楊帆 孫志剛 韓彥中

摘 要：為了滿足高動態(tài)無人機群自組網(wǎng)在網(wǎng)絡(luò)拓撲頻繁變化下快速傳輸高優(yōu)先級業(yè)務(wù)的需求，提出一種基于TDMA協(xié)議的動態(tài)優(yōu)先級時隙分配算法。根據(jù)節(jié)點優(yōu)先級級別，在TDMA協(xié)議框架下提出面向不同業(yè)務(wù)需求的動態(tài)時隙分配算法，采用位向量（BOV）間接確認法實現(xiàn)節(jié)點時隙分配；并通過多維度調(diào)整策略，綜合業(yè)務(wù)優(yōu)先級、鄰居節(jié)點數(shù)量、鄰居節(jié)點變化率和等待時間多個維度確定節(jié)點優(yōu)先級，均衡不同優(yōu)先級節(jié)點對不同數(shù)量時隙的申請；最后通過仿真實驗對調(diào)度策略進行了驗證。結(jié)果表明，提出的動態(tài)優(yōu)先級時隙分配算法（DP-TDMA）在拓撲頻繁變化時可以動態(tài)申請、快速分配不同數(shù)量的業(yè)務(wù)時隙，滿足對多種業(yè)務(wù)傳輸需求；在一定程度上降低了高動態(tài)下網(wǎng)絡(luò)拓撲變化的影響，提高了協(xié)議的公平性與穩(wěn)定性，保證了高優(yōu)先級信息快速傳輸，提高了網(wǎng)絡(luò)的吞吐量。所設(shè)計的DP-TDMA算法可應(yīng)用在高動態(tài)無人機群自組網(wǎng)場景中，為網(wǎng)絡(luò)時隙資源分配提供參考。

關(guān)鍵詞：無線通信技術(shù)；無人機自組網(wǎng)；TDMA；動態(tài)優(yōu)先級；時隙分配；DP-TDMA

中圖分類號：TN929.5

文獻標識碼：A

DOI： 10.7535/hbgykj.2023yx02007

A TDMA slot scheduling strategy based on high dynamic unmanned aerial vehicle cluster

YANG Fan1， SUN Zhigang1， HAN Yanzhong2

（1.The 54th Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation （CETC）， Shijiazhuang， Hebei 050081，China; 2.The First Military Representative Office of Army Armament Department in Shijiazhuang， Shijiazhuang， Hebei 050000， China）

Abstract：In order to meet the demand of fast transmission of high priority services in highly dynamic UAV cluster ad hoc networks with frequent changes in network topology， a dynamic priority slot allocation algorithm based on TDMA protocol was proposed. According to the node priority level， a dynamic slot allocation algorithm for different service requirements was proposed under the TDMA protocol framework， and the bit of vector （BOV） indirect confirmation method was used to achieve node slot allocation; Through a multi-dimensional adjustment strategy， the node priority was determined by integrating multiple dimensions such as data priority， number of neighbor nodes， change rate of neighbor nodes， and waiting time， to balance the applications of different priority nodes for different number of timeslots; Finally， the scheduling strategy was validated through simulation experiments. The results show that the DP-TDMA can dynamically apply for and quickly allocate different numbers of traffic slots when the topology changes frequently， meeting the transmission requirements for multiple services; To a certain extent， it reduces the impact of network topology changes under high dynamic conditions， improves the fairness and stability of the protocol， ensures rapid transmission of high priority information， and improves network throughput. The DP-TDMA can be applied in highly dynamic UAV cluster ad hoc networks， providing a reference for network slot resource allocation.

Keywords：wireless communication technique; UANET; TDMA; dynamic priority; slot allocation; DP-TDMA

無人機自組網(wǎng)（UAV ad hoc network，UANET）作為飛行自組網(wǎng)（flyingad-hoc network， FANET）的一種應(yīng)用類型，是由多個無人機以自組織的形式所構(gòu)成的無中心分布式網(wǎng)絡(luò)

^［1-4］，需要具備極強的自組織、自配置和管理能力，以適應(yīng)通信任務(wù)的變化^［5］。同時高動態(tài)無人機群自組網(wǎng)具有拓撲范圍大、可靠性要求高、拓撲變化頻繁等特點^［6］，基于信道訪問機制的不同，現(xiàn)有無人機自組網(wǎng)MAC協(xié)議主要分為競爭類、調(diào)度類和混合類3類^［7-8］。同時需要增強網(wǎng)絡(luò)靈活性，以確保緊急任務(wù)優(yōu)先執(zhí)行，因此有必要設(shè)計靈活高效的時隙分配算法保證高優(yōu)先級業(yè)務(wù)穩(wěn)定快速傳輸^［9］。以CSMA/CA為代表的競爭類MAC協(xié)議被廣泛應(yīng)用于無線局域網(wǎng)，但由于其退避機制和握手機制，在長距離傳輸中性能會急劇下降^［10］。調(diào)度類MAC協(xié)議大多是基于時分多址（time division multiple access，TDMA）方式，可以確保時延的邊界值，能實現(xiàn)無沖突的分組傳輸^［11］，但固定分配的方式造成了信道資源的極大浪費，因此基于TDMA的動態(tài)時隙分配策略成為無人機自組網(wǎng)通信的研究熱點^［12］。

文獻［13］提出了一種面向報文流的混合時隙分配算法，通過將固定時隙分配與動態(tài)時隙分配相結(jié)合來提高網(wǎng)絡(luò)效率，然而該算法復雜度較高，且無法及時根據(jù)拓撲變化進行時隙分配調(diào)整，在網(wǎng)絡(luò)進行分裂與融合時造成業(yè)務(wù)時隙的浪費。文獻［14］提出了一種改進的動態(tài)時隙分配算法，通過調(diào)整節(jié)點優(yōu)先級來確定節(jié)點占用固定時隙或競爭時隙，然而該算法的優(yōu)先級分配不夠靈活，隨著節(jié)點數(shù)量的提升只能通過降低高優(yōu)先級節(jié)點的級別來平衡節(jié)點數(shù)量，降低了高優(yōu)先級節(jié)點信息傳輸?shù)膶嵭耘c時隙分配的公平性。文獻［15］提出了一種路徑級動態(tài)時隙分配算法，在分配過程中利用一步回退與一次性預約多個時隙的方式提升瓶頸節(jié)點獲得時隙的數(shù)目，并根據(jù)超幀內(nèi)業(yè)務(wù)時隙數(shù)量進行吞吐量分析，證實該算法在提高了端到端吞吐量的同時提高了時隙的有效利用率。

本文針對TDMA協(xié)議下高動態(tài)自組網(wǎng)不同業(yè)務(wù)傳輸需求及目前TDMA時隙分配算法相對單一的問題，在基于位向量（BOV）間接確認法（BOV-TDMA）的基礎(chǔ)上，提出一種動態(tài)優(yōu)先級時隙分配算法（DP-TDMA）。采用固定時隙分配與動態(tài)時隙分配相結(jié)合的方式，在防止發(fā)生時隙饑餓現(xiàn)象的同時，通過多維度動態(tài)調(diào)節(jié)優(yōu)先級確定時隙預約數(shù)量，一次性申請多個業(yè)務(wù)時隙，保證了時隙調(diào)度的優(yōu)先性，同時提高了網(wǎng)絡(luò)的吞吐量、公平性和穩(wěn)定性。

1 時幀結(jié)構(gòu)

無人機加電后，隨著節(jié)點發(fā)現(xiàn)、GSN選取、控制時隙分配過程建立網(wǎng)絡(luò)，GSN低級節(jié)點向高級節(jié)點同步，故考慮協(xié)議時幀結(jié)構(gòu)（如圖1所示）由控制幀和業(yè)務(wù)幀2部分組成，其中控制幀由64個控制時隙組成，業(yè)務(wù)幀由64個業(yè)務(wù)時隙組成，即全網(wǎng)最大支持64個節(jié)點，每個節(jié)點固定占有一個控制時隙，并具有唯一的MAC值，在完成控制時隙分配后，可根據(jù)控制時隙號獲取節(jié)點網(wǎng)絡(luò)ID，取值范圍為0～63。業(yè)務(wù)時隙用于業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的傳輸，在預分配時隙的基礎(chǔ)上根據(jù)各節(jié)點優(yōu)先級和帶寬需求動態(tài)分配，當節(jié)點收到時幀ID的控制時隙時開始進行業(yè)務(wù)時隙分配過程。

1.1 控制時隙結(jié)構(gòu)

控制幀中每個控制時隙結(jié)構(gòu)如圖2所示，其主要負責網(wǎng)絡(luò)時鐘同步維護、沖突檢測、新節(jié)點的加入、網(wǎng)絡(luò)拓撲維護、時隙申請與分配、數(shù)據(jù)傳輸?shù)腁CK確認等功能。其中，幀類型用于區(qū)分控制幀和業(yè)務(wù)幀，“1”標識為控制幀，“0”為業(yè)務(wù)幀；優(yōu)先級字段表征該節(jié)點優(yōu)先級別，共分為5級；業(yè)務(wù)時隙申請BOV為1×64矢量，其中矢量中某位為“1”表示申請該業(yè)務(wù)時隙，否則，不申請；確認BOV為申請BOV的回復，當矢量中某位為“1”時表示該時隙存在申請沖突；為“0”，表示不沖突；占用BOV為本節(jié)點當前時幀時隙占用矢量，為鄰居節(jié)點生成申請BOV提供參考。鄰居節(jié)點信息字段記錄該節(jié)點的鄰居信息與節(jié)點網(wǎng)絡(luò)ID，并維護鄰居節(jié)點表。

1.2 業(yè)務(wù)時隙結(jié)構(gòu)

業(yè)務(wù)時隙用于業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的傳輸，其結(jié)構(gòu)如圖3所示，其中傳輸信息字段由傳輸數(shù)據(jù)包的地址、優(yōu)先級以及凈荷長度組成。地址字段標識對應(yīng)數(shù)據(jù)包的發(fā)送、接收地址信息；優(yōu)先級字段表征該節(jié)點優(yōu)先級別，共分為5級；凈荷長度字段表征數(shù)據(jù)包凈荷長度。

2 動態(tài)時隙分配策略

2.1 時隙分配策略

控制時隙分配采用初始競爭，穩(wěn)定后固定占用方式；業(yè)務(wù)時隙分配綜合了固定分配算法與競爭分配算法的優(yōu)勢，在固有時隙和預分配基礎(chǔ)上根據(jù)帶寬需求動態(tài)分配，以保證高QoS需求業(yè)務(wù)傳輸。在高動態(tài)無人機自組網(wǎng)場景中，節(jié)點移動速度快，在三維空間中速度為30～460 km/h，通信鏈路會劇烈波動，網(wǎng)絡(luò)拓撲變化頻繁，故提出BOV間接確認算法（BOV-TDMA），通過申請BOV、回復BOV和占用BOV完成業(yè)務(wù)時隙分配，完整流程需要占用3個時幀，在第1個時幀完成預分配和申請，在第2個時幀完成回復接收，在第3個時幀進行時隙占用，以保證無人機網(wǎng)絡(luò)在拓撲變化時可以快速完成時隙分配，實現(xiàn)業(yè)務(wù)快速穩(wěn)定傳輸。

2.1.1 控制時隙

控制時隙以及對應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)ID采用初始競爭，穩(wěn)定后固定占用的策略，既可以滿足網(wǎng)絡(luò)組建的需要，又可以避免競爭沖突和退避帶來的資源消耗，提高網(wǎng)絡(luò)響應(yīng)速度和性能。各節(jié)點時鐘同步、網(wǎng)絡(luò)ID申請完成后，控制時隙為固定占用，占用時隙即為本節(jié)點網(wǎng)絡(luò)ID對應(yīng)的時隙。

當節(jié)點完成時鐘同步時，控制時隙分配過程進入初始態(tài)，其分配流程如圖4所示，節(jié)點將通過控制時隙占用BOV記錄本節(jié)點與全網(wǎng)鄰居表中存在節(jié)點所占用的控制時隙；隨后隨機選擇未被占用的時隙發(fā)送控制時隙申請BOV，當其他已入網(wǎng)節(jié)點時，若收到該信息則發(fā)送控制時隙回復BOV。若本節(jié)點收到回復BOV且此時隙可占用，則占用申請的時隙；若本節(jié)點收到回復BOV且不可占用，則隨機申請其他未被占用時隙；若本節(jié)點未收到回復BOV，則繼續(xù)發(fā)送控制時隙申請BOV，直到最大申請次數(shù)達到3為止，若還未收到回復BOV則占用該時隙。

2.1.2 業(yè)務(wù)時隙

當節(jié)點收到有效控制信令，且本地存在有效鄰居信息時，開始進行業(yè)務(wù)時隙分配。完整分配流程由3步構(gòu)成，分別為預分配和申請、回復接收、時隙占用，由控制時隙中的業(yè)務(wù)時隙申請字段實現(xiàn)，一次業(yè)務(wù)時隙分配過程需要3個時幀。

每個節(jié)點在入網(wǎng)后即占用本節(jié)點ID相應(yīng)的業(yè)務(wù)時隙，即固定時隙，當網(wǎng)絡(luò)拓撲發(fā)生變化時，該時隙不會發(fā)生改變，從而保證低時延業(yè)務(wù)正常進行，其余時隙通過動態(tài)分配獲取?？紤]網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性及實現(xiàn)復雜度，采用根據(jù)節(jié)點數(shù)目進行預分配的方案。假設(shè)網(wǎng)內(nèi)目前節(jié)點數(shù)目為n，則網(wǎng)絡(luò)ID最小的節(jié)點占用的第i個時隙為（i×n）%64，其余節(jié)點按照網(wǎng)絡(luò)ID的大小，對非固定時隙進行預分配。

1）業(yè)務(wù)時隙申請BOV

時隙分配中可用于申請的時隙分為2個部分，本節(jié)點的預分配時隙和其余節(jié)點預分配時隙中因業(yè)務(wù)需求較少而未申請使用的預分配時隙。其中，本節(jié)點的預分配時隙可全部用于申請，其余未被鄰居節(jié)點申請的時隙可進行隨機申請。節(jié)點在生成申請BOV時，除兩跳鄰居節(jié)點的固定時隙外，還需將當前時刻鄰居節(jié)點已申請的時隙刪除。設(shè)節(jié)點i有n個兩跳鄰居節(jié)點，節(jié)點i收到n個申請BOV（如圖5所示），可構(gòu)成如表1所示n行64列BOV矩陣。矩陣第n行對應(yīng)網(wǎng)絡(luò)ID為n的節(jié)點時隙申

請BOV，第k列對應(yīng)各節(jié)點申請時隙k的情況，x（n，k）取值為{0，1}，x（n，k）=1表示節(jié)點n申請了時隙k，x（n，k）=0表示節(jié)點n沒有申請時隙k。

2）業(yè)務(wù)時隙回復BOV

各節(jié)點根據(jù)收到的時隙申請BOV矩陣，先計算出所有申請時隙，隨后計算出沖突時隙，最后將申請時隙刪除沖突時隙與本節(jié)點當前占用時隙作為時隙回復BOV。設(shè)yk為時隙分配回復BOV第k位的值，則有：

yk=1表示k時隙存在申請沖突；yk=0表示k時隙不存在申請沖突。

3）業(yè)務(wù)時隙占用BOV

節(jié)點根據(jù)鄰居節(jié)點回復BOV和上一時幀本節(jié)點時隙申請BOV，生成當前時幀本節(jié)點時隙占用BOV，對應(yīng)位為1表示占用該時隙，否則不占用，并在對應(yīng)占用時隙傳輸數(shù)據(jù)。

2.2 基于優(yōu)先級的時隙分配策略

在BOV-TDMA中，網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)方式無中心節(jié)點，各個節(jié)點均能夠平均地得到時隙，但當節(jié)點數(shù)量增大時，各個節(jié)點獲得的平均帶寬將受限，其QoS性能表現(xiàn)受限。為了適應(yīng)圖像、視頻等高傳輸速率、高業(yè)務(wù)優(yōu)先級的功能，將BOV-TDMA改進為可以一次性申請多個時隙的優(yōu)先級時隙分配算法（FP-TDMA），可動態(tài)地調(diào)整節(jié)點的接入時隙，高等級業(yè)務(wù)節(jié)點優(yōu)先預約“空閑時隙”，克服了MANET網(wǎng)絡(luò)中單個節(jié)點信道資源受限的缺點，支持高QoS等級業(yè)務(wù)傳輸，提高端到端的傳輸速率。申請原則如下：

1）所有節(jié)點固定占用的業(yè)務(wù)時隙不能申請；

2）節(jié)點兩跳范圍內(nèi)已經(jīng)被占用的業(yè)務(wù)時隙不能申請；

3）低優(yōu)先級節(jié)點生成申請BOV時，自動去除相同優(yōu)先級以上鄰居節(jié)點已申請的業(yè)務(wù)時隙；

4）低優(yōu)先級節(jié)點與高優(yōu)先級節(jié)點申請同一業(yè)務(wù)時隙時，低優(yōu)先級節(jié)點退讓該業(yè)務(wù)時隙；

5）節(jié)點可一次性申請n=2^Proi-1個業(yè)務(wù)時隙，其中Proi為節(jié)點的優(yōu)先級，分為1～5級。

第1條申請原則避免低優(yōu)先級節(jié)點出現(xiàn)時隙饑餓現(xiàn)象，確保每個節(jié)點有固定占用的時隙；第2條用來避免節(jié)點發(fā)起無意義的時隙申請；第3條和第4條原則是在減小申請沖突的前提下，保證高優(yōu)先級節(jié)點獲取信道資源的能力；第5條原則是對BOV-TDMA的改進，通過一次性申請多個時隙的方式，快速占用業(yè)務(wù)時隙，降低節(jié)點的等待時延，提高吞吐量。

2.3 多維度動態(tài)調(diào)節(jié)節(jié)點優(yōu)先級策略

在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點時隙調(diào)度中，業(yè)務(wù)優(yōu)先級由傳輸業(yè)務(wù)的QoS需求與業(yè)務(wù)傳輸緊急度決定，對于業(yè)務(wù)優(yōu)先級相同的節(jié)點，若僅根據(jù)節(jié)點信息重要程度確定節(jié)點優(yōu)先級，將導致時隙申請數(shù)較大、業(yè)務(wù)優(yōu)先級較高的節(jié)點長期占用信道資源，使業(yè)務(wù)優(yōu)先級較低的節(jié)點無法成功申請業(yè)務(wù)時隙，影響協(xié)議的公平性；同時，在無人機自組網(wǎng)場景中，僅根據(jù)節(jié)點業(yè)務(wù)優(yōu)先級決定節(jié)點優(yōu)先級，會使時隙調(diào)度策略顯得過于單一?；谝陨显?，在FP-TDMA的基礎(chǔ)上，提出動態(tài)優(yōu)先級時隙分配算法（DP-TDMA）。該算法的核心思想：有效地結(jié)合節(jié)點的業(yè)務(wù)優(yōu)先級、鄰居節(jié)點數(shù)量、鄰居節(jié)點變化率和等待時間多維度量來動態(tài)確定節(jié)點的優(yōu)先級，從而應(yīng)對高動態(tài)下頻繁拓撲變化帶來的影響，降低等待時延，保證時隙調(diào)度的時延性、穩(wěn)定性和公平性，操作過程如圖6所示，詳細步驟如下。

Step1 根據(jù)控制時隙中鄰居節(jié)點信息，計算節(jié)點i的鄰居節(jié)點數(shù)量NBi。節(jié)點在控制幀中，根據(jù)接收到的一跳鄰居節(jié)點的鄰居信息生成一跳鄰居信息矢量，并同步維護本地鄰居節(jié)點表和鏈路狀態(tài)表，提取鄰居節(jié)點數(shù)量與對應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)ID，構(gòu)建全網(wǎng)拓撲。根據(jù)鄰居節(jié)點表和申請BOV可知每個節(jié)點的鄰居節(jié)點數(shù)量和各節(jié)點的時隙需求。在計算節(jié)點優(yōu)先級的過程中，考慮節(jié)點i的鄰居節(jié)點數(shù)量NBi，提高鄰居節(jié)點數(shù)較大節(jié)點的優(yōu)先級，使這些節(jié)點獲得更低的端到端時延，從而降低整個網(wǎng)絡(luò)的平均時延，提高網(wǎng)絡(luò)吞吐量。

Step2 計算節(jié)點i的鄰居節(jié)點變化率。節(jié)點記錄每幀收到控制幀的時間t，假設(shè)一節(jié)點在某一幀收到控制幀的時間為

ti1，下一幀的時間為ti2。在ti1時刻，節(jié)點i的鄰居集合為S（ti1）；在ti2時刻，節(jié)點i的鄰居集合為S（ti2），

則在ti1到ti2的時間間隔內(nèi)，節(jié)點i的鄰居節(jié)點變化率NCRi可以表示為

節(jié)點i的鄰居節(jié)點變化率NCRi可以反映節(jié)點拓撲的穩(wěn)定狀況，若NCRi越小，則節(jié)點i的拓撲越穩(wěn)定；否則，表明節(jié)點i的拓撲越不穩(wěn)定。在計算節(jié)點優(yōu)先級的過程中，提高鄰居節(jié)點變化率NCR較大節(jié)點的優(yōu)先級，能夠減少節(jié)點傳輸數(shù)據(jù)時的不穩(wěn)定因素，降低網(wǎng)絡(luò)丟包率。

Step3 計算節(jié)點i的等待時間t^waiti。在節(jié)點未收到新的允許占用時隙回復BOV之前，本地保存上一幀的占用BOV，若節(jié)點i在多個時幀內(nèi)未成功申請時隙，則節(jié)點i的等待時間為t^waiti。在計算節(jié)點優(yōu)先級的過程中，考慮節(jié)點i的等待時間t^waiti能保證節(jié)點時隙調(diào)度的公平性，若節(jié)點i在多個時幀中優(yōu)先級較小導致其調(diào)度順序比較靠后，則其等待時間t^waiti的值較大，在本幀進行調(diào)度時根據(jù)t^waiti值提升其優(yōu)先級，從而能夠保證網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點調(diào)度的公平性。

Step4 計算各節(jié)點的綜合優(yōu)先級Proei。如式（1）所示：

Proei=Pro（NBi）+Pro（NCRi）+Pro（t^waiti），（1）

式中：NBi為節(jié)點i的鄰居節(jié)點數(shù)量；NCRi為節(jié)點i的鄰居節(jié)點變化率；t^waiti為節(jié)點i的等待時間。當節(jié)點i的NBi值大于所有節(jié)點的平均值NB時，Pro（NBi）取1，否則為0；當NCRi值大于0.5時，Pro（NCRi）取1，否則為0；設(shè)一個時幀的長度為T，當t^waiti≥3T時，Pro（t^waiti）取1，否則為0。

Step5 根據(jù)各節(jié)點的業(yè)務(wù)優(yōu)先級和綜合優(yōu)先級，計算所有節(jié)點的優(yōu)先級Proi，并按照優(yōu)先級申請相應(yīng)數(shù)量的業(yè)務(wù)時隙，

Proi如式（2）所示：

Proi=Prodi+Proei ，（2）

式中：Prodi為節(jié)點i的業(yè)務(wù)優(yōu)先級，分為5級，可取1～5，由傳輸業(yè)務(wù)的QoS需求與業(yè)務(wù)傳輸緊急度決定；Proi的最大取值為5。

節(jié)點i的業(yè)務(wù)優(yōu)先級Prodi和綜合優(yōu)先級Proei值越大，其業(yè)務(wù)時隙分配越靠前，可同時申請的時隙越多，這樣既保證了節(jié)點調(diào)度的優(yōu)先性，同時也保證了各節(jié)點調(diào)度的公平性、時延性和穩(wěn)定性。

3 仿真分析

在隨機網(wǎng)絡(luò)拓撲下對網(wǎng)絡(luò)節(jié)點動態(tài)優(yōu)先級和吞吐量進行仿真分析，其拓撲結(jié)構(gòu)在二維空間中隨機生成，如圖7所示。各個隨機分布的節(jié)點能夠最大程度地反映拓撲結(jié)構(gòu)的不規(guī)則性，主要仿真參數(shù)如表2所示。為了模擬節(jié)點高速移動下短時間內(nèi)拓撲變化，仿真中將節(jié)點8由圖7位置隨機移動至圖8所示位置。

引入公平指數(shù)（fairness index，F(xiàn)I）^［16］如式（3）所示：

式中：Ti為節(jié)點i的吞吐量；wi為節(jié)點i對應(yīng)的優(yōu)先級；N為網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點的數(shù)量；FI值介于1與1/N之間，當FI=1時各節(jié)點單位優(yōu)先級上分配的帶寬相等，此時公平性最好，反之當FI=1/N時公平性最差，在隨機生成網(wǎng)絡(luò)拓撲下對吞吐量和公平指數(shù)FI進行多次仿真后取平均值。

3.1 網(wǎng)絡(luò)拓撲變化分析

在高動態(tài)無人機自組網(wǎng)場景中，對節(jié)點8移動進行時隙分配仿真，短時間內(nèi)鄰居節(jié)點由節(jié)點10，12變?yōu)楣?jié)點14，2，9，5，網(wǎng)絡(luò)拓撲發(fā)生變化。節(jié)點8暫時退網(wǎng)后，釋放所占用的固定時隙，節(jié)點10，12，7，11重新計算預分配時隙，不會存在時隙沖突，待退網(wǎng)后第3個時幀完成新的業(yè)務(wù)時隙分配；節(jié)點8重新入網(wǎng)時，時隙占用情況如表3所示。

節(jié)點8入網(wǎng)后立即占用其ID相應(yīng)的固定時隙，因此可能存在時隙的沖突。第1幀中節(jié)點8計算回復BOV時會去掉自己當前占用時隙，原有4個節(jié)點在第2幀計算占用BOV時無法占用時隙8，因此時隙8不再存在沖突。在節(jié)點8入網(wǎng)后的第3個時幀完成業(yè)務(wù)時隙預分配，在拓撲變化時依然可以快速完成時隙分配，實現(xiàn)業(yè)務(wù)快速穩(wěn)定傳輸，時隙分配結(jié)果如表4所示。

3.2 動態(tài)優(yōu)先級分析

DP-TDMA采用BOV間接確認算法，節(jié)點在申請BOV中可一次性連續(xù)預約多個業(yè)務(wù)時隙，業(yè)務(wù)時隙數(shù)與優(yōu)先級n之間的函數(shù)關(guān)系式表示為

設(shè)節(jié)點當前需要傳輸數(shù)據(jù)總量為D，當前的傳輸帶寬為Vc，每個業(yè)務(wù)時隙的長度為tslot，則節(jié)點完成其當前業(yè)務(wù)信息傳輸所需的時隙總數(shù)S可以表示為

在傳統(tǒng)的動態(tài)分布式TDMA時隙分配算法中，節(jié)點在每個控制幀內(nèi)一次只能申請一個時隙。由此可得超幀中數(shù)據(jù)傳輸時間為

式中：K1為傳統(tǒng)動態(tài)分布式TDMA節(jié)點每幀中業(yè)務(wù)時隙數(shù)的集合；t1tran為超幀中傳輸數(shù)據(jù)時間。設(shè)DP-TDMA中對應(yīng)變量為K2，t2tran，則有：

可以看到，采用DP-TDMA后高優(yōu)先級節(jié)點在每個超幀內(nèi)可以使用的業(yè)務(wù)時隙數(shù)目增多。該時隙調(diào)度算法減少了節(jié)點申請業(yè)務(wù)時隙時不必要的等待時延，提高了數(shù)據(jù)吞吐量，同時增強了高優(yōu)先級信息傳輸?shù)膶崟r性。

網(wǎng)絡(luò)建立時，各節(jié)點讀取不同待發(fā)送信息的業(yè)務(wù)優(yōu)先級，并取各節(jié)點Prodi值如表5所示。在節(jié)點偵聽1個時幀后，可獲得鄰居節(jié)點信息與時隙占用情況，節(jié)點根據(jù)鄰居節(jié)點數(shù)量計算Pro（NBi）調(diào)整自身優(yōu)先級如表6所示；數(shù)據(jù)傳輸3個時幀后，節(jié)點9在時隙沖突中由于最低優(yōu)先級未成功占用時隙，節(jié)點計算Pro（t^waiti）調(diào)整優(yōu)先級為表7所示；3個時幀后節(jié)點9更新占用BOV后重新調(diào)整為表4。第10個時幀節(jié)點8暫時退網(wǎng)，鄰居節(jié)點10，12計算Pro（NCRi）并調(diào)整自身優(yōu)先級，節(jié)點9，10，11，12優(yōu)先級動態(tài)調(diào)整過程如圖9所示。

3.3 吞吐量分析

隨機網(wǎng)絡(luò)拓撲下，3種協(xié)議吞吐量在發(fā)包速率較低時，因固定占用業(yè)務(wù)時隙，后續(xù)隨著發(fā)包速率提高而均勻增加；動態(tài)時隙分配TDMA協(xié)議能夠?qū)崿F(xiàn)時隙復用，因此其吞吐量要遠高于固定時隙分配TDMA協(xié)議，3種協(xié)議網(wǎng)絡(luò)吞吐量如圖10所示。DP-TDMA在時隙分配中可一次性連續(xù)預約多個業(yè)務(wù)時隙，其節(jié)點在固定超幀可傳輸業(yè)務(wù)時隙略高于BOV-TDMA協(xié)議；當時隙沖突發(fā)生時，DP-TDMA高優(yōu)先級節(jié)點不需重新申請可直接占用業(yè)務(wù)時隙。對比得出DP-TDMA相較于BOV-TDMA吞吐量略高，優(yōu)先高速傳輸重要信息的同時，提高吞吐量。

由表5可知節(jié)點2，3，4優(yōu)先級分別為3，4，2。3個節(jié)點的吞吐量如圖11所示。節(jié)點優(yōu)先級每提高一級可大幅提高其吞吐量與業(yè)務(wù)時隙爭搶能力，保證高重要度信息快速傳輸；同時綜合鄰居節(jié)點數(shù)量、鄰居變化率和等待時間等因素，利用優(yōu)先級動態(tài)調(diào)節(jié)各節(jié)點優(yōu)先級，來提高網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性。

3.4 公平性分析

不同時隙調(diào)度策略在隨機網(wǎng)絡(luò)拓撲下公平指數(shù)對比結(jié)果如圖12所示。傳統(tǒng)TDMA協(xié)議中，節(jié)點均勻分配業(yè)務(wù)時隙，因此其公平指數(shù)并不會因發(fā)包速率而改變，F(xiàn)I=1，即處于最公平的狀態(tài)。FP-TDMA與DP-TDMA在發(fā)包速率較低時為1，隨著動態(tài)時隙分配過程開始下降，到達一定程度時保持不變。由于多維度動態(tài)調(diào)節(jié)節(jié)點優(yōu)先級機制的存在，DP-TDMA公平指數(shù)高于FP-TDMA，在保證高重要度信息優(yōu)先快速傳輸?shù)耐瑫r，提高了公平性。

4 結(jié) 語

針對高動態(tài)無人機群不同優(yōu)先級數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)男枨笈c網(wǎng)絡(luò)拓撲頻繁變化的特點，提出了基于BOV-TDMA的動態(tài)優(yōu)先級時隙分配算法（DP-TDMA）。仿真結(jié)果表明DP-TDMA吞吐量要高于BOV-TDMA與傳統(tǒng)TDMA，并通過動態(tài)優(yōu)先級調(diào)整策略，在網(wǎng)絡(luò)拓撲頻繁變化下，依然可以快速分配時隙，保證高重要度信息優(yōu)先快速傳輸，提高了網(wǎng)絡(luò)的吞吐量，增加了數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓叫耘c穩(wěn)定性。

本文僅考慮了適用于高動態(tài)無人機群的時隙分配算法，若能將其與拓撲控制、同步算法相結(jié)合，則能進一步提高無人機自組網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)性能，這也是后續(xù)工作的研究內(nèi)容。

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