面向無人機自組網(wǎng)和車聯(lián)網(wǎng)的媒體接入控制協(xié)議研究綜述

董 超 陶 婷* 馮斯夢 屈毓錛 劉青昕 吳鈺蕾 張 珉

①(南京航空航天大學(xué)電子信息工程學(xué)院 南京 211106)

②(上海交通大學(xué)計算機科學(xué)與工程系 上海 200240)

1 引言

近年來，陸、海、空以及航天領(lǐng)域?qū)σ苿油ㄐ啪W(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的需求與日俱增。隨著人工智能技術(shù)以及智能控制理論研究的不斷發(fā)展，與新型移動自組織網(wǎng)絡(luò)相關(guān)的研究日新月異?；凇爸圃鞆妵钡膽?zhàn)略目標(biāo)，移動通信網(wǎng)絡(luò)已成為社會重點研究對象，而其中的媒體接入控制(Medium Access Control,MAC)協(xié)議問題無疑是未來自組織網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的核心研究內(nèi)容之一。

現(xiàn)如今，新型移動通信網(wǎng)絡(luò)正朝著多元化、綜合化、智能化的方向發(fā)展。在傳統(tǒng)的移動通信網(wǎng)絡(luò)中，主要依靠基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)來維持通信系統(tǒng)的部署及運營，這樣做既增加了運行成本，又浪費了相關(guān)的人力資源，并且網(wǎng)絡(luò)性能優(yōu)化效果也不甚理想。因此，新型移動自組織網(wǎng)絡(luò)則成了如今和未來網(wǎng)絡(luò)發(fā)展必不可少的一項關(guān)鍵技術(shù)。新型移動自組織網(wǎng)絡(luò)的用戶終端可以在網(wǎng)內(nèi)隨意移動而保持通信，例如地面車輛、無人機、船艦、無人傳感器等，這使得它不僅能夠在現(xiàn)代作戰(zhàn)場景中執(zhí)行情報偵察、戰(zhàn)場監(jiān)視、目標(biāo)指示等任務(wù)，作為未來作戰(zhàn)和攻防的主力；而且在日常生活中的精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)[1]、網(wǎng)絡(luò)覆蓋[2]、目標(biāo)跟蹤[3]等方面均大顯身手。目前各國均很重視新型移動通信網(wǎng)絡(luò)的開發(fā)、試驗等，將其列為面向未來的重要裝備之一。

其核心之一的MAC協(xié)議控制著網(wǎng)絡(luò)中的資源分配、介入和調(diào)度， MAC協(xié)議設(shè)計的好壞往往決定著網(wǎng)絡(luò)性能高低，因此設(shè)計合理的MAC協(xié)議顯得尤為重要。在真實應(yīng)用場景中，往往存在著傳輸沖突以及信道資源分配不公平等問題。此外，由于信道受外界環(huán)境因素影響較大，信道不穩(wěn)定的情況時有發(fā)生，甚至?xí)霈F(xiàn)通信鏈路突然中斷等情況，因此移動網(wǎng)絡(luò)比起固定網(wǎng)絡(luò)來說更容易受到安全威脅?？紤]到種種因素的影響，對移動自組織網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議的設(shè)計任重道遠(yuǎn)。通常MAC協(xié)議的設(shè)計和構(gòu)建需要遵從以下6個原則。

(1)低時延原則。時延不僅決定了數(shù)據(jù)發(fā)送的時效性，而且極大地影響節(jié)點傳輸和工作的效率。從用戶角度來說，時延是指1個報文或分組從一個網(wǎng)絡(luò)的一端傳送到另一端所需要的時間，它包括了發(fā)送時延、傳播時延、處理時延和排隊時延。MAC協(xié)議控制節(jié)點接入信道的方式，決定了數(shù)據(jù)發(fā)送和轉(zhuǎn)發(fā)的時間，因此MAC協(xié)議應(yīng)當(dāng)充分考慮到時延對網(wǎng)絡(luò)通信性能的影響，從而合理地設(shè)計時隙寬度。

(2)高吞吐量原則。吞吐量是衡量通信網(wǎng)絡(luò)性能的常用有效指標(biāo)之一。MAC協(xié)議決定信道資源的分配和調(diào)度，合理的信道資源分配是網(wǎng)絡(luò)節(jié)點建立可靠的通信前提，也是實現(xiàn)信道資源利用最大化的重要保障。當(dāng)信道資源滿負(fù)荷使用時，網(wǎng)絡(luò)的吞吐量便能得到有效提高，高效的時隙預(yù)約和合理的時隙分配機制則必不可少。

(3)低功耗原則。在新型移動自組織網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，通常是靠獨立電池供能來維持節(jié)點的正常運轉(zhuǎn)。由于獨立電池的電量有限，且在電量耗凈前難以進(jìn)行及時更換回收，所以在實際情況下對節(jié)點的功耗有一定的要求。另外消息的頻發(fā)也會增加功耗，因此高效的時隙分配算法和時間同步算法至關(guān)重要。

(4)低丟包率原則。通信鏈路頻繁的改變，會導(dǎo)致較高的網(wǎng)絡(luò)丟包率。如若信息發(fā)送不成功，則會導(dǎo)致重傳，進(jìn)而使得網(wǎng)絡(luò)延遲增大，影響整個通信網(wǎng)絡(luò)的性能。作為導(dǎo)致丟包最突出的重要因素便是網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞膭討B(tài)變化和信道干擾問題，因此MAC協(xié)議設(shè)計時往往需要考慮一種高頻鄰居發(fā)現(xiàn)策略，鄰居列表需要隨著網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的變化不斷更新，保持列表的實時性，從而降低整個通信網(wǎng)絡(luò)的丟包率。

(5)信道接入優(yōu)先性原則。在實際的移動自組織網(wǎng)絡(luò)中，通常存在某些節(jié)點需要承擔(dān)更多特殊或重要的業(yè)務(wù)，這類節(jié)點往往需要更多的信道資源，以便于整個通信網(wǎng)絡(luò)的管理和協(xié)調(diào)。所以在設(shè)計 MAC協(xié)議時，應(yīng)該給予這些節(jié)點優(yōu)先使用信道的權(quán)力，或者為此類節(jié)點預(yù)留更多的時隙數(shù)量等。

(6)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓瓌t。在移動自組織網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點的訪問或退出是頻繁發(fā)生的，因此網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋾r常處于高度動態(tài)變化之中。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點退出較多時，空閑信道應(yīng)盡可能分配給其他在線節(jié)點；當(dāng)網(wǎng)絡(luò)接入多個新節(jié)點時，則有可能會面臨網(wǎng)絡(luò)擁塞引起的信道沖突問題。因此，在MAC協(xié)議的設(shè)計中應(yīng)充分考慮網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的動態(tài)變化。

MAC協(xié)議主要分類方式見表1。

表1 MAC協(xié)議分類

相較于傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，新型移動自組織網(wǎng)絡(luò)能夠快速地部署獨立的通信網(wǎng)絡(luò)或者有效地延伸已有的通信網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍，做到自發(fā)現(xiàn)、自組織、自配置等，具有良好的應(yīng)用前景。在這其中，最突出的兩個應(yīng)用為車載自組織網(wǎng)絡(luò)(Vehicular Ad-hoc NETworks, VANET，簡稱車聯(lián)網(wǎng))和無人機自組織網(wǎng)絡(luò)(Flying Ad-hoc NETworks, FANET，簡稱無人機自組網(wǎng))。

于2003年舉辦的國際電信聯(lián)盟電信標(biāo)準(zhǔn)分局(Internatial Telecommunication Union- Telecommunication standardization sector, ITU-T)汽車通信標(biāo)準(zhǔn)化會議，提出了車載自組織網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)概念。各國專家首次將移動自組織網(wǎng)絡(luò)(Mobile Ad hoc NETwork, MANET)技術(shù)引入車載通信系統(tǒng)，提出了VANET。時至至今，電氣和電子工程師協(xié)會(Institute of Electrical and Electronics Engineers, IEEE)已推出了VANET的相關(guān)協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)IEEE 802.11p[4]和 IEEE 1609[5–8]。而無人機自組網(wǎng)目前仍處于研究發(fā)展階段，因此并沒有相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)，需要不斷地進(jìn)行研究探討。

作為自組織網(wǎng)絡(luò)突出的重要應(yīng)用之一，車聯(lián)網(wǎng)現(xiàn)如今被廣泛應(yīng)用于日常生活當(dāng)中。車聯(lián)網(wǎng)融合了全雙工通信、大規(guī)模天線陣列等技術(shù)，具有低時延、高可靠以及高效的頻譜資源利用等特點，以完成車、人、互聯(lián)網(wǎng)間的信息共享；無人機由于其體積小、成本低、不易被發(fā)現(xiàn)、便于部署等優(yōu)勢，在現(xiàn)在乃至未來都將發(fā)揮重大作用，不僅僅是民用領(lǐng)域的實時監(jiān)控、自動跟蹤、搜尋與救援等，在軍用領(lǐng)域也舉足輕重，用于實地偵察、精準(zhǔn)打擊，甚至能夠保障作戰(zhàn)人員的安全。

目前已有許多針對移動通信技術(shù)相關(guān)研究的綜述，但對于車聯(lián)網(wǎng)和無人機自組網(wǎng)的MAC協(xié)議性能的分類總結(jié)仍尚有不足之處。文獻(xiàn)[9]主要總結(jié)了蜂窩系統(tǒng)和無人機技術(shù)之間的集成協(xié)同效應(yīng)，并通過進(jìn)行現(xiàn)場試驗判斷不同設(shè)計方案的優(yōu)略及可行性分析。文獻(xiàn)[10]針對異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的移動管理，從功耗、安全性和延時3個方面對其進(jìn)行了綜述。文獻(xiàn)[11]從環(huán)境條件、應(yīng)用需求和資源可用性3個角度，對自組織網(wǎng)絡(luò)的MAC協(xié)議進(jìn)行分類，并對其可編程性水平進(jìn)行總結(jié)。文獻(xiàn)[12]從保證安全控制與用戶業(yè)務(wù)需求入手，詳細(xì)總結(jié)了基于IEEE 1069.4信道架構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)衍生的車聯(lián)網(wǎng)多信道MAC協(xié)議。文獻(xiàn)[13]概述了3GPP 第5代移動通信(5th-Generation mobile networks, 5G)網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和安全功能，重點介紹了新的功能和技術(shù)，包括車輛到一切通信等。文獻(xiàn)[14]對第3代合作伙伴計劃(The 3rd Generation Partnership Project, 3GPP)標(biāo)準(zhǔn)支持車輛通信所涉及的系統(tǒng)架構(gòu)方面進(jìn)行了嚴(yán)格而詳細(xì)的審查，并從研究和標(biāo)準(zhǔn)化的角度，表明3GPP在自組織通信網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)在乃至未來發(fā)展中的重要作用。

與上述綜述文章不同，本文主要針對現(xiàn)代移動通信技術(shù)下基于移動自組織網(wǎng)絡(luò)的MAC協(xié)議，以車聯(lián)網(wǎng)和無人機自組網(wǎng)為例，研究并整理了不同的MAC協(xié)議對于網(wǎng)絡(luò)通信性能的影響。本文主要貢獻(xiàn)如下：第一，對于現(xiàn)代移動通信網(wǎng)絡(luò)下，針對車聯(lián)網(wǎng)和無人機自組網(wǎng)的場景研究，從系統(tǒng)架構(gòu)及網(wǎng)絡(luò)特征等方面進(jìn)行相關(guān)介紹；第二，對兩個網(wǎng)絡(luò)場景下不同的MAC協(xié)議進(jìn)行了分類與歸納，總結(jié)了不同的性能指標(biāo)對自組織網(wǎng)絡(luò)通信性能的影響；第三，針對現(xiàn)代移動通信技術(shù)的局限性進(jìn)行分析，并對移動通信MAC協(xié)議的未來研究提出了相關(guān)技術(shù)挑戰(zhàn)。

2 車聯(lián)網(wǎng)和無人機自組網(wǎng)的結(jié)構(gòu)分析

第5代移動通信技術(shù)定義了3大技術(shù)場景，包括增強型移動互聯(lián)網(wǎng)(Enhanced Mobile BroadBand,EMBB)、海量機器類通信(Massive Machine Type of Communication, MMTC)以及高可靠低時延通信(Ultra Reliable & Low Latency Communication, URLLC)。其中URLLC 主要表現(xiàn)為滿足端到端毫秒級的低時延性能[15,16]，車聯(lián)網(wǎng)[17]是5G通信系統(tǒng)高可靠低時延通信場景的重要應(yīng)用之一。

如圖1所示，將車聯(lián)網(wǎng)的組網(wǎng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行劃分，即車際網(wǎng)、車內(nèi)網(wǎng)以及車載移動互聯(lián)網(wǎng)3個主要模塊。其中，車際網(wǎng)的通信考慮的是車輛與車輛之間的通信，即車輛間端到端的信息交互；車內(nèi)網(wǎng)的通信考慮的是車輛與行人之間的通信，即通過內(nèi)置的車載單元(On-Board Unit, OBU)與移動終端進(jìn)行通信，行人可以實時了解到環(huán)境中交通信息的變化情況；在車載移動互聯(lián)網(wǎng)中，基站充當(dāng)中繼的功能，為車輛與互聯(lián)網(wǎng)之間的無線通信和信息交換提供服務(wù)，實現(xiàn)全網(wǎng)無縫連接。

圖1 車聯(lián)網(wǎng)結(jié)構(gòu)示意圖

與傳統(tǒng)的移動自組織網(wǎng)絡(luò)相比，車聯(lián)網(wǎng)融合了認(rèn)知無線電(Cognitive Radio, CR)、大規(guī)模天線陣列、全雙工通信、超密集組網(wǎng)等技術(shù)，具有更低的時延，更高的可靠性，以及高效的頻譜和能源利用。但它作為移動自組織網(wǎng)絡(luò)的一種特殊應(yīng)用，也具有其獨特的特點。首先，車聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)規(guī)模很大，且節(jié)點數(shù)量較多；其次，車輛節(jié)點一般受公路約束，移動速度較快；然后，車輛受能源限制影響較大，一般由車載電池或獨立電池供能；最后，為了避免碰撞和事故，車輛節(jié)點之間需要傳輸可靠的安全信息，因此對保障信息傳輸?shù)哪芰σ约靶畔r效性有更高的要求[18]。

隨著移動互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，越來越多的設(shè)備將接入到移動網(wǎng)絡(luò)中，且新的服務(wù)和應(yīng)用層出不窮，移動數(shù)據(jù)流量將會迎來井噴式的暴漲，這會給未來的移動通信帶來嚴(yán)峻的考驗與挑戰(zhàn)。因此，滿足日益增長的移動流量需求，亟需發(fā)展第6代移動通信技術(shù)(6th-Generation mobile networks, 6G)。

航空6G是指以無人機等空中平臺為紐帶的6G網(wǎng)絡(luò)，涵蓋以空為核心的空天、空空、空地通信、組網(wǎng)及其應(yīng)用，其特征包括全覆蓋、全頻譜和全應(yīng)用[19]。它會嘗試將衛(wèi)星通信、平流層通信與地面蜂窩狀通信技術(shù)相融合，使覆蓋沒有盲區(qū)。與5G相比，航空6G的特征超出了傳統(tǒng)移動通信的概念，將與人工智能[20]、區(qū)塊鏈[21,22]、移動邊緣計算[23]融合到一起。由此可見，以無人機為代表的各類空中平臺在航空6G中具有重要作用，針對無人機自組網(wǎng)MAC通信協(xié)議的研究很有意義。

無人機自組網(wǎng)的構(gòu)架如圖2所示。其中，移動邊緣計算(Mobile Edge Computing, MEC)無人機代表攜帶移動邊緣計算服務(wù)器的無人機，用于輔助用戶無人機進(jìn)行計算任務(wù)，用戶無人機在規(guī)定區(qū)域中移動以覆蓋任務(wù)點，其計算任務(wù)可以卸載到邊緣計算無人機上進(jìn)行計算，也可以卸載到簇頭無人機上進(jìn)行計算。FANETs往往存在多個簇頭無人機能協(xié)調(diào)網(wǎng)絡(luò)中所有用戶無人機的通信，這種組網(wǎng)方式在多無人機的系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用；與此同時，無人機覆蓋范圍內(nèi)的各種節(jié)點，包括地面車、移動用戶、基站等，能夠相互轉(zhuǎn)發(fā)指控指令，交換感知態(tài)勢、健康情況和情報搜集等數(shù)據(jù)，并與無人機一同構(gòu)成空、天、地一體化的無人機組網(wǎng)結(jié)構(gòu)，以滿足未來通信網(wǎng)絡(luò)更高效、更穩(wěn)定的通信需求。

圖2 無人機自組網(wǎng)結(jié)構(gòu)示意圖

無人機自組網(wǎng)與車聯(lián)網(wǎng)(表2)相比，其網(wǎng)絡(luò)規(guī)模更大，節(jié)點的移動性更強，且在3維空間移動。無人機通常要完成偵察和監(jiān)測等任務(wù)，需要傳輸圖像、視頻等多媒體信息[24]，因此無人系統(tǒng)組網(wǎng)不僅要保障信息安全性、有效性和實時性，還需要提高吞吐量和信道利用率。

表2 車聯(lián)網(wǎng)和無人機自組網(wǎng)特點對比

在多無人系統(tǒng)的通信中，傳輸?shù)南▋深悾喊踩刂祁愋畔⒑陀脩魳I(yè)務(wù)類信息[25]。其中，安全控制類信息包括節(jié)點速度、位置和節(jié)點碰撞故障等信息，通常以廣播的形式傳輸給網(wǎng)絡(luò)中的所有鄰居節(jié)點或者全部節(jié)點，此類信息對于網(wǎng)絡(luò)的延遲性能和可靠性有著嚴(yán)格的要求。用戶業(yè)務(wù)類信息主要涉及圖像、視頻等多媒體業(yè)務(wù)信息，通常采用單播的形式進(jìn)行點對點的傳輸。相比較于安全控制類信息，用戶業(yè)務(wù)信息一般要求較高的網(wǎng)絡(luò)吞吐量，對信道利用率有一定的要求，但對于時延、可靠性有一定的容忍能力。如何保證兩類信息不同的服務(wù)質(zhì)量(Quality of Service, QoS)需求，對MAC協(xié)議的設(shè)計帶來了嚴(yán)峻的考驗，也是多無人系統(tǒng)能否成功且高效應(yīng)用的關(guān)鍵。

3 面向車聯(lián)網(wǎng)的MAC協(xié)議研究

目前VANET正在與蜂窩網(wǎng)絡(luò)融合，涌現(xiàn)出了基于全球統(tǒng)一規(guī)定的體系架構(gòu)及其通信協(xié)議和數(shù)據(jù)交互標(biāo)準(zhǔn)制定的車輛的長期演變(Long Term Evolution-Vehicle, LTE-V)技術(shù)的車聯(lián)網(wǎng)方案，并向著5G車對一切外界信息進(jìn)行互聯(lián)(Vehicle to Everything, V2X)的方向演進(jìn)[26]。VANET研究的主要目標(biāo)是保障業(yè)務(wù)傳輸?shù)臅r效性與可靠性：如果時效性過低，時延過大，則會導(dǎo)致信息傳達(dá)過于緩慢，用戶體驗極差；如果可靠性不強，則會導(dǎo)致信息傳達(dá)不準(zhǔn)確或無法傳遞，對后續(xù)一系列的行為或判斷造成不可預(yù)估的影響。其次，信道利用率對于車聯(lián)網(wǎng)的MAC協(xié)議研究來說也很重要。目前，車聯(lián)網(wǎng)MAC協(xié)議根據(jù)優(yōu)化目標(biāo)的不同通?？煞譃楸?中的兩類。

表3 根據(jù)優(yōu)化目標(biāo)對車聯(lián)網(wǎng)的MAC協(xié)議進(jìn)行分類

3.1 低時延高可靠

MAC層端到端的時延是指一條道路安全消息在MAC層端到端進(jìn)行傳輸所需要的時間，從在發(fā)射端由高層協(xié)議遞交給MAC層開始計算，終止于接收端的MAC層把這條消息遞交給上層協(xié)議?？煽啃苑从碁閷Π踩刂祁愊⒌男阅鼙Ｕ夏芰?。

基于時分多址的MAC協(xié)議提供了一個很有前途的解決方案，很好地支持車輛自組織網(wǎng)絡(luò)中對延遲敏感的安全應(yīng)用，因為時隙接入方案確保傳輸在超低延遲內(nèi)。然而，由于車輛之間的移動性會導(dǎo)致拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的快速變化[27]，頻繁地斷開連接會導(dǎo)致碰撞和數(shù)據(jù)包丟失等各種問題，從而導(dǎo)致通信不穩(wěn)定[28]。文獻(xiàn)[29]提出了一種移動感知的機動性感知與避碰媒體接入控制(Mobility-aware and collisionavoidance MAC, MoMAC)協(xié)議，它可以根據(jù)道路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和車道分布情況，并考慮車輛的移動性，為每輛車輛分配一個時間段。在MoMAC中，同一路段的不同車道和十字路口的不同路段都存在不相交的時隙集。此外，每輛車還會廣播安全信息以及鄰近車輛的占位信息；通過更新由單跳鄰居間接獲取的兩跳鄰居占用時隙信息，車輛可以檢測時隙沖突，并以完全分布式的方式訪問空閑時隙。與基于時分多址(Time Division Multiple Access,TDMA)的MAC協(xié)議相比，該方法的傳輸碰撞減少了近1/2，安全信息的傳輸/接收率大大提高。

為了使網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湎鄬Ψ€(wěn)定，文獻(xiàn)[30]提出了一種基于簇的無沖突多通道媒體接入控制協(xié)議(Clustering-based Collision-Free Multi-channel MAC, CCFM-MAC)，簇頭可以管理簇內(nèi)的資源?？紤]到簇內(nèi)和簇間的消息沖突問題，文獻(xiàn)[30]提出兩點想法：(1)在相鄰的簇間分配不同的頻帶，以避免集群間的干擾；(2)通信資源必須由簇頭統(tǒng)一分配給集群成員。該協(xié)議在平均端到端延遲和成功傳輸概率方面均有很大的優(yōu)勢。

上述幾種方法均是基于網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對于車聯(lián)網(wǎng)MAC協(xié)議進(jìn)行時延和可靠性的優(yōu)化。不同于上述方法，文獻(xiàn)[31]提出了基于流量信息避免消息沖突的MAC協(xié)議。在車輛密度較高的情況下，如果車輛采用固定的傳輸周期，則很可能會出現(xiàn)嚴(yán)重的信道阻塞和信息傳輸沖突。為了緩解信道擁塞，該協(xié)議研究了一種全分布的信標(biāo)擁塞控制方案，以保證每輛車主動適應(yīng)一個最小但足夠的信標(biāo)率。通過大量的實驗?zāi)M，該設(shè)計在不同交通密度和各種基礎(chǔ)道路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中的效率得以驗證。

協(xié)同通信可以通過降低車載移動對無線信道的影響來提高通信鏈路的可靠性，從而提高通信速率，降低時延，緩解移動車輛造成的無線信道損耗。文獻(xiàn)[32]提出了一種適用于VANETs的新型可靠、高效協(xié)同媒體接入控制協(xié)議(Reliable and Efficient CooperatiVe MAC, RECV-MAC)。該方法引入了新的控制消息來支持協(xié)作通信，并兼容了IEEE 802.11p所采用的隨機訪問方法，即避免沖突的載波偵聽多址訪問。為了研究RECV-MAC協(xié)議的性能，基于馬爾可夫鏈模型的分析方法被采用，驗證了RECV-MAC協(xié)議的有效性，表明RECV-MAC協(xié)議在提高吞吐量的情況下提高了性能，通過降低數(shù)據(jù)包丟棄率提高了通信的可靠性，并降低了延遲，特別是滿足100 ms的延遲約束。

然而，RECV-MAC協(xié)議只適用于流量較低的車聯(lián)網(wǎng)場景下。在高流量場景下，RECV-MAC協(xié)議的性能相對較低。在此基礎(chǔ)之上，文獻(xiàn)[33]提出了一種新的基于正交頻分多址(Orthogonal Frequency Division Multiple Access, OFDMA)的高效協(xié)同MAC(OFDMA based Efficient Cooperative MAC, OEC-MAC)協(xié)議。該協(xié)議提供了副載波信道分配和訪問機制，并通過定義新的控制消息來支持協(xié)作通信。通過基于馬爾可夫鏈模型的分析，OEC-MAC協(xié)議在保證吞吐量顯著提高的同時，也滿足VANETs安全消息中的嚴(yán)格延遲要求。此外，還通過降低丟包率來提高通信的可靠性。

3.2 高信道利用率

在現(xiàn)實生活中，車聯(lián)網(wǎng)不僅僅需要考慮傳輸信息的時延問題以及可靠性問題，也需要將網(wǎng)絡(luò)信道利用率納入考慮范圍。在大規(guī)模車載網(wǎng)絡(luò)中，信道利用也是協(xié)議設(shè)計的一大挑戰(zhàn)。信道利用率的主要表現(xiàn)為網(wǎng)絡(luò)吞吐量，當(dāng)信息傳輸速率保持不變時，網(wǎng)絡(luò)吞吐量越大，信道利用率越高。

文獻(xiàn)[34]提出了一種自適應(yīng)的高吞吐量多通道MAC協(xié)議，即自適應(yīng)高吞吐量媒體接入控制(Adaptive High-Throughput MAC, AHT-MAC)協(xié)議，以支持車聯(lián)網(wǎng)在業(yè)務(wù)信道上的數(shù)據(jù)傳輸。使用AHT-MAC，數(shù)據(jù)傳輸范圍根據(jù)控制信道(Control CHannel,CCH)上信標(biāo)傳輸范圍進(jìn)行調(diào)整，以便發(fā)送節(jié)點可以確定適當(dāng)?shù)耐ㄐ藕蜻x節(jié)點，并在傳輸前為兩個通信節(jié)點準(zhǔn)備可用資源。此外，通信協(xié)調(diào)是通過雙向握手進(jìn)行的。在握手過程中，根據(jù)提出的資源共享機制實現(xiàn)自適應(yīng)資源保留，節(jié)點首先盡可能多地利用資源，然后主動與他人共享資源。為了提高通信握手的成功率，提出了一種請求沖突解決機制來消除不恰當(dāng)?shù)奈帐?。因此，AHT-MAC可以減少由于握手失敗和重新傳輸請求的額外開銷而造成的資源浪費，提高吞吐量，以此來提高信道利用率。

文獻(xiàn)[35]提出了一種新穎的時隙共享MAC(time Slot-SharingMAC, SS-MAC)協(xié)議。該方法引入了一個循環(huán)記錄隊列來在線感知時隙的占用狀態(tài)，然后設(shè)計了一種分布式時隙共享(Distributed Time Slot Sharing, DTSS)方法，以有效地共享特定的時隙。此外，該協(xié)議還開發(fā)了隨機指標(biāo)優(yōu)先擬合(Random Index First Fit, RIFF)算法，以幫助車輛選擇合適的時間段進(jìn)行共享，使信道利用率最大化。

未來的車載通信系統(tǒng)必須提供車際通信以確保行車安全，向相鄰車輛發(fā)送安全信息是一項關(guān)鍵策略。文獻(xiàn)[36]提出了一種新的幀結(jié)構(gòu)，并在此基礎(chǔ)上設(shè)計了一種高效的報文廣播MAC協(xié)議，該協(xié)議允許信標(biāo)報文和應(yīng)急報文共享信道，從而節(jié)省帶寬資源。該協(xié)議通過區(qū)分這兩類消息的優(yōu)先級和設(shè)置信道資源搶占機制，大大降低了消息沖突概率，在滿足延遲要求的基礎(chǔ)上，大大提升了信道利用率。但是，在大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)中，由于時隙數(shù)量有限，應(yīng)用該協(xié)議時，系統(tǒng)容量成為主要限制因素。

一種基于競爭強度的分布式協(xié)調(diào)(Contention Intensity based Distributed Coordination,CIDC)安全消息廣播方案在文獻(xiàn)[37]中被提及。CIDC的應(yīng)用層設(shè)計充分利用了安全消息廣播的高頻和周期性特點，使每輛車都能以完全分布式的方式估計瞬時信道競爭強度。根據(jù)競爭強度信息，CIDC的MAC層設(shè)計允許車輛采用比802.11p更好的通道訪問策略，從而提高吞吐量和信道利用率。但是，該文獻(xiàn)并沒有考慮到協(xié)同傳輸這種情況。協(xié)同傳輸有兩種方式：當(dāng)中繼節(jié)點處于松弛狀態(tài)時，其他節(jié)點僅在其緩沖區(qū)空閑時協(xié)助傳遞消息；當(dāng)中繼節(jié)點處于忙碌狀態(tài)時，其他節(jié)點將在緩沖區(qū)空閑時協(xié)同傳遞消息。

基于此，文獻(xiàn)[38]針對車載自組織網(wǎng)絡(luò)，提出了一種基于增強型TDMA、用于車聯(lián)網(wǎng)的協(xié)作MAC協(xié)議(Enhanced TDMA based Cooperative MAC protocol for Vehicular networks, EVC-TDMA)，該協(xié)議有助于多模式協(xié)同傳輸。在EVC-TDMA中，當(dāng)車輛需要傳輸多個消息時，根據(jù)相對速度和緩沖區(qū)長度動態(tài)選擇中繼節(jié)點。通過監(jiān)控廣播消息，其他節(jié)點可以知道中繼節(jié)點的緩沖區(qū)長度，當(dāng)緩沖區(qū)空閑或更少時，它們將幫助中繼節(jié)點傳輸消息。在車輛速度相對穩(wěn)定的情況下，EVC-TDMA網(wǎng)絡(luò)性能良好，極大地提高了信道利用率。

車聯(lián)網(wǎng)一般采用廣播來進(jìn)行信息的傳輸，但是一般來說，相比于單播，廣播被認(rèn)為是不太可靠的一種傳播方式。文獻(xiàn)[39]介紹了一種新型的無線廣播協(xié)議，稱為混合協(xié)作無線廣播協(xié)議，它利用信道化的概念，大大提高了車載網(wǎng)絡(luò)廣播的可靠性。該協(xié)議引入了一種混合協(xié)議，它結(jié)合了時分多址的時隙分配和載波偵聽多址(Carrier Sense Multiple Access, CSMA)[40]的隨機存取技術(shù)，從而使數(shù)據(jù)碰撞[41,42]的概率最小化。此外，它的反饋策略通過防止在發(fā)生碰撞的時隙中傳輸，進(jìn)一步提高了車聯(lián)網(wǎng)信道利用率，為信息傳輸提供了更快的信道訪問。

與上述協(xié)議類似，基于位圖的混合媒體接入控制(Bitmap based Hybrid Medium Access Control,BH-MAC)協(xié)議[43]也是通過減少沖突的方法，提供更快的信道訪問速度，提高吞吐量，以達(dá)到提高信道利用率的效果。BH-MAC，即基于一種采用TDMA的VANETs可靠廣播MAC(a TDMA-based MAC protocol for reliable broadcast in VANETs,VeMAC)協(xié)議的位圖混合媒體接入控制協(xié)議，通過使用固定大小的位圖來表示槽發(fā)送請求(Request-To-Send, RTS)位的狀態(tài)來減少數(shù)據(jù)包開銷。它采用載波偵聽多址機制來保留TDMA插槽以減少訪問沖突。此外，BH-MAC還提出了一種檢測傳輸碰撞誤差的新方法。與VeMAC相比，BH-MAC減少了訪問沖突，提供了更快的通道訪問，并提高了吞吐量。

在車聯(lián)網(wǎng)中，基于時分多址的覆蓋協(xié)議也可以防止傳輸沖突，在提供有效的通信信道方面起著重要的作用。然而，由于車輛的高機動性和時變的交通流，現(xiàn)有的基于TDMA的槽位分配方法不能充分利用信道資源，可能導(dǎo)致信道利用率極低。為了克服這些缺點，文獻(xiàn)[44]提出了一種基于TDMA的流量感知MAC(Traffic-Aware TDMA MAC,TA-MAC)協(xié)議，該協(xié)議利用了移動邊緣計算的能力。首先，基于MEC和車輛到路側(cè)單元(Vehicle to Road, V2R)通信，提出了一種交通感知機制來估計路段上的交通狀況。其次在此基礎(chǔ)上，提出了一種新的信道分配方法，以保證動態(tài)流量條件下的高信道利用率。

3.3 分析和總結(jié)

根據(jù)車聯(lián)網(wǎng)相關(guān)研究場景架構(gòu)中是否需要路邊單元(Road Side Unit, RSU)的輔助，將車聯(lián)網(wǎng)MAC協(xié)議進(jìn)行如下分類，具體見表4。

從表4可以看出，目前的主要工作集中在需要RSU進(jìn)行輔助的車聯(lián)網(wǎng)場景架構(gòu)下，關(guān)于不需要RSU輔助的車聯(lián)網(wǎng)MAC協(xié)議的相關(guān)研究較少?？偟膩砜矗瑤SU的協(xié)議的共同特點是，RSU可以作為網(wǎng)絡(luò)中的一個中心節(jié)點來執(zhí)行協(xié)調(diào)與調(diào)度工作，直接與車聯(lián)網(wǎng)中的所有節(jié)點進(jìn)行通信，收集車聯(lián)網(wǎng)內(nèi)信息，基于此動態(tài)調(diào)節(jié)安全信道間隔和業(yè)務(wù)信道間隔長度，因此需要R S U 進(jìn)行輔助的車聯(lián)網(wǎng)MAC協(xié)議往往能夠動態(tài)適應(yīng)流量變化，提高車聯(lián)網(wǎng)的性能。相比之下，不帶RSU的協(xié)議的安全信道間隔和業(yè)務(wù)信道間隔都是固定的，其中EVC-TDMA通過動態(tài)選擇中繼節(jié)點的方法，廣播緩沖區(qū)長度進(jìn)行協(xié)同傳輸，從而提高網(wǎng)絡(luò)性能；TDCSMA則通過區(qū)分消息優(yōu)先權(quán)采用信道資源搶占機制，在滿足延遲要求的基礎(chǔ)上通過提高信道利用率來提高網(wǎng)絡(luò)性能。

表4 根據(jù)是否需要RSU輔助對車聯(lián)網(wǎng)MAC協(xié)議進(jìn)行分類

總的來看，相對無RSU輔助的MAC協(xié)議，具有RSU輔助的車聯(lián)網(wǎng)MAC協(xié)議具有較好的性能優(yōu)勢，且易于實現(xiàn)不需要額外的開銷，但基站等RSU基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)增加了車聯(lián)網(wǎng)的構(gòu)建成本，也限制了其應(yīng)用環(huán)境。而不帶RSU輔助的車載自組織網(wǎng)絡(luò)建設(shè)成本和運營成本都很低，且更加容易布設(shè)，組網(wǎng)更加方便，但其需要額外的開銷以支持其分布式結(jié)構(gòu)，并且就如何解決同時保障安全控制信息與用戶業(yè)務(wù)信息不同QoS要求的問題存在更加嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。

4 面向無人機自組網(wǎng)的MAC協(xié)議研究

無人機這一終端的興起，尤其是無人機通信的迅猛發(fā)展，引起了國內(nèi)外研究組織的廣泛關(guān)注。3GPP標(biāo)準(zhǔn)于2017年開始研究無人機，2018年啟動針對R16的無人機通信的討論，研究5G網(wǎng)絡(luò)如何更好地支持無人機終端，探討如何最大效率地復(fù)用地面網(wǎng)絡(luò)為空中無人機提供通信、如何為無人機通信劃分頻段資源或者專用網(wǎng)絡(luò)等。

4.1 無人機自組網(wǎng)MAC協(xié)議性能分析

與車聯(lián)網(wǎng)不同，無人機自組網(wǎng)由于具有部署容易、靈活性強和應(yīng)用范圍廣等優(yōu)點，常常會被應(yīng)用于監(jiān)視和監(jiān)控[45]、救災(zāi)應(yīng)急[46]、航空攝影[47]、搜救[48]等方面，因此對于安全信息和業(yè)務(wù)信息的傳輸具有更高的要求。

時延敏感型目標(biāo)對信息傳輸?shù)臅r效性和可靠性有嚴(yán)格的要求，而為該應(yīng)用設(shè)計的媒體接入控制協(xié)議只能在負(fù)載很輕的情況下工作，其吞吐量和信道利用率的性能較低。針對這一問題，文獻(xiàn)[49]提出了一種基于反饋重傳的異步跳頻媒體接入(feedback-retransmission based asynchronous FRequency hopping Media Access, FRMA)控制協(xié)議。該協(xié)議采用了突發(fā)通信、異步跳頻、信道編碼和反饋重傳等方法。通過異步跳頻機制，實現(xiàn)了即時報文傳輸任務(wù)和多報文接收，提高了實時性。此外，還通過信道編碼和反饋重傳來實現(xiàn)信息傳輸可靠性。雖然FRMA控制協(xié)議大大提高了系統(tǒng)吞吐量，但隨著流量負(fù)荷的增加，數(shù)據(jù)包端到端延遲也在增加，因此，在采用該協(xié)議時，流量負(fù)荷應(yīng)根據(jù)時效性和可靠性的具體要求加以限制。

無人機通信由于參與網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點具有高度的動態(tài)性，并且由于不協(xié)調(diào)的時間、擁擠、碰撞或過高的能源消耗而存在很大的損失問題，因而難以保障組網(wǎng)通信的可靠性和性能。文獻(xiàn)[50]利用螢火蟲優(yōu)化算法的特性，提出了一種新的節(jié)能和位置感知的媒體接入控制(Energy-efficient and Locationaware Medium Access Control, ELMAC)協(xié)議。該算法構(gòu)成了一種有效的時隙機制，同時考慮了能量需求和網(wǎng)絡(luò)中每個無人機的位置，以避免可能導(dǎo)致整個網(wǎng)絡(luò)失效的瓶頸，提高無人機網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)質(zhì)量。ELMAC能夠提供無擁堵、無碰撞和節(jié)能的MAC協(xié)議，從而在無人機網(wǎng)絡(luò)中提供可持續(xù)的連接，高效的控制以及提供高質(zhì)量的服務(wù)。實驗結(jié)果表明，EL-MAC在丟包率、平均吞吐量和端到端延遲等方面都具有優(yōu)勢。它還提供了更好的信道利用率，使得無人機自組網(wǎng)的整體性能得到了提升。

文獻(xiàn)[51]考慮了地面站具有連續(xù)干擾消除(Successive Interference Cancellation, SIC)能力，以提高無人機自組網(wǎng)的信道利用率。該文獻(xiàn)關(guān)注的重點在于推演出一個無人機與地面站頻繁通信的傳輸時間表，并盡量減少碰撞。在引入一種新的分布式學(xué)習(xí)媒體接入控制(distributed Learning Medium Access Control, LMAC)協(xié)議之前，本文首先提出了一個隨機優(yōu)化問題，使得無人機能夠在給定的調(diào)度長度下學(xué)習(xí)最佳的傳輸時隙和相應(yīng)的方向，從而獲得最高的解碼成功率。實驗結(jié)果表明，LMAC的平均數(shù)據(jù)速率至少是參考協(xié)議的兩倍，大大提高了信道的利用率。

考慮到多無人系統(tǒng)任務(wù)的多樣性和應(yīng)用場景的多樣性，自適應(yīng)MAC協(xié)議[28]應(yīng)運而生。文獻(xiàn)[52]提出的容錯(Fault-tolerant Synchronous-MAC,FS-MAC)協(xié)議可以在故障無人機的TDMA和CSMA/CA之間同步切換合適的MAC協(xié)議。在FS-MAC中，提出了分布式基于Q學(xué)習(xí)的切換方案來處理切換決策。首先，單個無人機使用MAC預(yù)選操作來確定合適的MAC協(xié)議。其次，利用提出的基于實用拜占庭容錯(Practical Byzantine Fault Tolerance, PBFT)的共識決策過程，實現(xiàn)了多架無人機之間的同步切換協(xié)議。采用FS-MAC協(xié)議，平均吞吐量、延遲和分組重傳率的性能都得到了改善。

文獻(xiàn)[53]提出了一種基于自適應(yīng)載波偵聽多址的FANET群集MAC(Self-Adaptive MAC Protocol for Flocking of Flying Ad-hoc Network,FMAC)協(xié)議，以在密度變化的群集場景下提供可靠的廣播信息服務(wù)。在FMAC協(xié)議中定義了群體鄰域勢(Collective Neighboring Potential, CNP)來表示無人機聚集過程中密度的變化趨勢。在每個周期開始時，每個UAV計算當(dāng)前CNP基于可用鄰居的運動狀態(tài)；然后，利用無人機的動力學(xué)方程，對相同鄰域下一周期初的CNP值進(jìn)行預(yù)測；之后，每個無人機都可以通過比較當(dāng)前的競爭窗口和預(yù)測的競爭窗口來更新競爭窗口的大小，如果當(dāng)前的競爭窗口比預(yù)測的競爭窗口大(小)一段時間，競爭窗口的大小就會減少(增加)。仿真結(jié)果表明，F(xiàn)MAC協(xié)議在密度變化的群集情況下能夠保證較高的成功傳輸概率，其吞吐量優(yōu)于典型的MAC方案，有效提高了信道利用率。

近年來，多通道MAC協(xié)議被證明是支持不同QoS的有效協(xié)議。文獻(xiàn)[54]提出了FANETs多通道MAC (FANETs Multi-channel MAC, FMMAC)協(xié)議，它結(jié)合了多通道天線和定向天線的優(yōu)點，以提供不同的QoS保證，并在一定程度上有效地解決了鏈路中斷的問題。首先，針對無人機高機動性帶來的鏈路中斷問題，該協(xié)議提出了一種基于移動預(yù)測的預(yù)約方案。其次，F(xiàn)M-MAC提出了一種搶占機制，為業(yè)務(wù)信息提供優(yōu)先級。通過仿真結(jié)果表明，F(xiàn)M-MAC對安全控制信息可以實現(xiàn)低延遲和高分組傳輸率，對用戶業(yè)務(wù)信息也可以實現(xiàn)高吞吐量。

文獻(xiàn)[55]所提出的協(xié)議也是一種多通道負(fù)載感知(Multi-Channel Load Awareness, MCLA)MAC協(xié)議，與FM-MAC不同的是，該協(xié)議是一種基于負(fù)載感知的分布式隨機競爭的MAC協(xié)議。MCLA協(xié)議主要由多優(yōu)先級排隊與服務(wù)機制、分組準(zhǔn)入控制機制、信道占用統(tǒng)計與預(yù)測機制、退讓機制和多信道分配機制5個部分組成，利用多類排隊理論對多優(yōu)先級排隊和服務(wù)機制進(jìn)行了進(jìn)一步的建模，并利用馬爾可夫鏈模型對退避機制進(jìn)行了建模。MCLA根據(jù)信道的實時狀態(tài)控制數(shù)據(jù)包對信道的訪問，并根據(jù)網(wǎng)絡(luò)中活動節(jié)點的數(shù)量調(diào)整回退持續(xù)時間，因此在高負(fù)載條件下優(yōu)于傳統(tǒng)的MAC協(xié)議，具有卓越的性能優(yōu)勢。

文獻(xiàn)[56]提出了一種用于飛行自組織網(wǎng)絡(luò)中反向陣列天線開發(fā)的多信道媒體接入控制協(xié)議(Multi-Channel MAC Protocol With Retrodirective Array Antennas in Flying Ad Hoc Networks,FA-MMAC)。FA-MMAC利用信道的特性增加了信道的空間復(fù)用能力，其核心思想是無人機在數(shù)據(jù)窗口交換數(shù)據(jù)包之前，在控制窗口交換控制包，選擇數(shù)據(jù)通道并對齊波束，以減少隱形終端和耳聾問題。無人機可以通過控制幀的循環(huán)定向傳輸來保留信道和對齊波束，因此該協(xié)議可以利用空間重用的反向陣列天線的優(yōu)點和增加的覆蓋范圍，而無須事先知道位置。與全向天線相比，在相同的傳輸距離下，反向陣列天線所需的功率較小，可以有效地節(jié)省功耗。另外，通過控制幀和數(shù)據(jù)幀的定向傳輸，可以大大提高節(jié)點的通信范圍和網(wǎng)絡(luò)的空間復(fù)用性，提供了更好性能的網(wǎng)絡(luò)聚合吞吐量和分組傳送率。

此外，還有一些工作如文獻(xiàn)[56,57]關(guān)注了多個同頻節(jié)點同時有數(shù)據(jù)發(fā)送時的信道資源爭用問題。文獻(xiàn)[57]提出了PPMAC，該協(xié)議結(jié)合了定向天線和位置預(yù)測，克服了定向天線的耳聾問題；為解決多個無人機和地面基站之間的有效通信，文獻(xiàn)[58]提出一種用于長距離無人機通信的基于傳播延遲感知的MAC協(xié)議LDMAC，但是它需要地面站參與控制?？梢钥闯觯F(xiàn)有的工作雖然對無人機自組網(wǎng)的MAC協(xié)議進(jìn)行了一些探索，但對于協(xié)議的自主性考慮的還不太充分。

上述無人機自組網(wǎng)MAC協(xié)議的特點性能分析見表5。

表5 無人機自組網(wǎng)的MAC協(xié)議特性整理

4.2 分析與總結(jié)

本節(jié)將對部分無人機自組網(wǎng)的MAC協(xié)議從性能優(yōu)化目標(biāo)方面進(jìn)行對比分析，見表6。

表6 根據(jù)優(yōu)化目標(biāo)對無人機自組網(wǎng)的MAC協(xié)議進(jìn)行對比分析

可以明顯看出，目前的無人機自組網(wǎng)在研究的過程中大多會針對安全控制類和用戶業(yè)務(wù)類信息同時進(jìn)行研究，但往往只能夠較好地保障一方的性能，例如FM-MAC協(xié)議的吞吐量和信道利用率較高，但它的時延相對于其他協(xié)議來說也比較高；MCLA-MAC協(xié)議的時延較低，但其吞吐量也比其他協(xié)議要低得多?？梢姡胍瑫r保障無人機自組網(wǎng)的時延和吞吐量，仍需要對其MAC協(xié)議進(jìn)行改進(jìn)研究。

總體來說，無人機自組網(wǎng)作為一種新興的移動自組網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)，它與車聯(lián)網(wǎng)在某些方面有很多相似之處，因此無人機自組網(wǎng)的MAC協(xié)議往往會在一定程度上借鑒車聯(lián)網(wǎng)的MAC協(xié)議。但車聯(lián)網(wǎng)的MAC協(xié)議并不能直接應(yīng)用于無人機自組網(wǎng)，首先是因為無人機自組網(wǎng)并沒有基礎(chǔ)設(shè)施的輔助，而車聯(lián)網(wǎng)在很大程度上需要基站等路邊單元的輔助；其次，無人機的移動速度一般要比車輛快得多，且在3維空間內(nèi)自由移動，因此其網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的變化更加復(fù)雜，相比較而言，車聯(lián)網(wǎng)的移動軌跡順延道路方向，有跡可循，其拓?fù)渥兓幸欢ǖ臈l件限制和規(guī)律。

無人機自組網(wǎng)目前來說還處于發(fā)展階段，在未來航空6G的構(gòu)建中占據(jù)重要地位。航空6G通信網(wǎng)絡(luò)中擁有超海量的異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)接入節(jié)點，這些網(wǎng)絡(luò)節(jié)點形態(tài)各異、距離不定、功率不一[59]，均給未來的通信覆蓋方面帶來信道挑戰(zhàn)。無人機自組網(wǎng)飛行速度快，其依托的航空6G通信時延需要達(dá)到微秒級別，通信時延長、可靠性低將會造成無人機遠(yuǎn)程控制困難，因此對無人機自組網(wǎng)的MAC協(xié)議的研究還有待進(jìn)一步的提高。

5 下一步研究

隨著5G的不斷普及，通信面向未來的需求會更加明確，尤其重視低時延、大帶寬、泛連接等需求。通信技術(shù)的發(fā)展對于一個國家來說是至關(guān)重要的，往往會對與之相連的新應(yīng)用、新服務(wù)渠道以及新材料的制造領(lǐng)域存在極大的促進(jìn)作用。此外，云計算、大數(shù)據(jù)等新技術(shù)與通信技術(shù)也在不斷融合，這些迫切需要結(jié)合通信最新變化和網(wǎng)絡(luò)發(fā)展趨勢，以更先進(jìn)的技術(shù)推進(jìn)，即隨之而來的航空6G的開發(fā)。

本文對現(xiàn)代移動通信網(wǎng)絡(luò)下的新型移動自組織網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議進(jìn)行了整理歸納，主要針對車聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)和無人機自組網(wǎng)系統(tǒng)，依據(jù)不同的優(yōu)化目標(biāo)，對現(xiàn)有的MAC協(xié)議進(jìn)行了分類總結(jié)，與此同時，就目前工作方法的局限性提出未來研究的技術(shù)挑戰(zhàn)。

(1)車聯(lián)網(wǎng)場景的條件限制：考慮到安全類消息和業(yè)務(wù)類消息的流量需求動態(tài)變化，在未來6G通信時代，車聯(lián)網(wǎng)需以更加靈活的方式組建和運行。MAC協(xié)議需要適應(yīng)安全控制信息與用戶業(yè)務(wù)信息動態(tài)的流量需求，保障安全信息的可靠性，提高業(yè)務(wù)信息的吞吐量。

(2)車聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的多元變化：考慮到道路情況多變，基站等RSU基礎(chǔ)設(shè)施可能時有時無，車聯(lián)網(wǎng)需要適應(yīng)帶RSU和無RSU輔助的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，充分利用RSU的優(yōu)勢，避免沖突協(xié)調(diào)資源，尤其是在無RSU輔助的條件下應(yīng)主動切換到無RSU的狀態(tài)，提高網(wǎng)絡(luò)性能。

(3)無人機自組網(wǎng)能耗與性能的均衡：由于定向天線被廣泛應(yīng)用于無人機網(wǎng)絡(luò)中以提高通信距離，這些天線即使不是在發(fā)射或接收模式下也會消耗大量的能量；此外，當(dāng)通信設(shè)備與GPS和另一個傳感器一起使用時，無人機的電池壽命將被減少，這將阻礙無人機的性能和操作。因此，如何既保證無人機的順利運行，降低能耗，又提高無人機的傳輸性能，這將是未來的一個研究熱點。

(4)無人機自組網(wǎng)的安全性：因為無人機網(wǎng)絡(luò)便于部署，無人機在軍事和民用領(lǐng)域的應(yīng)用呈指數(shù)級增長。但在無人機網(wǎng)絡(luò)中，往往容易受到各種被動或主動的攻擊。因此，維護(hù)無人機共享數(shù)據(jù)的完整性、保密性、私密性和真實性就顯得尤為重要。如何設(shè)計出能夠更好地保障這些要求的MAC協(xié)議，尤其在存在無人機節(jié)點失效的情況下，在未來顯得尤為重要。

(5)無人機自組網(wǎng)的同步連接：隨著6G時代的到來，無人機自組網(wǎng)在航空6G的發(fā)展中起到了重要的紐帶作用。這種網(wǎng)絡(luò)與其他網(wǎng)絡(luò)的協(xié)作可以使各種應(yīng)用程序受益。因此在未來，如何研究出有效的MAC協(xié)議來支持通過無人機技術(shù)實現(xiàn)的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)之間的同步連接也是一個非常值得研究的方向。

6 結(jié)束語

本文介紹了現(xiàn)代移動通信網(wǎng)絡(luò)下無人機自組網(wǎng)和車聯(lián)網(wǎng)MAC機制的研究現(xiàn)狀，并對相關(guān)工作進(jìn)行了分類總結(jié)，分析了新型移動自組織網(wǎng)絡(luò)的未來研究趨勢和挑戰(zhàn)。目前的MAC協(xié)議受環(huán)境場景的限制較大，并且由于拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的高度多元變化，如何提高自組織網(wǎng)絡(luò)的性能將成為未來的一個巨大挑戰(zhàn)。此外，由于通信網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，如何實現(xiàn)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)之間的同步連接以滿足未來航空6G的需求也是一個嚴(yán)峻的考驗。