機(jī)載自組網(wǎng)信道占用統(tǒng)計(jì)預(yù)測機(jī)制

劉煒倫，張衡陽，鄭 博，趙 瑋

空軍工程大學(xué) 信息與導(dǎo)航學(xué)院，西安 710077

1 引言

機(jī)載自組網(wǎng)（Airborne Ad Hoc Network）[1-3]是將地面移動自組網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于航空通信而產(chǎn)生的新研究領(lǐng)域，具有部署迅速、自組織、高抗毀等特點(diǎn)，能夠明顯提升各類飛行器網(wǎng)絡(luò)化協(xié)同作戰(zhàn)能力，是對現(xiàn)有航空通信網(wǎng)絡(luò)的補(bǔ)充和發(fā)展。

機(jī)載自組網(wǎng)中的信道資源有限，拓?fù)渚哂懈咚賱討B(tài)變化特性，且傳輸業(yè)務(wù)要求多優(yōu)先級并存，若業(yè)務(wù)負(fù)載持續(xù)增大，將會造成大量的擁塞和沖突，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)性能的下降，無法滿足機(jī)載自組網(wǎng)中指揮控制、作戰(zhàn)指令等高優(yōu)先級業(yè)務(wù)高可靠、低時(shí)延的服務(wù)質(zhì)量（Quality of Service，QoS）需求[4]。為保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)效性、可靠性，以及區(qū)分不同優(yōu)先級服務(wù)，媒質(zhì)接入控制（Medium Access Control，MAC）協(xié)議[5]的設(shè)計(jì)必須考慮各優(yōu)先級業(yè)務(wù)的不同QoS需求。美軍戰(zhàn)術(shù)目標(biāo)瞄準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)[6-8]（Tactical Targeting Network Technology，TTNT）采用多信道隨機(jī)競爭類MAC協(xié)議——（Statistical Priority-based Multiple Access）SPMA協(xié)議，協(xié)議基于多信道認(rèn)知和跳頻跳時(shí)機(jī)制，通過統(tǒng)計(jì)信道歷史占用情況實(shí)現(xiàn)了對不同優(yōu)先級業(yè)務(wù)的接入控制，但由于技術(shù)保密，量化信道忙閑程度和各優(yōu)先級業(yè)務(wù)閾值設(shè)置的具體方法并沒有明確給出，但信道忙閑程度的量化方法會直接影響協(xié)議性能，因此，通過合理設(shè)計(jì)信道忙閑程度的量化表示方法，實(shí)現(xiàn)對不同優(yōu)先級業(yè)務(wù)的接入控制，是MAC協(xié)議設(shè)計(jì)的重點(diǎn)問題。

文獻(xiàn)[9]提出了一種區(qū)分優(yōu)先級的PFH_MAC協(xié)議，根據(jù)前一時(shí)刻的突發(fā)分組數(shù)量量化信道忙閑程度，從而限制低優(yōu)先級業(yè)務(wù)的接入，但信道忙閑程度值的設(shè)置僅依靠網(wǎng)絡(luò)中前一時(shí)刻突發(fā)分組數(shù)量，不能準(zhǔn)確反映當(dāng)前信道忙閑程度，同時(shí)網(wǎng)絡(luò)中僅有兩個(gè)優(yōu)先級，無法保證多優(yōu)先級業(yè)務(wù)的QoS需求。文獻(xiàn)[10]基于隨機(jī)接入機(jī)制，提出一種采用部分可觀測馬爾可夫決策過程的信道接入策略，可為不同優(yōu)先級分組的接入決策過程提供理論依據(jù)并有效控制接入沖突，但該接入策略并未給出對下一時(shí)刻信道負(fù)載的準(zhǔn)確預(yù)測方法。文獻(xiàn)[11]針對航空通信網(wǎng)絡(luò)，提出一種信道忙閑程度統(tǒng)計(jì)預(yù)測機(jī)制，通過統(tǒng)計(jì)信道占用狀態(tài)的歷史信息對下一時(shí)刻的信道忙閑程度實(shí)時(shí)預(yù)測，但預(yù)測準(zhǔn)確度只能達(dá)到70%。文獻(xiàn)[12]針對航空環(huán)境具有大尺度稀疏性，載波偵聽結(jié)果并不準(zhǔn)確的問題，提出一種信道忙閑認(rèn)知算法，具有較高的平均預(yù)測概率，但是算法波動性較大，無法實(shí)時(shí)保證較高的正確預(yù)測概率。

針對上述問題，本文在隨機(jī)競爭類MAC協(xié)議的基礎(chǔ)上，提出一種信道占用統(tǒng)計(jì)預(yù)測機(jī)制（Statistical Prediction Mechanism of Channel Occupancy，SPMCO）。在根據(jù)信道負(fù)載劃分忙閑程度的基礎(chǔ)上，該機(jī)制采用滑動窗口機(jī)制[13]、加權(quán)-馬爾科夫鏈預(yù)測模型，通過統(tǒng)計(jì)一段時(shí)間內(nèi)信道負(fù)載的歷史信息來對下一時(shí)刻的信道狀態(tài)實(shí)時(shí)預(yù)測，并將信道負(fù)載的多步預(yù)測值和真實(shí)值的差值作為當(dāng)前時(shí)刻預(yù)測值的修正，根據(jù)預(yù)測結(jié)果與業(yè)務(wù)等級規(guī)定的接入門限決定分組是否可以接入信道，實(shí)現(xiàn)了優(yōu)先級區(qū)分服務(wù)。仿真結(jié)果表明，該機(jī)制預(yù)測準(zhǔn)確度高于90%，能夠改善隨機(jī)競爭類MAC協(xié)議在重負(fù)載下的性能。

2 信道忙閑程度劃分標(biāo)準(zhǔn)

機(jī)載自組網(wǎng)中多信道狀態(tài)模型如圖1所示，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)包括N個(gè)獨(dú)立可用子信道，記為子信道 f1，f2，…，fN，信道之間不存在干擾問題。且各子信道上不同顏色代表某一時(shí)刻的信道狀態(tài)，空白表示信道未被突發(fā)所占用，即信道狀態(tài)空閑；陰影表示信道被突發(fā)占用，即信道狀態(tài)忙碌。

圖1 機(jī)載自組網(wǎng)多信道狀態(tài)模型

假設(shè)機(jī)載自組網(wǎng)中分組到達(dá)服從泊松分布，各優(yōu)先級分組具有相等的長度，且拆分成長度相等的突發(fā)進(jìn)行發(fā)送。因此，在單位時(shí)間σ（即單個(gè)突發(fā)在信道中的傳輸時(shí)間）內(nèi)，產(chǎn)生k個(gè)突發(fā)的概率為：

其中，G為業(yè)務(wù)負(fù)載，其表達(dá)式為：

其中，Nnode表示網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)數(shù)量，λ表示單個(gè)節(jié)點(diǎn)的分組到達(dá)率。

由于各個(gè)子信道之間不存在干擾，因此，在分組傳輸過程中，若沒有其他分組在其所占用的信道上傳輸，該分組將傳輸成功。因此，根據(jù)式（1），分組成功傳輸概率Psuc可以表示為：

由式（3）可知，在信道數(shù)量N一定的情況下，Psuc值將隨信道負(fù)載G的增大而減小。因此，下一時(shí)刻的業(yè)務(wù)負(fù)載是影響分組成功傳輸概率的唯一因素，可用其來衡量信道忙閑程度。為了更好地表述信道忙閑程度，根據(jù)下一時(shí)刻信道負(fù)載G的取值區(qū)間，將信道忙閑程度劃分為4個(gè)等級，見表1，其中信道負(fù)載G的區(qū)間劃分是由Psuc的取值范圍決定的。

表1 信道忙閑程度劃分標(biāo)準(zhǔn)

3 信道忙閑程度預(yù)測模型

3.1 滑動窗口機(jī)制

由于在單跳全連通的網(wǎng)絡(luò)中，任一節(jié)點(diǎn)都可以通過廣播的方式接收網(wǎng)絡(luò)中的所有數(shù)據(jù)分組，因此，為了提高預(yù)測性能的時(shí)效性與準(zhǔn)確性[11]，節(jié)點(diǎn)采用滑動窗口機(jī)制對收到的突發(fā)數(shù)量進(jìn)行實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì)。

當(dāng)網(wǎng)絡(luò)開始運(yùn)行時(shí)，節(jié)點(diǎn)的統(tǒng)計(jì)窗口機(jī)制同步運(yùn)行，其中，窗口大小為J（J的大小由人為設(shè)定），每次統(tǒng)計(jì)的總時(shí)長為J·σ（σ表示單位時(shí)長，即單個(gè)突發(fā)在信道中的傳輸時(shí)間），且每經(jīng)過σ時(shí)間時(shí)，窗口依時(shí)間軸向右滑動一次并繼續(xù)下一次的統(tǒng)計(jì)，如圖2所示。

3.2 加權(quán)-馬爾科夫鏈預(yù)測模型

節(jié)點(diǎn)通過廣播信息獲取最近統(tǒng)計(jì)時(shí)段J內(nèi)每一時(shí)刻突發(fā)個(gè)數(shù)，即X=(x1,x2,…,xJ)。為了獲得下一時(shí)刻網(wǎng)絡(luò)中突發(fā)分組個(gè)數(shù)所處區(qū)間，采用加權(quán)-馬爾科夫鏈預(yù)測模型對xJ+1進(jìn)行預(yù)測。

圖2 統(tǒng)計(jì)預(yù)測模型圖

首先，對序列X=(x1,x2,…,xJ)進(jìn)行滑動平均[14-15]處理得：

其中：

n表示單側(cè)平滑時(shí)距。

對新序列求均值得：

對新序列求方差得：

由于信道負(fù)載區(qū)間對應(yīng)著4種不同的忙閑程度值，因此，新序列X^內(nèi)每一個(gè)數(shù)據(jù)都對應(yīng)著一種信道狀態(tài)，即馬爾可夫狀態(tài)。

定義di,j表示在統(tǒng)計(jì)窗口J內(nèi)的樣本由其所對應(yīng)的信道忙閑程度值i經(jīng)一步轉(zhuǎn)移到信道忙閑程度值 j的頻次，其中，，則一步轉(zhuǎn)移概率P1為：

同理可求得P2,P3,P4等。

計(jì)算各階步長下的自相關(guān)系數(shù)，計(jì)算公式如下：

其中，k表示步長。

在計(jì)算出各階自相關(guān)系數(shù)后進(jìn)行歸一化處理，并將處理結(jié)果值作為各種步長的馬爾科夫鏈的權(quán)重。歸一化公式如下：

按照式（10）將同一狀態(tài)各預(yù)測概率加權(quán)作為處于該狀態(tài)的預(yù)測概率：

依據(jù)最大隸屬度原則[16]，當(dāng)存在max{Pi,i∈I} ＞0.5時(shí)，則 max{Pi,i∈I}所對應(yīng)的狀態(tài)i為當(dāng)前時(shí)刻的信道忙閑程度值。否則用級別特征值法來確定其狀態(tài)，當(dāng)有-0.5＜H-i＜0.5存在時(shí)，則判定當(dāng)前時(shí)刻信道所處的狀態(tài)為i。

計(jì)算下一時(shí)刻信道負(fù)載的預(yù)測值，即突發(fā)數(shù)量值。首先給各狀態(tài)賦以相應(yīng)的權(quán)重，構(gòu)成權(quán)重集D={D1,D2,…,Dm}，m為系統(tǒng)的狀態(tài)數(shù)。其中權(quán)重的大小取決于各狀態(tài)概率的大小，即：

式（13）中η為最大概率作用系數(shù)，在實(shí)際應(yīng)用中通常取為2。

定義H為級別特征值，其值可由式（14）確定：

依據(jù)最大概率原則確定狀態(tài)所對應(yīng)的預(yù)測值Xforecast。

其中，ai，bi為狀態(tài)i所對應(yīng)負(fù)載區(qū)間值的上下限。

在統(tǒng)計(jì)窗口J內(nèi)，將J個(gè)數(shù)據(jù)的預(yù)測值Xiforecast(i∈[1 , J])與其真實(shí)接收值Xireal對比產(chǎn)生誤差的均值α作為此次預(yù)測的修正，即：

因此，最終的預(yù)測公式為：

3.3 統(tǒng)計(jì)預(yù)測機(jī)制流程

綜上所述，機(jī)載自組網(wǎng)中信道忙閑程度統(tǒng)計(jì)預(yù)測機(jī)制的具體流程如圖3所示。

4 基于優(yōu)先級的信道接入模型

圖3 統(tǒng)計(jì)預(yù)測機(jī)制流程

假設(shè)機(jī)載自組網(wǎng)中存在4種優(yōu)先級業(yè)務(wù)信息，各優(yōu)先級業(yè)務(wù)具有不同的QoS需求。根據(jù)信道忙閑程度劃分標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)預(yù)測到信道負(fù)載在(a1,b1)時(shí)，認(rèn)為信道較閑，優(yōu)先級1、2、3、4的業(yè)務(wù)都可以接入信道。

當(dāng)預(yù)測到信道負(fù)載G在(a2,b2)時(shí)，此時(shí)的信道忙閑程度值為2，信道略忙，將限制優(yōu)先級4業(yè)務(wù)接入信道，因此優(yōu)先級4業(yè)務(wù)允許接入信道的概率為：

當(dāng)預(yù)測到當(dāng)前信道負(fù)載G在(a3,b3)時(shí)，此時(shí)信道忙閑程度為3，信道較忙，將限制優(yōu)先級4、3接入信道，因此優(yōu)先級3業(yè)務(wù)允許接入信道的概率為：

當(dāng)預(yù)測到信道負(fù)載G在(a4,b4)時(shí)，此時(shí)對應(yīng)的信道忙閑程度為4，信道繁忙，將限制優(yōu)先級4、3、2業(yè)務(wù)接入信道，只允許優(yōu)先級1業(yè)務(wù)接入信道，因此優(yōu)先級2業(yè)務(wù)允許接入信道的概率為：

綜上所述，各優(yōu)先級信道接入權(quán)限與信道負(fù)載的關(guān)系如表2所示。

表2 優(yōu)先級接入權(quán)限與信道負(fù)載的關(guān)系

5 仿真分析

下面采用OMNeT++仿真工具對統(tǒng)計(jì)預(yù)測機(jī)制的性能進(jìn)行仿真評估。仿真場景中，所有節(jié)點(diǎn)在200 km×200 km×10 km的三維空間內(nèi)隨機(jī)分布，構(gòu)成全連通網(wǎng)絡(luò)，且各節(jié)點(diǎn)隨機(jī)選擇目的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信，具體仿真參數(shù)設(shè)置如表3所示。

表3 仿真參數(shù)設(shè)置

將表3的參數(shù)代入式（3）得到各信道忙閑程度值所對應(yīng)的信道負(fù)載區(qū)間，結(jié)果如表4所示。

表4 信道負(fù)載區(qū)間計(jì)算結(jié)果

取J=50，任選一個(gè)統(tǒng)計(jì)窗口作為研究對象，通過仿真得到信道負(fù)載數(shù)量、預(yù)測誤差及信道忙閑程度值的真實(shí)值，并按照圖3的統(tǒng)計(jì)預(yù)測機(jī)制流程對下一時(shí)刻整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中的信道負(fù)載數(shù)量、預(yù)測誤差及信道忙閑程度值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)預(yù)測，同時(shí)將其與文獻(xiàn)[11]提出的SPMCBID預(yù)測機(jī)制及文獻(xiàn)[12]提出的LS-AR預(yù)測算法進(jìn)行對比，仿真結(jié)果如圖4～圖6所示。

圖4 下一時(shí)刻信道負(fù)載數(shù)量與分組到達(dá)率的關(guān)系

圖5 下一時(shí)刻突發(fā)預(yù)測誤差與分組到達(dá)率的關(guān)系

圖6 下一時(shí)刻信道忙閑程度值與分組到達(dá)率的關(guān)系

由圖4可知，下一時(shí)刻網(wǎng)絡(luò)中信道負(fù)載數(shù)量的真實(shí)值與本文提出的SPMCO機(jī)制預(yù)測值近似，而SPMCBID機(jī)制和LS-AR線性預(yù)測機(jī)制的預(yù)測性能一般，表明SPMCO預(yù)測算法具有優(yōu)良的性能。由圖5可知，SPMCO機(jī)制的突發(fā)預(yù)測誤差可以始終保持在10%以下，滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求，而SPMCBID機(jī)制和LS-AR機(jī)制均無法保證突發(fā)預(yù)測誤差在10%以下。由圖6可知，即使算法對突發(fā)數(shù)量的預(yù)測存在一定誤差，但只要保證預(yù)測數(shù)量值在其信道忙閑程度值所對應(yīng)的負(fù)載區(qū)間內(nèi)，仍然可以得到下一時(shí)刻準(zhǔn)確的信道狀態(tài)值，且SPMCO機(jī)制具有更優(yōu)異的預(yù)測效果。

取λ=5packet/σ，正確預(yù)測概率隨統(tǒng)計(jì)窗口J變化關(guān)系如圖7所示。當(dāng)J小于50時(shí)，隨著J的增加，統(tǒng)計(jì)預(yù)測機(jī)制正確預(yù)測概率逐漸增大；當(dāng)J=50時(shí)，正確預(yù)測概率逐漸趨于平穩(wěn)，平穩(wěn)時(shí)正確預(yù)測概率接近90%，這表明更多的樣本值也無法帶來預(yù)測性能的增加，只會盲目增加運(yùn)算量。因此，應(yīng)該選擇合適的統(tǒng)計(jì)窗口值，保證較高預(yù)測概率的同時(shí)減少運(yùn)算開銷。

圖7 正確預(yù)測概率與統(tǒng)計(jì)窗口大小的關(guān)系

假設(shè)網(wǎng)絡(luò)中存在4種優(yōu)先級業(yè)務(wù)，優(yōu)先級1業(yè)務(wù)分組到達(dá)率固定為6 packet/s，優(yōu)先級2、3、4業(yè)務(wù)分組到達(dá)率的比例為1∶3∶6。將 G=2.2，5.4，10.2分別設(shè)置為優(yōu)先級4、3、2分組的接入閾值，優(yōu)先級1具有最高接入權(quán)限，所以不需要設(shè)定接入閾值。分組到達(dá)率與各優(yōu)先級接入成功率的關(guān)系如圖8所示，圖8表明該機(jī)制可以保證優(yōu)先級1業(yè)務(wù)成功概率始終保持在75%以上，優(yōu)先級2業(yè)務(wù)保持在50%以上，優(yōu)先級3業(yè)務(wù)保持在25%以上，能夠?yàn)椴煌瑑?yōu)先級業(yè)務(wù)提供差分服務(wù)。

圖8 各優(yōu)先級接入成功率與分組到達(dá)率的關(guān)系

將采用信道占用統(tǒng)計(jì)預(yù)測機(jī)制的多信道ALOHA（Statistical Prediction of Channel Occupancy based on Multi-Channel ALOHA）協(xié)議稱為SPMCA-MAC協(xié)議，將其與相同信道數(shù)量的ALOHA協(xié)議與CSMA協(xié)議的系統(tǒng)吞吐量進(jìn)行對比，結(jié)果如圖9所示。結(jié)果表明本文提出的信道占用統(tǒng)計(jì)預(yù)測機(jī)制可以明顯提升系統(tǒng)性能，通過劃分信道忙閑程度限制分組在重負(fù)載下的接入數(shù)量，保持了系統(tǒng)穩(wěn)定的吞吐量，性能明顯優(yōu)于ALOHA協(xié)議和CSMA協(xié)議。

圖9 不同協(xié)議下的系統(tǒng)吞吐量性能對比

6 結(jié)束語

針對機(jī)載自組網(wǎng)中隨機(jī)競爭類MAC協(xié)議在重負(fù)載下性能嚴(yán)重惡化的問題，提出一種信道占用統(tǒng)計(jì)預(yù)測機(jī)制，通過統(tǒng)計(jì)一段時(shí)間內(nèi)突發(fā)信號的歷史數(shù)量信息對下一時(shí)刻的信道狀態(tài)實(shí)時(shí)預(yù)測，并將突發(fā)數(shù)量的多步預(yù)測值和真實(shí)值的差值作為當(dāng)前時(shí)刻預(yù)測值的修正，提高了預(yù)測性能及協(xié)議系統(tǒng)吞吐量。仿真結(jié)果表明，該機(jī)制預(yù)測準(zhǔn)確度高于90%，并且可以為多優(yōu)先級業(yè)務(wù)提供區(qū)分服務(wù)能力，性能優(yōu)于CSMA協(xié)議及ALOHA協(xié)議。