一種低時(shí)延無人機(jī)自組網(wǎng)閾值自適應(yīng)接入?yún)f(xié)議

任 智,楊 迪,胡 春,朱克蘭

(重慶郵電大學(xué) 通信與信息工程學(xué)院,重慶 400065)

0 引 言

無人機(jī)自組網(wǎng)(Unmanned Aerial Vehicle Ad-Hoc Network,UANET)[1-2]是一種非常靈活的自組織網(wǎng)絡(luò),被廣泛應(yīng)用于各種場景中[3-4]?；诮y(tǒng)計(jì)優(yōu)先級的多址接入?yún)f(xié)議[5-7](Statistical Prioritybased Multiple Access Protocol,SPMA)是美軍數(shù)據(jù)鏈戰(zhàn)術(shù)瞄準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)[8-9](Tactical Targeting Network Technology,TTNT)中使用的媒體訪問控制(Media Access Control,MAC)層接入?yún)f(xié)議,文獻(xiàn)[10]提出了一種基于業(yè)務(wù)量統(tǒng)計(jì)的改進(jìn)算法(Traffic Statistic Multiple Access Protocl,TSMPMAC),該算法控制信道負(fù)載在一個(gè)特定閾值門限以下,保證了高優(yōu)先級包的傳輸成功率；文獻(xiàn)[11]介紹了一種單通道自組網(wǎng)MAC協(xié)議,考慮了站內(nèi)排隊(duì)的數(shù)據(jù)包的服務(wù)質(zhì)量(Quality of Service,QoS)要求,以便為每個(gè)站提供基于優(yōu)先級的訪問；文獻(xiàn)[12]為了滿足網(wǎng)絡(luò)負(fù)載較大時(shí)時(shí)間敏感業(yè)務(wù)的低延遲傳輸需求,研究了一種基于SPMA的移動(dòng)自組網(wǎng)系統(tǒng)；文獻(xiàn)[13]提出了一個(gè)分析模型來計(jì)算飽和輸入條件下的時(shí)隙傳輸概率,得到系統(tǒng)的平均延遲、丟包率和吞吐量等特性；文獻(xiàn)[14]提出了基于幀成功傳輸概率自適應(yīng)閾值調(diào)整方法,通過借鑒傳輸控制協(xié)議(Transfer Control Protocol,TCP)流量控制機(jī)制設(shè)計(jì)了閾值調(diào)整機(jī)制。通過以上研究發(fā)現(xiàn),現(xiàn)有SPMA存在如下問題:(1)在節(jié)點(diǎn)開機(jī)后尋找真實(shí)滿載門限的過程收斂慢,不能快速找到真實(shí)門限；(2)無人機(jī)飛行環(huán)境的變化會(huì)造成信道承載能力的變化,此時(shí)的滿載門限不能隨環(huán)境變化做出正確調(diào)整。鑒于此,本文在文獻(xiàn)[14]的閾值自適應(yīng)協(xié)議基礎(chǔ)上,提出了一種低時(shí)延UANET閾值自適應(yīng)接入?yún)f(xié)議,并對其進(jìn)行了仿真驗(yàn)證及分析。

1 系統(tǒng)模型

1.1 網(wǎng)絡(luò)場景

多個(gè)地位相同的無人機(jī)節(jié)點(diǎn)構(gòu)成UANET,其網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙鐖D1所示,節(jié)點(diǎn)ID唯一,且通信方式為全雙工,采用全向天線。各個(gè)節(jié)點(diǎn)開機(jī)后開始運(yùn)行求取信道滿載門限的程序,在此過程中各個(gè)節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生信道負(fù)載門限求取包,并按照一定的速率發(fā)送出去,在一定時(shí)機(jī)獲取前一個(gè)負(fù)載統(tǒng)計(jì)周期內(nèi)出現(xiàn)的包的個(gè)數(shù)作為信道滿載門限。當(dāng)統(tǒng)計(jì)出的信道負(fù)載小于滿載門限時(shí),不做退避,將各隊(duì)列中的包按優(yōu)先級順序發(fā)出；若統(tǒng)計(jì)出的信道負(fù)載大于滿載門限,則退避相應(yīng)低優(yōu)先級的包,維持信道負(fù)載不大于信道承載能力,使數(shù)據(jù)的首發(fā)成功率≥99%。

圖1 UANET網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/p>

1.2 問題描述

(1)現(xiàn)有滿載門限的確定需要長時(shí)間的測試,而測試過程中系統(tǒng)未正常發(fā)包,增加了控制開銷?，F(xiàn)有方法一:無控制發(fā)包逐漸增大發(fā)包速率,在數(shù)據(jù)發(fā)送成功率下降到99%時(shí)獲取前一個(gè)統(tǒng)計(jì)周期內(nèi)出現(xiàn)的數(shù)據(jù)包的個(gè)數(shù)作為滿載門限；方法二:通過控制測試階段的發(fā)包速率提高測試的收斂速度,使用指數(shù)增加的發(fā)包速率增大信道負(fù)載,當(dāng)信道過載時(shí),降低發(fā)包速率為過載時(shí)的一半,然后線性增加發(fā)包速率,逐次逼近得出滿載門限。但這兩種方法的收斂速度都較慢。

(2)無人機(jī)群在飛行過程中,信道的環(huán)境是變化的(比如從基地飛進(jìn)電磁環(huán)境復(fù)雜的戰(zhàn)場),此時(shí)信道的承載能力是變化的,所以滿載門限也是上下浮動(dòng)變化的。現(xiàn)有研究或認(rèn)為信道滿載閾值是固定的數(shù)值或是不能找到變化后準(zhǔn)確的滿載門限,在信道承載能力變化后繼續(xù)使用固定或不準(zhǔn)確的滿載門限值會(huì)造成發(fā)包成功率的降低,或是信道資源的浪費(fèi)。如何在組網(wǎng)完成后的工作過程中適時(shí)地校準(zhǔn)這個(gè)變化的滿載門限成為了一個(gè)問題。

2 低時(shí)延閾值自適應(yīng)接入?yún)f(xié)議

針對現(xiàn)有相關(guān)SPMA的研究存在信道滿載門限確定過程收斂慢、滿載門限不能自適應(yīng)調(diào)整導(dǎo)致的時(shí)延增大和沖突增加數(shù)據(jù)傳輸成功率降低等問題,提出一種UANET低時(shí)延閾值自適應(yīng)接入(Low-Delay Threshold Adaptive Access,LDTA)協(xié)議,包括如下改進(jìn):(1)提出“信道滿載門限快速收斂機(jī)制”,通過使用類似TCP快重傳快恢復(fù)的方式在使用一定的先驗(yàn)信息后使預(yù)測門限快速收斂至實(shí)際門限,使系統(tǒng)快速渡過滿載門限確定期,進(jìn)入正常收發(fā)狀態(tài),降低了初始數(shù)據(jù)的發(fā)送等待時(shí)延；(2)提出“基于傳輸成功率的滿載門限自適應(yīng)調(diào)整機(jī)制”,通過單播包的數(shù)據(jù)傳輸成功率的連續(xù)數(shù)值,判斷當(dāng)前信道是否過載或是否有空閑承載能力,通過動(dòng)態(tài)調(diào)整滿載門限實(shí)現(xiàn)信道承載能力的最大化利用可以降低數(shù)據(jù)重傳的發(fā)生,從而減少平均時(shí)延。

2.1 信道滿載門限快速收斂機(jī)制

信道滿載門限快速收斂機(jī)制的核心思想是:每個(gè)信道負(fù)載統(tǒng)計(jì)周期的時(shí)間相同,所以控制每個(gè)周期內(nèi)的發(fā)包頻率就能控制信道接入量,此時(shí)在仿照TCP的快重傳快恢復(fù)機(jī)制的基礎(chǔ)上,利用確認(rèn)字符消息計(jì)算的單播包傳輸成功率,大致確定快恢復(fù)的起始數(shù)值,使估計(jì)的滿載門限值與真實(shí)的滿載門限值快速重合。信道滿載門限快速收斂機(jī)制流程圖如圖2所示。

圖2 信道滿載門限快速收斂機(jī)制流程圖

該新機(jī)制的具體操作步驟如下:

(1)以指數(shù)遞增的方式快速增大初始幾個(gè)負(fù)載統(tǒng)計(jì)周期內(nèi)的信道負(fù)載接入量,以期在較短的時(shí)間內(nèi)突破信道承載能力,最終在某個(gè)信道負(fù)載統(tǒng)計(jì)周期統(tǒng)計(jì)出數(shù)據(jù)傳輸成功率低于99%。

(2)當(dāng)上個(gè)信道負(fù)載統(tǒng)計(jì)周期內(nèi)的數(shù)據(jù)傳輸成功率＜99%時(shí),利用上個(gè)周期統(tǒng)計(jì)出的數(shù)據(jù)傳輸成功率和總發(fā)包量相乘,得到預(yù)估的滿載門限,下個(gè)周期的信道負(fù)載從這個(gè)預(yù)估的滿載門限開始線性遞增。

(3)在數(shù)據(jù)傳輸成功率＜99%時(shí),再次根據(jù)上個(gè)周期統(tǒng)計(jì)出的數(shù)據(jù)傳輸成功率和發(fā)包個(gè)數(shù)得到預(yù)估的滿載門限,并在下個(gè)統(tǒng)計(jì)周期降低線性遞增速率。重復(fù)步驟(2)和(3),使預(yù)估的滿載門限不斷逼近真實(shí),最終得到真實(shí)的滿載門限。

2.2 基于傳輸成功率的滿載門限自適應(yīng)調(diào)整機(jī)制

基于傳輸成功率的滿載門限自適應(yīng)調(diào)整機(jī)制的核心思想是:通過多個(gè)統(tǒng)計(jì)周期的單播包數(shù)據(jù)傳輸成功率和單播包發(fā)包數(shù)量的匯總計(jì)算來判斷當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)所處環(huán)境的信道承載能力是否發(fā)生變化,在此基礎(chǔ)上提出一種在保證吞吐量不降低的同時(shí),提高數(shù)據(jù)傳輸成功率和減小時(shí)延的滿載門限自適應(yīng)調(diào)整機(jī)制。滿載門限自適應(yīng)調(diào)整機(jī)制流程圖如圖3所示。

圖3 滿載門限自適應(yīng)調(diào)整機(jī)制流程圖

具體操作步驟如下:

(1)在無干擾的最優(yōu)信道環(huán)境下找出滿載門限Tfullload_best,此門限對應(yīng)的發(fā)包成功率為99%。在信道承載能力降低時(shí)發(fā)包成功率降低至n%(n＜99),此時(shí)MAC層吞吐量降低,若要使發(fā)包成功率向99%回升,需要將滿載門限降低至新的滿載門限Tfullload_n。新滿載門限為

式中:n%為信道承載能力降低后統(tǒng)計(jì)出的發(fā)包成功率；Tfullload_best為最優(yōu)信道環(huán)境下找出的滿載門限。

調(diào)整滿載門限為Tfullload_n后的吞吐量為Thnow,

Thnow大于等于調(diào)整前吞吐量,并且此時(shí)的發(fā)包成功率高于調(diào)整前的n%。隨著首發(fā)成功率的提升,重傳減少,整體時(shí)延也隨之降低。

(2)若調(diào)整后的滿載門限在連續(xù)數(shù)個(gè)統(tǒng)計(jì)窗口時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)不能保證首發(fā)成功率達(dá)到99%的情況,則需要比較此時(shí)的首發(fā)成功率m%(m%為根據(jù)式(1)調(diào)整滿載門限后系統(tǒng)的發(fā)包成功率)是否大于調(diào)整前的n%,吞吐量是否大于等于調(diào)整前的吞吐量。若均滿足大于等于,則可以使用此時(shí)的滿載門限Tfullload_n；若不能滿足,則將滿載門限返回調(diào)整前的門限值,使性能不至降低。

(3)在連續(xù)數(shù)個(gè)統(tǒng)計(jì)窗口時(shí)間內(nèi),在信道承載能力不過載的情況下,出現(xiàn)發(fā)包成功率＞99%,則認(rèn)為當(dāng)前UANET的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境發(fā)生了改善。此時(shí)可以向上調(diào)整滿載門限。首先,調(diào)整滿載門限為最優(yōu)條件下的滿載門限Tfullload_best,而后再視發(fā)包成功率是否小于99%做相應(yīng)調(diào)整。若在Tfullload_best下發(fā)包成功率低于99%,則按照第(1)～(2)步找出合理的滿載門限值,否則就維持最優(yōu)滿載門限值不變。

3 仿真驗(yàn)證及結(jié)果分析

3.1 仿真參數(shù)設(shè)置

為了驗(yàn)證LDTA協(xié)議的性能,本文采用網(wǎng)絡(luò)仿真工具OPNET 14.5對LDTA進(jìn)行仿真驗(yàn)證,主要仿真參數(shù)如表1所示。UANET SPMA及各種改進(jìn)協(xié)議包括LDTA支持節(jié)點(diǎn)間單跳距離可達(dá)180 km,且UANET的特點(diǎn)之一是網(wǎng)絡(luò)的空間分布尺度較大,所以仿真場景為350 km×350 km。UANET中節(jié)點(diǎn)密度較小,在有限的仿真場景中節(jié)點(diǎn)數(shù)量不能過多,故設(shè)置為15個(gè)正常節(jié)點(diǎn),0～8個(gè)干擾節(jié)點(diǎn)。OPNET是事件驅(qū)動(dòng)的網(wǎng)絡(luò)仿真工具,仿真時(shí)間設(shè)置為100 s、發(fā)包速率10 Mbit/s和每個(gè)包6 400 bit可以發(fā)生足夠多的事件,得出較為客觀的時(shí)延、成功率和吞吐量等數(shù)據(jù)供分析參考。

表1 主要仿真參數(shù)

3.2 仿真結(jié)果分析

(1)數(shù)據(jù)傳輸成功率仿真結(jié)果。圖4所示為數(shù)據(jù)傳輸成功率,由圖可知,隨著干擾節(jié)點(diǎn)的增加和信道承載能力的持續(xù)下降,并未得到控制的發(fā)包速率導(dǎo)致固定閾值SPMA的數(shù)據(jù)傳輸成功率持續(xù)下降。帶有沖突避免的載波偵聽多路訪問(Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance,CSMA/CA)協(xié)議由于長時(shí)間的信道忙導(dǎo)致大量的數(shù)據(jù)包長時(shí)間退避,最終退避超時(shí)銷毀數(shù)據(jù)包,造成傳輸成功率很低。LDTA協(xié)議因?yàn)闈M載門限自適應(yīng)調(diào)整機(jī)制的運(yùn)行,在短時(shí)間內(nèi)重新找到了信道的滿載門限,從而很好地控制了低優(yōu)先級包接入信道的個(gè)數(shù),保證了高優(yōu)先級包的傳輸成功率,控制了信道的整體負(fù)載水平,降低了碰撞的發(fā)生,所以LDTA的數(shù)據(jù)傳輸成功率始終保持在95%以上,可見LDTA協(xié)議的滿載門限自適應(yīng)調(diào)整機(jī)制可以保證較高的數(shù)據(jù)傳輸成功率。

圖4 數(shù)據(jù)傳輸成功率

(2)數(shù)據(jù)平均時(shí)延。圖5所示為數(shù)據(jù)平均時(shí)延仿真結(jié)果。由圖可知,LDTA協(xié)議的數(shù)據(jù)平均時(shí)延低于固定閾值SPMA和CSMA/CA協(xié)議。固定閾值SPMA在干擾增大信道承載能力降低時(shí),未能調(diào)整信道滿載門限,造成低優(yōu)先級不該接入信道的數(shù)據(jù)包未能受到控制,過多的負(fù)載使信道中的沖突加劇并導(dǎo)致重傳的增多從而造成時(shí)延增大。LDTA協(xié)議通過自動(dòng)調(diào)整信道的滿載門限可以得到當(dāng)前信道承載能力的準(zhǔn)確滿載門限。以此門限為基準(zhǔn),可以通過退避調(diào)度算法控制低優(yōu)先級包的接入,從而控制信道負(fù)載水平在實(shí)際信道承載能力附近,在最大化利用信道資源的同時(shí)減少了數(shù)據(jù)包沖突,提高了首發(fā)成功率,降低了時(shí)延。

(3)MAC層吞吐量。MAC層吞吐量指單位時(shí)間內(nèi)MAC層成功接收到的比特?cái)?shù)。圖6所示為MAC層吞吐量仿真結(jié)果。由圖可知,LDTA協(xié)議具有大于CSMA/CA、大于等于固定閾值SPMA的MAC層吞吐量。由于信道負(fù)載水平控制得當(dāng),數(shù)據(jù)傳輸成功率高,所以LDTA協(xié)議的MAC層吞吐量還是能維持在大于CSMA/CA、大于等于固定閾值SPMA吞吐量的水平。

圖5 數(shù)據(jù)平均時(shí)延

圖6 MAC層吞吐量

4 結(jié)束語

本文針對現(xiàn)有SPMA滿載門限計(jì)算過程收斂慢和滿載門限在信道承載能力發(fā)生變化時(shí)不能自適應(yīng)調(diào)整的問題,提出了信道滿載門限快速收斂和基于數(shù)據(jù)傳輸成功率的滿載門限自適應(yīng)調(diào)整兩個(gè)機(jī)制。通過使初始滿載門限閾值快速收斂,根據(jù)信道實(shí)際的承載能力動(dòng)態(tài)調(diào)整滿載門限,實(shí)現(xiàn)對信道負(fù)載水平的有效控制,從而減少了沖突的發(fā)生,提高了數(shù)據(jù)傳輸成功率,重傳次數(shù)的減少使數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延降低。