一種基于丟失距離的無人機(jī)網(wǎng)絡(luò)效能優(yōu)化方法

葉 磊，程 龍

(1.南部戰(zhàn)區(qū)海軍參謀部某中心，廣東 湛江 524000；2.91878部隊(duì)，廣東 湛江 524000)

0 引言

無人機(jī)(Unmanned Aerial Vehicle，UAV)最早用于軍事領(lǐng)域，指可控制、可攜帶多種任務(wù)設(shè)備的無人駕駛航空器[1-2]，其用途廣泛，相較有人系統(tǒng)，具有成本低廉、安全性高、易操控、易部署等特點(diǎn)，并越來越多地應(yīng)用于偵察、監(jiān)視、救災(zāi)、應(yīng)急等領(lǐng)域。當(dāng)前，由單一、小規(guī)模無人機(jī)向大規(guī)模、集群化發(fā)展并成為主流趨勢，其結(jié)構(gòu)簡單，功能較單一，負(fù)載能力與續(xù)航時(shí)間有限，往往不能長時(shí)間滯空飛行，如何提升無人機(jī)間通信效率和節(jié)約能耗顯得尤為重要。各無人機(jī)間相對移動較快，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓瘡?fù)雜，信號衰落、多徑、噪聲等負(fù)面因素影響變得尤為顯著[3]。以上原因增加了無人機(jī)間通信的“不可靠性”，使無人機(jī)間的通信效率下降，控制、能耗成本上升。

1 丟失距離概念及分析

在傳輸層，個(gè)體難以判斷造成丟包的原因[3]，因此，傳統(tǒng)傳輸控制協(xié)議(Transmission Control Protocol，TCP)擁塞控制并不適用無人機(jī)群場景?；谝陨峡紤]，在傳輸層上引入丟失距離概念，讓個(gè)體通過計(jì)算，動態(tài)感知通信環(huán)境變化，從而改變發(fā)送策略。

丟失距離(Lost Distance)是指兩個(gè)相鄰的丟失報(bào)文之間的序號差。例如，在一個(gè)數(shù)據(jù)流中，序號為100的報(bào)文丟失了，而下一個(gè)丟失的報(bào)文序號為110，則丟包距離為10。假設(shè)在某環(huán)境下，兩節(jié)點(diǎn)進(jìn)行TCP通信，發(fā)送端發(fā)送了10個(gè)報(bào)文，分別為P1,P2, …, P10。在接收端產(chǎn)生了某種原因的丟失，只接收到了P2,P3,P7,P9。以0代表丟失，1代表成功。報(bào)文丟失如圖1所示，丟失距離如圖2所示。

圖1 報(bào)文丟失

圖2 丟失距離

無人機(jī)群通信過程中丟失距離的動態(tài)變化主要由通信環(huán)境的復(fù)雜性引起。根據(jù)丟失距離的變化，可感知出通信環(huán)境的變化。丟失距離越大，則表明丟包較少，丟包距離越小則相反。因此，可由丟失距離的變化程度來度量通信環(huán)境，發(fā)送端以該方法提升傳輸效率并降低能耗。

在發(fā)送端發(fā)出n個(gè)報(bào)文的過程中，丟失距離在動態(tài)變化，為度量丟失距離的變化程度，計(jì)算丟失距離的均值m，平均絕對差(Mean Absolute Deviation，MAD)，具體如下式：

其中，n為統(tǒng)計(jì)窗口，m表示平均丟失距離，越小則丟包越頻繁；MAD表示統(tǒng)計(jì)窗口內(nèi)丟失距離的抖動，越小則丟包抖動越不明顯。例中的m=0.4，MAD=0.36。定義：

Li(m)=Wi(m)-Wi-1(m)

Li(MAD)=Wi(MAD)-Wi-1(MAD)

其中，W1,W2, …,Wi，是以n個(gè)分組為單位的統(tǒng)計(jì)窗口，圖1中n為10。若Li(m)<0，則表示丟失距離在變小，若Li(MAD)<0，則表示丟失距離抖動在變小。若Wi(m)=n，則表示在此窗口內(nèi)未發(fā)生丟包。定義：

I=aLi(m)-bLi(MAD)

a，b為權(quán)重因子，表示Li(m)與Li(MAD)對I的影響程度。α為判斷門限區(qū)間，當(dāng)I<α?xí)r，丟包是無線環(huán)境不穩(wěn)定性造成，出于能效考慮應(yīng)減小發(fā)送窗口以降低發(fā)送速率。當(dāng)I∈α?xí)r，表示狀態(tài)穩(wěn)定，保持當(dāng)前發(fā)送窗口。當(dāng)I>α?xí)r，表示此時(shí)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)趨向良好，應(yīng)恢復(fù)發(fā)送窗口。在算法作用下，當(dāng)擁塞達(dá)到一定程度時(shí)，控制傳輸速率，如圖3所示。

圖3 擁塞度與吞吐量關(guān)系

3 仿真驗(yàn)證及分析

在1 000×1 000 m的區(qū)域內(nèi)，以3個(gè)無線站點(diǎn)mobile_node0，mobile_node1，mobile_node2模擬無人機(jī)通過移動網(wǎng)關(guān)與固定工作站node2，node3，node4分別建立TCP通信，均為FTP業(yè)務(wù)，固定站點(diǎn)為通信發(fā)送方，移動站點(diǎn)為接收方。mobile_node3和mobile_node4模擬干擾機(jī)，兩者之間隨機(jī)地互發(fā)數(shù)據(jù)。在OPNET中配置拓?fù)?，如圖4所示。

圖4 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/p>

無線鏈路丟包率為均勻分布(0, 5, 1)，有線鏈路丟包率為均勻分布(0.01,0.1)，TCP數(shù)據(jù)發(fā)送方式為Best Effort。3個(gè)模擬無人機(jī)站點(diǎn)移動路徑為wlan_roaming_1，路由協(xié)議為AODV。干擾機(jī)mobile_node3和mobile_node4的發(fā)包時(shí)間間隔服從于參數(shù)為1 s的負(fù)指數(shù)分布。統(tǒng)計(jì)窗口n=100，權(quán)重因子a=1，b=0.5，門限區(qū)間α=[-2,0]，發(fā)送窗口以0.5倍抑制，2倍增加。仿真時(shí)間為20 min。結(jié)果如圖5—6所示。

圖5 優(yōu)化前全局吞吐量

圖6 優(yōu)化后全局吞吐量

可以看出，3個(gè)部站點(diǎn)的通信交互變?yōu)榈皖l度高量級，其中，1號2號站點(diǎn)變化明顯，其峰值變高，頻度明顯降低，低于1 000 bit/sec的吞吐量得到明顯抑制，在仿真10 min后效果更為明顯。表明算法發(fā)揮了效果，抑制了大量初始通信協(xié)商和控制開銷，降低了通信次數(shù)，提高了信道利用率，節(jié)約了能耗，提升了效率。在實(shí)際應(yīng)用中，為達(dá)到最佳效果，在不同場景下需要對該算法中的統(tǒng)計(jì)窗口、通告門限等參數(shù)進(jìn)行合適取值或自適應(yīng)調(diào)整。