蘇榆淵　王辛果

【摘要】? ? 飛行自組網(wǎng)可廣泛應(yīng)用于軍用數(shù)據(jù)鏈、無(wú)人機(jī)測(cè)控、航空通信等場(chǎng)景。然而，由于網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)高速移動(dòng)和用戶業(yè)務(wù)需求劇烈變化等原因，傳統(tǒng)的時(shí)分信道接入機(jī)制的信道接入延遲較高且信道利用率較低。本文提出了一種適用于飛行自組網(wǎng)的動(dòng)態(tài)時(shí)分信道接入機(jī)制。通過(guò)引入節(jié)點(diǎn)業(yè)務(wù)需求預(yù)測(cè)，保證在節(jié)點(diǎn)間更加合理地分配信道資源。此外，采用了動(dòng)態(tài)的時(shí)隙分配策略，并引入業(yè)務(wù)優(yōu)先級(jí)機(jī)制，按照優(yōu)先級(jí)高低順序分配信道資源，實(shí)現(xiàn)高優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)的低時(shí)延接入。最后，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓潭葘?duì)網(wǎng)絡(luò)管理時(shí)隙和數(shù)據(jù)傳輸時(shí)隙的比例進(jìn)行優(yōu)化，從而在保證低時(shí)隙沖突概率的前提下，盡可能提升信道資源利用率。模擬結(jié)果表明，在信道資源一定的情況下，該機(jī)制可最大化信道資源利用，保證在網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的高優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)的傳輸需求，高優(yōu)先級(jí)節(jié)點(diǎn)高優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)擁有更低的接入時(shí)延，且節(jié)點(diǎn)優(yōu)先級(jí)依次變化，網(wǎng)絡(luò)整體資源利用率高，節(jié)點(diǎn)接入公和資源使用相對(duì)公平。

【關(guān)鍵詞】? ? 飛行自組網(wǎng)? ? 接入延時(shí)? ? 動(dòng)態(tài)TDMA? ? 節(jié)點(diǎn)優(yōu)先級(jí)? ? 業(yè)務(wù)優(yōu)先級(jí)

引言：

飛行自組網(wǎng)（flying ad-hoc networks， FANET）需支持節(jié)點(diǎn)隨時(shí)入網(wǎng)和退網(wǎng)，且整個(gè)網(wǎng)絡(luò)能自動(dòng)恢復(fù)，是一種高殘存性、高自適應(yīng)性、且適合戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境的組網(wǎng)方式。在飛行自組網(wǎng)的場(chǎng)景下，各節(jié)點(diǎn)具有高度的獨(dú)立性和自組性，沒(méi)有主控節(jié)點(diǎn)進(jìn)行全盤操控。在高速變化的拓?fù)鋱?chǎng)景下，節(jié)點(diǎn)的自適應(yīng)能力更強(qiáng)。

近年來(lái)，無(wú)人機(jī)以其靈活性、易部署性、低延遲、低成本等優(yōu)點(diǎn)引起了人們的廣泛關(guān)注。隨著無(wú)人機(jī)的迅速普及及其在各種應(yīng)用（如工業(yè)和應(yīng)急服務(wù)）中的巨大潛力，飛行自組網(wǎng)技術(shù)吸引了工業(yè)界和學(xué)術(shù)界的廣泛研究興趣。[1-4]盡管在部署上有好處，但無(wú)人機(jī)在無(wú)線電分配和通道訪問(wèn)方面面臨著重大挑戰(zhàn)。這些問(wèn)題的大部分是由于媒體訪問(wèn)控制（Medium access control， MAC）協(xié)議效率低下，因?yàn)榇蠖鄶?shù)無(wú)人機(jī)應(yīng)用程序使用現(xiàn)有的MAC協(xié)議，這些協(xié)議只適用于傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)。由于高度動(dòng)態(tài)和移動(dòng)場(chǎng)景的要求，現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的MAC協(xié)議面臨著適用飛行自組網(wǎng)通信的問(wèn)題。

為了解決飛行自組網(wǎng)的通信問(wèn)題，目前國(guó)內(nèi)外有很多學(xué)者已經(jīng)對(duì)相關(guān)MAC協(xié)議做了不少研究。文獻(xiàn)[5]考慮了高空平臺(tái)（high altitude platform， HAP）輔助的無(wú)人機(jī)網(wǎng)絡(luò)對(duì)物聯(lián)網(wǎng)（Internet of Things， IOT），其中高動(dòng)態(tài)無(wú)人機(jī)可以通過(guò)HAP向遠(yuǎn)程地面控制中心發(fā)送實(shí)時(shí)的IOT數(shù)據(jù);該協(xié)議在這種高動(dòng)態(tài)無(wú)人機(jī)網(wǎng)絡(luò)中可以實(shí)現(xiàn)更低的端到端延遲和更高的吞吐量性能。文獻(xiàn)[6] 提出了一種基于CSMA/CA的FANET群集自適應(yīng)載波感知多址接入?yún)f(xié)議，即FMAC，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)，所提出的FMAC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，并且優(yōu)于典型的MAC解決方案。文獻(xiàn)[7]提出了一種新的全雙工ad-hoc網(wǎng)絡(luò)混合MAC協(xié)議。該MAC結(jié)合了時(shí)分多址（TDMA）和ieee802.11基于時(shí)隙競(jìng)爭(zhēng)的控制幀和無(wú)沖突數(shù)據(jù)幀鏈中的分布式協(xié)調(diào)功能（distributed coordination function， DCF）強(qiáng)度。目的是充分利用全雙工（full-duplex， FD）傳輸機(jī)會(huì)，提高網(wǎng)絡(luò)吞吐量。該方案緩解了隱藏節(jié)點(diǎn)問(wèn)題（hidden-node problem， HNP）和暴露節(jié)點(diǎn)問(wèn)題（exposed-node problem， ENP）等傳統(tǒng)MAC問(wèn)題。它還允許以無(wú)沖突的方式進(jìn)行并發(fā)FD數(shù)據(jù)傳輸。文獻(xiàn)[8]在固定時(shí)隙分配（TDMA）協(xié)議基礎(chǔ)上，提出了一種支持業(yè)務(wù)優(yōu)先級(jí)傳輸機(jī)制的閑置時(shí)隙預(yù)約TDMA。該協(xié)議在滿足協(xié)同與控制業(yè)務(wù)較低時(shí)延要求的同時(shí)，還有著較高的信道利用率及吞吐量。文獻(xiàn)[9] 提出的一種基于節(jié)點(diǎn)優(yōu)先級(jí)的動(dòng)態(tài)TDMA協(xié)議NP-TDMA（dynamic TDMA based on node priority-TDMA）采用動(dòng)態(tài)分配策略，在節(jié)點(diǎn)申請(qǐng)空閑時(shí)隙階段引入節(jié)點(diǎn)優(yōu)先級(jí)判斷機(jī)制，實(shí)現(xiàn)了高優(yōu)先級(jí)節(jié)點(diǎn)優(yōu)先接入信道的目的。此外，該協(xié)議通過(guò)采取時(shí)隙沖突避免和時(shí)隙沖突檢測(cè)兩種方式來(lái)快速高效的解決時(shí)隙沖突問(wèn)題。

基于以上的研究，再考慮實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景的情況下，本文提出一種適用于飛行自組網(wǎng)的動(dòng)態(tài)時(shí)分信道接入機(jī)制，引入節(jié)點(diǎn)業(yè)務(wù)預(yù)測(cè)，保證節(jié)點(diǎn)業(yè)務(wù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性;引入節(jié)點(diǎn)優(yōu)先級(jí)和業(yè)務(wù)優(yōu)先級(jí)，保證高優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)低時(shí)延接入和保證高優(yōu)先級(jí)節(jié)點(diǎn)業(yè)務(wù)傳輸需求。滿足飛行自組網(wǎng)的特性，即低延遲、大容量、高靈活性、可擴(kuò)展性強(qiáng)、多優(yōu)先級(jí)的媒體訪問(wèn)控制（MAC）協(xié)議。

一、時(shí)幀結(jié)構(gòu)

（一）時(shí)間同步

時(shí)分信道接入前提需要滿足節(jié)點(diǎn)間時(shí)間同步，本文采用的是雙向時(shí)間校準(zhǔn)。如圖1所示，A、B兩個(gè)節(jié)點(diǎn)，其中A是參考節(jié)點(diǎn)，B是待同步節(jié)點(diǎn)。兩個(gè)節(jié)點(diǎn)在自己的控制時(shí)隙發(fā)送時(shí)間同步幀。B節(jié)點(diǎn)根據(jù)時(shí)間同步算法進(jìn)行Δ調(diào)整，保證節(jié)點(diǎn)間的時(shí)間同步。Δ計(jì)算公式如下：

（二）時(shí)隙結(jié)構(gòu)

如圖2所示，時(shí)隙結(jié)構(gòu)由物理幀和保護(hù)間隔組成。保護(hù)間隔的設(shè)置是用來(lái)防止各節(jié)點(diǎn)由于物理傳播時(shí)延幀間干擾。設(shè)置保護(hù)間隔的時(shí)長(zhǎng)需考慮節(jié)點(diǎn)的最大通信距離和功放收發(fā)切換保護(hù)。由于項(xiàng)目中要求節(jié)點(diǎn)的最大通信距離為 100km，電磁波傳播 10km 所需的時(shí)間約為 334us?？紤]功放收發(fā)切換時(shí)間，將保護(hù)間隔設(shè)置為 500us。

（三）時(shí)幀

動(dòng)態(tài)TDMA接入機(jī)制中，時(shí)隙類型有控制時(shí)隙、響應(yīng)時(shí)隙和數(shù)據(jù)時(shí)隙。網(wǎng)絡(luò)時(shí)間周期為一個(gè)時(shí)幀，一個(gè)時(shí)幀有N個(gè)控制時(shí)隙、N個(gè)響應(yīng)時(shí)隙和M個(gè)數(shù)據(jù)時(shí)隙組成。

如圖3所示，整個(gè)TDMA系統(tǒng)的通信時(shí)間由一個(gè)個(gè)周而復(fù)始的時(shí)幀組成?？刂茣r(shí)隙和響應(yīng)時(shí)隙的設(shè)定是為了保證節(jié)點(diǎn)的基本通信功能和業(yè)務(wù)量信息通知。其中控制時(shí)隙階段時(shí)，各節(jié)點(diǎn)完成全網(wǎng)時(shí)間同步信息和時(shí)隙請(qǐng)求信息的廣播;響應(yīng)時(shí)隙階段則是各個(gè)節(jié)點(diǎn)在控制時(shí)隙階段收集到一跳和兩跳節(jié)點(diǎn)的時(shí)隙請(qǐng)求信息后進(jìn)行匯總并廣播。然后各節(jié)點(diǎn)根據(jù)響應(yīng)時(shí)隙階段收到的時(shí)隙請(qǐng)求匯總信息在本地進(jìn)行動(dòng)態(tài)時(shí)隙分配。接著進(jìn)入數(shù)據(jù)時(shí)隙階段完成節(jié)點(diǎn)間的數(shù)據(jù)收發(fā)。

N的個(gè)數(shù)取決于自組網(wǎng)中節(jié)點(diǎn)的最大數(shù)量;M的個(gè)數(shù)取決于網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓省越大，信道利用率越高，但檢測(cè)到因網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓斐傻臅r(shí)隙沖突所需的時(shí)間也越長(zhǎng)。為保證較低的時(shí)隙沖突概率，將M設(shè)為節(jié)點(diǎn)通信半徑/節(jié)點(diǎn)最大移動(dòng)速率的一半。

二、動(dòng)態(tài)時(shí)分信道接入機(jī)制設(shè)計(jì)

在本文的動(dòng)態(tài)TDMA接入機(jī)制中，引入了業(yè)務(wù)預(yù)測(cè)，用于預(yù)測(cè)各節(jié)點(diǎn)控制時(shí)隙階段和響應(yīng)時(shí)隙階段各優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)總數(shù)據(jù)量，并在控制時(shí)隙階段通知到鄰居節(jié)點(diǎn)。在匯集一跳和兩跳節(jié)點(diǎn)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)時(shí)隙需求后，在節(jié)點(diǎn)本地按照業(yè)務(wù)優(yōu)先級(jí)和節(jié)點(diǎn)優(yōu)先級(jí)進(jìn)行動(dòng)態(tài)時(shí)隙分配。

（一）業(yè)務(wù)需求預(yù)測(cè)

為了更準(zhǔn)確地為各節(jié)點(diǎn)各優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)分配更合理的數(shù)據(jù)時(shí)隙數(shù)，以保證數(shù)據(jù)的低時(shí)延接入。本文引入差分整合移動(dòng)平均自回歸模型（Autoregressive Integrated Moving Average model， ARIMA），用各節(jié)點(diǎn)歷史業(yè)務(wù)需求量數(shù)據(jù)對(duì)下一個(gè)時(shí)間周期各優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)需求量進(jìn)行預(yù)測(cè)。

用X，X，X，...，X表示歷史t個(gè)時(shí)幀周期觀測(cè)到的各優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)隊(duì)列的數(shù)據(jù)量，進(jìn)而預(yù)測(cè)下一個(gè)時(shí)幀周期的業(yè)務(wù)需求量Xt。

其中，X表示第t個(gè)時(shí)間周期數(shù)據(jù)隊(duì)列數(shù)據(jù)量;p代表預(yù)測(cè)模型中采用的時(shí)序數(shù)據(jù)本身的滯后數(shù);

d代表時(shí)序數(shù)據(jù)需要進(jìn)行幾階差分化才是穩(wěn)定的;q代表預(yù)測(cè)模型中采用的預(yù)測(cè)誤差的滯后數(shù);c為常數(shù)（表示序列數(shù)據(jù)沒(méi)有0均值化）;α表示AR權(quán)重系數(shù);θ表示MA權(quán)重系數(shù);ε表示預(yù)測(cè)的殘差。在預(yù)測(cè)完本地節(jié)點(diǎn)的各優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)需求量后在控制時(shí)隙階段廣播自己的業(yè)務(wù)量信息。

（二）為各優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)分配數(shù)據(jù)時(shí)隙數(shù)

在介紹協(xié)議時(shí)隙分配算法流程前，先聲明算法中所用到的符號(hào)如表1所示。各節(jié)點(diǎn)在獲取到一跳和兩跳節(jié)點(diǎn)業(yè)務(wù)需求信息后，首先在本地先進(jìn)行各優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)時(shí)隙數(shù)分配，分配流程如圖4所示。

根據(jù)業(yè)務(wù)優(yōu)先級(jí)依次分配數(shù)據(jù)時(shí)隙數(shù)，高優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)時(shí)隙優(yōu)先分配，保證所有用戶高優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)需求優(yōu)先滿足，如下算法1所示。各優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)時(shí)隙請(qǐng)求總數(shù)：

（三）為各優(yōu)先級(jí)節(jié)點(diǎn)分配數(shù)據(jù)時(shí)隙

在第一階段分配完成后，對(duì)數(shù)據(jù)時(shí)隙號(hào)（1...M）進(jìn)行依次分配，時(shí)隙分配流程如圖5所示。

為了保證高優(yōu)先級(jí)節(jié)點(diǎn)接入低時(shí)延要求和高優(yōu)先級(jí)節(jié)點(diǎn)業(yè)務(wù)傳輸需求。本文算法按照節(jié)點(diǎn)優(yōu)先級(jí)和業(yè)務(wù)優(yōu)先級(jí)順序一個(gè)個(gè)分配數(shù)據(jù)時(shí)隙，如下算法2所示。分配完成后，各節(jié)點(diǎn)只需要在屬于自己的數(shù)據(jù)時(shí)隙進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送，否則處于數(shù)據(jù)接收狀態(tài)。

三、事例分析

假設(shè)網(wǎng)絡(luò)中網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)為4，最大跳數(shù)為2，網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖6所示。時(shí)幀中控制時(shí)隙和響應(yīng)時(shí)隙N各為4，數(shù)據(jù)時(shí)隙數(shù)M為20，業(yè)務(wù)優(yōu)先級(jí)為1，2，3，節(jié)點(diǎn)優(yōu)先級(jí)A-B-C-D-E依次遞減。

四、仿真與分析

使用OMNeT++對(duì)本文協(xié)議性能進(jìn)行仿真分析。仿真參數(shù)表3所示。該仿真僅考慮最大跳數(shù)為2的網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景。場(chǎng)景由10個(gè)節(jié)點(diǎn)組成，節(jié)點(diǎn)通信半徑是100km，每個(gè)時(shí)幀有100個(gè)時(shí)隙。

（一）不同優(yōu)先級(jí)節(jié)點(diǎn)接入時(shí)延分析

如圖7所示，結(jié)果表明，本文的接入機(jī)制能保證不同時(shí)刻的各用戶高優(yōu)先級(jí)節(jié)點(diǎn)業(yè)務(wù)優(yōu)先接入，且保證高優(yōu)先級(jí)節(jié)點(diǎn)相對(duì)接入時(shí)延更小，不同優(yōu)先級(jí)時(shí)延也不會(huì)相差較大，且都優(yōu)于NP-TDMA。

（二）預(yù)測(cè)與未預(yù)測(cè)業(yè)務(wù)需求對(duì)比

如圖8所示，結(jié)果表明，在加入業(yè)務(wù)預(yù)測(cè)后，業(yè)務(wù)量的數(shù)據(jù)時(shí)隙需求與實(shí)際產(chǎn)生的數(shù)據(jù)包數(shù)量基本吻合;而在不進(jìn)行業(yè)務(wù)預(yù)測(cè)情況下，用上一次的統(tǒng)計(jì)量進(jìn)行是時(shí)隙請(qǐng)求，則會(huì)出現(xiàn)與實(shí)際產(chǎn)生的數(shù)量包數(shù)量差別較大的情況，從而影響業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性或浪費(fèi)過(guò)多數(shù)據(jù)時(shí)隙，進(jìn)而降低信道利用率。

（三）數(shù)據(jù)時(shí)隙獲取能力

如圖9所示，本文提出的動(dòng)態(tài)時(shí)分信道接入機(jī)制，在時(shí)隙數(shù)分配上是優(yōu)先滿足高優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)，保證高優(yōu)先級(jí)節(jié)點(diǎn)的高優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)的傳輸需求，而NP-TDMA僅考慮了最高節(jié)點(diǎn)優(yōu)先級(jí)的業(yè)務(wù)優(yōu)先。

五、結(jié)束語(yǔ)

在FANET中各個(gè)節(jié)點(diǎn)有著不同的任務(wù)分工且存在多種類型數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)傳輸需求，根據(jù)實(shí)際FANET場(chǎng)景應(yīng)用的特點(diǎn)，本文基于引入業(yè)務(wù)預(yù)測(cè)、節(jié)點(diǎn)優(yōu)先級(jí)和業(yè)務(wù)優(yōu)先級(jí)設(shè)計(jì)了一種適用于FANET的動(dòng)態(tài)TDMA接入機(jī)制。

該機(jī)制通過(guò)業(yè)務(wù)預(yù)測(cè)來(lái)保證各節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性，且設(shè)計(jì)基于節(jié)點(diǎn)優(yōu)先級(jí)和業(yè)務(wù)優(yōu)先級(jí)共同決策的動(dòng)態(tài)時(shí)隙分配機(jī)制，使得信道資源充分得到利用，且滿足整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)訪問(wèn)信道資源的相對(duì)公平性。仿真結(jié)果表明，該機(jī)制既滿足了高優(yōu)先級(jí)節(jié)點(diǎn)高優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)低延遲接入，也滿足不同優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)的時(shí)延要求，充分利用信道資源。

作者單位：蘇榆淵? ? 成都信息工程大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院

王辛果? ? 成都信息工程大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院? ? 中國(guó)航空工業(yè)無(wú)線電電子研究所

參? 考? 文? 獻(xiàn)

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