一種適用于飛行自組網(wǎng)的動態(tài)時分信道接入機制

蘇榆淵　王辛果

【摘要】? ? 飛行自組網(wǎng)可廣泛應用于軍用數(shù)據(jù)鏈、無人機測控、航空通信等場景。然而，由于網(wǎng)絡節(jié)點高速移動和用戶業(yè)務需求劇烈變化等原因，傳統(tǒng)的時分信道接入機制的信道接入延遲較高且信道利用率較低。本文提出了一種適用于飛行自組網(wǎng)的動態(tài)時分信道接入機制。通過引入節(jié)點業(yè)務需求預測，保證在節(jié)點間更加合理地分配信道資源。此外，采用了動態(tài)的時隙分配策略，并引入業(yè)務優(yōu)先級機制，按照優(yōu)先級高低順序分配信道資源，實現(xiàn)高優(yōu)先級業(yè)務的低時延接入。最后，根據(jù)網(wǎng)絡拓撲變化程度對網(wǎng)絡管理時隙和數(shù)據(jù)傳輸時隙的比例進行優(yōu)化，從而在保證低時隙沖突概率的前提下，盡可能提升信道資源利用率。模擬結果表明，在信道資源一定的情況下，該機制可最大化信道資源利用，保證在網(wǎng)節(jié)點的高優(yōu)先級業(yè)務的傳輸需求，高優(yōu)先級節(jié)點高優(yōu)先級業(yè)務擁有更低的接入時延，且節(jié)點優(yōu)先級依次變化，網(wǎng)絡整體資源利用率高，節(jié)點接入公和資源使用相對公平。

【關鍵詞】? ? 飛行自組網(wǎng)? ? 接入延時? ? 動態(tài)TDMA? ? 節(jié)點優(yōu)先級? ? 業(yè)務優(yōu)先級

引言：

飛行自組網(wǎng)（flying ad-hoc networks， FANET）需支持節(jié)點隨時入網(wǎng)和退網(wǎng)，且整個網(wǎng)絡能自動恢復，是一種高殘存性、高自適應性、且適合戰(zhàn)場環(huán)境的組網(wǎng)方式。在飛行自組網(wǎng)的場景下，各節(jié)點具有高度的獨立性和自組性，沒有主控節(jié)點進行全盤操控。在高速變化的拓撲場景下，節(jié)點的自適應能力更強。

近年來，無人機以其靈活性、易部署性、低延遲、低成本等優(yōu)點引起了人們的廣泛關注。隨著無人機的迅速普及及其在各種應用（如工業(yè)和應急服務）中的巨大潛力，飛行自組網(wǎng)技術吸引了工業(yè)界和學術界的廣泛研究興趣。[1-4]盡管在部署上有好處，但無人機在無線電分配和通道訪問方面面臨著重大挑戰(zhàn)。這些問題的大部分是由于媒體訪問控制（Medium access control， MAC）協(xié)議效率低下，因為大多數(shù)無人機應用程序使用現(xiàn)有的MAC協(xié)議，這些協(xié)議只適用于傳統(tǒng)網(wǎng)絡。由于高度動態(tài)和移動場景的要求，現(xiàn)有網(wǎng)絡的MAC協(xié)議面臨著適用飛行自組網(wǎng)通信的問題。

為了解決飛行自組網(wǎng)的通信問題，目前國內外有很多學者已經(jīng)對相關MAC協(xié)議做了不少研究。文獻[5]考慮了高空平臺（high altitude platform， HAP）輔助的無人機網(wǎng)絡對物聯(lián)網(wǎng)（Internet of Things， IOT），其中高動態(tài)無人機可以通過HAP向遠程地面控制中心發(fā)送實時的IOT數(shù)據(jù);該協(xié)議在這種高動態(tài)無人機網(wǎng)絡中可以實現(xiàn)更低的端到端延遲和更高的吞吐量性能。文獻[6] 提出了一種基于CSMA/CA的FANET群集自適應載波感知多址接入?yún)f(xié)議，即FMAC，以在密度變化的群集場景下提供可靠的廣播信息服務，所提出的FMAC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，并且優(yōu)于典型的MAC解決方案。文獻[7]提出了一種新的全雙工ad-hoc網(wǎng)絡混合MAC協(xié)議。該MAC結合了時分多址（TDMA）和ieee802.11基于時隙競爭的控制幀和無沖突數(shù)據(jù)幀鏈中的分布式協(xié)調功能（distributed coordination function， DCF）強度。目的是充分利用全雙工（full-duplex， FD）傳輸機會，提高網(wǎng)絡吞吐量。該方案緩解了隱藏節(jié)點問題（hidden-node problem， HNP）和暴露節(jié)點問題（exposed-node problem， ENP）等傳統(tǒng)MAC問題。它還允許以無沖突的方式進行并發(fā)FD數(shù)據(jù)傳輸。文獻[8]在固定時隙分配（TDMA）協(xié)議基礎上，提出了一種支持業(yè)務優(yōu)先級傳輸機制的閑置時隙預約TDMA。該協(xié)議在滿足協(xié)同與控制業(yè)務較低時延要求的同時，還有著較高的信道利用率及吞吐量。文獻[9] 提出的一種基于節(jié)點優(yōu)先級的動態(tài)TDMA協(xié)議NP-TDMA（dynamic TDMA based on node priority-TDMA）采用動態(tài)分配策略，在節(jié)點申請空閑時隙階段引入節(jié)點優(yōu)先級判斷機制，實現(xiàn)了高優(yōu)先級節(jié)點優(yōu)先接入信道的目的。此外，該協(xié)議通過采取時隙沖突避免和時隙沖突檢測兩種方式來快速高效的解決時隙沖突問題。

基于以上的研究，再考慮實際應用場景的情況下，本文提出一種適用于飛行自組網(wǎng)的動態(tài)時分信道接入機制，引入節(jié)點業(yè)務預測，保證節(jié)點業(yè)務傳輸?shù)膶崟r性;引入節(jié)點優(yōu)先級和業(yè)務優(yōu)先級，保證高優(yōu)先級業(yè)務低時延接入和保證高優(yōu)先級節(jié)點業(yè)務傳輸需求。滿足飛行自組網(wǎng)的特性，即低延遲、大容量、高靈活性、可擴展性強、多優(yōu)先級的媒體訪問控制（MAC）協(xié)議。

一、時幀結構

（一）時間同步

時分信道接入前提需要滿足節(jié)點間時間同步，本文采用的是雙向時間校準。如圖1所示，A、B兩個節(jié)點，其中A是參考節(jié)點，B是待同步節(jié)點。兩個節(jié)點在自己的控制時隙發(fā)送時間同步幀。B節(jié)點根據(jù)時間同步算法進行Δ調整，保證節(jié)點間的時間同步。Δ計算公式如下：

（二）時隙結構

如圖2所示，時隙結構由物理幀和保護間隔組成。保護間隔的設置是用來防止各節(jié)點由于物理傳播時延幀間干擾。設置保護間隔的時長需考慮節(jié)點的最大通信距離和功放收發(fā)切換保護。由于項目中要求節(jié)點的最大通信距離為 100km，電磁波傳播 10km 所需的時間約為 334us?？紤]功放收發(fā)切換時間，將保護間隔設置為 500us。

（三）時幀

動態(tài)TDMA接入機制中，時隙類型有控制時隙、響應時隙和數(shù)據(jù)時隙。網(wǎng)絡時間周期為一個時幀，一個時幀有N個控制時隙、N個響應時隙和M個數(shù)據(jù)時隙組成。

如圖3所示，整個TDMA系統(tǒng)的通信時間由一個個周而復始的時幀組成?？刂茣r隙和響應時隙的設定是為了保證節(jié)點的基本通信功能和業(yè)務量信息通知。其中控制時隙階段時，各節(jié)點完成全網(wǎng)時間同步信息和時隙請求信息的廣播;響應時隙階段則是各個節(jié)點在控制時隙階段收集到一跳和兩跳節(jié)點的時隙請求信息后進行匯總并廣播。然后各節(jié)點根據(jù)響應時隙階段收到的時隙請求匯總信息在本地進行動態(tài)時隙分配。接著進入數(shù)據(jù)時隙階段完成節(jié)點間的數(shù)據(jù)收發(fā)。

N的個數(shù)取決于自組網(wǎng)中節(jié)點的最大數(shù)量;M的個數(shù)取決于網(wǎng)絡拓撲變化率。M越大，信道利用率越高，但檢測到因網(wǎng)絡拓撲變化造成的時隙沖突所需的時間也越長。為保證較低的時隙沖突概率，將M設為節(jié)點通信半徑/節(jié)點最大移動速率的一半。

二、動態(tài)時分信道接入機制設計

在本文的動態(tài)TDMA接入機制中，引入了業(yè)務預測，用于預測各節(jié)點控制時隙階段和響應時隙階段各優(yōu)先級業(yè)務總數(shù)據(jù)量，并在控制時隙階段通知到鄰居節(jié)點。在匯集一跳和兩跳節(jié)點業(yè)務數(shù)據(jù)時隙需求后，在節(jié)點本地按照業(yè)務優(yōu)先級和節(jié)點優(yōu)先級進行動態(tài)時隙分配。

（一）業(yè)務需求預測

為了更準確地為各節(jié)點各優(yōu)先級業(yè)務分配更合理的數(shù)據(jù)時隙數(shù)，以保證數(shù)據(jù)的低時延接入。本文引入差分整合移動平均自回歸模型（Autoregressive Integrated Moving Average model， ARIMA），用各節(jié)點歷史業(yè)務需求量數(shù)據(jù)對下一個時間周期各優(yōu)先級業(yè)務需求量進行預測。

用X，X，X，...，X表示歷史t個時幀周期觀測到的各優(yōu)先級業(yè)務數(shù)據(jù)隊列的數(shù)據(jù)量，進而預測下一個時幀周期的業(yè)務需求量Xt。

其中，X表示第t個時間周期數(shù)據(jù)隊列數(shù)據(jù)量;p代表預測模型中采用的時序數(shù)據(jù)本身的滯后數(shù);

d代表時序數(shù)據(jù)需要進行幾階差分化才是穩(wěn)定的;q代表預測模型中采用的預測誤差的滯后數(shù);c為常數(shù)（表示序列數(shù)據(jù)沒有0均值化）;α表示AR權重系數(shù);θ表示MA權重系數(shù);ε表示預測的殘差。在預測完本地節(jié)點的各優(yōu)先級業(yè)務需求量后在控制時隙階段廣播自己的業(yè)務量信息。

（二）為各優(yōu)先級業(yè)務分配數(shù)據(jù)時隙數(shù)

在介紹協(xié)議時隙分配算法流程前，先聲明算法中所用到的符號如表1所示。各節(jié)點在獲取到一跳和兩跳節(jié)點業(yè)務需求信息后，首先在本地先進行各優(yōu)先級業(yè)務數(shù)據(jù)時隙數(shù)分配，分配流程如圖4所示。

根據(jù)業(yè)務優(yōu)先級依次分配數(shù)據(jù)時隙數(shù)，高優(yōu)先級業(yè)務數(shù)據(jù)時隙優(yōu)先分配，保證所有用戶高優(yōu)先級業(yè)務需求優(yōu)先滿足，如下算法1所示。各優(yōu)先級業(yè)務數(shù)據(jù)時隙請求總數(shù)：

（三）為各優(yōu)先級節(jié)點分配數(shù)據(jù)時隙

在第一階段分配完成后，對數(shù)據(jù)時隙號（1...M）進行依次分配，時隙分配流程如圖5所示。

為了保證高優(yōu)先級節(jié)點接入低時延要求和高優(yōu)先級節(jié)點業(yè)務傳輸需求。本文算法按照節(jié)點優(yōu)先級和業(yè)務優(yōu)先級順序一個個分配數(shù)據(jù)時隙，如下算法2所示。分配完成后，各節(jié)點只需要在屬于自己的數(shù)據(jù)時隙進行數(shù)據(jù)發(fā)送，否則處于數(shù)據(jù)接收狀態(tài)。

三、事例分析

假設網(wǎng)絡中網(wǎng)絡節(jié)點數(shù)為4，最大跳數(shù)為2，網(wǎng)絡的拓撲結構如圖6所示。時幀中控制時隙和響應時隙N各為4，數(shù)據(jù)時隙數(shù)M為20，業(yè)務優(yōu)先級為1，2，3，節(jié)點優(yōu)先級A-B-C-D-E依次遞減。

四、仿真與分析

使用OMNeT++對本文協(xié)議性能進行仿真分析。仿真參數(shù)表3所示。該仿真僅考慮最大跳數(shù)為2的網(wǎng)絡場景。場景由10個節(jié)點組成，節(jié)點通信半徑是100km，每個時幀有100個時隙。

（一）不同優(yōu)先級節(jié)點接入時延分析

如圖7所示，結果表明，本文的接入機制能保證不同時刻的各用戶高優(yōu)先級節(jié)點業(yè)務優(yōu)先接入，且保證高優(yōu)先級節(jié)點相對接入時延更小，不同優(yōu)先級時延也不會相差較大，且都優(yōu)于NP-TDMA。

（二）預測與未預測業(yè)務需求對比

如圖8所示，結果表明，在加入業(yè)務預測后，業(yè)務量的數(shù)據(jù)時隙需求與實際產(chǎn)生的數(shù)據(jù)包數(shù)量基本吻合;而在不進行業(yè)務預測情況下，用上一次的統(tǒng)計量進行是時隙請求，則會出現(xiàn)與實際產(chǎn)生的數(shù)量包數(shù)量差別較大的情況，從而影響業(yè)務數(shù)據(jù)的實時性或浪費過多數(shù)據(jù)時隙，進而降低信道利用率。

（三）數(shù)據(jù)時隙獲取能力

如圖9所示，本文提出的動態(tài)時分信道接入機制，在時隙數(shù)分配上是優(yōu)先滿足高優(yōu)先級業(yè)務，保證高優(yōu)先級節(jié)點的高優(yōu)先級業(yè)務的傳輸需求，而NP-TDMA僅考慮了最高節(jié)點優(yōu)先級的業(yè)務優(yōu)先。

五、結束語

在FANET中各個節(jié)點有著不同的任務分工且存在多種類型數(shù)據(jù)業(yè)務傳輸需求，根據(jù)實際FANET場景應用的特點，本文基于引入業(yè)務預測、節(jié)點優(yōu)先級和業(yè)務優(yōu)先級設計了一種適用于FANET的動態(tài)TDMA接入機制。

該機制通過業(yè)務預測來保證各節(jié)點數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性，且設計基于節(jié)點優(yōu)先級和業(yè)務優(yōu)先級共同決策的動態(tài)時隙分配機制，使得信道資源充分得到利用，且滿足整個網(wǎng)絡中節(jié)點訪問信道資源的相對公平性。仿真結果表明，該機制既滿足了高優(yōu)先級節(jié)點高優(yōu)先級業(yè)務低延遲接入，也滿足不同優(yōu)先級業(yè)務的時延要求，充分利用信道資源。

作者單位：蘇榆淵? ? 成都信息工程大學計算機學院

王辛果? ? 成都信息工程大學計算機學院? ? 中國航空工業(yè)無線電電子研究所

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