種混合業(yè)務(wù)并行傳輸以及現(xiàn)有的信道忙閑劃分方式未考慮信道忙閑模糊化特征等問題，提出了一種模糊信道忙閑劃分機(jī)制的概率媒體接入控制協(xié)議。該協(xié)議通過(guò)采用模糊信道忙閑劃分機(jī)制和概率接入機(jī)制，降低數(shù)據(jù)分組在高負(fù)載情況下的碰撞概率，結(jié)果表明，該協(xié)議在高負(fù)載時(shí)依然能夠保證高優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)低時(shí)延，以及較高的一次成功接入概率，并且在高負(fù)載時(shí)系統(tǒng)的信道利用率維持在一個(gè)較高水平。