樹形無人機(jī)蜂群網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

郭首江 劉強(qiáng)

摘要：無人機(jī)蜂群網(wǎng)絡(luò)中，網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和媒體接入控制（MAC）協(xié)議是影響網(wǎng)絡(luò)性能的重要因素。根據(jù)無人機(jī)蜂群通信網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)，提出了樹形拓?fù)涞姆謱油ㄐ啪W(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，并針對這一網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，設(shè)計(jì)了一種混合型媒體接入控制協(xié)議。該混合型媒體接入控制協(xié)議采用動態(tài)時隙分配的方法，結(jié)合了載波監(jiān)聽多路訪問（CSMA）協(xié)議和時分多址（TDMA）協(xié)議的優(yōu)點(diǎn)，可以滿足無人機(jī)蜂群網(wǎng)絡(luò)高帶寬、低時延的要求。仿真結(jié)果顯示，該混合型媒體接入控制協(xié)議在高負(fù)載場景下，端到端時延約為0.1 s，投遞率約為95%，緩存隊(duì)列大小穩(wěn)定，沒有發(fā)生隊(duì)列堆積的情況。在多優(yōu)先級業(yè)務(wù)場景下，高優(yōu)先級業(yè)務(wù)的端到端時延約為0.08 s，投遞率約為98%。相較于單獨(dú)的CSMA和TDMA協(xié)議來說，可以更好地支持樹形拓?fù)涞臒o人機(jī)蜂群網(wǎng)絡(luò)。

關(guān)鍵詞：媒體接入控制協(xié)議;無人機(jī)蜂群網(wǎng)絡(luò);樹形拓?fù)?/p>

中圖分類號：TP393文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號：1008-1739（2021）19-62-6

0引言

隨著作戰(zhàn)范圍的日益擴(kuò)大和戰(zhàn)場環(huán)境的日趨復(fù)雜，單個無人機(jī)在執(zhí)行任務(wù)時很難全方位感知各種信息，一旦出現(xiàn)故障或被敵方摧毀，將無法完成任務(wù)。無人機(jī)蜂群是指將多種任務(wù)載荷的低成本小型無人機(jī)基于開放式體系架構(gòu)綜合集成[1]，以通信網(wǎng)絡(luò)信息為中心，構(gòu)建具有抗毀性、低成本、功能分布化等優(yōu)勢的作戰(zhàn)體系[2-3]。無人機(jī)蜂群組成的網(wǎng)絡(luò)即無人機(jī)自組網(wǎng)（UAV Ad Hoc Network，UANET），屬于移動自組網(wǎng)（Mobile Ad Hoc Network，MANET）的一種。相較于一般的移動自組網(wǎng)和車輛構(gòu)成的車載自組網(wǎng)（Vehicle Ad Hoc Network，VANET）來說，無人機(jī)自組網(wǎng)具有移動速度更快、拓?fù)渥兓?、覆蓋面積更廣等特點(diǎn)。

樹形拓?fù)涞臒o人機(jī)蜂群網(wǎng)絡(luò)是一種特殊陣列的無人機(jī)蜂群網(wǎng)絡(luò)，在網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)上具有更加規(guī)整的層級劃分，各層級無人機(jī)的通信方式和通信能力都不盡相同。這種特殊形態(tài)的網(wǎng)絡(luò)，具有高帶寬低時延的需求。媒體接入控制（Medium Access Control，MAC）協(xié)議是影響無人機(jī)網(wǎng)絡(luò)性能的重要因素，可以通過對MAC協(xié)議的改進(jìn)來適應(yīng)樹形拓?fù)涞臒o人機(jī)蜂群網(wǎng)絡(luò)，從而降低無人機(jī)之間通信的時延，提高無人機(jī)之間的通信帶寬，以達(dá)到樹形拓?fù)錈o人機(jī)網(wǎng)絡(luò)的QoS需求。

目前，無人機(jī)蜂群網(wǎng)絡(luò)中一般使用的MAC協(xié)議主要分為競爭類MAC協(xié)議、分配類MAC協(xié)議和混合類MAC協(xié)議。

競爭類MAC協(xié)議的代表性協(xié)議是CSMA/CA協(xié)議，文獻(xiàn)[4]為了提高無人機(jī)自組網(wǎng)的QoS性能，對CSMA/CA協(xié)議進(jìn)行了結(jié)構(gòu)調(diào)整，但是調(diào)整之后的時延仍然無法滿足無人機(jī)自組網(wǎng)的需求。文獻(xiàn)[5]以CSMA協(xié)議為基礎(chǔ)，加入了業(yè)務(wù)優(yōu)先級的影響因素，設(shè)計(jì)了基于統(tǒng)計(jì)優(yōu)先級的多址接入（Statistical Priority-Based Multiple Access，SPMA）協(xié)議，此協(xié)議依據(jù)業(yè)務(wù)的優(yōu)先級將其存入優(yōu)先級緩存中，根據(jù)信道檢測的結(jié)果決定是否對其進(jìn)行發(fā)送。但是競爭類協(xié)議在遇到高負(fù)載業(yè)務(wù)時，網(wǎng)絡(luò)中會產(chǎn)生大量碰撞，影響整個網(wǎng)絡(luò)的性能。

分配類MAC協(xié)議的代表性協(xié)議是TDMA協(xié)議。文獻(xiàn)[6]提出了一種根據(jù)業(yè)務(wù)需求而動態(tài)分配的TDMA協(xié)議，為不同業(yè)務(wù)類型的節(jié)點(diǎn)分配相應(yīng)的時隙。文獻(xiàn)[7]將MAC協(xié)議分成2個階段：信標(biāo)幀階段和數(shù)據(jù)幀階段。在信標(biāo)幀階段對時隙資源進(jìn)行競爭，在空間重用的基礎(chǔ)上可以找到空閑的時隙作為節(jié)點(diǎn)的額外時隙，從而提高TDMA協(xié)議的吞吐量和信道利用率。文獻(xiàn)[8]在TDMA協(xié)議中考慮了業(yè)務(wù)優(yōu)先級的因素，從而提高了無人機(jī)節(jié)點(diǎn)的信道利用率，確保了時隙資源的有效分配。但是分配類MAC協(xié)議存在著網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)不均勻時，有的節(jié)點(diǎn)沒有業(yè)務(wù)發(fā)送也分配到了時隙，從而導(dǎo)致信道利用率下降。

混合類MAC協(xié)議是將競爭類MAC協(xié)議和分配類MAC協(xié)議的優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行整合的協(xié)議。文獻(xiàn)[9]設(shè)計(jì)了一種結(jié)合CSMA/CA和TDMA協(xié)議優(yōu)點(diǎn)的CC-MAC協(xié)議，采用空間分集技術(shù)，提出一種基于附近2架無人機(jī)合作的數(shù)據(jù)同步傳輸方案，網(wǎng)絡(luò)分配矢量狀態(tài)的節(jié)點(diǎn)可以在不發(fā)生延遲的情況下同時傳輸數(shù)據(jù)。文獻(xiàn)[10]提出了一個自適應(yīng)MAC框架，允許多個MAC協(xié)議根據(jù)業(yè)務(wù)信息相互切換。依據(jù)此框架設(shè)計(jì)了CT-MAC，無人機(jī)可以根據(jù)偵查任務(wù)時自身位置的不同在CSMA和TDMA之間切換，從而達(dá)到協(xié)議的效果好過單一的CSMA和TDMA協(xié)議。然而以上2種混合類MAC協(xié)議無法滿足樹形拓?fù)錈o人機(jī)網(wǎng)絡(luò)集中式管控的需求。

總體而言，現(xiàn)有的針對無人機(jī)網(wǎng)絡(luò)的MAC協(xié)議并沒有很好地滿足樹形拓?fù)錈o人機(jī)網(wǎng)絡(luò)的高帶寬低時延需求。本文根據(jù)提高吞吐量及降低延時的要求，采用一種基于載波監(jiān)聽多路訪問（CSMA）和時分多址（TDMA）混合的MAC協(xié)議。協(xié)議整體上采用的TDMA的超幀結(jié)構(gòu)，根據(jù)不同優(yōu)先級的業(yè)務(wù)量情況，動態(tài)地在CSMA階段和TDMA階段進(jìn)行轉(zhuǎn)移，從而自適應(yīng)調(diào)整無人機(jī)的接入狀態(tài)，以達(dá)到高帶寬、低時延的需求。

1網(wǎng)絡(luò)模型

本文考慮的場景包括一個高層無人機(jī)和多個低層無人機(jī)。高層無人機(jī)和低層無人機(jī)構(gòu)建了樹形的層級網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。高層無人機(jī)首先對地面環(huán)境進(jìn)行探測，隨后根據(jù)任務(wù)釋放出低層無人機(jī)對地面進(jìn)行視距探測。低層無人機(jī)需要將探測的情報(bào)實(shí)時回傳給高層無人機(jī)，高層無人機(jī)也會定期發(fā)送指控命令等信息給低層無人機(jī)，樹形拓?fù)涞臒o人機(jī)蜂群網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

①高層無人機(jī)是一架大型固定翼無人機(jī)，具有移動速度快、安全性高、通信能力強(qiáng)等特點(diǎn)，可以直接和低層無人機(jī)進(jìn)行通信。高層無人機(jī)還可以對地面環(huán)境進(jìn)行偵查并釋放出低層無人機(jī)。

②低層無人機(jī)由多架旋翼微機(jī)組成，移動速度緩慢、通信能力較差、受高層無人機(jī)控制，可以對地面環(huán)境進(jìn)行信息采集。

2 MAC協(xié)議設(shè)計(jì)

2.1樹形拓?fù)錈o人機(jī)蜂群網(wǎng)絡(luò)混合MAC協(xié)議

本文提出的混合MAC協(xié)議整體上采用集中式管控的思路，將上層的無人機(jī)作為父節(jié)點(diǎn)，相應(yīng)的下層無人機(jī)作為子節(jié)點(diǎn)。由于在多層無人機(jī)網(wǎng)絡(luò)場景中，存在多種類型的業(yè)務(wù)，各個業(yè)務(wù)對帶寬和時延的需求也不盡相同。業(yè)務(wù)大體上可以分成輕量級業(yè)務(wù)和重量級業(yè)務(wù)。輕量級業(yè)務(wù)如指控業(yè)務(wù)和地理信息業(yè)務(wù)，此類業(yè)務(wù)延時要求較高，而本身的業(yè)務(wù)量很少。重量級業(yè)務(wù)如圖片業(yè)務(wù)和視頻業(yè)務(wù)，此類業(yè)務(wù)延時要求較低，而本身的業(yè)務(wù)量很大，因此所需的網(wǎng)絡(luò)帶寬需求很高。

傳統(tǒng)的CSMA協(xié)議是一種競爭型MAC協(xié)議，適用于低流量的場景，在高負(fù)載時容易發(fā)生碰撞，進(jìn)而導(dǎo)致整個網(wǎng)絡(luò)時延的暴增。傳統(tǒng)的TDMA協(xié)議是一種預(yù)約型MAC協(xié)議，適用于高流量固定拓?fù)鋱鼍?。即使遇到大量的業(yè)務(wù)，也會按照事先分配好的時隙去傳輸業(yè)務(wù)，因此不會發(fā)生碰撞。本文提出的混合MAC協(xié)議結(jié)合以上2種協(xié)議的優(yōu)點(diǎn)，在遇到輕量級業(yè)務(wù)的時候采用CSMA協(xié)議，確保業(yè)務(wù)的延時要求。在遇到重量級業(yè)務(wù)的時候，則切換到CSMA階段和TDMA階段的組合，以確保業(yè)務(wù)的帶寬要求，混合MAC協(xié)議的超幀結(jié)構(gòu)如圖2所示。

超幀由CSMA信標(biāo)幀、CSMA數(shù)據(jù)幀、TDMA信標(biāo)幀以及TDMA數(shù)據(jù)幀四部分構(gòu)成，其中超幀的總長度、CSMA信標(biāo)幀長度以及TDMA信標(biāo)幀長度都是固定的，CSMA數(shù)據(jù)幀和TDMA數(shù)據(jù)幀長度由動態(tài)算法決定。

在超幀中，信標(biāo)幀用來進(jìn)行父節(jié)點(diǎn)對子節(jié)點(diǎn)的廣播，CSMA數(shù)據(jù)幀和TDMA數(shù)據(jù)幀用來進(jìn)行節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)傳輸。子節(jié)點(diǎn)在CSMA時隙的末尾匯報(bào)自己的消息隊(duì)列長度、消息排隊(duì)時間以及消息優(yōu)先級。其匯報(bào)數(shù)據(jù)幀格式在常規(guī)的MAC數(shù)據(jù)幀頭和數(shù)據(jù)部分之間加入了自身的隊(duì)列消息，匯報(bào)數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)如圖3所示。

當(dāng)子節(jié)點(diǎn)的業(yè)務(wù)處于輕量級時，整個超幀持續(xù)執(zhí)行CSMA協(xié)議，低流量場景下的幀結(jié)構(gòu)如圖4所示。

當(dāng)子節(jié)點(diǎn)的業(yè)務(wù)處于重量級時，整個超幀執(zhí)行圖2所示的混合MAC協(xié)議，即協(xié)議以CSMA階段和TDMA階段組合的方式運(yùn)行。

2.2動態(tài)TDMA時隙劃分算法

動態(tài)TDMA時隙分配算法是在父節(jié)點(diǎn)上運(yùn)行的。父節(jié)點(diǎn)收集來自子節(jié)點(diǎn)的隊(duì)列長度、業(yè)務(wù)優(yōu)先級信息以及隊(duì)列的排隊(duì)時間，然后根據(jù)這些已知信息來決定：超幀是否進(jìn)入TDMA階段和TDMA階段的長度，以及每個節(jié)點(diǎn)消息隊(duì)列分配的時隙長度等信息。

2.2.3每個節(jié)點(diǎn)消息隊(duì)列分配的時隙長度

在CSMA階段的時候，消息隊(duì)列的消息采用PQ（Priority Queuing）的調(diào)度方式去發(fā)送數(shù)據(jù)。在TDMA階段的時候，父節(jié)點(diǎn)采用集中式的調(diào)度方式，為每個子節(jié)點(diǎn)的消息隊(duì)列分配相應(yīng)時隙。

首先父節(jié)點(diǎn)根據(jù)子節(jié)點(diǎn)的緊急程度i’來等比例分配子節(jié)點(diǎn)的時隙塊，子節(jié)點(diǎn)在分配的時隙塊中再劃分不同優(yōu)先級消息隊(duì)列的時隙。這里采用基于EDF（Earliest Deadline First）算法的改進(jìn)版本。

EDF算法是根據(jù)不同隊(duì)列的截止期來確定調(diào)度的優(yōu)先級，當(dāng)目前隊(duì)列的截止期越小時優(yōu)先級越高，這是一種動態(tài)優(yōu)先級調(diào)度算法。本文中，在兼顧截止期的前提下，同時考慮消息隊(duì)列本身的優(yōu)先級，從而更加公平地進(jìn)行動態(tài)優(yōu)先級調(diào)度。

2.3算法過程

動態(tài)TDMA時隙分配算法運(yùn)行在高層無人機(jī)上，以實(shí)現(xiàn)對低層無人機(jī)的控制。低層無人機(jī)在CSMA時隙的最后進(jìn)行隊(duì)列信息的匯報(bào)，高層無人機(jī)收集到信息之后，根據(jù)這些信息來完成時隙分配算法，父節(jié)點(diǎn)算法執(zhí)行過程如圖5所示。

3仿真分析

3.1仿真參數(shù)設(shè)置

為了驗(yàn)證混合MAC協(xié)議的性能，本文基于OPNET Modeler 16.0仿真工具建立仿真場景，使用IP業(yè)務(wù)流進(jìn)行業(yè)務(wù)仿真，對比傳統(tǒng)的TDMA協(xié)議、CSMA協(xié)議以及本文設(shè)計(jì)的混合MAC協(xié)議，仿真參數(shù)配置如表1所示。

設(shè)計(jì)一個典型的應(yīng)用場景：1臺高層無人機(jī)和20臺低層無人機(jī)在10 km×10 km的區(qū)域組成一個樹形拓?fù)涞臒o人機(jī)蜂群網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浞抡鎴鼍叭鐖D6所示。

針對此場景設(shè)置了2個不同的業(yè)務(wù)模式。一種是高負(fù)載下的壓力測試模式，低層無人機(jī)會向高層無人機(jī)發(fā)送第一優(yōu)先級高流量的視頻流業(yè)務(wù)，由于多個無人機(jī)同時發(fā)送高流量業(yè)務(wù)，因此整個網(wǎng)絡(luò)會處于擁塞狀態(tài)，進(jìn)而可以對比3種協(xié)議在此環(huán)境下的性能。另一種是多優(yōu)先級業(yè)務(wù)測試模式，低層無人機(jī)會向高層無人機(jī)發(fā)送4種優(yōu)先級的業(yè)務(wù)，進(jìn)而可以對比3種協(xié)議對于不同優(yōu)先級業(yè)務(wù)的性能。

3.2仿真結(jié)果分析

3.2.1高負(fù)載模式

（1）數(shù)據(jù)平均時延仿真結(jié)果

圖7為高負(fù)載模式下的數(shù)據(jù)平均時延。由圖可知，隨著發(fā)送速率的逐漸增大，網(wǎng)絡(luò)擁塞逐漸加大，平均數(shù)據(jù)時延也相應(yīng)增加。由于CSMA協(xié)議是一種競爭性的協(xié)議，當(dāng)發(fā)送速率增大到400 kbps的時候，發(fā)生了退避行為，從而導(dǎo)致時延大幅度上升。TDMA協(xié)議是預(yù)約型的MAC協(xié)議，各個無人機(jī)節(jié)點(diǎn)會按照事先分配好的時隙發(fā)送數(shù)據(jù)，以確保信道不會發(fā)生碰撞，但是由于時隙分配固定，會導(dǎo)致信道利用冗余，因而時延穩(wěn)定在0.4 s左右。而本文提出的混合MAC協(xié)議，在網(wǎng)絡(luò)擁塞產(chǎn)生時，會動態(tài)轉(zhuǎn)移到TDMA狀態(tài)，從而減少信道碰撞，因此時延被控制在0.1 s以下，保證了傳輸?shù)牡蜁r延要求。

（2）投遞成功率

圖8為投遞成功率仿真結(jié)果。由圖可知，隨著發(fā)送速率的逐漸增大，整個網(wǎng)絡(luò)變得擁堵，因此投遞成功率也隨之下降。隨著網(wǎng)絡(luò)負(fù)載加重，CSMA協(xié)議檢測到了碰撞并開始退避，從而使投遞率大幅度降低。而TDMA協(xié)議由于初期已經(jīng)分配好了時隙，因此信道不會發(fā)生碰撞，投遞率一直維持在99%以上的水平。本文提出的混合MAC協(xié)議在檢測到信道碰撞之后，動態(tài)轉(zhuǎn)移到TDMA階段，從而確保了投遞率不會大幅下降。但是由于一個超幀結(jié)束后，協(xié)議又會跳轉(zhuǎn)到CSMA階段，因此投遞率并沒有達(dá)到TDMA那樣的水平，大致控制在95%左右。

（3）隊(duì)列緩存大小仿真結(jié)果

圖9為高負(fù)載模式下的隊(duì)列緩存大小。由圖可知，隨著發(fā)送速率的逐漸增加，隊(duì)列緩存隨之增加。由于CSMA在高負(fù)載的情況下會產(chǎn)生退避，因此隊(duì)列緩存持續(xù)累積，這也就解釋了CSMA協(xié)議在高負(fù)載狀態(tài)下高時延的原因。TDMA協(xié)議按照初期分配好的時隙進(jìn)行發(fā)包，不會根據(jù)業(yè)務(wù)流量的變化而進(jìn)行時隙的調(diào)整，因而會出現(xiàn)業(yè)務(wù)流量增大但是分配時隙很小的情況，這就會導(dǎo)致來不及發(fā)出的包越來越多，隊(duì)列緩存逐漸累積?；旌螹AC協(xié)議會根據(jù)業(yè)務(wù)流量的變化而動態(tài)調(diào)整協(xié)議狀態(tài)，因此可以及時把緩存隊(duì)列中的包發(fā)送出去，不會出現(xiàn)緩存累積的情況。

3.2.2多優(yōu)先級業(yè)務(wù)測試模式

（1）數(shù)據(jù)平均時延仿真結(jié)果

圖10為多優(yōu)先級模式下的平均時延。由于4個優(yōu)先級的業(yè)務(wù)同時發(fā)送，整個網(wǎng)絡(luò)會保持在擁塞狀態(tài)，因此CSMA會發(fā)生退避，隨著隊(duì)列緩存的不斷堆積，4個優(yōu)先級業(yè)務(wù)的時延均保持在4 s左右。而由于4種優(yōu)先級業(yè)務(wù)的帶寬不盡相同，TDMA協(xié)議無法根據(jù)實(shí)際流量去分配時隙，因此在不均勻業(yè)務(wù)量情況下，時延會大幅上升，4個優(yōu)先級業(yè)務(wù)的時延保持在2.5 s左右。本文提出的混合MAC協(xié)議會根據(jù)實(shí)時不同優(yōu)先級業(yè)務(wù)的負(fù)載，動態(tài)的調(diào)整協(xié)議狀態(tài)，因此不會發(fā)生緩存隊(duì)列的堆積，4種優(yōu)先級的時延隨著優(yōu)先級別的提升，時延不斷遞減，并且總體保持在0.1 s左右。

（2）平均投遞率仿真結(jié)果

圖11為多優(yōu)先級模式下的平均投遞率，隨著優(yōu)先級級別的提高，投遞率有上升的趨勢。本文提出的混合MAC協(xié)議會根據(jù)優(yōu)先級來判定網(wǎng)絡(luò)環(huán)境是否緊急，因此在遇到高優(yōu)先級業(yè)務(wù)的時候，會動態(tài)轉(zhuǎn)移到TDMA狀態(tài)，以確保投遞率。因此，隨著優(yōu)先級別的增加，投遞率也會隨之增加。而由于CSMA協(xié)議和TDMA協(xié)議均沒有對優(yōu)先級的分類處理，因此其投遞率均穩(wěn)定在固定水平。其中CSMA協(xié)議的投遞率大概在50%，而TDMA協(xié)議的投遞率為99%。

4結(jié)束語

針對無人機(jī)蜂群通信特點(diǎn)，提出了一種樹形拓?fù)涞木W(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，并對此設(shè)計(jì)了混合MAC協(xié)議，以達(dá)到可以滿足無人機(jī)網(wǎng)絡(luò)高帶寬低時延的要求。在低流量業(yè)務(wù)時保持在CSMA階段以確保低時延，在高流量業(yè)務(wù)時切換到TDMA狀態(tài)以保證高帶寬。仿真結(jié)果表明，混合MAC協(xié)議改善了CSMA協(xié)議無法滿足高帶寬以及TDMA協(xié)議無法滿足低時延的需求，通過動態(tài)切換的方式，自適應(yīng)地調(diào)整協(xié)議運(yùn)行狀態(tài)，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)負(fù)載較低時，可以滿足低時延的需求。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載增大時，可以滿足高帶寬的需求。因此，該混合MAC協(xié)議可以很好地適應(yīng)樹形拓?fù)涞臒o人機(jī)蜂群網(wǎng)絡(luò)。下一步將會針對無人機(jī)蜂群網(wǎng)絡(luò)高移動性、拓?fù)渥兓旌湍芎钠胶獾确矫孀鲞M(jìn)一步的研究。

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