高思穎 毛中杰 李東 徐鵬杰 趙天鶴 周杰 俞暉

摘 要： 描述了面向無人機（UAV）自組織網(wǎng)絡的組網(wǎng)技術(shù)和接入技術(shù)，提出了針對時延的改進接入技術(shù)，以增加一部分低優(yōu)先級消息的時延為代價，降低另一部分高優(yōu)先級的消息的時延.選擇基于C++和Python語言的網(wǎng)絡模擬仿真軟件NS3作為開發(fā)平臺，編程實現(xiàn)UAV自組織網(wǎng)絡的接入和組網(wǎng)技術(shù)仿真.

關(guān)鍵詞： 無人機; 自組網(wǎng); 接入技術(shù); NS3; 時延

中圖分類號： TN 929.5文獻標志碼： A文章編號： 1000-5137（2019）01-0056-08

Abstract： It described the networking technology and access technology for self-organized network of unmanned aerial vehicle （UAV）.It proposed an improved access technology for time delay，which reduced the time delay of one part of the service at the expense of time delay of the other part of the service.The paper chose NS3 as the network simulation software which was based on C++ and Python language as the development platform，and accomplished the UAV self-organized network access and networking technology simulation.

Key words： unmanned aerial vehicle （UAV）; self-organized network; access technology; NS3; time delay

0 引 言

相比于長期演進（LTE）通信模式，自組網(wǎng)并不需要類似于基站的外部設施即可通信，因此自組網(wǎng)在構(gòu)建小型無人機群組的通信網(wǎng)絡中，具有重要地位.接入技術(shù)是將通信設備接入網(wǎng)絡，實現(xiàn)通信設備間有效通信的技術(shù).目前應用最為廣泛的接入技術(shù)分為時分多址（TDMA）、頻分多址（FDMA）、空分多址（SDMA）和碼分多址（CDMA）等.其中，TDMA接入技術(shù)將時間劃分為周期性的超幀，再將超幀劃分為若干時隙，分配給各用戶傳輸.TDMA接入技術(shù)具有通信質(zhì)量高、保密好、系統(tǒng)容量大等優(yōu)點，但需要對其進行精確的定時和同步，才能保證其時隙分配的正確性.自組網(wǎng)技術(shù)具有良好的同步機制，并且可以獲取在線用戶數(shù)量，適用TDMA接入技術(shù).

PATIBANDLA等[1]通過統(tǒng)計在衰落信道環(huán)境下，網(wǎng)絡負載非飽和時單跳無人機（UAV）自組網(wǎng)的時延數(shù)據(jù)，分析了采用經(jīng)典IEEE 802.11 分布式接入?yún)f(xié)議模型的MAC協(xié)議系統(tǒng)時延性能.CAI等[2]提出了一種采用令牌環(huán)（token）方式的接入MAC協(xié)議，通過仿真驗證了協(xié)議的有效性.韓海艷等[3]提出了在固定TDMA協(xié)議中加入競爭機制并考慮優(yōu)先級，使協(xié)議性能有一定程度的提高.

本文作者基于網(wǎng)絡仿真軟件NS3，編程實現(xiàn)了無人機自組網(wǎng)的組網(wǎng)過程和傳輸過程，仿真過程中采用的接入技術(shù)是在文獻[3]所提出方法的基礎上進行改進的，將改進方案的時延性能與原方案進行對比，結(jié)果表明：改進方案的時延性能更優(yōu).

1 自組網(wǎng)網(wǎng)絡架構(gòu)

自組網(wǎng)是由獨立通信終端相互通信并自行建立連接的網(wǎng)絡[4].自組網(wǎng)中各個終端都具有主機和路由器的功能.路由器功能執(zhí)行路由協(xié)議，進行路由轉(zhuǎn)發(fā)和路由維護的工作;主機的功能是運行面向用戶的各種應用程序.自組網(wǎng)路由協(xié)議應具備快速、準確且高效的特點，需盡量在最短的時間內(nèi)查找到準確的路由信息，同時由于自組網(wǎng)終端一般是可移動的，路由協(xié)議需要適應網(wǎng)絡拓撲的快速變化.

在自組網(wǎng)建網(wǎng)過程中，由于各終端實現(xiàn)的功能較多，需要考慮其硬件的計算能力、電源容量和存儲空間等因素的限制，應選擇合適的接入策略和路由協(xié)議，以盡可能降低網(wǎng)絡開銷[5].一方面，由于自組網(wǎng)中沒有類似基站的中轉(zhuǎn)設施，各節(jié)點的時間無法校準，為實現(xiàn)節(jié)點同步，需要選出其中一個節(jié)點作為簇頭，其余節(jié)點以它為標準進行同步;另一方面，在自組網(wǎng)中節(jié)點的傳輸距離有限，一般需要通過多跳轉(zhuǎn)發(fā)，才能將數(shù)據(jù)包發(fā)送到目的節(jié)點，隨著網(wǎng)絡規(guī)模增大，數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)發(fā)次數(shù)隨之增加，所占用的資源會隨之增加，構(gòu)建及維護路由的開銷也會隨之增大，導致無線網(wǎng)絡的穩(wěn)定性下降.

綜上所述，為了解決自組織網(wǎng)絡的可擴展問題，提出分層樹狀結(jié)構(gòu)的跳頻自組網(wǎng)通信網(wǎng)絡架構(gòu).樹狀分層網(wǎng)絡中，同時存在中心控制結(jié)構(gòu)和分布式控制結(jié)構(gòu)，每一層中有多個簇，每一簇中含有一個簇頭節(jié)點和若干成員節(jié)點.同一簇內(nèi)的節(jié)點可以直接或間接進行通信，而同一層中不同簇的成員節(jié)點根據(jù)相應簇頭節(jié)點進行轉(zhuǎn)發(fā).

2 系統(tǒng)設計

無人機自組網(wǎng)是自組網(wǎng)中的一種特殊形式，除了一般自組網(wǎng)的多跳、無中心等特點，還具備一些獨有的特點.

（1） 高速移動模型.無人機具有很高的移動速度，這種高速移動將造成網(wǎng)絡拓撲頻繁變化，進而對網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和協(xié)議性能帶來沖擊.

（2） 低密度分布.由于空域廣泛，無人機活動范圍極廣，節(jié)點在空中分散分布，彼此間距離以公里計算，這種低密度的分布將對網(wǎng)絡連通性帶來沖擊.此外，在現(xiàn)實中，無人機還需要與地面控制臺、衛(wèi)星、有人駕駛飛機等不同的平臺建立通信連接，在這些情況下，節(jié)點之間存在不確定性，會導致網(wǎng)絡的異構(gòu)性.

（3） 節(jié)點能量強及網(wǎng)絡臨時性明顯.無人機上的通信設備由飛機提供空間和能量，這使得無人機自組網(wǎng)不需額外考慮節(jié)點計算能力和能量耗費問題.無人機一般用于執(zhí)行特殊任務，運動規(guī)律性不強，飛行不確定性大，網(wǎng)絡臨時性非常明顯.

（4） 獨特的網(wǎng)絡目標.傳統(tǒng)自組網(wǎng)的連接目標是對等的，無人機自組網(wǎng)也是如此，此外網(wǎng)絡中還需要部分擔任數(shù)據(jù)收集的中心節(jié)點，因此需要支持流量匯聚.網(wǎng)內(nèi)可能存在多種傳感器，傳輸?shù)臉I(yè)務包括圖像、音頻、視頻等，具有時延敏感性高、數(shù)據(jù)業(yè)務量大、數(shù)據(jù)類型多元化等特點，需要保證相應的通信質(zhì)量.

基于上述特點，進行無人機自組網(wǎng)的仿真系統(tǒng)設計，具體實現(xiàn)主要包括網(wǎng)絡參數(shù)設計、組網(wǎng)過程、接入技術(shù)及路由過程4個方面.其中，網(wǎng)絡參數(shù)設計基于具體場景要求，路由過程已經(jīng)有具體實例可以參考，因此，程序設計主要分為組網(wǎng)過程和接入技術(shù)2個部分.

2.1 組網(wǎng)技術(shù)仿真設計

分簇組網(wǎng)流程包括4個階段：1） 簇頭節(jié)點向第一跳節(jié)點發(fā)送時間同步消息，第一跳節(jié)點收到消息后，將本地時間與簇頭節(jié)點時間進行校準;2） 各跳節(jié)點向下一跳節(jié)點發(fā)送tod同步消息，發(fā)送方案與1相同;3） 從最大跳數(shù)處開始廣播路由信息，并在簇頭節(jié)點匯聚子網(wǎng)內(nèi)所有節(jié)點的在線情況，本階段的路由信息只針對一個節(jié)點所知的所有在線節(jié)點，不包括節(jié)點之間的連接關(guān)系;4） 簇頭在線廣播全部節(jié)點的信息，節(jié)點根據(jù)收到的數(shù)據(jù)包更新本地其余在線節(jié)點的信息.本系統(tǒng)中采用自同步方進行前兩個階段的網(wǎng)絡同步，后兩個階段實現(xiàn)各節(jié)點通信，以獲取網(wǎng)絡信息與網(wǎng)絡結(jié)構(gòu).

2.2 接入技術(shù)仿真設計

采用競爭性TDMA接入技術(shù)，將時間分割成周期性的幀，每一幀中分成若干個時隙，各通信設備只能在特定的時隙進行收發(fā)通信，在時間軸上不會相互沖突.競爭TDMA時隙分配方法在遇到傳輸消息不平衡的情況時，可以調(diào)節(jié)時隙分配情況，節(jié)省時間資源.

競爭TDMA時隙分配方法的幀結(jié)構(gòu)如圖2所示.

3 仿真及結(jié)果分析

本系統(tǒng)總體設計概念圖如圖4所示.

圖4中，構(gòu)建網(wǎng)絡場景主要包括：設置節(jié)點數(shù)，安裝網(wǎng)卡及協(xié)議棧，設置信道類型，設置移動模型，安裝應用層協(xié)議，設計網(wǎng)絡的拓撲結(jié)構(gòu)，并且依據(jù)信道衰減模型，計算相應節(jié)點間的距離.當網(wǎng)絡仿真的各項模塊添加完成后，啟動仿真，下達組網(wǎng)指令，所有節(jié)點開始組網(wǎng).組網(wǎng)完成后，開始傳輸過程，將數(shù)據(jù)包的目的地址傳到路由層，路由層返回數(shù)據(jù)包下一跳的目的地址，完成交互.

3.1 組網(wǎng)仿真結(jié)果

下達組網(wǎng)指令后，5個節(jié)點由于開機時間不同，其時間未獲得同步，如圖7所示.

3.2 基于TDMA的競爭時隙技術(shù)仿真

傳輸過程的網(wǎng)絡仿真結(jié)果如圖12所示.

圖12中，一個TDMA超幀開始后，1號節(jié)點有8個消息包需要發(fā)送.在聲明過程中，1號節(jié)點廣播RTS分組，2號節(jié)點收到RTS消息;在應答過程中，2號節(jié)點廣播CTS分組，1號節(jié)點收到CTS消息.此時1號節(jié)點2跳范圍內(nèi)的節(jié)點已經(jīng)獲知了發(fā)送消息的需求，在傳輸階段，1號節(jié)點除了在本時隙發(fā)送5個數(shù)據(jù)包外，還可以占用2號節(jié)點的時隙發(fā)送剩余的3個數(shù)據(jù)包.

在仿真實驗中，將高優(yōu)先級業(yè)務插入到隊頭，并通過增加低優(yōu)先級業(yè)務的時延，達到降低高優(yōu)先級業(yè)務的時延.設計高、低優(yōu)先級消息的數(shù)量比為1∶4，不同網(wǎng)絡負載下仿真結(jié)果圖如圖13所示.

4 結(jié) 論

研究了面向UAV自組織網(wǎng)絡的接入與組網(wǎng)技術(shù)仿真，并且在NS3網(wǎng)絡仿真軟件上實現(xiàn)了面向UAV自組織網(wǎng)絡的通信系統(tǒng)，提出了一種針對時延的改進接入技術(shù)，通過仿真分析了改進前后的系統(tǒng)性能，結(jié)果表明：本研究的改進系統(tǒng)較原系統(tǒng)，具備更優(yōu)的性能.但當前系統(tǒng)仍然存在著一些問題，如在接入技術(shù)方面，對于相同優(yōu)先級之間的排隊問題欠缺考慮.在未來的工作中，仍需進一步改進.

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（責任編輯：包震宇，顧浩然）