高速無人機(jī)網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議設(shè)計與性能分析

常 揚(yáng),陳建民,馬鵬飛

(中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所,河北石家莊050081)

0 引言

國內(nèi)無人機(jī)研究發(fā)展已有30多年歷史,考慮到無人機(jī)的網(wǎng)絡(luò)通信環(huán)境,無法采用固有的基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備,需要建立一套快速展開、高效穩(wěn)定、多點(diǎn)覆蓋、協(xié)同工作的高速運(yùn)動條件下的無線通信網(wǎng)絡(luò),在這樣的應(yīng)用背景下,Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)就成為了理想的選擇。

建立穩(wěn)定、高效、符合特定條件下通信需求的Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng),關(guān)鍵在于擬定一套完整、有效的通信協(xié)議棧,并證明其在特定通信條件下最優(yōu)化,而在Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧的建設(shè)過程中,最重要的就是信道接入?yún)f(xié)議的性能。

從高速運(yùn)動條件下的空中Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)出發(fā),對Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)信道接入?yún)f(xié)議進(jìn)行研究,提出一種新型的Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)信道接入?yún)f(xié)議,并通過NS2模擬實(shí)際使用環(huán)境,從而對高速運(yùn)動條件下Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)信道接入?yún)f(xié)議性能進(jìn)行分析,得出應(yīng)用性結(jié)論。

1 移動Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)原理

Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)是一種特殊的對等式網(wǎng)絡(luò),使用無線通信技術(shù),若干個帶有收發(fā)信機(jī)的節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的一個無中心、多跳的、自組織的網(wǎng)絡(luò),采用分布式控制,網(wǎng)中的節(jié)點(diǎn)同時具有主機(jī)和路由器的功能,可以不依賴預(yù)先存在的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施而快速展開,自適應(yīng)組網(wǎng),各節(jié)點(diǎn)可在不進(jìn)行通知的情況下自由進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)和脫離網(wǎng)絡(luò)且不會導(dǎo)致整個網(wǎng)絡(luò)陷入癱瘓。

Ad hoc網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)不僅具有移動終端的功能,還要完成路由器的功能。因此,網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)通常包括主機(jī)、路由器和電臺3部分。Ad hoc網(wǎng)絡(luò)一般有平面結(jié)構(gòu)和分級結(jié)構(gòu)2種。在平面結(jié)構(gòu)中,所有節(jié)點(diǎn)的地位平等,所以又可以稱為對等式結(jié)構(gòu)。分級結(jié)構(gòu)中,網(wǎng)絡(luò)被劃分為簇,每個簇由1個簇頭和多個簇成員組成,這些簇頭形成了高一級的網(wǎng)絡(luò)。在高一級網(wǎng)絡(luò)中,又可以分簇,再次形成更高一級的網(wǎng)絡(luò),至最高級。

在移動Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)中,各個無線節(jié)點(diǎn)都可以自由移動,與其他Ad Hoc通信網(wǎng)絡(luò)的區(qū)別之處在于:網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓杆佟⑹芫W(wǎng)絡(luò)規(guī)模大小和節(jié)點(diǎn)移動影響;移動Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)范圍跨距大而且含有數(shù)十個到幾百個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn);移動Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)安放在其移動模式相異的各個平臺上;在移動Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部可能有極大的變化;節(jié)點(diǎn)運(yùn)動速度(從靜止節(jié)點(diǎn)到高速飛行器)、運(yùn)動方向、加減速以及路線限制。盡管存在這種變動性,業(yè)界還是期望用移動Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)提供多種傳輸類型,包括從純數(shù)據(jù)傳輸、純話音傳輸?shù)皆捯艉蛿?shù)據(jù)的綜合傳輸,話音和圖像的綜合傳輸,話音和數(shù)據(jù)圖像的綜合傳輸,甚至很可能是帶有某種限制的綜合視頻傳輸。

2 信道接入技術(shù)

信道接入處于Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧的底層,是協(xié)議棧的基礎(chǔ),用來控制節(jié)點(diǎn)在合適的時機(jī)接入無線信道,是數(shù)據(jù)信息在信道上發(fā)送和接收的直接控制者,其好壞直接關(guān)系著信道的利用效率和整個網(wǎng)絡(luò)的性能,對Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)通信起著決定性作用。信道接入技術(shù)能否有效地使用無線信道的有限帶寬,對Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的性能至關(guān)重要。

Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的無線信道不同于普通網(wǎng)絡(luò)的共享廣播信道、點(diǎn)對點(diǎn)無線信道和蜂窩移動通信網(wǎng)絡(luò)中由基站控制的無線信道,它是一種多跳共享的多點(diǎn)信道,即一個節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息時,鄰居節(jié)點(diǎn)(也只有鄰居節(jié)點(diǎn))可以收到。這一特征一方面提高了信道的空間復(fù)用度,另一方面使得信息沖突與節(jié)點(diǎn)所處的地理位置有關(guān),這些問題都需要通過專門設(shè)計的信道接入技術(shù)才能解決。

由于移動Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)沒有預(yù)先確定的基站來協(xié)調(diào)信道訪問,因此許多集中式媒介訪問控制設(shè)計思想在移動Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)中都是無效的。Ad Hoc通信系統(tǒng)的信道接入?yún)f(xié)議根據(jù)信道訪問策略不同可以分為下列競爭協(xié)議和分配協(xié)議2種:

①競爭協(xié)議。使用直接競爭來決定信道訪問權(quán),并且通過隨機(jī)重傳來解決碰撞問題,這種協(xié)議方式相對比較簡單,在低傳輸載荷條件下性能較好,但隨著傳輸載荷的增大,往往使協(xié)議性能下降、碰撞次數(shù)增多;

②分配協(xié)議。使用同步通信模式,采用某種傳輸時間安排算法將時隙映射為節(jié)點(diǎn)。這種映射導(dǎo)致一個發(fā)送時間安排決定了一個節(jié)點(diǎn)在其特定的時隙(可以是1個,也可以是多個)內(nèi)允許訪問信道。大多數(shù)分配協(xié)議需要建立無碰撞的發(fā)送時間安排,安排的發(fā)送時間長度(按照時隙個數(shù)計算)是建立協(xié)議性能的基礎(chǔ)。時隙可以靜態(tài)分配,也可以動態(tài)分配,從而分別得到固定長度的傳輸時間安排、可變長度的傳輸時間安排。

近年來,學(xué)術(shù)界提出了各種類型的Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)信道接入控制協(xié)議,但到現(xiàn)在為止,還沒有找到一個能夠適用于任何網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的信道接入控制協(xié)議。造成這種現(xiàn)象的原因一是由于Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用環(huán)境的復(fù)雜性和多變性,二是由于協(xié)議的評價指標(biāo)本身就是相互矛盾的,例如一個協(xié)議的開銷和協(xié)議收斂速度2個指標(biāo)就屬一對矛盾,只能根據(jù)需求,在2個指標(biāo)間取折中而無法取得同時最優(yōu)。因此,一個好的信道接入控制協(xié)議,要根據(jù)協(xié)議所應(yīng)用的環(huán)境,符合環(huán)境特點(diǎn),具體問題具體分析。

3 一種新型MAC協(xié)議

在無人機(jī)寬帶網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下,各節(jié)點(diǎn)運(yùn)動速度很高,在現(xiàn)有的無線信道接入?yún)f(xié)議里,并沒有一種協(xié)議能夠完美支持高速運(yùn)動節(jié)點(diǎn)。考慮到無人機(jī)網(wǎng)絡(luò)通信需要動態(tài)組網(wǎng)的應(yīng)用特點(diǎn),協(xié)議設(shè)計應(yīng)滿足以下目標(biāo):

①能夠在高速運(yùn)動,拓?fù)渥兓杆贄l件下仍然保持較高的吞吐量,對速率變化不能太敏感;

②具有較好的時延特性,媒體接入層層應(yīng)該能夠做到時延可控;

③在滿足以上條件時,一般情況下也有較佳的性能。

基于以上考慮,設(shè)計了一種基于時分多址方式的新型信道接入?yún)f(xié)議,該協(xié)議的設(shè)計要充分考慮系統(tǒng)最重要的限制條件:時延要求,在現(xiàn)有各類型媒體接入控制(Medium Assignment and Control,MAC)協(xié)議中,只有基于時隙的信道接入?yún)f(xié)議具備時延上限保證的可能性,其他類型信道接入?yún)f(xié)議從理論上無法確保時延上限值。為確保時延指標(biāo),必須采用基于時隙的幀結(jié)構(gòu),將新設(shè)計的信道接入?yún)f(xié)議命名為高速空基網(wǎng)絡(luò)接入控制協(xié)議(High Speed Airborne,HSA)。

3.1 基本時隙

為了保證時延特性指標(biāo)和業(yè)務(wù)同傳能力,將信道時隙的組成設(shè)計如表1所示。

表1 基本時隙組成

3.2 發(fā)送策略

即便采用時隙策略,但常規(guī)的協(xié)議幀結(jié)構(gòu)仍然無法滿足實(shí)時短消息端到端時延的苛刻要求(≤6 ms)。因為若采用輪轉(zhuǎn)或預(yù)約的時隙結(jié)構(gòu),不管是輪轉(zhuǎn)還是預(yù)約,某個結(jié)點(diǎn)在需發(fā)送短消息時,總要等待邏輯上屬于該節(jié)點(diǎn)的時隙到達(dá)后才能夠發(fā)送數(shù)據(jù)。最壞情況下,當(dāng)信息到達(dá)時,屬于該時隙的時隙剛剛過去,必須等待k個時隙才能夠發(fā)送數(shù)據(jù),設(shè)一個消息發(fā)送從源點(diǎn)到目的點(diǎn)經(jīng)過n次轉(zhuǎn)發(fā),則整個時延最小不低于D(每個時隙1 ms):

式中,若n=3,而k只要等于2就會達(dá)6 ms,也就是說,系統(tǒng)必須最多等2個時隙就要獲得可發(fā)送數(shù)據(jù)的時隙。這樣的需求,常規(guī)的協(xié)議幀結(jié)構(gòu)無法滿足。

結(jié)合表1,整個系統(tǒng)幀結(jié)構(gòu)如表2所示。

表2 HSA幀結(jié)構(gòu)

無人機(jī)網(wǎng)絡(luò)中,控制信息基本上是由主控結(jié)點(diǎn)發(fā)出,而其他結(jié)點(diǎn)響應(yīng)并返回結(jié)果,因此可以設(shè)計一個專門為主控結(jié)點(diǎn)發(fā)送短信息優(yōu)化的MAC協(xié)議。在這個協(xié)議里,主控結(jié)點(diǎn)專門留有實(shí)時短消息快速發(fā)送通道,而其他結(jié)點(diǎn)僅起到迅速轉(zhuǎn)發(fā)的作用,不與主控結(jié)點(diǎn)競爭該快速發(fā)送通道。其他結(jié)點(diǎn)待發(fā)的數(shù)據(jù)(包括主結(jié)點(diǎn)待發(fā)的非實(shí)時短消息,如路由消息等)則在專門留出的微時隙里發(fā)送。

考慮到以上因素,系統(tǒng)在設(shè)計時,在控制通道中預(yù)先留出了控制信息的發(fā)送和轉(zhuǎn)發(fā)區(qū),而同時給每個結(jié)點(diǎn)留出了一個發(fā)送其他信息的發(fā)送區(qū)。由于每個結(jié)點(diǎn)輪轉(zhuǎn)享有一次發(fā)送機(jī)會,該區(qū)域被稱為“微時隙”。

4 NS2下的性能仿真及分析

NS2是一款開放源代碼的網(wǎng)絡(luò)模擬軟件,其開發(fā)目的主要是為了研究大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)以及當(dāng)前和未來的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的交互行為,其為模擬研究有線和無線網(wǎng)絡(luò)上的多層協(xié)議和跨層設(shè)計提供了強(qiáng)有力的支持。目前NS2可以用于模擬各個不同的通信網(wǎng)絡(luò),其優(yōu)勢在于其開源性,可以便捷開發(fā)和實(shí)現(xiàn)設(shè)計者自己的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和層次功能。在對協(xié)議進(jìn)行性能分析時,具體情境設(shè)置如下:

?網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍:100 km*100 km;

?節(jié)點(diǎn)覆蓋范圍:25 km;

?節(jié)點(diǎn)運(yùn)動情況:31個發(fā)送節(jié)點(diǎn)(機(jī)載設(shè)備),1個接收節(jié)點(diǎn)(指揮中心);

?運(yùn)動方式:運(yùn)動節(jié)點(diǎn)采用隨機(jī)運(yùn)動方式,從一個坐標(biāo)點(diǎn)以最大 100 kmph、500 kmph、1 000 kmph(3次仿真)隨機(jī)速度運(yùn)動到一個隨機(jī)坐標(biāo)點(diǎn)后,然后向另一個隨機(jī)坐標(biāo)重復(fù)以上運(yùn)動方式;

?應(yīng)用層:采用固定比特率(Cantus Bit Rate,CBR)流量產(chǎn)生器模擬多媒體數(shù)據(jù);

?傳輸層:采用用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議(User Datagram Protocol,UDP);

?網(wǎng)絡(luò)層:采用按需矢量距離(Ad hoc On dem and Distance Vector,AODV)路由協(xié)議;

?數(shù)據(jù)鏈路層:采用傳統(tǒng)時分多址(TDMA)與HSA兩種信道接入?yún)f(xié)議分別進(jìn)行仿真;

?物理層:采用直擴(kuò)方式,帶寬2 M;

?仿真時間:200 s;

?數(shù)據(jù)連接情況:發(fā)送節(jié)點(diǎn)依次與接收節(jié)點(diǎn)建立連接,進(jìn)行CBR數(shù)據(jù)傳輸,傳輸時間均為5 s,數(shù)據(jù)速率1.0 Mbps。

通過仿真,結(jié)果如下:

①在MAC層采用HSA信道接入?yún)f(xié)議的條件下,對整個網(wǎng)絡(luò)的端到端時延特性進(jìn)行仿真,并獲取實(shí)驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計如圖1所示。

圖1 HSA信道接入?yún)f(xié)議下端到端時延

移動速度從100～1 000 kmph的變化并未對端到端時延造成很大影響,基本保持在1～3 ms的水平線上,這說明HSA協(xié)議下的速度因素不是決定端到端時延的主要因素;

②在MAC層采用HSA信道接入?yún)f(xié)議的條件下,對整個網(wǎng)絡(luò)的吞吐量特性進(jìn)行仿真,并獲取實(shí)驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計如圖2所示。

圖2 HSA信道接入?yún)f(xié)議下的網(wǎng)絡(luò)吞吐量

通過對實(shí)驗數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析,無論何種運(yùn)動速度,UDP吞吐量均穩(wěn)定在1 M水平,屬于正常范圍;

③在MAC層采用TDMA信道接入?yún)f(xié)議的條件下,對整個網(wǎng)絡(luò)的端到端時延特性進(jìn)行仿真,并獲取實(shí)驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計如圖3所示。

圖3 TDMA協(xié)議下的端到端時延

TDMA模式的端到端時延基本保持在10 ms以下,但當(dāng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓瘎×視r,如1 000 kmph的35～45 s,端到端時延陡增到300 ms,且陡增與網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓嚓P(guān),值得關(guān)注的是這種陡增比HSA模式下大得多;

④在MAC層采用TDMA信道接入?yún)f(xié)議的條件下,對整個網(wǎng)絡(luò)的吞吐量特性進(jìn)行仿真,并獲取實(shí)驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計如圖4所示。

圖4 TDMA協(xié)議下的網(wǎng)絡(luò)吞吐量

無論何種運(yùn)動速度,UDP吞吐量均無法穩(wěn)定在1M以上,由此可見,TDMA在設(shè)定的仿真環(huán)境下性能并不理想。

5 結(jié)束語

通過以上仿真得出如下結(jié)論:節(jié)點(diǎn)高速運(yùn)動、拓?fù)溲杆僮兓瘲l件下,HSA協(xié)議仍然保持較高的吞吐量,對速率變化、拓?fù)渥兓幻舾?節(jié)點(diǎn)高速運(yùn)動、拓?fù)溲杆僮兓瘲l件下,TDMA吞吐量下降較大,對速率變化、拓?fù)渥兓舾?端到端時延特性上,HSA基本可控,TDMA部分拓?fù)錀l件下不可控;滿足特定場景需求的情況下,HSA協(xié)議比TDMA協(xié)議具有更優(yōu)性能;任何一種協(xié)議都不可能是完美的,采用何種信道接入方案取決于應(yīng)用環(huán)境以及所關(guān)心的具體性能參數(shù)。

[1]ZHU C,CORSON M.A Five Phase Reservation Protocol(FPRP)for Mobile Ad Hoc Networks[C].IEEE INFOCOM'98,San Francisco,CA,1998:322-331.

[2]陳林星,曾 曦,曹 毅.移動 Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)—自組織分組無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)[M].北京:電子工業(yè)出版社,2006.

[3]況曉輝,趙 剛,郭 勇.網(wǎng)絡(luò)模擬器NS2中仿真功能的問題分析及改進(jìn)[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報,2009,21(2):427-431.