一種高信道利用率的無(wú)人機(jī)自組網(wǎng)單閾值接入?yún)f(xié)議

任 智，楊 迪，胡 春，朱克蘭

（1.重慶郵電大學(xué)通信與信息工程學(xué)院，重慶 400065；2.重慶郵電大學(xué)移動(dòng)通信技術(shù)重慶市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400065）

0 概述

無(wú)人機(jī)自組網(wǎng)（UAV Ad-Hoc Network，UANET）［1-2］是一種將無(wú)人機(jī)作為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)而建立的多跳自組織網(wǎng)絡(luò)，其具有比單架無(wú)人機(jī)更好的自適應(yīng)和擴(kuò)展能力，廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)、巡檢、安防和救援等領(lǐng)域［3-5］?；趦?yōu)先級(jí)概率統(tǒng)計(jì)的多址接入（Statistical Priority-based Multiple Access，SPMA）協(xié)議［6-8］是一種新的適用于無(wú)人機(jī)自組網(wǎng)的接入?yún)f(xié)議，其基于CSMA異步跳頻機(jī)制［9-10］，通過(guò)數(shù)據(jù)包優(yōu)先級(jí)對(duì)信道負(fù)載狀況進(jìn)行反饋，從而有效利用信道帶寬資源，近年來(lái)得到研究人員的廣泛關(guān)注并取得了重要成果。文獻(xiàn)［11］提出一個(gè)簡(jiǎn)單的分析模型，并將其用于計(jì)算飽和輸入條件下的時(shí)隙成功傳輸概率。文獻(xiàn)［12］提出一種基于優(yōu)先級(jí)的多址接入（Priority-based Multiple Access，PriMA）協(xié)議，該協(xié)議考慮了站內(nèi)排隊(duì)的數(shù)據(jù)包QoS要求并為每個(gè)站提供基于優(yōu)先級(jí)的訪問(wèn)。文獻(xiàn)［13］為滿足網(wǎng)絡(luò)負(fù)載較大的時(shí)延敏感業(yè)務(wù)的低延遲傳輸需求，設(shè)計(jì)一種基于SPMA協(xié)議的移動(dòng)自組網(wǎng)系統(tǒng)。文獻(xiàn)［14］提出一種新的多信道媒質(zhì)接入控制協(xié)議，該協(xié)議采用時(shí)延抖動(dòng)算法并根據(jù)信道負(fù)載自適應(yīng)動(dòng)態(tài)調(diào)整抖動(dòng)窗口，利用多信道機(jī)制使協(xié)議在有效保障系統(tǒng)穩(wěn)定吞吐量的同時(shí)降低分組接入時(shí)延。文獻(xiàn)［15］提出一種基于負(fù)載統(tǒng)計(jì)的改進(jìn)算法TSMP-MAC，該算法使用基于業(yè)務(wù)量的負(fù)載統(tǒng)計(jì)，將上層數(shù)據(jù)包分為可以直接發(fā)送的優(yōu)先級(jí)數(shù)據(jù)包、需要退避等待的優(yōu)先級(jí)數(shù)據(jù)包以及直接丟棄的優(yōu)先級(jí)數(shù)據(jù)包，保證了高優(yōu)先級(jí)數(shù)據(jù)包分組的高成功率和低延時(shí)。

然而，現(xiàn)有TSMP-MAC協(xié)議和SPMA協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)信道負(fù)載統(tǒng)計(jì)時(shí)間不統(tǒng)一，統(tǒng)計(jì)出的信道負(fù)載信息不具備參考價(jià)值，且業(yè)務(wù)優(yōu)先級(jí)閾值設(shè)置過(guò)多依賴假設(shè)的優(yōu)先級(jí)分組分布比例，而在信道負(fù)載高于最低優(yōu)先級(jí)閾值后發(fā)包成功率下降，導(dǎo)致低優(yōu)先級(jí)數(shù)據(jù)丟包率增加，從而降低數(shù)據(jù)傳輸成功率和MAC層吞吐量，并造成信道資源浪費(fèi)。鑒于此，本文提出一種多優(yōu)先級(jí)單閾值接入控制（Multi-priority Single threshold Access Control，MSAC）協(xié)議。

1 網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景與問(wèn)題描述

1.1 網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景

無(wú)人機(jī)自組網(wǎng)由多個(gè)地位相等的無(wú)人機(jī)節(jié)點(diǎn)構(gòu)成［16］，如圖1所示，節(jié)點(diǎn)ID號(hào)唯一，通信方式為全雙工且采用全向天線。各節(jié)點(diǎn)開(kāi)機(jī)后按開(kāi)始運(yùn)行求取信道滿載閾值的程序，在此過(guò)程中各節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生信道負(fù)載閾值求取數(shù)據(jù)包并對(duì)其進(jìn)行發(fā)送，當(dāng)數(shù)據(jù)傳輸成功率達(dá)到99%時(shí)，獲取前一個(gè)預(yù)設(shè)發(fā)送時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)的數(shù)據(jù)包個(gè)數(shù)并將其作為信道滿載閾值TF。

圖1 無(wú)人機(jī)自組網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)銯ig.1 Network topology of UANET

1.2 問(wèn)題描述

在網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點(diǎn)開(kāi)機(jī)時(shí)間不同，在信道負(fù)載統(tǒng)計(jì)階段，信道負(fù)載數(shù)據(jù)包的發(fā)送時(shí)間也不同。在發(fā)送時(shí)間相差較大的情況下，各節(jié)點(diǎn)采集信道負(fù)載的時(shí)間段各不相同，統(tǒng)計(jì)出的信道負(fù)載不具備參照價(jià)值。SPMA協(xié)議中信道負(fù)載的準(zhǔn)確統(tǒng)計(jì)至關(guān)重要，關(guān)系信道滿載閾值的確定和各優(yōu)先級(jí)數(shù)據(jù)包能否接入信道，而不同步的信道負(fù)載統(tǒng)計(jì)會(huì)造成系統(tǒng)無(wú)法正常工作，信道碰撞加劇，數(shù)據(jù)傳輸成功率降低且時(shí)延增加。

現(xiàn)有優(yōu)先級(jí)閾值設(shè)置算法［17-19］先設(shè)置最低業(yè)務(wù)優(yōu)先級(jí)閾值TN-（1其中N表示優(yōu)先級(jí)分組數(shù)量）并以此閾值為基準(zhǔn)，再按照假設(shè)的優(yōu)先級(jí)分組分布比例計(jì)算其他業(yè)務(wù)優(yōu)先級(jí)閾值，但依此設(shè)計(jì)出的閾值存在以下問(wèn)題：1）需要事先設(shè)定各業(yè)務(wù)優(yōu)先級(jí)分布比例才能計(jì)算出除最低優(yōu)先級(jí)閾值以外的優(yōu)先級(jí)閾值；2）由于次高優(yōu)先級(jí)閾值都比最低優(yōu)先級(jí)閾值TN-1高，但信道能承受的保證數(shù)據(jù)傳輸成功率為99%的信道負(fù)載最大為TN-1，因此當(dāng)信道負(fù)載高于TN-1時(shí)，數(shù)據(jù)傳輸成功率已不能滿足設(shè)計(jì)要求，此時(shí)再發(fā)送任何優(yōu)先級(jí)的數(shù)據(jù)包均已不能達(dá)到預(yù)設(shè)成功率；3）現(xiàn)有算法優(yōu)先級(jí)在低于相應(yīng)閾值時(shí)需要完全退避整個(gè)優(yōu)先級(jí)的數(shù)據(jù)包，導(dǎo)致跨閾值的優(yōu)先級(jí)數(shù)據(jù)包全部退避，此時(shí)可能造成信道資源空閑，卻仍有消息在退避，在一定程度上導(dǎo)致了信道資源浪費(fèi)。

2 多優(yōu)先級(jí)單閾值接入控制協(xié)議

2.1 信道負(fù)載統(tǒng)計(jì)時(shí)間校正

因?yàn)楦鱾€(gè)節(jié)點(diǎn)開(kāi)機(jī)時(shí)間不同，開(kāi)始發(fā)送信道負(fù)載統(tǒng)計(jì)包的時(shí)間不同，所以從信道滿載閾值計(jì)算階段開(kāi)始就可能發(fā)生負(fù)載統(tǒng)計(jì)時(shí)的統(tǒng)計(jì)時(shí)間段不同。當(dāng)各個(gè)節(jié)點(diǎn)的負(fù)載統(tǒng)計(jì)時(shí)間不同時(shí)，統(tǒng)計(jì)到的信道負(fù)載就不再準(zhǔn)確及具備參考價(jià)值，且不能根據(jù)統(tǒng)計(jì)到的信道負(fù)載情況協(xié)調(diào)一跳范圍內(nèi)的節(jié)點(diǎn)退避或接入。為解決上述問(wèn)題，本文提出一種信道負(fù)載統(tǒng)計(jì)時(shí)間校正機(jī)制。在一跳范圍內(nèi)，當(dāng)ID號(hào)大的節(jié)點(diǎn)發(fā)現(xiàn)（收到）消息中ID號(hào)最小節(jié)點(diǎn)的負(fù)載統(tǒng)計(jì)包發(fā)送時(shí)間在自身負(fù)載統(tǒng)計(jì)周期內(nèi)時(shí)（若在允許的時(shí)間抖動(dòng)范圍內(nèi)，則不進(jìn)行處理），立刻終止自身負(fù)載統(tǒng)計(jì)并按照當(dāng)前時(shí)間占全統(tǒng)計(jì)周期的比例，折算成一個(gè)負(fù)載統(tǒng)計(jì)周期的負(fù)載后緊隨收到的負(fù)載統(tǒng)計(jì)包中ID號(hào)最小的節(jié)點(diǎn)發(fā)送（加上一個(gè)時(shí)間抖動(dòng)）負(fù)載統(tǒng)計(jì)包。該過(guò)程是一個(gè)鏈?zhǔn)竭^(guò)程，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都向其一跳范圍內(nèi)ID號(hào)最小的節(jié)點(diǎn)靠近，最終所有節(jié)點(diǎn)的信道負(fù)載統(tǒng)計(jì)時(shí)間都在ID號(hào)最小節(jié)點(diǎn)的負(fù)載統(tǒng)計(jì)時(shí)間附近。信道負(fù)載統(tǒng)計(jì)時(shí)間校正流程如圖2所示。

圖2 信道負(fù)載統(tǒng)計(jì)時(shí)間校正流程Fig.2 Procedure of channel load statistical time correction

信道負(fù)載統(tǒng)計(jì)時(shí)間校正機(jī)制的基本操作步驟具體如下：

1）在節(jié)點(diǎn)開(kāi)機(jī)后開(kāi)始統(tǒng)計(jì)自身發(fā)包情況，當(dāng)?shù)竭_(dá)預(yù)定負(fù)載統(tǒng)計(jì)周期時(shí)間時(shí)，將這段時(shí)間發(fā)送的各優(yōu)先級(jí)的數(shù)據(jù)包個(gè)數(shù)封裝成負(fù)載統(tǒng)計(jì)包并對(duì)其進(jìn)行廣播。

2）當(dāng)節(jié)點(diǎn)收到一跳范圍內(nèi)ID號(hào)最小節(jié)點(diǎn)發(fā)送的負(fù)載統(tǒng)計(jì)包時(shí)，若節(jié)點(diǎn)處于自身負(fù)載統(tǒng)計(jì)周期內(nèi)且該時(shí)間點(diǎn)不在規(guī)定的時(shí)間抖動(dòng)內(nèi)時(shí)，則該節(jié)點(diǎn)需要將自身負(fù)載統(tǒng)計(jì)時(shí)間向ID號(hào)最小的節(jié)點(diǎn)校正。

3）當(dāng)ID號(hào)高的節(jié)點(diǎn)向一跳范圍內(nèi)ID號(hào)最小的節(jié)點(diǎn)校正時(shí)間時(shí)，ID號(hào)高的節(jié)點(diǎn)處于負(fù)載統(tǒng)計(jì)周期內(nèi)，此時(shí)收到一跳范圍內(nèi)ID號(hào)最小節(jié)點(diǎn)的負(fù)載統(tǒng)計(jì)包，ID號(hào)高的節(jié)點(diǎn)中斷負(fù)載統(tǒng)計(jì)，直接使用現(xiàn)在統(tǒng)計(jì)出的結(jié)果按時(shí)間比例折算成一個(gè)負(fù)載統(tǒng)計(jì)周期的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，封裝后再加上時(shí)間抖動(dòng)后對(duì)其進(jìn)行廣播。

4）所有節(jié)點(diǎn)都按照以上機(jī)制運(yùn)行，最終所有節(jié)點(diǎn)的負(fù)載統(tǒng)計(jì)時(shí)間都可以校正到整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中ID號(hào)最小節(jié)點(diǎn)的負(fù)載統(tǒng)計(jì)時(shí)間附近，由于節(jié)點(diǎn)加上了時(shí)間抖動(dòng)，因此即使全網(wǎng)節(jié)點(diǎn)都在該時(shí)刻發(fā)送，也可以盡可能降低發(fā)生碰撞的概率。節(jié)點(diǎn)在開(kāi)機(jī)后只要發(fā)現(xiàn)收到ID號(hào)小的節(jié)點(diǎn)的負(fù)載統(tǒng)計(jì)包在自身負(fù)載統(tǒng)計(jì)周期內(nèi)且超過(guò)規(guī)定的抖動(dòng)時(shí)間時(shí)，就需要執(zhí)行以上步驟從而校正負(fù)載統(tǒng)計(jì)的時(shí)間。

2.2 信道負(fù)載統(tǒng)計(jì)

通過(guò)計(jì)算節(jié)點(diǎn)在統(tǒng)計(jì)周期內(nèi)的收發(fā)包數(shù)量進(jìn)行信道負(fù)載統(tǒng)計(jì)，在統(tǒng)計(jì)周期內(nèi)統(tǒng)計(jì)出的信道負(fù)載C0如式（1）所示：

其中，M表示跳頻頻點(diǎn)個(gè)數(shù)，f表示第f個(gè)頻點(diǎn)，imax表示節(jié)點(diǎn)i的周圍一跳鄰居總數(shù)，表示在頻點(diǎn)f時(shí)收到的節(jié)點(diǎn)i發(fā)送的優(yōu)先級(jí)為j的數(shù)據(jù)包個(gè)數(shù)表示在頻點(diǎn)f時(shí)發(fā)送的優(yōu)先級(jí)為j的數(shù)據(jù)包個(gè)數(shù)。

2.3 基于單閾值的信道接入控制

為解決信道負(fù)載控制問(wèn)題，本文提出基于單閾值的信道接入控制機(jī)制。該機(jī)制的基本思路為：首先設(shè)置信道滿載基準(zhǔn)閾值TF，所有業(yè)務(wù)優(yōu)先級(jí)的發(fā)送都要與TF進(jìn)行比較，當(dāng)發(fā)送包數(shù)小于TF時(shí)，高優(yōu)先級(jí)的包先發(fā)，低優(yōu)先級(jí)的包后發(fā)，且無(wú)退避發(fā)送。當(dāng)前一個(gè)時(shí)隙負(fù)載的業(yè)務(wù)量大于TF時(shí)，分析負(fù)載中業(yè)務(wù)優(yōu)先級(jí)的分布情況，即各業(yè)務(wù)優(yōu)先級(jí)對(duì)應(yīng)的數(shù)量。通過(guò)分析可以得出哪些業(yè)務(wù)優(yōu)先級(jí)造成了信道過(guò)載，并且在新的時(shí)隙開(kāi)始時(shí)退避造成信道過(guò)載的業(yè)務(wù)優(yōu)先級(jí)。簡(jiǎn)單的退避所有業(yè)務(wù)優(yōu)先級(jí)會(huì)造成一定程度的信道資源浪費(fèi)，而完全允許需要退避的最高優(yōu)先級(jí)（跨閾值優(yōu)先級(jí)）的數(shù)據(jù)包發(fā)送又會(huì)使信道過(guò)載包的首發(fā)成功率下降。此時(shí)，在負(fù)載廣播包中解析到前一時(shí)隙的負(fù)載情況，通過(guò)比較基準(zhǔn)閾值TF和即將退避的各優(yōu)先級(jí)數(shù)據(jù)包數(shù)量可以得出該時(shí)隙將會(huì)有多少信道資源被空閑。若允許一部分跨閾值優(yōu)先級(jí)數(shù)據(jù)包發(fā)送填充此空閑，則可以更充分地利用信道資源。基于單閾值的信道接入控制流程如圖3所示。

圖3 基于單閾值的信道接入控制流程Fig.3 Procedure of channel access control based on single threshold

基于單閾值的信道接入控制機(jī)制的基本操作步驟具體如下：

1）通過(guò)最低優(yōu)先級(jí)閾值設(shè)定方法確定當(dāng)前TF。最低優(yōu)先級(jí)閾值TN-1的設(shè)置方法為：無(wú)優(yōu)先級(jí)控制，數(shù)據(jù)包隨到隨發(fā)，并且逐漸增大全網(wǎng)業(yè)務(wù)量，當(dāng)數(shù)據(jù)傳輸成功率降至99%時(shí)，獲取前一個(gè)統(tǒng)計(jì)周期內(nèi)出現(xiàn)的數(shù)量包數(shù)量作為最低優(yōu)先級(jí)閾值。將此閾值作為基準(zhǔn)，所有優(yōu)先級(jí)數(shù)據(jù)包的發(fā)送與否都需要將信道負(fù)載中各業(yè)務(wù)優(yōu)先級(jí)分布比例和所占數(shù)量與TF進(jìn)行比較，在此周期內(nèi)發(fā)送的各優(yōu)先級(jí)包的數(shù)量需小于TF。

2）當(dāng)信道負(fù)載大于TF時(shí)，通過(guò)分析信道負(fù)載的業(yè)務(wù)優(yōu)先級(jí)構(gòu)成和分布比例可以找出造成信道滿載的業(yè)務(wù)優(yōu)先級(jí)數(shù)據(jù)包，并且退避大于該業(yè)務(wù)優(yōu)先級(jí)的數(shù)據(jù)包，同時(shí)發(fā)送小于該業(yè)務(wù)優(yōu)先級(jí)的數(shù)據(jù)包。

3）由于可能存在跨閾值的業(yè)務(wù)優(yōu)先級(jí)，且不能完全退避該優(yōu)先級(jí)分組的情況，而完全退避該優(yōu)先級(jí)的分組會(huì)造成信道資源的浪費(fèi)，因此通過(guò)計(jì)算閑置信道資源，根據(jù)負(fù)載統(tǒng)計(jì)階段統(tǒng)計(jì)出的各個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送相應(yīng)優(yōu)先級(jí)的數(shù)據(jù)包個(gè)數(shù)Cij，其中，i是節(jié)點(diǎn)ID號(hào)，j是數(shù)據(jù)包優(yōu)先級(jí)，根據(jù)式（2）計(jì)算出的比例P加權(quán)分配給周圍各個(gè)節(jié)點(diǎn)，并利用式（3）計(jì)算節(jié)點(diǎn)i允許發(fā)送的跨閾值優(yōu)先級(jí)數(shù)據(jù)包個(gè)數(shù)Cik。

其中，k表示跨閾值的優(yōu)先級(jí)數(shù)量，Nunused表示信道空閑資源，具體計(jì)算公式為：

其中，Lj表示由優(yōu)先級(jí)j造成的信道負(fù)載，具體計(jì)算公式為：

4）當(dāng)信道負(fù)載小于TF時(shí)，使用剩余的跨閾值優(yōu)先級(jí)數(shù)據(jù)包填補(bǔ)空缺；當(dāng)跨閾值優(yōu)先級(jí)的包不能填補(bǔ)空缺時(shí)，發(fā)送更低優(yōu)先級(jí)的包填補(bǔ)空缺。這兩種填補(bǔ)方式都要使用加權(quán)分配法分配節(jié)點(diǎn)發(fā)包數(shù)量。若上一個(gè)周期內(nèi)所有優(yōu)先級(jí)數(shù)據(jù)包總數(shù)小于TF，則下一個(gè)周期不進(jìn)行數(shù)據(jù)包控制，實(shí)施數(shù)據(jù)包隨到隨發(fā)策略。

2.4 退避時(shí)間設(shè)置

本文在文獻(xiàn)［8］方法的基礎(chǔ)上對(duì)優(yōu)先級(jí)包的退避時(shí)間（Bbf）略作調(diào)整，計(jì)算公式修改為：

其中：X和Y為兩個(gè)調(diào)節(jié)系數(shù)，分別設(shè)置為1/20和10；p為需要退避的優(yōu)先級(jí)，其包含跨閾值優(yōu)先級(jí)。

3 仿真驗(yàn)證與結(jié)果分析

3.1 仿真參數(shù)設(shè)置

為驗(yàn)證本文MSAC協(xié)議的性能，采用OPNET 14.5網(wǎng)絡(luò)仿真工具對(duì)其進(jìn)行仿真驗(yàn)證，主要參數(shù)設(shè)置如表1所示。

表1 主要仿真參數(shù)設(shè)置Table 1 Setting of main simulation parameters

3.2 仿真結(jié)果分析

數(shù)據(jù)傳輸成功率是指目的節(jié)點(diǎn)收到的數(shù)據(jù)量占總數(shù)據(jù)量的比例。由圖4可看出，隨著節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)的增加3種協(xié)議的傳輸成功率都有所下降，其主要原因?yàn)樾诺镭?fù)載超過(guò)了系統(tǒng)承載能力，導(dǎo)致底層數(shù)據(jù)包碰撞嚴(yán)重，數(shù)據(jù)包在多次重傳后超過(guò)重傳次數(shù)上限，從而導(dǎo)致丟包。MSAC協(xié)議和TSMP-MAC協(xié)議由于對(duì)不同類型的業(yè)務(wù)設(shè)置了優(yōu)先級(jí)，在業(yè)務(wù)量較大時(shí)，降低了低優(yōu)先級(jí)數(shù)據(jù)包接入信道的數(shù)量，優(yōu)先發(fā)送高優(yōu)先級(jí)數(shù)據(jù)包，因此起到一定的控制信道負(fù)載的作用，在中等負(fù)載的情況下依然可以保證90%以上的數(shù)據(jù)傳輸成功率，而CSMA/CA協(xié)議［20］在輕載下可以維持較高的數(shù)據(jù)傳輸成功率，但在中等負(fù)載和重載下數(shù)據(jù)傳輸成功率嚴(yán)重下降。這主要是因?yàn)镸SAC協(xié)議的信道負(fù)載統(tǒng)計(jì)時(shí)間校正機(jī)制可使節(jié)點(diǎn)更準(zhǔn)確地統(tǒng)計(jì)出信道負(fù)載，基于單閾值的信道接入控制機(jī)制能以更細(xì)粒度的方式調(diào)控接入信道的負(fù)載量，有效控制信道負(fù)載值不超過(guò)滿載閾值，所以MSAC協(xié)議在信道重載情況下依然可以保證相對(duì)較高的數(shù)據(jù)傳輸成功率。

圖4 數(shù)據(jù)傳輸成功率比較Fig.4 Comparison of data transmission success rate

MAC層吞吐量是指單位時(shí)間內(nèi)MAC層接收到的比特?cái)?shù)。由圖5可看出，MSAC協(xié)議相比TSMPMAC協(xié)議和CSMA/CA協(xié)議具有更高的吞吐量，其主要原因?yàn)镸SAC協(xié)議使用的基于單閾值的信道接入控制機(jī)制控制信道負(fù)載的單位是數(shù)據(jù)包個(gè)數(shù)，而不是對(duì)整體業(yè)務(wù)優(yōu)先級(jí)進(jìn)行控制，更細(xì)粒度的信道負(fù)載控制可以有效利用信道中整體業(yè)務(wù)優(yōu)先級(jí)退避而空閑出的信道，使系統(tǒng)在上層業(yè)務(wù)量較大情況下的系統(tǒng)信道承載能力與實(shí)際信道負(fù)載相匹配，最大化利用信道資源，從而提高M(jìn)AC層吞吐量。TSMPMAC協(xié)議的退避機(jī)制將一部分低優(yōu)先級(jí)包丟棄，使得被丟棄的數(shù)據(jù)包未能傳輸成功，從而造成MAC層吞吐量的降低，而CSMA/CA協(xié)議由于在重載情況下的底層數(shù)據(jù)包碰撞加劇，使其超過(guò)重傳次數(shù)上限而丟包，造成數(shù)據(jù)傳輸成功率降低，從而導(dǎo)致MAC層吞吐量下降。因此，MSAC協(xié)議的MAC層吞吐量高于CSMA/CA協(xié)議與TSMP-MAC協(xié)議。

圖5 MAC層吞吐量比較Fig.5 Comparison of MAC layer throughput

信道資源利用率是指節(jié)點(diǎn)占用信道進(jìn)行有效數(shù)據(jù)傳輸所用時(shí)間與網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行時(shí)間的比值。由圖6可看出，MSAC協(xié)議的信道資源利用率高于TSMPMAC協(xié)議和CSMA/CA協(xié)議，其主要原因?yàn)镸SAC協(xié)議使用的基于單閾值的信道接入控制機(jī)制以數(shù)據(jù)包為單位來(lái)控制信道的負(fù)載水平，相比整體業(yè)務(wù)優(yōu)先級(jí)退避的TSMP-MAC協(xié)議，可以更加充分地利用整體業(yè)務(wù)優(yōu)先級(jí)退避形成的空閑信道資源，從而在一定程度上提高信道資源利用率。此外，CSMA/CA協(xié)議只有在信道有數(shù)據(jù)包接入后才執(zhí)行退避等待，而MSAC協(xié)議則可以判斷底層時(shí)頻跳變系統(tǒng)的負(fù)載情況，根據(jù)負(fù)載情況選擇控制低優(yōu)先級(jí)包的接入時(shí)間。因此，MSAC協(xié)議的信道資源利用率高于CSMA/CA協(xié)議與TSMP-MAC協(xié)議。

圖6 信道資源利用率比較Fig.6 Comparison of channel resource utilization rate

4 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)現(xiàn)有SPMA協(xié)議中多個(gè)業(yè)務(wù)優(yōu)先級(jí)對(duì)應(yīng)閾值設(shè)置造成的負(fù)載控制失效問(wèn)題，提出一種多優(yōu)先級(jí)單閾值接入控制協(xié)議，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)承載能力與實(shí)際信道負(fù)載的最大化匹配，從而更高效地利用信道資源。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該協(xié)議能有效提高信道資源利用率、MAC層吞吐量及數(shù)據(jù)傳輸成功率。下一步將對(duì)接入控制協(xié)議中信道滿載閾值的計(jì)算和自適應(yīng)調(diào)整方式進(jìn)行研究，通過(guò)降低控制開(kāi)銷及加快組網(wǎng)過(guò)程，保證在信道環(huán)境變化情況下的數(shù)據(jù)傳輸成功率，提高接入控制協(xié)議的應(yīng)用靈活性。