支持混合業務傳輸的蜂群無人機自組網多路訪問控制協議

劉煒倫， 張衡陽， 鄭博， 高維廷

(空軍工程大學 信息與導航學院， 陜西 西安 710077)

0 引言

隨著作戰范圍的日益擴大和戰場環境的日趨復雜，單個無人機在執行任務時很難全方位感知各種信息，一旦出現故障或被敵方摧毀，將無法完成任務。因此，研究者們提出了解決這些問題的方式——蜂群無人機自組網，也稱飛行自組網(FANETs)[1-3]。蜂群無人機自組網是由一定空域內的大量無人機互聯互通，并通過無線信道組成分布式、無中心信息的傳輸網絡，具有部署迅速、自組織、強自愈性等特點。它的出現增強了多無人機系統協同偵察、協同決策、協同打擊的能力，為滿足未來多無人機系統中大量節點帶來的大批量數據業務傳輸，以及指揮控制指令的實時送達提供了一種新的解決思路，使其在軍、民蜂群無人機領域有著極大的發展潛力。

多無人機系統在執行不同任務時所傳輸的信息不同[4-5]，例如在面向時延敏感目標打擊的應用場景中，需對機動性強并具有很短“時間打擊窗口”的時延敏感目標實現精確打擊。因此，無人機發送的控制指令必須滿足低時延(小于2 ms)的需求，同時該類信息必須保證較高的一次接入成功概率(大于99%)[6]，而對于語音、圖片、視頻等態勢信息則需要保障其較高的吞吐量和時效性需求。在無人機節點相距較遠、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)協議的設計需對不同類型業務提供相應的服務質量(QoS)支持。MAC協議作為數據鏈路層的核心機制，是蜂群無人機自組網協議棧的重要組成部分，其設計的優劣直接影響系統吞吐量、信息傳輸成功率和時延等性能。因此，針對蜂群無人機自組網開展MAC協議研究，是其實際應用和快速發展的重點問題。

目前國內外關于蜂群無人機自組網MAC協議的研究相對較少，但可借鑒航空自組網的相關研究，按照節點對信道資源的不同占用方式，將其MAC協議劃分為3類：1)以時分多址(TDMA)及其改進型為代表的時隙分配類協議[7-8]，具有傳輸成功率高、系統吞吐量大和可動態調整等特點，但時延一般在秒級，難以滿足時延敏感信息毫秒級的軍事需求；2)以IEEE 802.11 DCF及其改進型為代表的預約競爭類協議[9-10]，采用請求發送/清除發送(RTS/CTS)交互機制預約競爭時隙，對于大尺度稀疏分布的蜂群無人機自組網，控制幀的交互將對信息時效性帶來嚴重影響；3)以ALOHA及其改進型為代表的隨機競爭類協議[11-12]，則可以大大降低接入時延，例如，美軍戰術目標瞄準網絡技術(TTNT)采用的多信道隨機競爭類MAC (SPMA)協議[4，13]，利用多信道、糾錯編碼、信道忙閑預測等機制，可將100 n mile內的信息時延降至2 ms內，最高優先級業務一次接入成功概率達到99%，但其技術相對保密；文獻[14]針對航空網絡的高動態特性和高優先級業務的QoS需求，提出一種無反饋MAC協議，給出了閾值設置方法，明顯降低了分組接入時延，但協議只設置兩個優先級，難以對多優先級業務的不同QoS傳輸需求進行有效支撐；文獻[15]提出一種區分優先級自適應抖動MAC(PAJ-MAC)協議，通過引入各優先級的最大抖動階段和抖動階段轉移概率自適應因子，使協議具備區分服務和負載自適應能力，但無法保障最高優先級業務一次接收成功率在99%以上和接入時延低于2 ms的QoS需求；文獻[16]提出一種基于傳輸時隙分配和即時訪問的混合MAC協議，采用跳頻跳時等機制，能夠保證航空自組網中不同類型業務的QoS需求，但在輕負載時，該協議對低優先級業務的保障能力較差。

本文提出一種支持混合業務傳輸的媒質接入控制協議(MPS-MAC)協議。協議采用兩種信道接入策略：1) 最高優先級業務具有嚴格的時效性與可靠性需求，采用多信道隨機接入策略快速接入網絡；2) 其余優先級業務采用多信道忙閑接入策略，根據信道占用度和閾值對未超時分組的接入權限實時控制。對接入失敗的分組采用基于信道忙閑感知的多優先級退避算法，并根據優先級類別和信道忙閑程度自適應調整各自的競爭窗口長度，為多優先業務提供了QoS保障。仿真結果表明，該協議實現了多優先級業務并行傳輸，可以為最高優先級業務提供嚴格的時效性(<2 ms)和可靠性(>99%)保障，且能在重負載下提供穩定的系統吞吐量(>10 Mbit/s)。

1 協議原理

本文提出的MPS-MAC協議根據混合業務的不同QoS需求，制定了不同的信道接入策略，可為多種業務類型提供區分服務，協議組成原理如圖1所示，各模塊功能描述如下：

1) 編碼：對上層到達的所有分組均采用RS-Turbo級聯的糾錯編碼[17-18]，并拆分為長度相等的突發包，使接入信道的分組具備一定的容錯能力。

2) 排隊過程：分組到達后按照各自優先級分別排隊，且高優先級分組較低優先級分組具有搶占優先權。

3) 多信道隨機接入：最高優先級(即優先級1)業務具有嚴格的時效性與可靠性需求，不需對其進行接入控制，分組到達后隨機選擇一條信道接入網絡。

4) 超時機制：為保證分組時效性，對各優先級業務設置不同的生命周期。對于優先級i(i≥2) 分組，接入信道前需檢測是否超時，若超時則丟棄分組；否則分組執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先級閾值的關系，決定優先級i(i≥2)分組能否接入信道。當至少有一條信道的占用度小于閾值時，分組在允許接入的信道中隨機選擇一條接入網絡；當所有信道的占用度皆大于其優先級閾值時，分組不能接入信道，并執行退避機制。

6) 退避機制：采用基于信道忙閑感知的多優先級退避算法，各優先級業務根據信道忙閑程度，自適應動態調整每次退避的競爭窗口長度。

7) 譯碼：根據編譯碼原理，接收端只要接收到一半數量以上的突發包便可恢復原分組。

圖1 MPS-MAC協議原理圖Fig.1 Schematic diagram of MPS-MAC protocol

2 建模分析

2.1 搶占優先制排隊模型

由于單個節點僅有一個服務器，高優先級分組較低優先級分組存在搶占優先權，且各優先級分組到達時間間隔和服務時間間隔均服從負指數分布，因此采用帶優先級的M/M/1排隊模型對分組排隊過程進行分析[19]。

對于最高優先級業務，即優先級1業務，有

(1)

式中：S表示系統服務時間；E(S2)表示系統服務時間的均方差，E(S2)=2λ1μ2；ρ表示系統業務量，且ρ=λ1μ.

(2)

(3)

因此可得

(4)

2.2 多信道忙閑接入模型

對于優先級i(i≥2)業務，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，分組才能獲得信道接入權限，并在允許接入的信道中隨機選擇一條發送。

圖2 節點突發發送時頻圖Fig.2 Time and frequency map of node’s burst pulses

2.2.1 信道占用度求解

對于單跳全連通網絡，節點接收機可通過廣播收集各條信道上已發送突發包的數量，其中，圖2為節點突發發送時頻圖。

設當前時刻為t0，統計周期為Ts，在[t0-Ts,t0]時段內信道m(m∈[1,M])上接收到的突發數為Gm，則可得m的忙閑程度量化結果nm，

(5)

定義信道m的信道占用度ηm，其含義為:統計窗口內信道m上所有突發實際信道傳輸時間與統計周期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。根據譯碼原理，一個分組中只要有Mb個突發被成功接收，接收機就能解碼出原分組，根據排列組合原理得

(8)

令Pp=99%，聯立(7)式和(8)式可求解Gmax.

為了保障最高優先級業務的QoS需求，需對優先級i分組設置接入閾值，且閾值的設置需保證不對優先級1業務產生干擾。設接入網絡的優先級1,2,…,I業務比例為k1∶k2∶…∶kI，當優先級i的業務恰好無法接入信道時，網絡中所對應的負載為Gi，則Gi需滿足

(9)

通過(9)式可求解Gi的值。定義Th為分組發送周期，即發送一個分組所需的平均時間。定義信道占空比Tl，其含義為平均發送一個分組的信道占用時間與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先級退避算法模型

(17)

根據退避算法基本思想，構造優先級i的競爭窗口表達式為

(18)

2.3.1 剩余壽命約束下的各優先級最大退避次數ci求解

由于蜂群無人機自組網中各優先級業務有不同的時效性需求，若分組經過長時間退避等待，則其所包含的信息會因過時而失去傳輸的必要，因此將分組剩余壽命作為其丟棄的依據，從而保證網絡效益最大化。

(19)

(20)

(21)

(22)

gij(t)=12πi∮cGij(Z)ztσ-1dz,t∈(0,ξi),

(23)

∑ξiσk=012πi∮cGij(Z)zk-1dz=1.

(24)

結合(19)式～(24)式可求解ci的表達式。

2.3.2 各優先級分組平均退避時間求解

對于各優先級到達隊首的分組，當其接入信道時首先進行信道檢測，檢測信道占用度與閾值的關系、分組剩余壽命及是否有更高優先級分組到達，從而決定其能否接受服務。

(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 平均分組端到端時延

Tp的大小與空間直線傳播距離有關，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 系統吞吐量

定義系統吞吐量Stot為單位時間內系統正確接收的分組比特數之和，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MPS-MAC協議性能進行仿真分析，仿真場景大小設置為200 km×200 km×10 km，所有節點在三維空間內隨機分布，并構成全連通網絡，每個節點可以隨機選擇目的節點進行通信。仿真結果取1 000次蒙特卡洛仿真實驗的平均值，具體仿真參數設置如表1所示。根據蜂群無人機自組網的應用需求，為MPS-MAC協議設定4種優先級業務，其中優先級1分組到達率固定為60包/s，優先級2、3、4業務的分組到達率的比例為1∶3∶6[15]，各優先級具體參數設置及求解如表2所示，在表2的參數設置下解得Gmax=2 456包/s.理論值采用公式推導及代數運算的方法求解得出。

表1 仿真參數設置Tab.1 Simulation parameters

表2 各優先級參數Tab.2 Parameters of each priority

圖3 網絡負載對各優先級性能的影響Fig.3 Effect of network load on the performance of each priority

不同網絡負載下的各優先級分組成功傳輸概率、端到端時延均值、丟包率及網絡吞吐量的仿真如圖3所示。在信道占用度相同的情況下，由于優先級的不同，采用接入信道的策略不同，分組允許接入信道的概率不同，從而為不同優先級提供相適應的QoS支持。由圖3(a)可知，隨著網絡負載的增加，優先級1業務采用隨機接入方式，能始終保持99%的成功傳輸概率，其余優先級業務受忙閑接入策略控制，成功傳輸概率會隨著網絡負載的增加而下降。由圖3(b)可知，當網絡處于輕負載時各優先級均有較低的時延、處于重負載時，優先級1分組的時延始終在2 ms以內，其余各優先級分組的時延隨著網絡負載的增加而增加，最終趨于其對應的生命周期值。由圖3(c)可知：在輕負載時，各優先級分組丟包率基本為0；在重負載時，最高優先級分組丟包率始終為0，其余優先級分組丟包率不斷增加。

下面將MPS-MAC協議與文獻[15]中的PAJ-MAC協議及文獻[16]中的基于傳輸時隙分配和即時訪問的PIH-MAC協議進行仿真對比，其中PAJ-MAC協議包含表2中4種類型的優先級業務信息。PIH-MAC協議包含3種優先級業務信息，分別是指揮控制信息、偵察信息和環境信息。在相同的參數設置下得到MPS-MAC協議與PAJ-MAC協議、PIH-MAC協議的性能對比結果，如圖4～圖6所示。

圖6 不同協議的吞吐量性能對比 Fig.6 Comparison of system throughputs of different protocols

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

5 結論

本文針對蜂群無人機自組網中多種混合業務的不同QoS需求，提出了一種區分優先級的MPS-MAC協議。該協議通過為不同類型業務制定不同的信道接入策略和設置不同的生命周期值，實現了多優先級區分服務。仿真結果表明：

1) MPS-MAC協議可以保證最高優先級分組接入時延在2 ms以內，一次接入成功率在99%以上，且在重負載下系統吞吐量能夠穩定在11 Mbit/s. 因此本協議可以提高空中無人機編隊對機動性較強的空中時延敏感目標的精確打擊能力，并提供較高系統容量。

2) MPS-MAC協議通過為混合業務采用不同的信道接入策略，設置生命周期并采用基于信道忙閑感知的多優先級退避算法，可為各優先級業務提供QoS保障能力。

3) 與PIH-MAC協議及PAJ-MAC協議相比較，MPS-MAC協議在時延敏感信息等最高優先級業務保障能力及系統吞吐量上均有明顯的優勢。