適用于飛行自組網(wǎng)的閑置時隙預(yù)約TDMA 協(xié)議

陸 毅，符杰林，仇洪冰，林基明，李燕龍，3

（1.桂林電子科技大學(xué)認(rèn)知無線電與信息處理教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西桂林 541004；2.桂林電子科技大學(xué)衛(wèi)星導(dǎo)航與位置感知重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西桂林 541004；3.桂林電子科技大學(xué)電子電路國家級實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心，廣西桂林 541004）

0 概述

飛行自組網(wǎng)（Flying Ad-Hoc Networks，F(xiàn)ANets）是一種由多個飛行器以自組織形式構(gòu)成的無中心網(wǎng)絡(luò)［1］。在電力巡檢、偵察打擊與森林火警等小規(guī)模無人飛行器（Unmanned Aerial Vehicle，UAV）集群應(yīng)用場景中［2-3］，為滿足飛行器間協(xié)同編隊(duì)的飛行要求，F(xiàn)ANets 通過提供較低時延使得飛行器間能夠?qū)崟r了解彼此位置，以保持隊(duì)形并避免碰撞［4］。此外，為了能使操作人員了解現(xiàn)場情況并做出決策，F(xiàn)ANets 應(yīng)具備較高的吞吐能力，且允許負(fù)責(zé)感知任務(wù)的飛行器回傳數(shù)據(jù)量較大的感知數(shù)據(jù)。

介質(zhì)訪問控制（Medium Access Control，MAC）協(xié)議主要解決節(jié)點(diǎn)間高效使用信道傳輸數(shù)據(jù)的問題，對時延、網(wǎng)絡(luò)吞吐量等性能指標(biāo)有重要的影響［5］。在網(wǎng)絡(luò)負(fù)載較重的情況下，固定分配時分多址接入（Time Division Multiple Access，TDMA）協(xié)議在時延及吞吐量方面的性能均優(yōu)于CSMA 協(xié)議［6-7］，更適用于有較多數(shù)據(jù)需要傳輸?shù)腇ANets 場景。文獻(xiàn)［8］提出一種采用分布式時隙分配方案的TDMA協(xié)議，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)通過局部信息交換與協(xié)同完成時隙分配，不需要中心節(jié)點(diǎn)的參與，且在完成時隙分配后，節(jié)點(diǎn)可一直使用分配的固有時隙進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。文獻(xiàn)［9］對文獻(xiàn)［8］提出的時隙分配方法進(jìn)行改進(jìn)，并提出一種CF-MAC 協(xié)議。該協(xié)議在發(fā)送時隙占用申請前先進(jìn)行載波監(jiān)聽，降低多個節(jié)點(diǎn)在同一個時隙發(fā)送申請時發(fā)生沖突的幾率。然而，當(dāng)固定分配TDMA 協(xié)議存在節(jié)點(diǎn)在已分配的時隙上沒有數(shù)據(jù)需要傳輸時，將會造成時隙浪費(fèi)，且該時隙被稱為閑置時隙，而過多的閑置時隙將會導(dǎo)致信道利用率的降低。文獻(xiàn)［10］根據(jù)節(jié)點(diǎn)ID 計算每個節(jié)點(diǎn)使用非固有時隙的優(yōu)先級，當(dāng)一個時隙閑置時，優(yōu)先級最高的節(jié)點(diǎn)可以使用該時隙發(fā)送數(shù)據(jù)，這樣雖然允許其他節(jié)點(diǎn)使用未被使用的時隙，但僅簡單地根據(jù)節(jié)點(diǎn)ID計算優(yōu)先級而未考慮節(jié)點(diǎn)的實(shí)際傳輸需求，可能會出現(xiàn)優(yōu)先級最高的節(jié)點(diǎn)也沒有數(shù)據(jù)需要傳輸?shù)那闆r，從而造成閑置時隙不能被合理使用。文獻(xiàn)［11］提出的ESTDMA 采用基于概率發(fā)送的時隙二次分配策略，當(dāng)出現(xiàn)閑置時隙時，有數(shù)據(jù)傳輸需求的節(jié)點(diǎn)將以一定概率發(fā)送RTR 幀與目的節(jié)點(diǎn)握手，則目的節(jié)點(diǎn)能夠接收數(shù)據(jù)并應(yīng)答CTR 幀。ESTDMA 是一種拓?fù)渫该鞯腡DMA 協(xié)議，該協(xié)議在進(jìn)行時隙分配時不考慮網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌页霈F(xiàn)時隙分配沖突的幾率較大［12］。雖然二次分配策略可在時隙沖突情況下使節(jié)點(diǎn)以競爭方式嘗試使用時隙，但無法保證節(jié)點(diǎn)一定能夠成功傳輸，且與固定分配TDMA 協(xié)議相比，其傳輸過程的可控性較差且不利于實(shí)現(xiàn)低時延傳輸。文獻(xiàn)［13］設(shè)計的CTMAC 在固定分配TDMA 的基礎(chǔ)上引入載波監(jiān)聽與隨機(jī)退避機(jī)制，允許節(jié)點(diǎn)以競爭的方式使用閑置時隙。當(dāng)一個時隙開始后，除了時隙所屬節(jié)點(diǎn)外的其他所有數(shù)據(jù)傳輸節(jié)點(diǎn)將對信道進(jìn)行監(jiān)聽，若監(jiān)聽期間信道一直保持空閑狀態(tài)，則表明時隙所屬節(jié)點(diǎn)并未使用該時隙進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，其他存在數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓?jié)點(diǎn)將進(jìn)行隨機(jī)退避，并在退避結(jié)束后嘗試使用該時隙進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

文獻(xiàn)［13］雖然可在一定程度上提高固定分配TDMA 協(xié)議的信道利用率，但是隨機(jī)退避機(jī)制將會增加時間開銷，特別是當(dāng)TDMA 的幀長較短時，時間開銷無法忽略不計，對網(wǎng)絡(luò)的吞吐性能造成影響。此外，當(dāng)參與競爭的節(jié)點(diǎn)數(shù)量較多時，信道的使用沖突幾率將會增加，沖突的加劇將造成閑置時隙無法被成功使用。這些問題限制了以競爭方式使用閑置時隙的方法對信道利用率及網(wǎng)絡(luò)吞吐性能的提升。為此，本文設(shè)計一種能夠高效使用閑置時隙的TDMA協(xié)議——ISR-TDMA。該協(xié)議通過在幀結(jié)構(gòu)中加入隨機(jī)數(shù)字段，用預(yù)約協(xié)商的方式代替退避競爭，使節(jié)點(diǎn)可以無沖突地使用閑置時隙，從而降低閑置時隙使用的開銷，有效提升信道利用率與網(wǎng)絡(luò)吞吐性能。

1 問題描述與分析

閑置時隙的存在降低了固定分配TDMA 協(xié)議的信道利用率及網(wǎng)絡(luò)吞吐性能。通過引入載波監(jiān)聽與隨機(jī)退避機(jī)制競爭使用閑置時隙，這在一定程度上提高了信道利用率，但當(dāng)參與競爭的節(jié)點(diǎn)較多時，將面臨與競爭類MAC 協(xié)議類似的問題，即競爭的加劇使得閑置時隙無法被成功使用。此外，為了滿足低傳輸時延的要求，TDMA 協(xié)議需采用較短的幀長，此時競爭開銷不可忽視，將會對網(wǎng)絡(luò)的吞吐性能造成影響。

隨機(jī)退避中的退避時間TBO為[0，K)中的一個隨機(jī)整數(shù)乘以退避單位（Backoff Unit，BU）。根據(jù)文獻(xiàn)［14］可知，在n個節(jié)點(diǎn)參與競爭且每個節(jié)點(diǎn)在[0，K)中等概率選擇隨機(jī)整數(shù)的情況下，某一閑置時隙能被成功使用的概率P為：

式（1）說明當(dāng)且僅有一個節(jié)點(diǎn)的隨機(jī)整數(shù)取值為k，而其余節(jié)點(diǎn)的隨機(jī)整數(shù)取值均大于k時，該閑置時隙才能被成功使用。

概率P的計算結(jié)果如圖1 所示。從圖1 可以看出：在K不變的情況下，參與競爭的節(jié)點(diǎn)數(shù)n越大，信道競爭越激烈，發(fā)生沖突的可能性變大，閑置時隙使用成功率變??；在n不變的情況下，K越大節(jié)點(diǎn)選擇相同數(shù)值的可能性越小，發(fā)生沖突的幾率越小，閑置時隙使用成功的概率則越大。

圖1 在不同n 與K 下的競爭成功率計算結(jié)果Fig.1 Calculation results of competition success rate under different n and K

幀長對TDMA 協(xié)議的平均時延有重要的影響，若實(shí)現(xiàn)數(shù)十毫秒甚至幾毫秒級的平均時延，幀長也應(yīng)取相似的長度［15］。幀長取值較短時，競爭開銷占比過大將會影響網(wǎng)絡(luò)的吞吐性能。以IEEE 802.11的退避參數(shù)為參考依據(jù)［16］，BU 取值為20 μs，K取值為32，則一個時隙中的競爭開銷為0.62 ms。表1 給出了不同幀長及每幀時隙數(shù)下的競爭開銷占比。由此可以看出，在幀長較短的情況下，競爭開銷存在較大的占比。這說明競爭使用閑置時隙雖然在一定程度上增加了信道利用率，但降低了每個時隙實(shí)際能夠發(fā)送的數(shù)據(jù)量，且網(wǎng)絡(luò)吞吐量也會受到影響。

表1 在不同幀長與每幀時隙下的競爭開銷占比Table 1 The proportion of contention overhead under different frame lengths and different time slots per-frame

上述討論基于以下假設(shè)：BU 的長度大于或等于信號傳播至節(jié)點(diǎn)最大通信距離處所需要的時間（最大傳播時間），但在BU 小于最大傳播時間的情況下，傳輸成功率未必會急劇下降［17］。假設(shè)至少需要c個退避單位可使退避時間大于或等于最大傳播時間，則式（1）可改寫為：

式（2）表明，若一個節(jié)點(diǎn)退避k個單位，其余節(jié)點(diǎn)至少退避k+c個單位，閑置時隙也可被成功使用，但此時競爭成功率會有所下降。由此可見，在幀長較短的情況下，可通過犧牲競爭成功率的方式降低競爭開銷。

由上述分析可知，在采用短幀長的情況下，通過隨機(jī)退避來競爭使用閑置時隙，以提高信道利用率和網(wǎng)絡(luò)吞吐性能的做法存在局限性，即競爭成功率和競爭開銷均對網(wǎng)絡(luò)吞吐性能造成影響，這2 個因素相互制約的關(guān)系限制了網(wǎng)絡(luò)性能的改善。此外，隨機(jī)退避并不能保證沖突不會發(fā)生，在發(fā)生沖突的情況下，閑置時隙不能成功傳輸數(shù)據(jù)，導(dǎo)致信道利用率的提升有限。因此，本文需要設(shè)計合理的閑置時隙使用機(jī)制，以較小的開銷提高信道利用率及網(wǎng)絡(luò)吞吐性能，更好地滿足無人飛行器系統(tǒng)的要求。

2 協(xié)議設(shè)計

為提高閑置時隙的使用效率，減少額外開銷，本文設(shè)計一種使用隨機(jī)數(shù)預(yù)約的閑置時隙使用方案及相應(yīng)的TDMA 協(xié)議——ISR-TDMA。該協(xié)議以固定分配TDMA 為基礎(chǔ)，通過為每個節(jié)點(diǎn)固定分配時隙的方式，保證節(jié)點(diǎn)的基本通信能力，實(shí)現(xiàn)高優(yōu)先級業(yè)務(wù)的低時延傳輸。節(jié)點(diǎn)在各自所分配的時隙中發(fā)送信息對閑置時隙的使用進(jìn)行預(yù)約，并根據(jù)預(yù)約結(jié)果有序使用閑置時隙。與以競爭的方式使用閑置時隙相比，ISR-TDMA 不存在閑置時隙使用沖突的情況，可以更充分地使用閑置時隙，且其還省去了隨機(jī)退避的時間開銷，增加了每個時隙可以傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量，具有更高的吞吐量。

2.1 幀結(jié)構(gòu)

圖2 所示為ISR-TDMA 協(xié)議的幀結(jié)構(gòu)。一個ISR-TDMA 幀由若干個時隙組成，為了避免由于傳播時延不同而引起相鄰時隙間的數(shù)據(jù)沖突，各時隙之間需要加上保護(hù)間隔。每個時隙由時隙信息（Slot Information，SI）和數(shù)據(jù)（Data）兩個部分組成。SI 主要用于節(jié)點(diǎn)間的協(xié)調(diào)以實(shí)現(xiàn)分布式時隙分配以及閑置時隙預(yù)約，Data 用于數(shù)據(jù)傳輸。幀長是設(shè)計TDMA 協(xié)議的一個重要參數(shù)，且對時延有重要影響。ISR-TDMA 主要解決固定分配TDMA 時隙浪費(fèi)較為嚴(yán)重的問題，對于幀長并沒有限制，可根據(jù)實(shí)際需要并結(jié)合文獻(xiàn)［18］的相關(guān)理論對幀長進(jìn)行設(shè)置。

圖2 ISR-TDMA 協(xié)議的幀結(jié)構(gòu)Fig.2 Frame structure of ISR-TDMA protocol

SI 的結(jié)構(gòu)由源ID、目的ID、時隙狀態(tài)表與隨機(jī)數(shù)字段4 個部分組成。其中：源ID 與目的ID 用于標(biāo)識數(shù)據(jù)包的收發(fā)雙方；時隙狀態(tài)表中記錄了節(jié)點(diǎn)單跳鄰居對時隙的使用情況，用于分布式時隙分配，并確認(rèn)其他節(jié)點(diǎn)的時隙申請；隨機(jī)數(shù)字段則用于閑置時隙的預(yù)約。

2.2 時隙申請策略

ISR-TDMA 采用與CF-MAC［9］類似的時隙申請策略，使用分布式時隙分配算法為節(jié)點(diǎn)獲取一個時隙。節(jié)點(diǎn)周期性的發(fā)送SI 來交換各自單跳鄰居的時隙使用情況，圖3 給出了節(jié)點(diǎn)進(jìn)行時隙申請的具體流程。新入網(wǎng)節(jié)點(diǎn)首先偵聽信道一個幀長的時間，接收網(wǎng)內(nèi)節(jié)點(diǎn)發(fā)送的時隙占用表，構(gòu)建自身的初始時隙占用表。在偵聽一幀信道后，根據(jù)鄰居節(jié)點(diǎn)發(fā)送的時隙占用表以及自身的時隙占用表，新入網(wǎng)節(jié)點(diǎn)可以獲知附近節(jié)點(diǎn)對時隙的使用情況，選擇與其他節(jié)點(diǎn)不會發(fā)生沖突的時隙作為候選時隙。候選時隙首次到來時新入網(wǎng)節(jié)點(diǎn)將發(fā)送SI，若只有一個新入網(wǎng)節(jié)點(diǎn)發(fā)送SI，則網(wǎng)內(nèi)節(jié)點(diǎn)可以成功收到新入網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的SI 并更新自身時隙占用表，且添加新入網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的信息；若有多個新入網(wǎng)節(jié)點(diǎn)發(fā)送SI，則網(wǎng)內(nèi)節(jié)點(diǎn)由于SI 沖突無法成功接收SI，且不會更新時隙占用表。在發(fā)送SI 后，新入網(wǎng)節(jié)點(diǎn)將等待一個幀長的時間，在此期間內(nèi)如果接收到的網(wǎng)內(nèi)節(jié)點(diǎn)發(fā)送的SI 的時隙占用表中均有新入網(wǎng)節(jié)點(diǎn)信息，則表明時隙申請沒有發(fā)生沖突，新入網(wǎng)節(jié)點(diǎn)成功申請到時隙；若網(wǎng)內(nèi)節(jié)點(diǎn)的時隙占用表中沒有新入網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的信息，表明時隙申請存在沖突，新入網(wǎng)節(jié)點(diǎn)需要重新選擇時隙并進(jìn)行申請。將節(jié)點(diǎn)成功申請到的時隙稱為節(jié)點(diǎn)的主時隙，同時稱節(jié)點(diǎn)為該時隙的主節(jié)點(diǎn)。

圖3 節(jié)點(diǎn)的時隙申請流程Fig.3 Time slot application procedure of the node

2.3 閑置時隙感知

圖4 給出了閑置時隙感知流程。由此可知，在每個時隙開始后，無論主節(jié)點(diǎn)有無數(shù)據(jù)包需要傳輸，都要在時隙開始后傳輸SI。若主節(jié)點(diǎn)有數(shù)據(jù)包需要傳輸，則在目的地址字段填上接收節(jié)點(diǎn)的ID，否則填0。其他節(jié)點(diǎn)在收到SI 后，根據(jù)目的節(jié)點(diǎn)ID 數(shù)值即可判斷當(dāng)前時隙是否會被主節(jié)點(diǎn)用于傳輸數(shù)據(jù)。若有數(shù)據(jù)要傳輸，則主節(jié)點(diǎn)在發(fā)送SI 后緊接著發(fā)送數(shù)據(jù)包；若沒有數(shù)據(jù)包要傳輸，當(dāng)前時隙就是一個閑置時隙，其他有數(shù)據(jù)包傳輸?shù)墓?jié)點(diǎn)將根據(jù)預(yù)約結(jié)果使用該時隙進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

圖4 閑置時隙感知流程Fig.4 Procedure of idle time slot sensing

2.4 閑置時隙預(yù)約與使用

圖5 給出了閑置時隙的預(yù)約與使用流程。由此可知，當(dāng)一幀開始后，每個節(jié)點(diǎn)接收到其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送的SI，讀取并保存隨機(jī)數(shù)字段中的數(shù)值。主時隙到來時，如果節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)包隊(duì)列有一個以上的數(shù)據(jù)包需要傳輸，則生成一個隨機(jī)整數(shù)填入SI 中的隨機(jī)數(shù)字段發(fā)送，否則將-1 填入隨機(jī)數(shù)字段發(fā)送。當(dāng)前幀結(jié)束時，需要使用閑置時隙的節(jié)點(diǎn)對保存的隨機(jī)數(shù)進(jìn)行排序，并獲得自身的排名。在下一幀開始后，節(jié)點(diǎn)將根據(jù)此排名順序使用閑置時隙。閑置時隙的預(yù)約與使用并不是在同一幀內(nèi)完成的，例如節(jié)點(diǎn)在第i幀根據(jù)自身隊(duì)列情況判斷是否需要使用閑置時隙，若需要則對第i+1幀的閑置時隙進(jìn)行預(yù)約。而第i+1幀節(jié)點(diǎn)將根據(jù)第i幀的預(yù)約結(jié)果有序使用閑置時隙，同時又根據(jù)具體情況決定是否對第i+2 幀的閑置時隙進(jìn)行預(yù)約。隨機(jī)數(shù)預(yù)約方式通過節(jié)點(diǎn)間的信息交互協(xié)商完成閑置時隙的使用權(quán)分配，與隨機(jī)退避方式通過競爭使用閑置時隙的做法相比，其僅需在SI 中添加一個隨機(jī)數(shù)字段，無需預(yù)留時間進(jìn)行隨機(jī)退避，減少了相關(guān)開銷，提升了每個時隙實(shí)際可傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量，從而提升網(wǎng)絡(luò)吞吐量。此外，隨機(jī)退避方式在感知到閑置時隙后立即嘗試競爭使用閑置時隙，存在因多個節(jié)點(diǎn)同時嘗試使用閑置時隙而產(chǎn)生沖突的可能性。隨機(jī)數(shù)預(yù)約方式在閑置時隙產(chǎn)生前，已經(jīng)由節(jié)點(diǎn)確定對閑置時隙的使用順序，不存在閑置時隙使用沖突的可能，可以更高效地使用閑置時隙，并提升信道利用率。

圖5 閑置時隙預(yù)約與使用流程Fig.5 Procedure of reservation and use of idle time slot

3 仿真分析

實(shí)驗(yàn)使用OMNeT++對ISR-TDMA 協(xié)議性能進(jìn)行仿真分析。仿真場景由1 個地面站節(jié)點(diǎn)及19 架無人飛行器節(jié)點(diǎn)組成。為了保證每個節(jié)點(diǎn)都能接收到其他所有節(jié)點(diǎn)的SI，避免隨機(jī)數(shù)排序結(jié)果不同，本文僅考慮節(jié)點(diǎn)間均可相互通信的單跳場景。在節(jié)點(diǎn)移動模型的選擇上，編隊(duì)飛行模型在網(wǎng)絡(luò)仿真軟件中較難實(shí)現(xiàn)，且相關(guān)研究多數(shù)采用隨機(jī)游走（Random Walk，RW）模型［19-20］，因此，本文也選擇采用隨機(jī)游走模型。

網(wǎng)絡(luò)中存在高優(yōu)先級、低優(yōu)先級兩種業(yè)務(wù)，高優(yōu)先級業(yè)務(wù)要求較低的時延，用于模擬協(xié)同及控制業(yè)務(wù)；而低優(yōu)先級業(yè)務(wù)要求較高的吞吐量，用于模擬感知業(yè)務(wù)。無人飛行器分為高負(fù)載、低負(fù)載兩類。高負(fù)載無人飛行器有高優(yōu)先級、低優(yōu)先級兩類業(yè)務(wù)需要傳輸；低負(fù)載無人飛行器只有高優(yōu)先級業(yè)務(wù)需要傳輸。地面站節(jié)點(diǎn)靜止位于仿真場景最左側(cè)的中部，僅有高優(yōu)先級業(yè)務(wù)需要傳輸。

實(shí)驗(yàn)的主要仿真參數(shù)如表2 所示。高、低優(yōu)先級業(yè)務(wù)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)包個數(shù)均服從泊松分布。為保證對比的合理性，實(shí)驗(yàn)對CF-MAC、CTMAC 與本文協(xié)議進(jìn)行了適當(dāng)修改，3 種協(xié)議的幀長、時隙數(shù)、保護(hù)間隔均按照表2 給出的參數(shù)進(jìn)行設(shè)定。此外，還為3 種協(xié)議設(shè)計了優(yōu)先級機(jī)制，當(dāng)同時有高、低兩種優(yōu)先級的數(shù)據(jù)包需要發(fā)送時，優(yōu)先發(fā)送高優(yōu)先級數(shù)據(jù)包。

表2 仿真參數(shù)設(shè)置Table 2 Simulation parametes setting

3.1 退避參數(shù)的選擇

由前文可知，BU 的長度未必要大于或等于信號最大傳播時間。通過仿真來驗(yàn)證在參數(shù)合理的情況下，載波監(jiān)聽與隨機(jī)退避機(jī)制也能為采用短幀結(jié)構(gòu)的TDMA 協(xié)議帶來較高的吞吐量，同時也通過仿真尋找一個較為合適的參數(shù)，用于CTMAC 協(xié)議與其他協(xié)議的對比實(shí)驗(yàn)。

圖6 給出了高負(fù)載節(jié)點(diǎn)數(shù)分別為32 和64 時BU 對網(wǎng)絡(luò)吞吐量的影響，BU 為0 表示不采用載波監(jiān)聽與隨機(jī)退避機(jī)制，仿真場景中信號的最大傳播時間約為48 μs?？梢钥闯?，BU 取較小值時，該機(jī)制對固定分配TDMA 協(xié)議的吞吐量有一定提升。當(dāng)BU 較大時，競爭開銷在整個時隙中的占比較大，單個時隙可傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量變少，使得信道利用率的提升也無法引起吞吐量的增加，反而會降低吞吐量。當(dāng)BU 為1 μs、K取64 時，吞吐量最高。后續(xù)仿真將使用該參數(shù)進(jìn)行協(xié)議之間的對比分析。

圖6 退避參數(shù)對吞吐量的影響Fig.6 Impact of backoff parameters on throughput

3.2 協(xié)議仿真對比

仿真通過改變19 架無人飛行器中高負(fù)載無人飛行器的數(shù)目，從信道利用率、網(wǎng)絡(luò)吞吐量與平均時延3 個方面對ISR-TDMA 與CF-MAC［9］、CTMAC［11］進(jìn)行對比分析。

3.2.1 信道利用率與網(wǎng)絡(luò)吞吐量

圖7、圖8 為3 種協(xié)議的信道利用率和網(wǎng)絡(luò)吞吐量的對比結(jié)果。從圖7、圖8 可以看出，當(dāng)高負(fù)載節(jié)點(diǎn)數(shù)較少時，ISR-TDMA、CTMAC 可以使用閑置時隙傳輸數(shù)據(jù)，信道利用率均高于CF-MAC，并且因?yàn)檫@2 個協(xié)議能使用更多的時隙傳輸數(shù)據(jù)，所以其吞吐量也高于CF-MAC。由于ISR-TDMA 比CTMAC少了隨機(jī)退避的開銷，同時不存在競爭沖突，因此其信道利用率及網(wǎng)絡(luò)吞吐量更高。隨著高負(fù)載節(jié)點(diǎn)的增加，競爭的加劇使CTMAC 協(xié)議的閑置時隙競爭成功率下降，其信道利用率逐漸接近CF-MAC，此時因?yàn)镃TMAC 存在隨機(jī)退避開銷，每個時隙可傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量少于CF-MAC，所以其吞吐量反而要低于CF-MAC。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中多數(shù)節(jié)點(diǎn)均為高負(fù)載節(jié)點(diǎn)時，閑置時隙越來越少，3 種協(xié)議的信道利用率逐漸接近。此時CF-MAC 的額外開銷最少，但其網(wǎng)絡(luò)吞吐量最高。

圖7 3 種協(xié)議的信道利用率對比Fig.7 Comparison of channel utilization of three protocols

圖8 3 種協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)吞吐量對比Fig.8 Network throughput comparison of three protocols

3.2.2 平均時延

圖9、圖10 分別為高、低優(yōu)先級平均時延對比結(jié)果。由圖9 可知，隨著高負(fù)載節(jié)點(diǎn)數(shù)的變化，3 種協(xié)議的高優(yōu)先級業(yè)務(wù)平均時延的波動均較小，且均在6.5 ms 左右，這是因?yàn)閮?yōu)先級機(jī)制保證了高優(yōu)先級業(yè)務(wù)的優(yōu)先傳輸，而仿真結(jié)果也說明固定分配TDMA 協(xié)議通過采用短幀長的方式，在發(fā)包率適當(dāng)?shù)那闆r下可提供較低的平均時延。由圖10 可知，當(dāng)高負(fù)載節(jié)點(diǎn)較少時，CTMAC 與ISR-TDMA 可以使用閑置時隙傳輸數(shù)據(jù)，無需每個數(shù)據(jù)包都等到自身時隙到來時才能傳輸，它們的低優(yōu)先級業(yè)務(wù)平均時延均優(yōu)于CF-MAC，而由于SR-TDMA 對閑置時隙的使用更充分，其低優(yōu)先級業(yè)務(wù)平均時延低于CTMAC。在高負(fù)載節(jié)點(diǎn)較多的情況下，閑置時隙較少，每個節(jié)點(diǎn)基本都只能用自身時隙來傳輸數(shù)據(jù)，此時CF-MAC 的吞吐量最高，而僅需花費(fèi)較少的時間即可完成一個完整數(shù)據(jù)包的傳輸，其低優(yōu)先級業(yè)務(wù)的平均時延低于其他2 種協(xié)議。

圖9 3 種協(xié)議的高優(yōu)先級業(yè)務(wù)平均時延對比Fig.9 Comparison of average delay of high priority services of three protocols

圖10 3 種協(xié)議的低優(yōu)先級業(yè)務(wù)平均時延對比Fig.10 Comparison of average delay of low priority services of three protocols

4 結(jié)束語

本文設(shè)計一種基于閑置時隙預(yù)約機(jī)制的TDMA協(xié)議。該協(xié)議為每個節(jié)點(diǎn)固定分配一個時隙，以保證節(jié)點(diǎn)的基本通信能力，滿足飛行器控制與協(xié)同業(yè)務(wù)的低時延傳輸需求，且允許高負(fù)載節(jié)點(diǎn)對下一幀出現(xiàn)的閑置時隙進(jìn)行預(yù)約與使用。仿真結(jié)果表明，該協(xié)議可使協(xié)同與控制業(yè)務(wù)具有較低時延的同時，為感知業(yè)務(wù)提供較高信道利用率與網(wǎng)絡(luò)吞吐量。下一步將采用自適應(yīng)方法動態(tài)調(diào)整閑置時隙感知機(jī)制，以提高飛行自組網(wǎng)在重負(fù)載情況下的吞吐性能。