劉煒倫， 張衡陽， 鄭博， 高維廷

(空軍工程大學(xué) 信息與導(dǎo)航學(xué)院， 陜西 西安 710077)

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(gè)無人機(jī)在執(zhí)行任務(wù)時(shí)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)。因此，研究者們提出了解決這些問題的方式——蜂群無人機(jī)自組網(wǎng)，也稱飛行自組網(wǎng)(FANETs)[1-3]。蜂群無人機(jī)自組網(wǎng)是由一定空域內(nèi)的大量無人機(jī)互聯(lián)互通，并通過無線信道組成分布式、無中心信息的傳輸網(wǎng)絡(luò)，具有部署迅速、自組織、強(qiáng)自愈性等特點(diǎn)。它的出現(xiàn)增強(qiáng)了多無人機(jī)系統(tǒng)協(xié)同偵察、協(xié)同決策、協(xié)同打擊的能力，為滿足未來多無人機(jī)系統(tǒng)中大量節(jié)點(diǎn)帶來的大批量數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)傳輸，以及指揮控制指令的實(shí)時(shí)送達(dá)提供了一種新的解決思路，使其在軍、民蜂群無人機(jī)領(lǐng)域有著極大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

多無人機(jī)系統(tǒng)在執(zhí)行不同任務(wù)時(shí)所傳輸?shù)男畔⒉煌琜4-5]，例如在面向時(shí)延敏感目標(biāo)打擊的應(yīng)用場景中，需對(duì)機(jī)動(dòng)性強(qiáng)并具有很短“時(shí)間打擊窗口”的時(shí)延敏感目標(biāo)實(shí)現(xiàn)精確打擊。因此，無人機(jī)發(fā)送的控制指令必須滿足低時(shí)延(小于2 ms)的需求，同時(shí)該類信息必須保證較高的一次接入成功概率(大于99%)[6]，而對(duì)于語音、圖片、視頻等態(tài)勢信息則需要保障其較高的吞吐量和時(shí)效性需求。在無人機(jī)節(jié)點(diǎn)相距較遠(yuǎn)、無線鏈路不佳的情況下，不但需要更多的通信資源傳輸控制信息，并且多路訪問控制(MAC)協(xié)議的設(shè)計(jì)需對(duì)不同類型業(yè)務(wù)提供相應(yīng)的服務(wù)質(zhì)量(QoS)支持。MAC協(xié)議作為數(shù)據(jù)鏈路層的核心機(jī)制，是蜂群無人機(jī)自組網(wǎng)協(xié)議棧的重要組成部分，其設(shè)計(jì)的優(yōu)劣直接影響系統(tǒng)吞吐量、信息傳輸成功率和時(shí)延等性能。因此，針對(duì)蜂群無人機(jī)自組網(wǎng)開展MAC協(xié)議研究，是其實(shí)際應(yīng)用和快速發(fā)展的重點(diǎn)問題。

目前國內(nèi)外關(guān)于蜂群無人機(jī)自組網(wǎng)MAC協(xié)議的研究相對(duì)較少，但可借鑒航空自組網(wǎng)的相關(guān)研究，按照節(jié)點(diǎn)對(duì)信道資源的不同占用方式，將其MAC協(xié)議劃分為3類：1)以時(shí)分多址(TDMA)及其改進(jìn)型為代表的時(shí)隙分配類協(xié)議[7-8]，具有傳輸成功率高、系統(tǒng)吞吐量大和可動(dòng)態(tài)調(diào)整等特點(diǎn)，但時(shí)延一般在秒級(jí)，難以滿足時(shí)延敏感信息毫秒級(jí)的軍事需求；2)以IEEE 802.11 DCF及其改進(jìn)型為代表的預(yù)約競爭類協(xié)議[9-10]，采用請(qǐng)求發(fā)送/清除發(fā)送(RTS/CTS)交互機(jī)制預(yù)約競爭時(shí)隙，對(duì)于大尺度稀疏分布的蜂群無人機(jī)自組網(wǎng)，控制幀的交互將對(duì)信息時(shí)效性帶來嚴(yán)重影響；3)以ALOHA及其改進(jìn)型為代表的隨機(jī)競爭類協(xié)議[11-12]，則可以大大降低接入時(shí)延，例如，美軍戰(zhàn)術(shù)目標(biāo)瞄準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)(TTNT)采用的多信道隨機(jī)競爭類MAC (SPMA)協(xié)議[4，13]，利用多信道、糾錯(cuò)編碼、信道忙閑預(yù)測等機(jī)制，可將100 n mile內(nèi)的信息時(shí)延降至2 ms內(nèi)，最高優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)一次接入成功概率達(dá)到99%，但其技術(shù)相對(duì)保密；文獻(xiàn)[14]針對(duì)航空網(wǎng)絡(luò)的高動(dòng)態(tài)特性和高優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)的QoS需求，提出一種無反饋MAC協(xié)議，給出了閾值設(shè)置方法，明顯降低了分組接入時(shí)延，但協(xié)議只設(shè)置兩個(gè)優(yōu)先級(jí)，難以對(duì)多優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)的不同QoS傳輸需求進(jìn)行有效支撐；文獻(xiàn)[15]提出一種區(qū)分優(yōu)先級(jí)自適應(yīng)抖動(dòng)MAC(PAJ-MAC)協(xié)議，通過引入各優(yōu)先級(jí)的最大抖動(dòng)階段和抖動(dòng)階段轉(zhuǎn)移概率自適應(yīng)因子，使協(xié)議具備區(qū)分服務(wù)和負(fù)載自適應(yīng)能力，但無法保障最高優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)一次接收成功率在99%以上和接入時(shí)延低于2 ms的QoS需求；文獻(xiàn)[16]提出一種基于傳輸時(shí)隙分配和即時(shí)訪問的混合MAC協(xié)議，采用跳頻跳時(shí)等機(jī)制，能夠保證航空自組網(wǎng)中不同類型業(yè)務(wù)的QoS需求，但在輕負(fù)載時(shí)，該協(xié)議對(duì)低優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)的保障能力較差。

本文提出一種支持混合業(yè)務(wù)傳輸?shù)拿劫|(zhì)接入控制協(xié)議(MPS-MAC)協(xié)議。協(xié)議采用兩種信道接入策略：1) 最高優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)具有嚴(yán)格的時(shí)效性與可靠性需求，采用多信道隨機(jī)接入策略快速接入網(wǎng)絡(luò)；2) 其余優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)采用多信道忙閑接入策略，根據(jù)信道占用度和閾值對(duì)未超時(shí)分組的接入權(quán)限實(shí)時(shí)控制。對(duì)接入失敗的分組采用基于信道忙閑感知的多優(yōu)先級(jí)退避算法，并根據(jù)優(yōu)先級(jí)類別和信道忙閑程度自適應(yīng)調(diào)整各自的競爭窗口長度，為多優(yōu)先業(yè)務(wù)提供了QoS保障。仿真結(jié)果表明，該協(xié)議實(shí)現(xiàn)了多優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)并行傳輸，可以為最高優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)提供嚴(yán)格的時(shí)效性(<2 ms)和可靠性(>99%)保障，且能在重負(fù)載下提供穩(wěn)定的系統(tǒng)吞吐量(>10 Mbit/s)。

1 協(xié)議原理

本文提出的MPS-MAC協(xié)議根據(jù)混合業(yè)務(wù)的不同QoS需求，制定了不同的信道接入策略，可為多種業(yè)務(wù)類型提供區(qū)分服務(wù)，協(xié)議組成原理如圖1所示，各模塊功能描述如下：

1) 編碼：對(duì)上層到達(dá)的所有分組均采用RS-Turbo級(jí)聯(lián)的糾錯(cuò)編碼[17-18]，并拆分為長度相等的突發(fā)包，使接入信道的分組具備一定的容錯(cuò)能力。

2) 排隊(duì)過程：分組到達(dá)后按照各自優(yōu)先級(jí)分別排隊(duì)，且高優(yōu)先級(jí)分組較低優(yōu)先級(jí)分組具有搶占優(yōu)先權(quán)。

3) 多信道隨機(jī)接入：最高優(yōu)先級(jí)(即優(yōu)先級(jí)1)業(yè)務(wù)具有嚴(yán)格的時(shí)效性與可靠性需求，不需對(duì)其進(jìn)行接入控制，分組到達(dá)后隨機(jī)選擇一條信道接入網(wǎng)絡(luò)。

4) 超時(shí)機(jī)制：為保證分組時(shí)效性，對(duì)各優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)設(shè)置不同的生命周期。對(duì)于優(yōu)先級(jí)i(i≥2) 分組，接入信道前需檢測是否超時(shí)，若超時(shí)則丟棄分組；否則分組執(zhí)行多信道忙閑接入策略。

5) 多信道忙閑接入：通過比較各條信道的占用度和優(yōu)先級(jí)閾值的關(guān)系，決定優(yōu)先級(jí)i(i≥2)分組能否接入信道。當(dāng)至少有一條信道的占用度小于閾值時(shí)，分組在允許接入的信道中隨機(jī)選擇一條接入網(wǎng)絡(luò)；當(dāng)所有信道的占用度皆大于其優(yōu)先級(jí)閾值時(shí)，分組不能接入信道，并執(zhí)行退避機(jī)制。

6) 退避機(jī)制：采用基于信道忙閑感知的多優(yōu)先級(jí)退避算法，各優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)根據(jù)信道忙閑程度，自適應(yīng)動(dòng)態(tài)調(diào)整每次退避的競爭窗口長度。

7) 譯碼：根據(jù)編譯碼原理，接收端只要接收到一半數(shù)量以上的突發(fā)包便可恢復(fù)原分組。

圖1 MPS-MAC協(xié)議原理圖Fig.1 Schematic diagram of MPS-MAC protocol

2 建模分析

2.1 搶占優(yōu)先制排隊(duì)模型

由于單個(gè)節(jié)點(diǎn)僅有一個(gè)服務(wù)器，高優(yōu)先級(jí)分組較低優(yōu)先級(jí)分組存在搶占優(yōu)先權(quán)，且各優(yōu)先級(jí)分組到達(dá)時(shí)間間隔和服務(wù)時(shí)間間隔均服從負(fù)指數(shù)分布，因此采用帶優(yōu)先級(jí)的M/M/1排隊(duì)模型對(duì)分組排隊(duì)過程進(jìn)行分析[19]。

對(duì)于最高優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)，即優(yōu)先級(jí)1業(yè)務(wù)，有

(1)

式中：S表示系統(tǒng)服務(wù)時(shí)間；E(S2)表示系統(tǒng)服務(wù)時(shí)間的均方差，E(S2)=2λ1μ2；ρ表示系統(tǒng)業(yè)務(wù)量，且ρ=λ1μ.

(2)

(3)

因此可得

(4)

2.2 多信道忙閑接入模型

對(duì)于優(yōu)先級(jí)i(i≥2)業(yè)務(wù)，采用多信道忙閑接入策略決定其能否接入信道，即至少有一條信道的占用度小于閾值時(shí)，分組才能獲得信道接入權(quán)限，并在允許接入的信道中隨機(jī)選擇一條發(fā)送。

圖2 節(jié)點(diǎn)突發(fā)發(fā)送時(shí)頻圖Fig.2 Time and frequency map of node’s burst pulses

2.2.1 信道占用度求解

對(duì)于單跳全連通網(wǎng)絡(luò)，節(jié)點(diǎn)接收機(jī)可通過廣播收集各條信道上已發(fā)送突發(fā)包的數(shù)量，其中，圖2為節(jié)點(diǎn)突發(fā)發(fā)送時(shí)頻圖。

設(shè)當(dāng)前時(shí)刻為t0，統(tǒng)計(jì)周期為Ts，在[t0-Ts,t0]時(shí)段內(nèi)信道m(xù)(m∈[1,M])上接收到的突發(fā)數(shù)為Gm，則可得m的忙閑程度量化結(jié)果nm，

(5)

定義信道m(xù)的信道占用度ηm，其含義為:統(tǒng)計(jì)窗口內(nèi)信道m(xù)上所有突發(fā)實(shí)際信道傳輸時(shí)間與統(tǒng)計(jì)周期Ts的比值，即

ηm=nm·μ.

(6)

2.2.2 接入閾值求解

(7)

定義Pp為分組成功接收概率。根據(jù)譯碼原理，一個(gè)分組中只要有Mb個(gè)突發(fā)被成功接收，接收機(jī)就能解碼出原分組，根據(jù)排列組合原理得

(8)

令Pp=99%，聯(lián)立(7)式和(8)式可求解Gmax.

為了保障最高優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)的QoS需求，需對(duì)優(yōu)先級(jí)i分組設(shè)置接入閾值，且閾值的設(shè)置需保證不對(duì)優(yōu)先級(jí)1業(yè)務(wù)產(chǎn)生干擾。設(shè)接入網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)先級(jí)1,2,…,I業(yè)務(wù)比例為k1∶k2∶…∶kI，當(dāng)優(yōu)先級(jí)i的業(yè)務(wù)恰好無法接入信道時(shí)，網(wǎng)絡(luò)中所對(duì)應(yīng)的負(fù)載為Gi，則Gi需滿足

(9)

通過(9)式可求解Gi的值。定義Th為分組發(fā)送周期，即發(fā)送一個(gè)分組所需的平均時(shí)間。定義信道占空比Tl，其含義為平均發(fā)送一個(gè)分組的信道占用時(shí)間與Th的比值，即

(10)

(11)

2.2.3 信道接入概率求解

(12)

(13)

(14)

式中：G(m,Z)表示分組接入的Z條信道集合(不包含m)；G(m,M-1-Z)表示分組不能接入的M-1-Z條信道(不包含r)的集合。

(15)

(16)

2.3 基于信道忙閑感知的多優(yōu)先級(jí)退避算法模型

(17)

根據(jù)退避算法基本思想，構(gòu)造優(yōu)先級(jí)i的競爭窗口表達(dá)式為

(18)

2.3.1 剩余壽命約束下的各優(yōu)先級(jí)最大退避次數(shù)ci求解

由于蜂群無人機(jī)自組網(wǎng)中各優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)有不同的時(shí)效性需求，若分組經(jīng)過長時(shí)間退避等待，則其所包含的信息會(huì)因過時(shí)而失去傳輸?shù)谋匾?，因此將分組剩余壽命作為其丟棄的依據(jù)，從而保證網(wǎng)絡(luò)效益最大化。

(19)

(20)

(21)

(22)

gij(t)=12πi∮cGij(Z)ztσ-1dz,t∈(0,ξi),

(23)

∑ξiσk=012πi∮cGij(Z)zk-1dz=1.

(24)

結(jié)合(19)式～(24)式可求解ci的表達(dá)式。

2.3.2 各優(yōu)先級(jí)分組平均退避時(shí)間求解

對(duì)于各優(yōu)先級(jí)到達(dá)隊(duì)首的分組，當(dāng)其接入信道時(shí)首先進(jìn)行信道檢測，檢測信道占用度與閾值的關(guān)系、分組剩余壽命及是否有更高優(yōu)先級(jí)分組到達(dá)，從而決定其能否接受服務(wù)。

(25)

(26)

3 性能分析

3.1 分組成功傳輸概率

(27)

3.2 丟包率

(28)

3.3 平均分組端到端時(shí)延

Tp的大小與空間直線傳播距離有關(guān)，則Tp可近似表示為

(29)

式中：L′為單挑最大通信距離；v為光波在真空中的傳播速度。

3.4 系統(tǒng)吞吐量

定義系統(tǒng)吞吐量Stot為單位時(shí)間內(nèi)系統(tǒng)正確接收的分組比特?cái)?shù)之和，即

(30)

式中：Lp為分組比特長度；η為編碼效率。

4 仿真分析

采用OMNeT++仿真工具對(duì)MPS-MAC協(xié)議性能進(jìn)行仿真分析，仿真場景大小設(shè)置為200 km×200 km×10 km，所有節(jié)點(diǎn)在三維空間內(nèi)隨機(jī)分布，并構(gòu)成全連通網(wǎng)絡(luò)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)可以隨機(jī)選擇目的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信。仿真結(jié)果取1 000次蒙特卡洛仿真實(shí)驗(yàn)的平均值，具體仿真參數(shù)設(shè)置如表1所示。根據(jù)蜂群無人機(jī)自組網(wǎng)的應(yīng)用需求，為MPS-MAC協(xié)議設(shè)定4種優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)，其中優(yōu)先級(jí)1分組到達(dá)率固定為60包/s，優(yōu)先級(jí)2、3、4業(yè)務(wù)的分組到達(dá)率的比例為1∶3∶6[15]，各優(yōu)先級(jí)具體參數(shù)設(shè)置及求解如表2所示，在表2的參數(shù)設(shè)置下解得Gmax=2 456包/s.理論值采用公式推導(dǎo)及代數(shù)運(yùn)算的方法求解得出。

表1 仿真參數(shù)設(shè)置Tab.1 Simulation parameters

表2 各優(yōu)先級(jí)參數(shù)Tab.2 Parameters of each priority

圖3 網(wǎng)絡(luò)負(fù)載對(duì)各優(yōu)先級(jí)性能的影響Fig.3 Effect of network load on the performance of each priority

不同網(wǎng)絡(luò)負(fù)載下的各優(yōu)先級(jí)分組成功傳輸概率、端到端時(shí)延均值、丟包率及網(wǎng)絡(luò)吞吐量的仿真如圖3所示。在信道占用度相同的情況下，由于優(yōu)先級(jí)的不同，采用接入信道的策略不同，分組允許接入信道的概率不同，從而為不同優(yōu)先級(jí)提供相適應(yīng)的QoS支持。由圖3(a)可知，隨著網(wǎng)絡(luò)負(fù)載的增加，優(yōu)先級(jí)1業(yè)務(wù)采用隨機(jī)接入方式，能始終保持99%的成功傳輸概率，其余優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)受忙閑接入策略控制，成功傳輸概率會(huì)隨著網(wǎng)絡(luò)負(fù)載的增加而下降。由圖3(b)可知，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)處于輕負(fù)載時(shí)各優(yōu)先級(jí)均有較低的時(shí)延、處于重負(fù)載時(shí)，優(yōu)先級(jí)1分組的時(shí)延始終在2 ms以內(nèi)，其余各優(yōu)先級(jí)分組的時(shí)延隨著網(wǎng)絡(luò)負(fù)載的增加而增加，最終趨于其對(duì)應(yīng)的生命周期值。由圖3(c)可知：在輕負(fù)載時(shí)，各優(yōu)先級(jí)分組丟包率基本為0；在重負(fù)載時(shí)，最高優(yōu)先級(jí)分組丟包率始終為0，其余優(yōu)先級(jí)分組丟包率不斷增加。

下面將MPS-MAC協(xié)議與文獻(xiàn)[15]中的PAJ-MAC協(xié)議及文獻(xiàn)[16]中的基于傳輸時(shí)隙分配和即時(shí)訪問的PIH-MAC協(xié)議進(jìn)行仿真對(duì)比，其中PAJ-MAC協(xié)議包含表2中4種類型的優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)信息。PIH-MAC協(xié)議包含3種優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)信息，分別是指揮控制信息、偵察信息和環(huán)境信息。在相同的參數(shù)設(shè)置下得到MPS-MAC協(xié)議與PAJ-MAC協(xié)議、PIH-MAC協(xié)議的性能對(duì)比結(jié)果，如圖4～圖6所示。

圖6 不同協(xié)議的吞吐量性能對(duì)比 Fig.6 Comparison of system throughputs of different protocols

由圖4可知，MPS-MAC協(xié)議和PIH-MAC協(xié)議可以始終保證優(yōu)先級(jí)1分組成功傳輸概率在99%以上，PAJ-MAC協(xié)議僅能保證優(yōu)先級(jí)1分組成功傳輸概率在95%. 由圖5可知，MPS-MAC協(xié)議采用的接入控制機(jī)制，可以保證優(yōu)先級(jí)1分組的時(shí)延始終低于2 ms，而PAJ-MAC協(xié)議僅能保證最高優(yōu)先級(jí)分組時(shí)延在7 ms左右。PIH-MAC協(xié)議的時(shí)延較穩(wěn)定，但在輕負(fù)載時(shí)不具有良好的時(shí)延性能。由于PAJ-MAC協(xié)議的其余優(yōu)先級(jí)未采用生命周期約束機(jī)制，其時(shí)延會(huì)隨著網(wǎng)絡(luò)負(fù)載的增加持續(xù)增大，而MPS-MAC協(xié)議的時(shí)延性能將隨著網(wǎng)絡(luò)負(fù)載的增大最終趨于穩(wěn)定。由圖6可知，MPS-MAC協(xié)議、PIH-MAC協(xié)議及PAJ-MAC協(xié)議的吞吐量隨著網(wǎng)絡(luò)負(fù)載的增加最終分別穩(wěn)定在11 Mbit/s、9.6 Mbit/s及8 Mbit/s，表明MPS-MAC協(xié)議在閾值和退避機(jī)制的作用下，能夠把網(wǎng)絡(luò)中的沖突降至可控水平，從而使系統(tǒng)吞吐量達(dá)到最優(yōu)且保持穩(wěn)定。

5 結(jié)論

本文針對(duì)蜂群無人機(jī)自組網(wǎng)中多種混合業(yè)務(wù)的不同QoS需求，提出了一種區(qū)分優(yōu)先級(jí)的MPS-MAC協(xié)議。該協(xié)議通過為不同類型業(yè)務(wù)制定不同的信道接入策略和設(shè)置不同的生命周期值，實(shí)現(xiàn)了多優(yōu)先級(jí)區(qū)分服務(wù)。仿真結(jié)果表明：

1) MPS-MAC協(xié)議可以保證最高優(yōu)先級(jí)分組接入時(shí)延在2 ms以內(nèi)，一次接入成功率在99%以上，且在重負(fù)載下系統(tǒng)吞吐量能夠穩(wěn)定在11 Mbit/s. 因此本協(xié)議可以提高空中無人機(jī)編隊(duì)對(duì)機(jī)動(dòng)性較強(qiáng)的空中時(shí)延敏感目標(biāo)的精確打擊能力，并提供較高系統(tǒng)容量。

2) MPS-MAC協(xié)議通過為混合業(yè)務(wù)采用不同的信道接入策略，設(shè)置生命周期并采用基于信道忙閑感知的多優(yōu)先級(jí)退避算法，可為各優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)提供QoS保障能力。

3) 與PIH-MAC協(xié)議及PAJ-MAC協(xié)議相比較，MPS-MAC協(xié)議在時(shí)延敏感信息等最高優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)保障能力及系統(tǒng)吞吐量上均有明顯的優(yōu)勢。