樹形無人機蜂群網絡MAC協議設計與實現

郭首江 劉強

摘要：無人機蜂群網絡中，網絡架構和媒體接入控制（MAC）協議是影響網絡性能的重要因素。根據無人機蜂群通信網絡的特點，提出了樹形拓撲的分層通信網絡架構，并針對這一網絡架構，設計了一種混合型媒體接入控制協議。該混合型媒體接入控制協議采用動態時隙分配的方法，結合了載波監聽多路訪問（CSMA）協議和時分多址（TDMA）協議的優點，可以滿足無人機蜂群網絡高帶寬、低時延的要求。仿真結果顯示，該混合型媒體接入控制協議在高負載場景下，端到端時延約為0.1 s，投遞率約為95%，緩存隊列大小穩定，沒有發生隊列堆積的情況。在多優先級業務場景下，高優先級業務的端到端時延約為0.08 s，投遞率約為98%。相較于單獨的CSMA和TDMA協議來說，可以更好地支持樹形拓撲的無人機蜂群網絡。

關鍵詞：媒體接入控制協議;無人機蜂群網絡;樹形拓撲

中圖分類號：TP393文獻標志碼：A文章編號：1008-1739（2021）19-62-6

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。無人機蜂群是指將多種任務載荷的低成本小型無人機基于開放式體系架構綜合集成[1]，以通信網絡信息為中心，構建具有抗毀性、低成本、功能分布化等優勢的作戰體系[2-3]。無人機蜂群組成的網絡即無人機自組網（UAV Ad Hoc Network，UANET），屬于移動自組網（Mobile Ad Hoc Network，MANET）的一種。相較于一般的移動自組網和車輛構成的車載自組網（Vehicle Ad Hoc Network，VANET）來說，無人機自組網具有移動速度更快、拓撲變化更快、覆蓋面積更廣等特點。

樹形拓撲的無人機蜂群網絡是一種特殊陣列的無人機蜂群網絡，在網絡結構上具有更加規整的層級劃分，各層級無人機的通信方式和通信能力都不盡相同。這種特殊形態的網絡，具有高帶寬低時延的需求。媒體接入控制（Medium Access Control，MAC）協議是影響無人機網絡性能的重要因素，可以通過對MAC協議的改進來適應樹形拓撲的無人機蜂群網絡，從而降低無人機之間通信的時延，提高無人機之間的通信帶寬，以達到樹形拓撲無人機網絡的QoS需求。

目前，無人機蜂群網絡中一般使用的MAC協議主要分為競爭類MAC協議、分配類MAC協議和混合類MAC協議。

競爭類MAC協議的代表性協議是CSMA/CA協議，文獻[4]為了提高無人機自組網的QoS性能，對CSMA/CA協議進行了結構調整，但是調整之后的時延仍然無法滿足無人機自組網的需求。文獻[5]以CSMA協議為基礎，加入了業務優先級的影響因素，設計了基于統計優先級的多址接入（Statistical Priority-Based Multiple Access，SPMA）協議，此協議依據業務的優先級將其存入優先級緩存中，根據信道檢測的結果決定是否對其進行發送。但是競爭類協議在遇到高負載業務時，網絡中會產生大量碰撞，影響整個網絡的性能。

分配類MAC協議的代表性協議是TDMA協議。文獻[6]提出了一種根據業務需求而動態分配的TDMA協議，為不同業務類型的節點分配相應的時隙。文獻[7]將MAC協議分成2個階段：信標幀階段和數據幀階段。在信標幀階段對時隙資源進行競爭，在空間重用的基礎上可以找到空閑的時隙作為節點的額外時隙，從而提高TDMA協議的吞吐量和信道利用率。文獻[8]在TDMA協議中考慮了業務優先級的因素，從而提高了無人機節點的信道利用率，確保了時隙資源的有效分配。但是分配類MAC協議存在著網絡業務不均勻時，有的節點沒有業務發送也分配到了時隙，從而導致信道利用率下降。

混合類MAC協議是將競爭類MAC協議和分配類MAC協議的優點進行整合的協議。文獻[9]設計了一種結合CSMA/CA和TDMA協議優點的CC-MAC協議，采用空間分集技術，提出一種基于附近2架無人機合作的數據同步傳輸方案，網絡分配矢量狀態的節點可以在不發生延遲的情況下同時傳輸數據。文獻[10]提出了一個自適應MAC框架，允許多個MAC協議根據業務信息相互切換。依據此框架設計了CT-MAC，無人機可以根據偵查任務時自身位置的不同在CSMA和TDMA之間切換，從而達到協議的效果好過單一的CSMA和TDMA協議。然而以上2種混合類MAC協議無法滿足樹形拓撲無人機網絡集中式管控的需求。

總體而言，現有的針對無人機網絡的MAC協議并沒有很好地滿足樹形拓撲無人機網絡的高帶寬低時延需求。本文根據提高吞吐量及降低延時的要求，采用一種基于載波監聽多路訪問（CSMA）和時分多址（TDMA）混合的MAC協議。協議整體上采用的TDMA的超幀結構，根據不同優先級的業務量情況，動態地在CSMA階段和TDMA階段進行轉移，從而自適應調整無人機的接入狀態，以達到高帶寬、低時延的需求。

1網絡模型

本文考慮的場景包括一個高層無人機和多個低層無人機。高層無人機和低層無人機構建了樹形的層級網絡結構。高層無人機首先對地面環境進行探測，隨后根據任務釋放出低層無人機對地面進行視距探測。低層無人機需要將探測的情報實時回傳給高層無人機，高層無人機也會定期發送指控命令等信息給低層無人機，樹形拓撲的無人機蜂群網絡結構如圖1所示。

①高層無人機是一架大型固定翼無人機，具有移動速度快、安全性高、通信能力強等特點，可以直接和低層無人機進行通信。高層無人機還可以對地面環境進行偵查并釋放出低層無人機。

②低層無人機由多架旋翼微機組成，移動速度緩慢、通信能力較差、受高層無人機控制，可以對地面環境進行信息采集。

2 MAC協議設計

2.1樹形拓撲無人機蜂群網絡混合MAC協議

本文提出的混合MAC協議整體上采用集中式管控的思路，將上層的無人機作為父節點，相應的下層無人機作為子節點。由于在多層無人機網絡場景中，存在多種類型的業務，各個業務對帶寬和時延的需求也不盡相同。業務大體上可以分成輕量級業務和重量級業務。輕量級業務如指控業務和地理信息業務，此類業務延時要求較高，而本身的業務量很少。重量級業務如圖片業務和視頻業務，此類業務延時要求較低，而本身的業務量很大，因此所需的網絡帶寬需求很高。

傳統的CSMA協議是一種競爭型MAC協議，適用于低流量的場景，在高負載時容易發生碰撞，進而導致整個網絡時延的暴增。傳統的TDMA協議是一種預約型MAC協議，適用于高流量固定拓撲場景。即使遇到大量的業務，也會按照事先分配好的時隙去傳輸業務，因此不會發生碰撞。本文提出的混合MAC協議結合以上2種協議的優點，在遇到輕量級業務的時候采用CSMA協議，確保業務的延時要求。在遇到重量級業務的時候，則切換到CSMA階段和TDMA階段的組合，以確保業務的帶寬要求，混合MAC協議的超幀結構如圖2所示。

超幀由CSMA信標幀、CSMA數據幀、TDMA信標幀以及TDMA數據幀四部分構成，其中超幀的總長度、CSMA信標幀長度以及TDMA信標幀長度都是固定的，CSMA數據幀和TDMA數據幀長度由動態算法決定。

在超幀中，信標幀用來進行父節點對子節點的廣播，CSMA數據幀和TDMA數據幀用來進行節點之間的數據傳輸。子節點在CSMA時隙的末尾匯報自己的消息隊列長度、消息排隊時間以及消息優先級。其匯報數據幀格式在常規的MAC數據幀頭和數據部分之間加入了自身的隊列消息，匯報數據幀結構如圖3所示。

當子節點的業務處于輕量級時，整個超幀持續執行CSMA協議，低流量場景下的幀結構如圖4所示。

當子節點的業務處于重量級時，整個超幀執行圖2所示的混合MAC協議，即協議以CSMA階段和TDMA階段組合的方式運行。

2.2動態TDMA時隙劃分算法

動態TDMA時隙分配算法是在父節點上運行的。父節點收集來自子節點的隊列長度、業務優先級信息以及隊列的排隊時間，然后根據這些已知信息來決定：超幀是否進入TDMA階段和TDMA階段的長度，以及每個節點消息隊列分配的時隙長度等信息。

2.2.3每個節點消息隊列分配的時隙長度

在CSMA階段的時候，消息隊列的消息采用PQ（Priority Queuing）的調度方式去發送數據。在TDMA階段的時候，父節點采用集中式的調度方式，為每個子節點的消息隊列分配相應時隙。

首先父節點根據子節點的緊急程度i’來等比例分配子節點的時隙塊，子節點在分配的時隙塊中再劃分不同優先級消息隊列的時隙。這里采用基于EDF（Earliest Deadline First）算法的改進版本。

EDF算法是根據不同隊列的截止期來確定調度的優先級，當目前隊列的截止期越小時優先級越高，這是一種動態優先級調度算法。本文中，在兼顧截止期的前提下，同時考慮消息隊列本身的優先級，從而更加公平地進行動態優先級調度。

2.3算法過程

動態TDMA時隙分配算法運行在高層無人機上，以實現對低層無人機的控制。低層無人機在CSMA時隙的最后進行隊列信息的匯報，高層無人機收集到信息之后，根據這些信息來完成時隙分配算法，父節點算法執行過程如圖5所示。

3仿真分析

3.1仿真參數設置

為了驗證混合MAC協議的性能，本文基于OPNET Modeler 16.0仿真工具建立仿真場景，使用IP業務流進行業務仿真，對比傳統的TDMA協議、CSMA協議以及本文設計的混合MAC協議，仿真參數配置如表1所示。

設計一個典型的應用場景：1臺高層無人機和20臺低層無人機在10 km×10 km的區域組成一個樹形拓撲的無人機蜂群網絡。網絡拓撲仿真場景如圖6所示。

針對此場景設置了2個不同的業務模式。一種是高負載下的壓力測試模式，低層無人機會向高層無人機發送第一優先級高流量的視頻流業務，由于多個無人機同時發送高流量業務，因此整個網絡會處于擁塞狀態，進而可以對比3種協議在此環境下的性能。另一種是多優先級業務測試模式，低層無人機會向高層無人機發送4種優先級的業務，進而可以對比3種協議對于不同優先級業務的性能。

3.2仿真結果分析

3.2.1高負載模式

（1）數據平均時延仿真結果

圖7為高負載模式下的數據平均時延。由圖可知，隨著發送速率的逐漸增大，網絡擁塞逐漸加大，平均數據時延也相應增加。由于CSMA協議是一種競爭性的協議，當發送速率增大到400 kbps的時候，發生了退避行為，從而導致時延大幅度上升。TDMA協議是預約型的MAC協議，各個無人機節點會按照事先分配好的時隙發送數據，以確保信道不會發生碰撞，但是由于時隙分配固定，會導致信道利用冗余，因而時延穩定在0.4 s左右。而本文提出的混合MAC協議，在網絡擁塞產生時，會動態轉移到TDMA狀態，從而減少信道碰撞，因此時延被控制在0.1 s以下，保證了傳輸的低時延要求。

（2）投遞成功率

圖8為投遞成功率仿真結果。由圖可知，隨著發送速率的逐漸增大，整個網絡變得擁堵，因此投遞成功率也隨之下降。隨著網絡負載加重，CSMA協議檢測到了碰撞并開始退避，從而使投遞率大幅度降低。而TDMA協議由于初期已經分配好了時隙，因此信道不會發生碰撞，投遞率一直維持在99%以上的水平。本文提出的混合MAC協議在檢測到信道碰撞之后，動態轉移到TDMA階段，從而確保了投遞率不會大幅下降。但是由于一個超幀結束后，協議又會跳轉到CSMA階段，因此投遞率并沒有達到TDMA那樣的水平，大致控制在95%左右。

（3）隊列緩存大小仿真結果

圖9為高負載模式下的隊列緩存大小。由圖可知，隨著發送速率的逐漸增加，隊列緩存隨之增加。由于CSMA在高負載的情況下會產生退避，因此隊列緩存持續累積，這也就解釋了CSMA協議在高負載狀態下高時延的原因。TDMA協議按照初期分配好的時隙進行發包，不會根據業務流量的變化而進行時隙的調整，因而會出現業務流量增大但是分配時隙很小的情況，這就會導致來不及發出的包越來越多，隊列緩存逐漸累積?；旌螹AC協議會根據業務流量的變化而動態調整協議狀態，因此可以及時把緩存隊列中的包發送出去，不會出現緩存累積的情況。

3.2.2多優先級業務測試模式

（1）數據平均時延仿真結果

圖10為多優先級模式下的平均時延。由于4個優先級的業務同時發送，整個網絡會保持在擁塞狀態，因此CSMA會發生退避，隨著隊列緩存的不斷堆積，4個優先級業務的時延均保持在4 s左右。而由于4種優先級業務的帶寬不盡相同，TDMA協議無法根據實際流量去分配時隙，因此在不均勻業務量情況下，時延會大幅上升，4個優先級業務的時延保持在2.5 s左右。本文提出的混合MAC協議會根據實時不同優先級業務的負載，動態的調整協議狀態，因此不會發生緩存隊列的堆積，4種優先級的時延隨著優先級別的提升，時延不斷遞減，并且總體保持在0.1 s左右。

（2）平均投遞率仿真結果

圖11為多優先級模式下的平均投遞率，隨著優先級級別的提高，投遞率有上升的趨勢。本文提出的混合MAC協議會根據優先級來判定網絡環境是否緊急，因此在遇到高優先級業務的時候，會動態轉移到TDMA狀態，以確保投遞率。因此，隨著優先級別的增加，投遞率也會隨之增加。而由于CSMA協議和TDMA協議均沒有對優先級的分類處理，因此其投遞率均穩定在固定水平。其中CSMA協議的投遞率大概在50%，而TDMA協議的投遞率為99%。

4結束語

針對無人機蜂群通信特點，提出了一種樹形拓撲的網絡架構，并對此設計了混合MAC協議，以達到可以滿足無人機網絡高帶寬低時延的要求。在低流量業務時保持在CSMA階段以確保低時延，在高流量業務時切換到TDMA狀態以保證高帶寬。仿真結果表明，混合MAC協議改善了CSMA協議無法滿足高帶寬以及TDMA協議無法滿足低時延的需求，通過動態切換的方式，自適應地調整協議運行狀態，當網絡業務負載較低時，可以滿足低時延的需求。當網絡負載增大時，可以滿足高帶寬的需求。因此，該混合MAC協議可以很好地適應樹形拓撲的無人機蜂群網絡。下一步將會針對無人機蜂群網絡高移動性、拓撲變化快和能耗平衡等方面做進一步的研究。

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