一種基于高動(dòng)態(tài)無(wú)人機(jī)群的TDMA時(shí)隙調(diào)度策略

楊帆 孫志剛 韓彥中

摘 要：為了滿足高動(dòng)態(tài)無(wú)人機(jī)群自組網(wǎng)在網(wǎng)絡(luò)拓?fù)漕l繁變化下快速傳輸高優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)的需求，提出一種基于TDMA協(xié)議的動(dòng)態(tài)優(yōu)先級(jí)時(shí)隙分配算法。根據(jù)節(jié)點(diǎn)優(yōu)先級(jí)級(jí)別，在TDMA協(xié)議框架下提出面向不同業(yè)務(wù)需求的動(dòng)態(tài)時(shí)隙分配算法，采用位向量（BOV）間接確認(rèn)法實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)時(shí)隙分配；并通過(guò)多維度調(diào)整策略，綜合業(yè)務(wù)優(yōu)先級(jí)、鄰居節(jié)點(diǎn)數(shù)量、鄰居節(jié)點(diǎn)變化率和等待時(shí)間多個(gè)維度確定節(jié)點(diǎn)優(yōu)先級(jí)，均衡不同優(yōu)先級(jí)節(jié)點(diǎn)對(duì)不同數(shù)量時(shí)隙的申請(qǐng)；最后通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)對(duì)調(diào)度策略進(jìn)行了驗(yàn)證。結(jié)果表明，提出的動(dòng)態(tài)優(yōu)先級(jí)時(shí)隙分配算法（DP-TDMA）在拓?fù)漕l繁變化時(shí)可以動(dòng)態(tài)申請(qǐng)、快速分配不同數(shù)量的業(yè)務(wù)時(shí)隙，滿足對(duì)多種業(yè)務(wù)傳輸需求；在一定程度上降低了高動(dòng)態(tài)下網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓挠绊?，提高了協(xié)議的公平性與穩(wěn)定性，保證了高優(yōu)先級(jí)信息快速傳輸，提高了網(wǎng)絡(luò)的吞吐量。所設(shè)計(jì)的DP-TDMA算法可應(yīng)用在高動(dòng)態(tài)無(wú)人機(jī)群自組網(wǎng)場(chǎng)景中，為網(wǎng)絡(luò)時(shí)隙資源分配提供參考。

關(guān)鍵詞：無(wú)線通信技術(shù)；無(wú)人機(jī)自組網(wǎng)；TDMA；動(dòng)態(tài)優(yōu)先級(jí)；時(shí)隙分配；DP-TDMA

中圖分類號(hào)：TN929.5

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

DOI： 10.7535/hbgykj.2023yx02007

A TDMA slot scheduling strategy based on high dynamic unmanned aerial vehicle cluster

YANG Fan1， SUN Zhigang1， HAN Yanzhong2

（1.The 54th Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation （CETC）， Shijiazhuang， Hebei 050081，China; 2.The First Military Representative Office of Army Armament Department in Shijiazhuang， Shijiazhuang， Hebei 050000， China）

Abstract：In order to meet the demand of fast transmission of high priority services in highly dynamic UAV cluster ad hoc networks with frequent changes in network topology， a dynamic priority slot allocation algorithm based on TDMA protocol was proposed. According to the node priority level， a dynamic slot allocation algorithm for different service requirements was proposed under the TDMA protocol framework， and the bit of vector （BOV） indirect confirmation method was used to achieve node slot allocation; Through a multi-dimensional adjustment strategy， the node priority was determined by integrating multiple dimensions such as data priority， number of neighbor nodes， change rate of neighbor nodes， and waiting time， to balance the applications of different priority nodes for different number of timeslots; Finally， the scheduling strategy was validated through simulation experiments. The results show that the DP-TDMA can dynamically apply for and quickly allocate different numbers of traffic slots when the topology changes frequently， meeting the transmission requirements for multiple services; To a certain extent， it reduces the impact of network topology changes under high dynamic conditions， improves the fairness and stability of the protocol， ensures rapid transmission of high priority information， and improves network throughput. The DP-TDMA can be applied in highly dynamic UAV cluster ad hoc networks， providing a reference for network slot resource allocation.

Keywords：wireless communication technique; UANET; TDMA; dynamic priority; slot allocation; DP-TDMA

無(wú)人機(jī)自組網(wǎng)（UAV ad hoc network，UANET）作為飛行自組網(wǎng)（flyingad-hoc network， FANET）的一種應(yīng)用類型，是由多個(gè)無(wú)人機(jī)以自組織的形式所構(gòu)成的無(wú)中心分布式網(wǎng)絡(luò)

^［1-4］，需要具備極強(qiáng)的自組織、自配置和管理能力，以適應(yīng)通信任務(wù)的變化^［5］。同時(shí)高動(dòng)態(tài)無(wú)人機(jī)群自組網(wǎng)具有拓?fù)浞秶?、可靠性要求高、拓?fù)渥兓l繁等特點(diǎn)^［6］，基于信道訪問(wèn)機(jī)制的不同，現(xiàn)有無(wú)人機(jī)自組網(wǎng)MAC協(xié)議主要分為競(jìng)爭(zhēng)類、調(diào)度類和混合類3類^［7-8］。同時(shí)需要增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)靈活性，以確保緊急任務(wù)優(yōu)先執(zhí)行，因此有必要設(shè)計(jì)靈活高效的時(shí)隙分配算法保證高優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)穩(wěn)定快速傳輸^［9］。以CSMA/CA為代表的競(jìng)爭(zhēng)類MAC協(xié)議被廣泛應(yīng)用于無(wú)線局域網(wǎng)，但由于其退避機(jī)制和握手機(jī)制，在長(zhǎng)距離傳輸中性能會(huì)急劇下降^［10］。調(diào)度類MAC協(xié)議大多是基于時(shí)分多址（time division multiple access，TDMA）方式，可以確保時(shí)延的邊界值，能實(shí)現(xiàn)無(wú)沖突的分組傳輸^［11］，但固定分配的方式造成了信道資源的極大浪費(fèi)，因此基于TDMA的動(dòng)態(tài)時(shí)隙分配策略成為無(wú)人機(jī)自組網(wǎng)通信的研究熱點(diǎn)^［12］。

文獻(xiàn)［13］提出了一種面向報(bào)文流的混合時(shí)隙分配算法，通過(guò)將固定時(shí)隙分配與動(dòng)態(tài)時(shí)隙分配相結(jié)合來(lái)提高網(wǎng)絡(luò)效率，然而該算法復(fù)雜度較高，且無(wú)法及時(shí)根據(jù)拓?fù)渥兓M(jìn)行時(shí)隙分配調(diào)整，在網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分裂與融合時(shí)造成業(yè)務(wù)時(shí)隙的浪費(fèi)。文獻(xiàn)［14］提出了一種改進(jìn)的動(dòng)態(tài)時(shí)隙分配算法，通過(guò)調(diào)整節(jié)點(diǎn)優(yōu)先級(jí)來(lái)確定節(jié)點(diǎn)占用固定時(shí)隙或競(jìng)爭(zhēng)時(shí)隙，然而該算法的優(yōu)先級(jí)分配不夠靈活，隨著節(jié)點(diǎn)數(shù)量的提升只能通過(guò)降低高優(yōu)先級(jí)節(jié)點(diǎn)的級(jí)別來(lái)平衡節(jié)點(diǎn)數(shù)量，降低了高優(yōu)先級(jí)節(jié)點(diǎn)信息傳輸?shù)膶?shí)效性與時(shí)隙分配的公平性。文獻(xiàn)［15］提出了一種路徑級(jí)動(dòng)態(tài)時(shí)隙分配算法，在分配過(guò)程中利用一步回退與一次性預(yù)約多個(gè)時(shí)隙的方式提升瓶頸節(jié)點(diǎn)獲得時(shí)隙的數(shù)目，并根據(jù)超幀內(nèi)業(yè)務(wù)時(shí)隙數(shù)量進(jìn)行吞吐量分析，證實(shí)該算法在提高了端到端吞吐量的同時(shí)提高了時(shí)隙的有效利用率。

本文針對(duì)TDMA協(xié)議下高動(dòng)態(tài)自組網(wǎng)不同業(yè)務(wù)傳輸需求及目前TDMA時(shí)隙分配算法相對(duì)單一的問(wèn)題，在基于位向量（BOV）間接確認(rèn)法（BOV-TDMA）的基礎(chǔ)上，提出一種動(dòng)態(tài)優(yōu)先級(jí)時(shí)隙分配算法（DP-TDMA）。采用固定時(shí)隙分配與動(dòng)態(tài)時(shí)隙分配相結(jié)合的方式，在防止發(fā)生時(shí)隙饑餓現(xiàn)象的同時(shí)，通過(guò)多維度動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)優(yōu)先級(jí)確定時(shí)隙預(yù)約數(shù)量，一次性申請(qǐng)多個(gè)業(yè)務(wù)時(shí)隙，保證了時(shí)隙調(diào)度的優(yōu)先性，同時(shí)提高了網(wǎng)絡(luò)的吞吐量、公平性和穩(wěn)定性。

1 時(shí)幀結(jié)構(gòu)

無(wú)人機(jī)加電后，隨著節(jié)點(diǎn)發(fā)現(xiàn)、GSN選取、控制時(shí)隙分配過(guò)程建立網(wǎng)絡(luò)，GSN低級(jí)節(jié)點(diǎn)向高級(jí)節(jié)點(diǎn)同步，故考慮協(xié)議時(shí)幀結(jié)構(gòu)（如圖1所示）由控制幀和業(yè)務(wù)幀2部分組成，其中控制幀由64個(gè)控制時(shí)隙組成，業(yè)務(wù)幀由64個(gè)業(yè)務(wù)時(shí)隙組成，即全網(wǎng)最大支持64個(gè)節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)固定占有一個(gè)控制時(shí)隙，并具有唯一的MAC值，在完成控制時(shí)隙分配后，可根據(jù)控制時(shí)隙號(hào)獲取節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)ID，取值范圍為0～63。業(yè)務(wù)時(shí)隙用于業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的傳輸，在預(yù)分配時(shí)隙的基礎(chǔ)上根據(jù)各節(jié)點(diǎn)優(yōu)先級(jí)和帶寬需求動(dòng)態(tài)分配，當(dāng)節(jié)點(diǎn)收到時(shí)幀ID的控制時(shí)隙時(shí)開始進(jìn)行業(yè)務(wù)時(shí)隙分配過(guò)程。

1.1 控制時(shí)隙結(jié)構(gòu)

控制幀中每個(gè)控制時(shí)隙結(jié)構(gòu)如圖2所示，其主要負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)時(shí)鐘同步維護(hù)、沖突檢測(cè)、新節(jié)點(diǎn)的加入、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渚S護(hù)、時(shí)隙申請(qǐng)與分配、數(shù)據(jù)傳輸?shù)腁CK確認(rèn)等功能。其中，幀類型用于區(qū)分控制幀和業(yè)務(wù)幀，“1”標(biāo)識(shí)為控制幀，“0”為業(yè)務(wù)幀；優(yōu)先級(jí)字段表征該節(jié)點(diǎn)優(yōu)先級(jí)別，共分為5級(jí)；業(yè)務(wù)時(shí)隙申請(qǐng)BOV為1×64矢量，其中矢量中某位為“1”表示申請(qǐng)?jiān)摌I(yè)務(wù)時(shí)隙，否則，不申請(qǐng)；確認(rèn)BOV為申請(qǐng)BOV的回復(fù)，當(dāng)矢量中某位為“1”時(shí)表示該時(shí)隙存在申請(qǐng)沖突；為“0”，表示不沖突；占用BOV為本節(jié)點(diǎn)當(dāng)前時(shí)幀時(shí)隙占用矢量，為鄰居節(jié)點(diǎn)生成申請(qǐng)BOV提供參考。鄰居節(jié)點(diǎn)信息字段記錄該節(jié)點(diǎn)的鄰居信息與節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)ID，并維護(hù)鄰居節(jié)點(diǎn)表。

1.2 業(yè)務(wù)時(shí)隙結(jié)構(gòu)

業(yè)務(wù)時(shí)隙用于業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的傳輸，其結(jié)構(gòu)如圖3所示，其中傳輸信息字段由傳輸數(shù)據(jù)包的地址、優(yōu)先級(jí)以及凈荷長(zhǎng)度組成。地址字段標(biāo)識(shí)對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)包的發(fā)送、接收地址信息；優(yōu)先級(jí)字段表征該節(jié)點(diǎn)優(yōu)先級(jí)別，共分為5級(jí)；凈荷長(zhǎng)度字段表征數(shù)據(jù)包凈荷長(zhǎng)度。

2 動(dòng)態(tài)時(shí)隙分配策略

2.1 時(shí)隙分配策略

控制時(shí)隙分配采用初始競(jìng)爭(zhēng)，穩(wěn)定后固定占用方式；業(yè)務(wù)時(shí)隙分配綜合了固定分配算法與競(jìng)爭(zhēng)分配算法的優(yōu)勢(shì)，在固有時(shí)隙和預(yù)分配基礎(chǔ)上根據(jù)帶寬需求動(dòng)態(tài)分配，以保證高QoS需求業(yè)務(wù)傳輸。在高動(dòng)態(tài)無(wú)人機(jī)自組網(wǎng)場(chǎng)景中，節(jié)點(diǎn)移動(dòng)速度快，在三維空間中速度為30～460 km/h，通信鏈路會(huì)劇烈波動(dòng)，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓l繁，故提出BOV間接確認(rèn)算法（BOV-TDMA），通過(guò)申請(qǐng)BOV、回復(fù)BOV和占用BOV完成業(yè)務(wù)時(shí)隙分配，完整流程需要占用3個(gè)時(shí)幀，在第1個(gè)時(shí)幀完成預(yù)分配和申請(qǐng)，在第2個(gè)時(shí)幀完成回復(fù)接收，在第3個(gè)時(shí)幀進(jìn)行時(shí)隙占用，以保證無(wú)人機(jī)網(wǎng)絡(luò)在拓?fù)渥兓瘯r(shí)可以快速完成時(shí)隙分配，實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)快速穩(wěn)定傳輸。

2.1.1 控制時(shí)隙

控制時(shí)隙以及對(duì)應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)ID采用初始競(jìng)爭(zhēng)，穩(wěn)定后固定占用的策略，既可以滿足網(wǎng)絡(luò)組建的需要，又可以避免競(jìng)爭(zhēng)沖突和退避帶來(lái)的資源消耗，提高網(wǎng)絡(luò)響應(yīng)速度和性能。各節(jié)點(diǎn)時(shí)鐘同步、網(wǎng)絡(luò)ID申請(qǐng)完成后，控制時(shí)隙為固定占用，占用時(shí)隙即為本節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)ID對(duì)應(yīng)的時(shí)隙。

當(dāng)節(jié)點(diǎn)完成時(shí)鐘同步時(shí)，控制時(shí)隙分配過(guò)程進(jìn)入初始態(tài)，其分配流程如圖4所示，節(jié)點(diǎn)將通過(guò)控制時(shí)隙占用BOV記錄本節(jié)點(diǎn)與全網(wǎng)鄰居表中存在節(jié)點(diǎn)所占用的控制時(shí)隙；隨后隨機(jī)選擇未被占用的時(shí)隙發(fā)送控制時(shí)隙申請(qǐng)BOV，當(dāng)其他已入網(wǎng)節(jié)點(diǎn)時(shí)，若收到該信息則發(fā)送控制時(shí)隙回復(fù)BOV。若本節(jié)點(diǎn)收到回復(fù)BOV且此時(shí)隙可占用，則占用申請(qǐng)的時(shí)隙；若本節(jié)點(diǎn)收到回復(fù)BOV且不可占用，則隨機(jī)申請(qǐng)其他未被占用時(shí)隙；若本節(jié)點(diǎn)未收到回復(fù)BOV，則繼續(xù)發(fā)送控制時(shí)隙申請(qǐng)BOV，直到最大申請(qǐng)次數(shù)達(dá)到3為止，若還未收到回復(fù)BOV則占用該時(shí)隙。

2.1.2 業(yè)務(wù)時(shí)隙

當(dāng)節(jié)點(diǎn)收到有效控制信令，且本地存在有效鄰居信息時(shí)，開始進(jìn)行業(yè)務(wù)時(shí)隙分配。完整分配流程由3步構(gòu)成，分別為預(yù)分配和申請(qǐng)、回復(fù)接收、時(shí)隙占用，由控制時(shí)隙中的業(yè)務(wù)時(shí)隙申請(qǐng)字段實(shí)現(xiàn)，一次業(yè)務(wù)時(shí)隙分配過(guò)程需要3個(gè)時(shí)幀。

每個(gè)節(jié)點(diǎn)在入網(wǎng)后即占用本節(jié)點(diǎn)ID相應(yīng)的業(yè)務(wù)時(shí)隙，即固定時(shí)隙，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浒l(fā)生變化時(shí)，該時(shí)隙不會(huì)發(fā)生改變，從而保證低時(shí)延業(yè)務(wù)正常進(jìn)行，其余時(shí)隙通過(guò)動(dòng)態(tài)分配獲取?？紤]網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性及實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度，采用根據(jù)節(jié)點(diǎn)數(shù)目進(jìn)行預(yù)分配的方案。假設(shè)網(wǎng)內(nèi)目前節(jié)點(diǎn)數(shù)目為n，則網(wǎng)絡(luò)ID最小的節(jié)點(diǎn)占用的第i個(gè)時(shí)隙為（i×n）%64，其余節(jié)點(diǎn)按照網(wǎng)絡(luò)ID的大小，對(duì)非固定時(shí)隙進(jìn)行預(yù)分配。

1）業(yè)務(wù)時(shí)隙申請(qǐng)BOV

時(shí)隙分配中可用于申請(qǐng)的時(shí)隙分為2個(gè)部分，本節(jié)點(diǎn)的預(yù)分配時(shí)隙和其余節(jié)點(diǎn)預(yù)分配時(shí)隙中因業(yè)務(wù)需求較少而未申請(qǐng)使用的預(yù)分配時(shí)隙。其中，本節(jié)點(diǎn)的預(yù)分配時(shí)隙可全部用于申請(qǐng)，其余未被鄰居節(jié)點(diǎn)申請(qǐng)的時(shí)隙可進(jìn)行隨機(jī)申請(qǐng)。節(jié)點(diǎn)在生成申請(qǐng)BOV時(shí)，除兩跳鄰居節(jié)點(diǎn)的固定時(shí)隙外，還需將當(dāng)前時(shí)刻鄰居節(jié)點(diǎn)已申請(qǐng)的時(shí)隙刪除。設(shè)節(jié)點(diǎn)i有n個(gè)兩跳鄰居節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)i收到n個(gè)申請(qǐng)BOV（如圖5所示），可構(gòu)成如表1所示n行64列BOV矩陣。矩陣第n行對(duì)應(yīng)網(wǎng)絡(luò)ID為n的節(jié)點(diǎn)時(shí)隙申

請(qǐng)BOV，第k列對(duì)應(yīng)各節(jié)點(diǎn)申請(qǐng)時(shí)隙k的情況，x（n，k）取值為{0，1}，x（n，k）=1表示節(jié)點(diǎn)n申請(qǐng)了時(shí)隙k，x（n，k）=0表示節(jié)點(diǎn)n沒(méi)有申請(qǐng)時(shí)隙k。

2）業(yè)務(wù)時(shí)隙回復(fù)BOV

各節(jié)點(diǎn)根據(jù)收到的時(shí)隙申請(qǐng)BOV矩陣，先計(jì)算出所有申請(qǐng)時(shí)隙，隨后計(jì)算出沖突時(shí)隙，最后將申請(qǐng)時(shí)隙刪除沖突時(shí)隙與本節(jié)點(diǎn)當(dāng)前占用時(shí)隙作為時(shí)隙回復(fù)BOV。設(shè)yk為時(shí)隙分配回復(fù)BOV第k位的值，則有：

yk=1表示k時(shí)隙存在申請(qǐng)沖突；yk=0表示k時(shí)隙不存在申請(qǐng)沖突。

3）業(yè)務(wù)時(shí)隙占用BOV

節(jié)點(diǎn)根據(jù)鄰居節(jié)點(diǎn)回復(fù)BOV和上一時(shí)幀本節(jié)點(diǎn)時(shí)隙申請(qǐng)BOV，生成當(dāng)前時(shí)幀本節(jié)點(diǎn)時(shí)隙占用BOV，對(duì)應(yīng)位為1表示占用該時(shí)隙，否則不占用，并在對(duì)應(yīng)占用時(shí)隙傳輸數(shù)據(jù)。

2.2 基于優(yōu)先級(jí)的時(shí)隙分配策略

在BOV-TDMA中，網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)方式無(wú)中心節(jié)點(diǎn)，各個(gè)節(jié)點(diǎn)均能夠平均地得到時(shí)隙，但當(dāng)節(jié)點(diǎn)數(shù)量增大時(shí)，各個(gè)節(jié)點(diǎn)獲得的平均帶寬將受限，其QoS性能表現(xiàn)受限。為了適應(yīng)圖像、視頻等高傳輸速率、高業(yè)務(wù)優(yōu)先級(jí)的功能，將BOV-TDMA改進(jìn)為可以一次性申請(qǐng)多個(gè)時(shí)隙的優(yōu)先級(jí)時(shí)隙分配算法（FP-TDMA），可動(dòng)態(tài)地調(diào)整節(jié)點(diǎn)的接入時(shí)隙，高等級(jí)業(yè)務(wù)節(jié)點(diǎn)優(yōu)先預(yù)約“空閑時(shí)隙”，克服了MANET網(wǎng)絡(luò)中單個(gè)節(jié)點(diǎn)信道資源受限的缺點(diǎn)，支持高QoS等級(jí)業(yè)務(wù)傳輸，提高端到端的傳輸速率。申請(qǐng)?jiān)瓌t如下：

1）所有節(jié)點(diǎn)固定占用的業(yè)務(wù)時(shí)隙不能申請(qǐng)；

2）節(jié)點(diǎn)兩跳范圍內(nèi)已經(jīng)被占用的業(yè)務(wù)時(shí)隙不能申請(qǐng)；

3）低優(yōu)先級(jí)節(jié)點(diǎn)生成申請(qǐng)BOV時(shí)，自動(dòng)去除相同優(yōu)先級(jí)以上鄰居節(jié)點(diǎn)已申請(qǐng)的業(yè)務(wù)時(shí)隙；

4）低優(yōu)先級(jí)節(jié)點(diǎn)與高優(yōu)先級(jí)節(jié)點(diǎn)申請(qǐng)同一業(yè)務(wù)時(shí)隙時(shí)，低優(yōu)先級(jí)節(jié)點(diǎn)退讓該業(yè)務(wù)時(shí)隙；

5）節(jié)點(diǎn)可一次性申請(qǐng)n=2^Proi-1個(gè)業(yè)務(wù)時(shí)隙，其中Proi為節(jié)點(diǎn)的優(yōu)先級(jí)，分為1～5級(jí)。

第1條申請(qǐng)?jiān)瓌t避免低優(yōu)先級(jí)節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)時(shí)隙饑餓現(xiàn)象，確保每個(gè)節(jié)點(diǎn)有固定占用的時(shí)隙；第2條用來(lái)避免節(jié)點(diǎn)發(fā)起無(wú)意義的時(shí)隙申請(qǐng)；第3條和第4條原則是在減小申請(qǐng)沖突的前提下，保證高優(yōu)先級(jí)節(jié)點(diǎn)獲取信道資源的能力；第5條原則是對(duì)BOV-TDMA的改進(jìn)，通過(guò)一次性申請(qǐng)多個(gè)時(shí)隙的方式，快速占用業(yè)務(wù)時(shí)隙，降低節(jié)點(diǎn)的等待時(shí)延，提高吞吐量。

2.3 多維度動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)節(jié)點(diǎn)優(yōu)先級(jí)策略

在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)時(shí)隙調(diào)度中，業(yè)務(wù)優(yōu)先級(jí)由傳輸業(yè)務(wù)的QoS需求與業(yè)務(wù)傳輸緊急度決定，對(duì)于業(yè)務(wù)優(yōu)先級(jí)相同的節(jié)點(diǎn)，若僅根據(jù)節(jié)點(diǎn)信息重要程度確定節(jié)點(diǎn)優(yōu)先級(jí)，將導(dǎo)致時(shí)隙申請(qǐng)數(shù)較大、業(yè)務(wù)優(yōu)先級(jí)較高的節(jié)點(diǎn)長(zhǎng)期占用信道資源，使業(yè)務(wù)優(yōu)先級(jí)較低的節(jié)點(diǎn)無(wú)法成功申請(qǐng)業(yè)務(wù)時(shí)隙，影響協(xié)議的公平性；同時(shí)，在無(wú)人機(jī)自組網(wǎng)場(chǎng)景中，僅根據(jù)節(jié)點(diǎn)業(yè)務(wù)優(yōu)先級(jí)決定節(jié)點(diǎn)優(yōu)先級(jí)，會(huì)使時(shí)隙調(diào)度策略顯得過(guò)于單一?；谝陨显颍贔P-TDMA的基礎(chǔ)上，提出動(dòng)態(tài)優(yōu)先級(jí)時(shí)隙分配算法（DP-TDMA）。該算法的核心思想：有效地結(jié)合節(jié)點(diǎn)的業(yè)務(wù)優(yōu)先級(jí)、鄰居節(jié)點(diǎn)數(shù)量、鄰居節(jié)點(diǎn)變化率和等待時(shí)間多維度量來(lái)動(dòng)態(tài)確定節(jié)點(diǎn)的優(yōu)先級(jí)，從而應(yīng)對(duì)高動(dòng)態(tài)下頻繁拓?fù)渥兓瘞?lái)的影響，降低等待時(shí)延，保證時(shí)隙調(diào)度的時(shí)延性、穩(wěn)定性和公平性，操作過(guò)程如圖6所示，詳細(xì)步驟如下。

Step1 根據(jù)控制時(shí)隙中鄰居節(jié)點(diǎn)信息，計(jì)算節(jié)點(diǎn)i的鄰居節(jié)點(diǎn)數(shù)量NBi。節(jié)點(diǎn)在控制幀中，根據(jù)接收到的一跳鄰居節(jié)點(diǎn)的鄰居信息生成一跳鄰居信息矢量，并同步維護(hù)本地鄰居節(jié)點(diǎn)表和鏈路狀態(tài)表，提取鄰居節(jié)點(diǎn)數(shù)量與對(duì)應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)ID，構(gòu)建全網(wǎng)拓?fù)?。根?jù)鄰居節(jié)點(diǎn)表和申請(qǐng)BOV可知每個(gè)節(jié)點(diǎn)的鄰居節(jié)點(diǎn)數(shù)量和各節(jié)點(diǎn)的時(shí)隙需求。在計(jì)算節(jié)點(diǎn)優(yōu)先級(jí)的過(guò)程中，考慮節(jié)點(diǎn)i的鄰居節(jié)點(diǎn)數(shù)量NBi，提高鄰居節(jié)點(diǎn)數(shù)較大節(jié)點(diǎn)的優(yōu)先級(jí)，使這些節(jié)點(diǎn)獲得更低的端到端時(shí)延，從而降低整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的平均時(shí)延，提高網(wǎng)絡(luò)吞吐量。

Step2 計(jì)算節(jié)點(diǎn)i的鄰居節(jié)點(diǎn)變化率。節(jié)點(diǎn)記錄每幀收到控制幀的時(shí)間t，假設(shè)一節(jié)點(diǎn)在某一幀收到控制幀的時(shí)間為

ti1，下一幀的時(shí)間為ti2。在ti1時(shí)刻，節(jié)點(diǎn)i的鄰居集合為S（ti1）；在ti2時(shí)刻，節(jié)點(diǎn)i的鄰居集合為S（ti2），

則在ti1到ti2的時(shí)間間隔內(nèi)，節(jié)點(diǎn)i的鄰居節(jié)點(diǎn)變化率NCRi可以表示為

節(jié)點(diǎn)i的鄰居節(jié)點(diǎn)變化率NCRi可以反映節(jié)點(diǎn)拓?fù)涞姆€(wěn)定狀況，若NCRi越小，則節(jié)點(diǎn)i的拓?fù)湓椒€(wěn)定；否則，表明節(jié)點(diǎn)i的拓?fù)湓讲环€(wěn)定。在計(jì)算節(jié)點(diǎn)優(yōu)先級(jí)的過(guò)程中，提高鄰居節(jié)點(diǎn)變化率NCR較大節(jié)點(diǎn)的優(yōu)先級(jí)，能夠減少節(jié)點(diǎn)傳輸數(shù)據(jù)時(shí)的不穩(wěn)定因素，降低網(wǎng)絡(luò)丟包率。

Step3 計(jì)算節(jié)點(diǎn)i的等待時(shí)間t^waiti。在節(jié)點(diǎn)未收到新的允許占用時(shí)隙回復(fù)BOV之前，本地保存上一幀的占用BOV，若節(jié)點(diǎn)i在多個(gè)時(shí)幀內(nèi)未成功申請(qǐng)時(shí)隙，則節(jié)點(diǎn)i的等待時(shí)間為t^waiti。在計(jì)算節(jié)點(diǎn)優(yōu)先級(jí)的過(guò)程中，考慮節(jié)點(diǎn)i的等待時(shí)間t^waiti能保證節(jié)點(diǎn)時(shí)隙調(diào)度的公平性，若節(jié)點(diǎn)i在多個(gè)時(shí)幀中優(yōu)先級(jí)較小導(dǎo)致其調(diào)度順序比較靠后，則其等待時(shí)間t^waiti的值較大，在本幀進(jìn)行調(diào)度時(shí)根據(jù)t^waiti值提升其優(yōu)先級(jí)，從而能夠保證網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點(diǎn)調(diào)度的公平性。

Step4 計(jì)算各節(jié)點(diǎn)的綜合優(yōu)先級(jí)Proei。如式（1）所示：

Proei=Pro（NBi）+Pro（NCRi）+Pro（t^waiti），（1）

式中：NBi為節(jié)點(diǎn)i的鄰居節(jié)點(diǎn)數(shù)量；NCRi為節(jié)點(diǎn)i的鄰居節(jié)點(diǎn)變化率；t^waiti為節(jié)點(diǎn)i的等待時(shí)間。當(dāng)節(jié)點(diǎn)i的NBi值大于所有節(jié)點(diǎn)的平均值NB時(shí)，Pro（NBi）取1，否則為0；當(dāng)NCRi值大于0.5時(shí)，Pro（NCRi）取1，否則為0；設(shè)一個(gè)時(shí)幀的長(zhǎng)度為T，當(dāng)t^waiti≥3T時(shí)，Pro（t^waiti）取1，否則為0。

Step5 根據(jù)各節(jié)點(diǎn)的業(yè)務(wù)優(yōu)先級(jí)和綜合優(yōu)先級(jí)，計(jì)算所有節(jié)點(diǎn)的優(yōu)先級(jí)Proi，并按照優(yōu)先級(jí)申請(qǐng)相應(yīng)數(shù)量的業(yè)務(wù)時(shí)隙，

Proi如式（2）所示：

Proi=Prodi+Proei ，（2）

式中：Prodi為節(jié)點(diǎn)i的業(yè)務(wù)優(yōu)先級(jí)，分為5級(jí)，可取1～5，由傳輸業(yè)務(wù)的QoS需求與業(yè)務(wù)傳輸緊急度決定；Proi的最大取值為5。

節(jié)點(diǎn)i的業(yè)務(wù)優(yōu)先級(jí)Prodi和綜合優(yōu)先級(jí)Proei值越大，其業(yè)務(wù)時(shí)隙分配越靠前，可同時(shí)申請(qǐng)的時(shí)隙越多，這樣既保證了節(jié)點(diǎn)調(diào)度的優(yōu)先性，同時(shí)也保證了各節(jié)點(diǎn)調(diào)度的公平性、時(shí)延性和穩(wěn)定性。

3 仿真分析

在隨機(jī)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湎聦?duì)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)動(dòng)態(tài)優(yōu)先級(jí)和吞吐量進(jìn)行仿真分析，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在二維空間中隨機(jī)生成，如圖7所示。各個(gè)隨機(jī)分布的節(jié)點(diǎn)能夠最大程度地反映拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的不規(guī)則性，主要仿真參數(shù)如表2所示。為了模擬節(jié)點(diǎn)高速移動(dòng)下短時(shí)間內(nèi)拓?fù)渥兓?，仿真中將?jié)點(diǎn)8由圖7位置隨機(jī)移動(dòng)至圖8所示位置。

引入公平指數(shù)（fairness index，F(xiàn)I）^［16］如式（3）所示：

式中：Ti為節(jié)點(diǎn)i的吞吐量；wi為節(jié)點(diǎn)i對(duì)應(yīng)的優(yōu)先級(jí)；N為網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的數(shù)量；FI值介于1與1/N之間，當(dāng)FI=1時(shí)各節(jié)點(diǎn)單位優(yōu)先級(jí)上分配的帶寬相等，此時(shí)公平性最好，反之當(dāng)FI=1/N時(shí)公平性最差，在隨機(jī)生成網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湎聦?duì)吞吐量和公平指數(shù)FI進(jìn)行多次仿真后取平均值。

3.1 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓治?/p>

在高動(dòng)態(tài)無(wú)人機(jī)自組網(wǎng)場(chǎng)景中，對(duì)節(jié)點(diǎn)8移動(dòng)進(jìn)行時(shí)隙分配仿真，短時(shí)間內(nèi)鄰居節(jié)點(diǎn)由節(jié)點(diǎn)10，12變?yōu)楣?jié)點(diǎn)14，2，9，5，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浒l(fā)生變化。節(jié)點(diǎn)8暫時(shí)退網(wǎng)后，釋放所占用的固定時(shí)隙，節(jié)點(diǎn)10，12，7，11重新計(jì)算預(yù)分配時(shí)隙，不會(huì)存在時(shí)隙沖突，待退網(wǎng)后第3個(gè)時(shí)幀完成新的業(yè)務(wù)時(shí)隙分配；節(jié)點(diǎn)8重新入網(wǎng)時(shí)，時(shí)隙占用情況如表3所示。

節(jié)點(diǎn)8入網(wǎng)后立即占用其ID相應(yīng)的固定時(shí)隙，因此可能存在時(shí)隙的沖突。第1幀中節(jié)點(diǎn)8計(jì)算回復(fù)BOV時(shí)會(huì)去掉自己當(dāng)前占用時(shí)隙，原有4個(gè)節(jié)點(diǎn)在第2幀計(jì)算占用BOV時(shí)無(wú)法占用時(shí)隙8，因此時(shí)隙8不再存在沖突。在節(jié)點(diǎn)8入網(wǎng)后的第3個(gè)時(shí)幀完成業(yè)務(wù)時(shí)隙預(yù)分配，在拓?fù)渥兓瘯r(shí)依然可以快速完成時(shí)隙分配，實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)快速穩(wěn)定傳輸，時(shí)隙分配結(jié)果如表4所示。

3.2 動(dòng)態(tài)優(yōu)先級(jí)分析

DP-TDMA采用BOV間接確認(rèn)算法，節(jié)點(diǎn)在申請(qǐng)BOV中可一次性連續(xù)預(yù)約多個(gè)業(yè)務(wù)時(shí)隙，業(yè)務(wù)時(shí)隙數(shù)與優(yōu)先級(jí)n之間的函數(shù)關(guān)系式表示為

設(shè)節(jié)點(diǎn)當(dāng)前需要傳輸數(shù)據(jù)總量為D，當(dāng)前的傳輸帶寬為Vc，每個(gè)業(yè)務(wù)時(shí)隙的長(zhǎng)度為tslot，則節(jié)點(diǎn)完成其當(dāng)前業(yè)務(wù)信息傳輸所需的時(shí)隙總數(shù)S可以表示為

在傳統(tǒng)的動(dòng)態(tài)分布式TDMA時(shí)隙分配算法中，節(jié)點(diǎn)在每個(gè)控制幀內(nèi)一次只能申請(qǐng)一個(gè)時(shí)隙。由此可得超幀中數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間為

式中：K1為傳統(tǒng)動(dòng)態(tài)分布式TDMA節(jié)點(diǎn)每幀中業(yè)務(wù)時(shí)隙數(shù)的集合；t1tran為超幀中傳輸數(shù)據(jù)時(shí)間。設(shè)DP-TDMA中對(duì)應(yīng)變量為K2，t2tran，則有：

可以看到，采用DP-TDMA后高優(yōu)先級(jí)節(jié)點(diǎn)在每個(gè)超幀內(nèi)可以使用的業(yè)務(wù)時(shí)隙數(shù)目增多。該時(shí)隙調(diào)度算法減少了節(jié)點(diǎn)申請(qǐng)業(yè)務(wù)時(shí)隙時(shí)不必要的等待時(shí)延，提高了數(shù)據(jù)吞吐量，同時(shí)增強(qiáng)了高優(yōu)先級(jí)信息傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性。

網(wǎng)絡(luò)建立時(shí)，各節(jié)點(diǎn)讀取不同待發(fā)送信息的業(yè)務(wù)優(yōu)先級(jí)，并取各節(jié)點(diǎn)Prodi值如表5所示。在節(jié)點(diǎn)偵聽(tīng)1個(gè)時(shí)幀后，可獲得鄰居節(jié)點(diǎn)信息與時(shí)隙占用情況，節(jié)點(diǎn)根據(jù)鄰居節(jié)點(diǎn)數(shù)量計(jì)算Pro（NBi）調(diào)整自身優(yōu)先級(jí)如表6所示；數(shù)據(jù)傳輸3個(gè)時(shí)幀后，節(jié)點(diǎn)9在時(shí)隙沖突中由于最低優(yōu)先級(jí)未成功占用時(shí)隙，節(jié)點(diǎn)計(jì)算Pro（t^waiti）調(diào)整優(yōu)先級(jí)為表7所示；3個(gè)時(shí)幀后節(jié)點(diǎn)9更新占用BOV后重新調(diào)整為表4。第10個(gè)時(shí)幀節(jié)點(diǎn)8暫時(shí)退網(wǎng)，鄰居節(jié)點(diǎn)10，12計(jì)算Pro（NCRi）并調(diào)整自身優(yōu)先級(jí)，節(jié)點(diǎn)9，10，11，12優(yōu)先級(jí)動(dòng)態(tài)調(diào)整過(guò)程如圖9所示。

3.3 吞吐量分析

隨機(jī)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湎拢?種協(xié)議吞吐量在發(fā)包速率較低時(shí)，因固定占用業(yè)務(wù)時(shí)隙，后續(xù)隨著發(fā)包速率提高而均勻增加；動(dòng)態(tài)時(shí)隙分配TDMA協(xié)議能夠?qū)崿F(xiàn)時(shí)隙復(fù)用，因此其吞吐量要遠(yuǎn)高于固定時(shí)隙分配TDMA協(xié)議，3種協(xié)議網(wǎng)絡(luò)吞吐量如圖10所示。DP-TDMA在時(shí)隙分配中可一次性連續(xù)預(yù)約多個(gè)業(yè)務(wù)時(shí)隙，其節(jié)點(diǎn)在固定超幀可傳輸業(yè)務(wù)時(shí)隙略高于BOV-TDMA協(xié)議；當(dāng)時(shí)隙沖突發(fā)生時(shí)，DP-TDMA高優(yōu)先級(jí)節(jié)點(diǎn)不需重新申請(qǐng)可直接占用業(yè)務(wù)時(shí)隙。對(duì)比得出DP-TDMA相較于BOV-TDMA吞吐量略高，優(yōu)先高速傳輸重要信息的同時(shí)，提高吞吐量。

由表5可知節(jié)點(diǎn)2，3，4優(yōu)先級(jí)分別為3，4，2。3個(gè)節(jié)點(diǎn)的吞吐量如圖11所示。節(jié)點(diǎn)優(yōu)先級(jí)每提高一級(jí)可大幅提高其吞吐量與業(yè)務(wù)時(shí)隙爭(zhēng)搶能力，保證高重要度信息快速傳輸；同時(shí)綜合鄰居節(jié)點(diǎn)數(shù)量、鄰居變化率和等待時(shí)間等因素，利用優(yōu)先級(jí)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)各節(jié)點(diǎn)優(yōu)先級(jí)，來(lái)提高網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性。

3.4 公平性分析

不同時(shí)隙調(diào)度策略在隨機(jī)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湎鹿街笖?shù)對(duì)比結(jié)果如圖12所示。傳統(tǒng)TDMA協(xié)議中，節(jié)點(diǎn)均勻分配業(yè)務(wù)時(shí)隙，因此其公平指數(shù)并不會(huì)因發(fā)包速率而改變，F(xiàn)I=1，即處于最公平的狀態(tài)。FP-TDMA與DP-TDMA在發(fā)包速率較低時(shí)為1，隨著動(dòng)態(tài)時(shí)隙分配過(guò)程開始下降，到達(dá)一定程度時(shí)保持不變。由于多維度動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)節(jié)點(diǎn)優(yōu)先級(jí)機(jī)制的存在，DP-TDMA公平指數(shù)高于FP-TDMA，在保證高重要度信息優(yōu)先快速傳輸?shù)耐瑫r(shí)，提高了公平性。

4 結(jié) 語(yǔ)

針對(duì)高動(dòng)態(tài)無(wú)人機(jī)群不同優(yōu)先級(jí)數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)男枨笈c網(wǎng)絡(luò)拓?fù)漕l繁變化的特點(diǎn)，提出了基于BOV-TDMA的動(dòng)態(tài)優(yōu)先級(jí)時(shí)隙分配算法（DP-TDMA）。仿真結(jié)果表明DP-TDMA吞吐量要高于BOV-TDMA與傳統(tǒng)TDMA，并通過(guò)動(dòng)態(tài)優(yōu)先級(jí)調(diào)整策略，在網(wǎng)絡(luò)拓?fù)漕l繁變化下，依然可以快速分配時(shí)隙，保證高重要度信息優(yōu)先快速傳輸，提高了網(wǎng)絡(luò)的吞吐量，增加了數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓叫耘c穩(wěn)定性。

本文僅考慮了適用于高動(dòng)態(tài)無(wú)人機(jī)群的時(shí)隙分配算法，若能將其與拓?fù)淇刂啤⑼剿惴ㄏ嘟Y(jié)合，則能進(jìn)一步提高無(wú)人機(jī)自組網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)性能，這也是后續(xù)工作的研究?jī)?nèi)容。

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