模糊信道忙閑劃分的概率媒體接入控制協(xié)議

于必成， 趙學軍， 袁修久， 侯 蓓

(空軍工程大學, a.基礎部; b.信息與導航學院，西安 710000)

0 引言

隨著無人機技術的不斷發(fā)展，多無人機協(xié)同應用在近些年來興起，無人機自組網(wǎng)(UAV Ad Hoc Network，UANET)[1-4]引起了眾多學者的廣泛關注。無人機自組網(wǎng)是移動自組網(wǎng)(Mobile Ad Hoc Network，MANET)[5]和車載自組網(wǎng)(Vehicle Ad Hoc Network，VANET)[6]概念的拓展，其基本思想是各無人機將自身作為網(wǎng)絡節(jié)點，不依賴于固定的基礎設施，相互之間分發(fā)和傳遞指控信息、態(tài)勢信息和數(shù)據(jù)采集信息等[7]。相較于傳統(tǒng)自組網(wǎng)，UANET中的無人機節(jié)點具有高速移動性，因此，在軍事和民用領域上應用價值極大，但同時因為其復雜多變的網(wǎng)絡拓撲結構，UANET也存在許多技術問題亟待解決。在軍事上，隨著戰(zhàn)爭形態(tài)的不斷演變，戰(zhàn)爭節(jié)奏不斷加快，對于一些時延敏感目標，必須保證指控信息發(fā)送具有嚴格的時效性和可靠性，無人機系統(tǒng)才能實現(xiàn)精確打擊[8]，對于信息量較大的態(tài)勢信息和數(shù)據(jù)采集信息等，則需要保障其較高的吞吐量需求，因此，UANET需保證不同類型業(yè)務區(qū)分服務[9]。媒體接入控制(MAC)協(xié)議是無線通信協(xié)議棧的重要組成部分，在保證通信系統(tǒng)信道利用率、信息傳輸成功率和時延等性能方面起到至關重要的作用。

按照信道資源分配方式的不同，UANET的MAC協(xié)議可以分為基于調(diào)度的和基于競爭的兩大類[10]，在數(shù)據(jù)傳輸之前，基于調(diào)度的MAC協(xié)議需要對網(wǎng)絡資源進行規(guī)劃，傳輸過程中需要中心節(jié)點進行調(diào)度，對于固定的基礎設施之間通信，基于調(diào)度的MAC協(xié)議能夠有效減少沖突，保證系統(tǒng)穩(wěn)定的吞吐量，但是，由于無人機網(wǎng)絡拓撲結構的高動態(tài)性，很難對信道資源進行調(diào)度，難以滿足軍事上毫秒級別的需求[11]，因此，基于調(diào)度類的協(xié)議不大適用于UANET場景?；诟偁幍腗AC協(xié)議通過直接競爭信道資源的機制接入信道，保證了無人機節(jié)點接入信道的時效性，因而更符合UANET的需求。載波偵聽多址接入(Carrier Sense Multiple Access,CSMA)協(xié)議[12]是自組網(wǎng)中使用最廣泛的一種競爭MAC協(xié)議，CSMA協(xié)議有非堅持CSMA、1-堅持CSMA和p-堅持CSMA 3種機制，其中,p-堅持CSMA[13]結合了非堅持CSMA和1-堅持CSMA這兩種協(xié)議的特點，所以應用最為廣泛，但是在該協(xié)議中，發(fā)送概率p的選擇影響整個協(xié)議的性能。統(tǒng)計優(yōu)先級多址接入(Statistical Priority-based Multiple Access,SPMA)協(xié)議[14]是美軍戰(zhàn)術瞄準網(wǎng)絡技術(Tactical Targeting Network Technology,TTNT[15])采用的MAC協(xié)議，該協(xié)議在某些方面與CSMA協(xié)議類似，不同于CSMA協(xié)議，由于網(wǎng)絡中存在多種優(yōu)先級業(yè)務，所以在SPMA 協(xié)議中，信道會出現(xiàn)多種狀態(tài)，而不是只有忙和閑兩種狀態(tài)。SPMA系統(tǒng)根據(jù)信道忙閑程度會為不同優(yōu)先級業(yè)務設定不同的發(fā)送閾值，為保證高優(yōu)先級業(yè)務擁有較高信道使用權限，在各優(yōu)先級業(yè)務的發(fā)送閾值設定上，高優(yōu)先級業(yè)務的閾值會比低優(yōu)先級業(yè)務的閾值大。當網(wǎng)絡中的節(jié)點需要發(fā)送數(shù)據(jù)時，首先檢測當前信道的忙閑程度，然后根據(jù)數(shù)據(jù)包的優(yōu)先級發(fā)送閾值，判斷是否可以發(fā)送數(shù)據(jù)[16]。

鑒于此，為了滿足無人機自組網(wǎng)多業(yè)務區(qū)分服務，以及最高優(yōu)先級業(yè)務的低時延和較高的一次成功傳輸率，同時保證系統(tǒng)在高負載的情況下依然保持較高信道利用率，在p-堅持CSMA協(xié)議和SPMA協(xié)議的基礎上，提出了一種模糊信道忙閑劃分的概率媒體接入控制協(xié)議(P-FMAC)。

1 協(xié)議描述

由于UANET中存在著多種不同的優(yōu)先級業(yè)務，P-FMAC協(xié)議采用多信道機制傳輸多種優(yōu)先級業(yè)務，該協(xié)議主要包含以下兩種核心機制。

1) 模糊信道忙閑劃分機制：該機制在論域信道負載上根據(jù)業(yè)務類型建立多種信道忙閑模糊子集，為每一個信道忙閑模糊子集設置合理的隸屬度函數(shù)，并根據(jù)當前信道負載，計算各信道忙閑等級的隸屬度，通過定義概率決策函數(shù)，綜合利用各隸屬度信息，確定當前信道的忙閑等級。

2) 概率接入機制：為了保證系統(tǒng)在重網(wǎng)絡負載下最高優(yōu)先級的成功傳輸率和信道利用率，在監(jiān)測到信道忙閑程度允許發(fā)送后，發(fā)送節(jié)點以概率p發(fā)送數(shù)據(jù)。

P-FMAC協(xié)議工作原理如圖1所示。

圖1 P-FMAC原理Fig.1 Principle of P-FMAC

P-FMAC協(xié)議具體過程如下。

1) 編碼：發(fā)送節(jié)點通過RS-Turbo級聯(lián)糾錯編碼[17]，將系統(tǒng)中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)包劃分為長度更短的突發(fā)包，并在每個突發(fā)包中加入冗余信息，用于分組解碼。

2) 排隊過程：系統(tǒng)中存在多種優(yōu)先級業(yè)務分組，分組到達后在節(jié)點的隊列緩沖區(qū)按照優(yōu)先級順序進行排列。

3) 信道接收突發(fā)監(jiān)測：統(tǒng)計各個信道在一段時間內(nèi)接收到的突發(fā)數(shù)量，并將結果反饋給各發(fā)送節(jié)點。

4) 信道忙閑決策：各節(jié)點將反饋的突發(fā)數(shù)量根據(jù)模糊信道忙閑等級劃分機制，對當前時刻的信道忙閑等級進行決策。

5) 發(fā)送節(jié)點根據(jù)需要發(fā)送突發(fā)的優(yōu)先級選擇合適的信道，以概率p進行發(fā)送。

6) 解碼：通過識別突發(fā)包中加入的冗余信息，對原分組進行重組和譯碼，根據(jù)Turbo編碼原理，如果目標節(jié)點正確接收到一個分組解碼產(chǎn)生的突發(fā)包總數(shù)的一半，就可以將該分組成功還原。

2 協(xié)議建模

2.1 信道忙閑程度量化

對于多信道網(wǎng)絡，各個信道相互獨立，信道與信道之間不存在干擾，各信道以統(tǒng)計周期內(nèi)接收到的突發(fā)數(shù)量表示信道忙閑程度。圖2為信道接收時頻圖，其中，N為統(tǒng)計周期，f1,…,fM表示網(wǎng)絡中共有M條信道。

設在N個時隙內(nèi)，信道fi上接收到的突發(fā)數(shù)量為Nfi，Nfi反映信道忙閑程度，Nfi越大，信道越忙，反之，信道越閑。

2.2 模糊信道忙閑等級劃分

由于UANET具有多優(yōu)先級業(yè)務的特點，為保證各優(yōu)先級業(yè)務區(qū)分服務，MAC協(xié)議需要為不同優(yōu)先級數(shù)據(jù)包設置不同的閾值門限。隨著網(wǎng)絡負載的增加，當負載達到一個超標狀態(tài)時，可以讓優(yōu)先級較低的數(shù)據(jù)包退避一段時間再發(fā)送出去，保證高優(yōu)先級業(yè)務的時效性。不同優(yōu)先級分組接入信道的閾值可以用信道忙閑程度表示，由于信道忙閑是一種模糊概念[18]，當反饋的突發(fā)數(shù)量介于信道忙閑等級劃分的閾值附近，信道忙閑程度雖然相差不大，但此時信道忙閑狀態(tài)卻隸屬于兩種不同的信道忙閑等級，顯然，這種信道忙閑等級劃分的方式是不準確的，所以該協(xié)議采用模糊信道忙閑等級劃分的方式對信道忙閑狀態(tài)進行劃分。

所謂的模糊信道忙閑等級劃分即在論域信道負載上，根據(jù)發(fā)送業(yè)務的類型建立多種信道忙閑模糊子集[19-20]，根據(jù)統(tǒng)計時隙內(nèi)的突發(fā)數(shù)量為每一個信道忙閑模糊子集設置合理的隸屬度函數(shù)，通過監(jiān)測各信道負載，計算各信道忙閑等級的隸屬度，通過定義概率決策函數(shù)，判斷當前各信道屬于各信道忙閑等級的概率。

節(jié)點在發(fā)送數(shù)據(jù)包前，根據(jù)信道前N個時隙接收到的突發(fā)數(shù)量，計算各信道忙閑等級的隸屬度，例如信道i此時向發(fā)送節(jié)點反饋的信道負載為x，則得到所對應的各信道忙閑等級隸屬度為A1(x)，A2(x)，…，AM(x)。為綜合利用各信道忙閑等級隸屬度，更好地反映實際信道忙閑情況，定義決策概率函數(shù)為

(1)

式中，pj表示信道忙閑屬于j等級的決策概率，信道忙閑等級隸屬度越大，決策概率越大，則隸屬于該信道等級的可能性越大。模糊信道忙閑等級劃分的流程如圖3所示。

圖3 模糊信道忙閑等級劃分流程圖Fig.3 Flow chart of fuzzy division of the channel busy and idle degree

2.3 概率接入機制

隨著網(wǎng)絡負載的不斷增加，網(wǎng)絡中的數(shù)據(jù)碰撞也在不斷增加，為了保證在重負載下，信道依然保持較高的利用率，提出了概率接入機制。當發(fā)送節(jié)點監(jiān)測到當前信道忙閑程度允許數(shù)據(jù)發(fā)送時，發(fā)送節(jié)點并不是直接發(fā)送數(shù)據(jù)，而是以概率p進行發(fā)送，從而降低數(shù)據(jù)包的碰撞概率。

當網(wǎng)絡中節(jié)點對信道忙閑程度監(jiān)測結束后，節(jié)點根據(jù)當前需要發(fā)送數(shù)據(jù)包的優(yōu)先級，選擇合適信道進行發(fā)送。用γ1(m|n)表示n個發(fā)送節(jié)點中在該時隙有m個發(fā)送節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)的概率，其發(fā)送數(shù)據(jù)的概率為p，則

(2)

(3)

節(jié)點成功傳輸優(yōu)先級j的業(yè)務的概率可以表示為

(4)

將式(2)、式(3)代入式(4)整理可得

(5)

3 仿真分析

采用OMNeT++仿真平臺對協(xié)議性能進行分析。仿真場景大小設置為200 km×200 km×10 km，在該場景中，所有節(jié)點都隨機分布，每個節(jié)點通過隨機選擇目的節(jié)點通信，構成一個全連通的網(wǎng)絡。根據(jù)無人機自組網(wǎng)應用需求，協(xié)議設定4種優(yōu)先級業(yè)務，其中,優(yōu)先級Ⅰ業(yè)務的分組到達率固定為100包/s，優(yōu)先級Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ業(yè)務分組到達率的比例為1∶1∶1。概率接入機制的發(fā)送概率p是影響節(jié)點碰撞的關鍵因素，如果p的取值過大，則在網(wǎng)絡負載較大時，碰撞加??；如果p的取值過小，則節(jié)點傳輸數(shù)據(jù)的選擇過于保守，導致信道利用率降低。因此，設置發(fā)送概率p=0.5，具體參數(shù)設置見表1。

表1 仿真參數(shù)設置Table 1 Simulation parameters

在論域信道負載上設置的各優(yōu)先級業(yè)務的隸屬度函數(shù)可以表示為

(6)

仿真過程中，發(fā)送概率p=1表示當監(jiān)測到信道忙閑程度低于當前數(shù)據(jù)的優(yōu)先級閾值時，節(jié)點直接發(fā)送數(shù)據(jù)。隨著網(wǎng)絡負載的不斷增加，協(xié)議中各優(yōu)先級分組成功傳輸率、平均時延以及信道利用率等性能也在不斷變化。圖4所示為各優(yōu)先級分組的平均時延，由圖4(a)可知，隨著網(wǎng)絡負載的不斷增加，各優(yōu)先級分組的平均時延均不斷增加，在相同的網(wǎng)絡負載下，高優(yōu)先級分組平均時延小于低優(yōu)先級分組平均時延；從圖4(b)中可以看出，當p=0.5時，由于發(fā)送概率降低，各優(yōu)先級分組的平均時延有所增加，但優(yōu)先級Ⅰ分組的平均時延均能始終保持在2 ms以內(nèi)。圖5所示為各優(yōu)先級分組的成功傳輸率，隨著網(wǎng)絡負載的不斷增加，網(wǎng)絡碰撞不斷加劇，各優(yōu)先級分組的成功傳輸率不斷下降，但優(yōu)先級Ⅰ分組的成功傳輸率均能保證在97%以上，在高負載時，當p=0.5，由于降低發(fā)送概率，碰撞減少，各優(yōu)先級分組的成功傳輸率得到提高。圖6所示為協(xié)議信道利用率，在低負載時，協(xié)議信道利用率隨著網(wǎng)絡負載的增加不斷增大；高負載時，由于碰撞加劇，信道利用率隨著網(wǎng)絡負載的不斷增加而下降，當p=0.5時，發(fā)送概率降低，有效減少了數(shù)據(jù)分組碰撞發(fā)生，使該協(xié)議在高負載情況下依然保持較高的信道利用率。

圖4 平均時延Fig.4 Mean delay

圖5 分組成功傳輸率Fig.5 Rate of successful transmission

圖6 信道利用率Fig.6 Channel utilization rate

4 結論

針對無人機自組網(wǎng)中多種混合業(yè)務并行傳輸以及現(xiàn)有的信道忙閑劃分方式未考慮信道忙閑模糊化特征等問題，提出了一種模糊信道忙閑劃分機制的概率媒體接入控制協(xié)議。該協(xié)議通過采用模糊信道忙閑劃分機制和概率接入機制，降低數(shù)據(jù)分組在高負載情況下的碰撞概率，結果表明，該協(xié)議在高負載時依然能夠保證高優(yōu)先級業(yè)務低時延，以及較高的一次成功接入概率，并且在高負載時系統(tǒng)的信道利用率維持在一個較高水平。