一種低時延無人機自組網閾值自適應接入協議

任 智,楊 迪,胡 春,朱克蘭

(重慶郵電大學 通信與信息工程學院,重慶 400065)

0 引 言

無人機自組網(Unmanned Aerial Vehicle Ad-Hoc Network,UANET)[1-2]是一種非常靈活的自組織網絡,被廣泛應用于各種場景中[3-4]。基于統計優先級的多址接入協議[5-7](Statistical Prioritybased Multiple Access Protocol,SPMA)是美軍數據鏈戰術瞄準網絡[8-9](Tactical Targeting Network Technology,TTNT)中使用的媒體訪問控制(Media Access Control,MAC)層接入協議,文獻[10]提出了一種基于業務量統計的改進算法(Traffic Statistic Multiple Access Protocl,TSMPMAC),該算法控制信道負載在一個特定閾值門限以下,保證了高優先級包的傳輸成功率；文獻[11]介紹了一種單通道自組網MAC協議,考慮了站內排隊的數據包的服務質量(Quality of Service,QoS)要求,以便為每個站提供基于優先級的訪問；文獻[12]為了滿足網絡負載較大時時間敏感業務的低延遲傳輸需求,研究了一種基于SPMA的移動自組網系統；文獻[13]提出了一個分析模型來計算飽和輸入條件下的時隙傳輸概率,得到系統的平均延遲、丟包率和吞吐量等特性；文獻[14]提出了基于幀成功傳輸概率自適應閾值調整方法,通過借鑒傳輸控制協議(Transfer Control Protocol,TCP)流量控制機制設計了閾值調整機制。通過以上研究發現,現有SPMA存在如下問題:(1)在節點開機后尋找真實滿載門限的過程收斂慢,不能快速找到真實門限；(2)無人機飛行環境的變化會造成信道承載能力的變化,此時的滿載門限不能隨環境變化做出正確調整。鑒于此,本文在文獻[14]的閾值自適應協議基礎上,提出了一種低時延UANET閾值自適應接入協議,并對其進行了仿真驗證及分析。

1 系統模型

1.1 網絡場景

多個地位相同的無人機節點構成UANET,其網絡拓撲如圖1所示,節點ID唯一,且通信方式為全雙工,采用全向天線。各個節點開機后開始運行求取信道滿載門限的程序,在此過程中各個節點產生信道負載門限求取包,并按照一定的速率發送出去,在一定時機獲取前一個負載統計周期內出現的包的個數作為信道滿載門限。當統計出的信道負載小于滿載門限時,不做退避,將各隊列中的包按優先級順序發出；若統計出的信道負載大于滿載門限,則退避相應低優先級的包,維持信道負載不大于信道承載能力,使數據的首發成功率≥99%。

圖1 UANET網絡拓撲

1.2 問題描述

(1)現有滿載門限的確定需要長時間的測試,而測試過程中系統未正常發包,增加了控制開銷。現有方法一:無控制發包逐漸增大發包速率,在數據發送成功率下降到99%時獲取前一個統計周期內出現的數據包的個數作為滿載門限；方法二:通過控制測試階段的發包速率提高測試的收斂速度,使用指數增加的發包速率增大信道負載,當信道過載時,降低發包速率為過載時的一半,然后線性增加發包速率,逐次逼近得出滿載門限。但這兩種方法的收斂速度都較慢。

(2)無人機群在飛行過程中,信道的環境是變化的(比如從基地飛進電磁環境復雜的戰場),此時信道的承載能力是變化的,所以滿載門限也是上下浮動變化的。現有研究或認為信道滿載閾值是固定的數值或是不能找到變化后準確的滿載門限,在信道承載能力變化后繼續使用固定或不準確的滿載門限值會造成發包成功率的降低,或是信道資源的浪費。如何在組網完成后的工作過程中適時地校準這個變化的滿載門限成為了一個問題。

2 低時延閾值自適應接入協議

針對現有相關SPMA的研究存在信道滿載門限確定過程收斂慢、滿載門限不能自適應調整導致的時延增大和沖突增加數據傳輸成功率降低等問題,提出一種UANET低時延閾值自適應接入(Low-Delay Threshold Adaptive Access,LDTA)協議,包括如下改進:(1)提出“信道滿載門限快速收斂機制”,通過使用類似TCP快重傳快恢復的方式在使用一定的先驗信息后使預測門限快速收斂至實際門限,使系統快速渡過滿載門限確定期,進入正常收發狀態,降低了初始數據的發送等待時延；(2)提出“基于傳輸成功率的滿載門限自適應調整機制”,通過單播包的數據傳輸成功率的連續數值,判斷當前信道是否過載或是否有空閑承載能力,通過動態調整滿載門限實現信道承載能力的最大化利用可以降低數據重傳的發生,從而減少平均時延。

2.1 信道滿載門限快速收斂機制

信道滿載門限快速收斂機制的核心思想是:每個信道負載統計周期的時間相同,所以控制每個周期內的發包頻率就能控制信道接入量,此時在仿照TCP的快重傳快恢復機制的基礎上,利用確認字符消息計算的單播包傳輸成功率,大致確定快恢復的起始數值,使估計的滿載門限值與真實的滿載門限值快速重合。信道滿載門限快速收斂機制流程圖如圖2所示。

圖2 信道滿載門限快速收斂機制流程圖

該新機制的具體操作步驟如下:

(1)以指數遞增的方式快速增大初始幾個負載統計周期內的信道負載接入量,以期在較短的時間內突破信道承載能力,最終在某個信道負載統計周期統計出數據傳輸成功率低于99%。

(2)當上個信道負載統計周期內的數據傳輸成功率＜99%時,利用上個周期統計出的數據傳輸成功率和總發包量相乘,得到預估的滿載門限,下個周期的信道負載從這個預估的滿載門限開始線性遞增。

(3)在數據傳輸成功率＜99%時,再次根據上個周期統計出的數據傳輸成功率和發包個數得到預估的滿載門限,并在下個統計周期降低線性遞增速率。重復步驟(2)和(3),使預估的滿載門限不斷逼近真實,最終得到真實的滿載門限。

2.2 基于傳輸成功率的滿載門限自適應調整機制

基于傳輸成功率的滿載門限自適應調整機制的核心思想是:通過多個統計周期的單播包數據傳輸成功率和單播包發包數量的匯總計算來判斷當前網絡所處環境的信道承載能力是否發生變化,在此基礎上提出一種在保證吞吐量不降低的同時,提高數據傳輸成功率和減小時延的滿載門限自適應調整機制。滿載門限自適應調整機制流程圖如圖3所示。

圖3 滿載門限自適應調整機制流程圖

具體操作步驟如下:

(1)在無干擾的最優信道環境下找出滿載門限Tfullload_best,此門限對應的發包成功率為99%。在信道承載能力降低時發包成功率降低至n%(n＜99),此時MAC層吞吐量降低,若要使發包成功率向99%回升,需要將滿載門限降低至新的滿載門限Tfullload_n。新滿載門限為

式中:n%為信道承載能力降低后統計出的發包成功率；Tfullload_best為最優信道環境下找出的滿載門限。

調整滿載門限為Tfullload_n后的吞吐量為Thnow,

Thnow大于等于調整前吞吐量,并且此時的發包成功率高于調整前的n%。隨著首發成功率的提升,重傳減少,整體時延也隨之降低。

(2)若調整后的滿載門限在連續數個統計窗口時間內出現不能保證首發成功率達到99%的情況,則需要比較此時的首發成功率m%(m%為根據式(1)調整滿載門限后系統的發包成功率)是否大于調整前的n%,吞吐量是否大于等于調整前的吞吐量。若均滿足大于等于,則可以使用此時的滿載門限Tfullload_n；若不能滿足,則將滿載門限返回調整前的門限值,使性能不至降低。

(3)在連續數個統計窗口時間內,在信道承載能力不過載的情況下,出現發包成功率＞99%,則認為當前UANET的網絡環境發生了改善。此時可以向上調整滿載門限。首先,調整滿載門限為最優條件下的滿載門限Tfullload_best,而后再視發包成功率是否小于99%做相應調整。若在Tfullload_best下發包成功率低于99%,則按照第(1)～(2)步找出合理的滿載門限值,否則就維持最優滿載門限值不變。

3 仿真驗證及結果分析

3.1 仿真參數設置

為了驗證LDTA協議的性能,本文采用網絡仿真工具OPNET 14.5對LDTA進行仿真驗證,主要仿真參數如表1所示。UANET SPMA及各種改進協議包括LDTA支持節點間單跳距離可達180 km,且UANET的特點之一是網絡的空間分布尺度較大,所以仿真場景為350 km×350 km。UANET中節點密度較小,在有限的仿真場景中節點數量不能過多,故設置為15個正常節點,0～8個干擾節點。OPNET是事件驅動的網絡仿真工具,仿真時間設置為100 s、發包速率10 Mbit/s和每個包6 400 bit可以發生足夠多的事件,得出較為客觀的時延、成功率和吞吐量等數據供分析參考。

表1 主要仿真參數

3.2 仿真結果分析

(1)數據傳輸成功率仿真結果。圖4所示為數據傳輸成功率,由圖可知,隨著干擾節點的增加和信道承載能力的持續下降,并未得到控制的發包速率導致固定閾值SPMA的數據傳輸成功率持續下降。帶有沖突避免的載波偵聽多路訪問(Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance,CSMA/CA)協議由于長時間的信道忙導致大量的數據包長時間退避,最終退避超時銷毀數據包,造成傳輸成功率很低。LDTA協議因為滿載門限自適應調整機制的運行,在短時間內重新找到了信道的滿載門限,從而很好地控制了低優先級包接入信道的個數,保證了高優先級包的傳輸成功率,控制了信道的整體負載水平,降低了碰撞的發生,所以LDTA的數據傳輸成功率始終保持在95%以上,可見LDTA協議的滿載門限自適應調整機制可以保證較高的數據傳輸成功率。

圖4 數據傳輸成功率

(2)數據平均時延。圖5所示為數據平均時延仿真結果。由圖可知,LDTA協議的數據平均時延低于固定閾值SPMA和CSMA/CA協議。固定閾值SPMA在干擾增大信道承載能力降低時,未能調整信道滿載門限,造成低優先級不該接入信道的數據包未能受到控制,過多的負載使信道中的沖突加劇并導致重傳的增多從而造成時延增大。LDTA協議通過自動調整信道的滿載門限可以得到當前信道承載能力的準確滿載門限。以此門限為基準,可以通過退避調度算法控制低優先級包的接入,從而控制信道負載水平在實際信道承載能力附近,在最大化利用信道資源的同時減少了數據包沖突,提高了首發成功率,降低了時延。

(3)MAC層吞吐量。MAC層吞吐量指單位時間內MAC層成功接收到的比特數。圖6所示為MAC層吞吐量仿真結果。由圖可知,LDTA協議具有大于CSMA/CA、大于等于固定閾值SPMA的MAC層吞吐量。由于信道負載水平控制得當,數據傳輸成功率高,所以LDTA協議的MAC層吞吐量還是能維持在大于CSMA/CA、大于等于固定閾值SPMA吞吐量的水平。

圖5 數據平均時延

圖6 MAC層吞吐量

4 結束語

本文針對現有SPMA滿載門限計算過程收斂慢和滿載門限在信道承載能力發生變化時不能自適應調整的問題,提出了信道滿載門限快速收斂和基于數據傳輸成功率的滿載門限自適應調整兩個機制。通過使初始滿載門限閾值快速收斂,根據信道實際的承載能力動態調整滿載門限,實現對信道負載水平的有效控制,從而減少了沖突的發生,提高了數據傳輸成功率,重傳次數的減少使數據傳輸時延降低。