高速飛行器自組織網絡MAC協議研究

孫 芳 鄧志均 王長慶 李 喆

(中國運載火箭技術研究院 北京 100076)

0 引 言

高速飛行器自組織網絡是一種特殊且極為重要的移動自組織網絡，除了具有常規移動自組織網絡的自組織無中心、動態拓撲、多跳路由等特點之外，高速飛行器自組織網絡的節點運行速度通常可達數倍馬赫或者更高，具有高動態網絡拓撲特性。高速飛行器自組織網絡不僅要滿足無中心、多跳傳輸的基本功能，還要考慮復雜多變的戰場環境和種類繁多的信息類型，對有效性和可靠性要求更為嚴苛[1]。對于關鍵的戰術指令和測控信息，必須保證信息傳輸的實時性和準確性，因此高速飛行器自組織網絡必須有能力針對各級各類業務提供服務質量保障(Quality of Service, QoS)，支持多種優先級任務差異化服務。

MAC協議控制網絡中多個節點可以公平、高效地共享無線信道資源，直接影響了自組織網絡性能，是鏈路層協議設計的重中之重。常見MAC協議，不管是固定分配類還是隨機競爭類，都無法滿足高速飛行器自組織網絡應用場景需求。固定分配類接入協議，比如TDMA、FDMA、CDMA等，其協議穩定性最高，可以保證節點數據發送的公平性，但是協議平均傳輸時延較大、靈活性較低，不能很好地適應高動態網絡拓撲環境，且不支持可變節點密度，業務量較輕時信道利用率降低，用戶數量增多時無法利用其他用戶空閑的時隙資源為新用戶服務，從而不能很好地支撐網絡的規模化發展；隨機競爭類接入協議，比如ALOHA、CSMA、CSMA/CA等，其協議機制簡單，但是碰撞概率很大、傳輸成功率較低，在業務量增多時會導致碰撞掉的數據不斷重傳，系統開銷增大，無法滿足業務的QoS需求。

美軍新一代戰術數據鏈(Tactical Targeting Network Technology, TTNT)聚焦實現對時敏目標進行精確打擊能力，其信道接入控制協議是統計優先級多址接入協議(Statistical Priority-based Multiple Access, SPMA)，具備動態快速組網、支持多個節點同時通信、支持多種優先級業務區分、保障高優先級業務低時延接入等能力[2]，可以很好滿足高速飛行器自組織網絡的QoS需求。本文在分析SPMA協議原理的基礎上，針對退避時間算法進行研究和改進，專利文獻[3-4]中提到利用退避時間窗口抑制低優先級數據接入，但是沒有給出退避時間窗口的具體設置方式。文獻[1-2，5-8]在對SPMA協議進行設計與仿真實現的同時，給出了退避時間算法方案，但并無最優算法的定論，仍存在不足之處可以改進。本文提出一種改進型動態自適應退避時間算法，利用OPNET平臺對SPMA協議進行系統建模與仿真分析，對比分析基于本算法和文獻[6]算法SPMA協議的吞吐量、丟包率和平均時延，以驗證改進算法對SPMA協議性能的影響效果。

1 高速飛行器自組織網絡

1.1 網絡組成

高速飛行器自組織網絡節點數較多，根據實際任務場景，一般以任務集群的方式進行分群協同工作：一定空間內同一任務集合的多個移動節點組成一個集群，使用虛擬中心節點(群首)的方式構建無線自組織網絡，支撐集群內部各節點的接入、退出以及路由維護等功能，實現內部組網和協同任務需求；大范圍間不同任務集合的移動節點通過各自集群的群首構建的無中心無線自組織網實現集群與集群之間的數據交流，完成任務對接、數據共享、敵我身份識別等任務。高速飛行器自組織網絡的網絡組成示意圖如圖1所示。

圖1 高速飛行器自組織網絡示意圖

1.2 協議棧架構

參照TCP/IP經典五層協議棧架構，高速飛行器自組織網絡協議棧自下而上包括物理層、鏈路層、網絡層、傳輸層和應用層。其中，鏈路層又分為介質接入控制(Media Access Control, MAC)子層和邏輯鏈路控制(Logic Link Control, LLC)子層。在遵循五層協議棧架構以實現網絡連通基本功能的同時，高速飛行器自組織網絡各層還應融合“協議棧+QoS需求+安全需求”的模式[9]，如圖2所示。QoS需求是指網絡各層協議設計時需要考慮有效性和可靠性要求，具體性能指標包括優先級區分、時延、丟包率、吞吐量等。安全需求是指網絡各層還需要采取安全措施以增強網絡抗干擾、抗截獲能力等。

圖2 高速飛行器自組織網絡協議棧架構

1.2.1 物理層可靠傳輸

物理層負責完成數據比特流的可靠傳輸，負責實現高質量、收發同時、多收同時的信號接收解調糾錯功能。為了滿足抗干擾、抗截獲、適應高動態網絡環境需求，高速飛行器自組織網絡物理層采用寬帶編碼跳頻跳時信號體制。大塊的數據包被拆分成多個小塊數據包，分散到各個離散時間和離散頻率上進行傳輸。為網絡中每個節點分配獨特的跳頻跳時圖案實現多址接入，不但可以區分不同的節點，而且比簡單的跳頻或者跳時技術具有更強的保密性、抗干擾性和抗截獲性。

1.2.2 鏈路層多址接入協議

鏈路層負責完成無線傳輸介質的訪問控制、沖突處理以及多節點間多址通信傳輸功能。高速飛行器自組織網絡要實現低時延可靠傳輸，需要采用適合的MAC協議，合理有效地分配信道資源，提高無線信道資源的使用效率和系統的容量，控制接入時延且避免擁塞。針對高速飛行器自組織網絡需求特點，采用SPMA接入協議，保證高優先級信息時延最短，支持多個不同的優先級和大量的用戶。SPMA協議基本原理如圖3所示，按照任務消息的輕重緩急將數據分為多個優先級隊列，并為每個隊列預先設置相應的門限閾值，通過比較優先級門限閾值和當前信道占用統計(Channel Occupancy Statistics, COS)值的大小，來決定數據分組是否立刻發送。如果某隊列的門限閾值大于當前信道占用統計值，則該隊列數據分組立刻發送；如果該隊列的門限閾值小于信道占用統計值，則該隊列數據分組選擇退避一定時間后再次重復上述判據算法。通過這種機制，SPMA可以抑制較低優先級業務的傳輸，控制信道負載不會過載，以保證更為重要的較高優先級業務的低時延、高可靠傳輸。

圖3 SPMA協議的基本原理

1.2.3 網絡層路由協議

網絡層負責完成高速節點自適應網絡拓撲的維護與優化、信息傳輸路由尋址等功能。網絡層采用基于業務優先級的低時延路由協議，用于實現高動態環境下信息高可靠、低時延多跳傳輸。路由協議主要包括拓撲發現模塊、路由算法模塊和分組轉發模塊。拓撲發現模塊實時獲取高速飛行器自組織網絡當前拓撲狀態，維護當前網絡拓撲的穩定，構建拓撲表，輸出給路由算法模塊；路由算法模塊根據拓撲表，構建出鏈路模型，并進行最優路由計算，生成路由表，輸出給分組轉發模塊；分組轉發模塊用于實現業務分組的編址、尋址，轉發是按照優先級高低依次讀取隊列數據進行轉發以實現優先級任務區分。

1.2.4 傳輸層協議

傳輸控制協議(Transport Control Protocol, TCP)和用戶數據報協議(User Data Protocol, UDP)是傳輸層最重要的兩種協議。TCP最大的特點是面向連接，數據傳輸之前，通過三次握手機制建立連接，即在正式數據傳輸之前源端和目的端就已有交互，這種機制大大提高了傳輸可靠性，但是帶來的缺點是時延較大。而UDP是面向非連接的傳輸協議，在數據傳輸之前不需要事先建立交互連接，這種簡單的協議機制可靠性會相對較差，但是具有較好的低時延性能。

2 算法設計

通過分析SPMA協議原理，可以看出SPMA本質上是一種退避機制，如圖4所示，如果某隊列的門限閾值小于信道占用統計，說明此時信道負載存在過載，則系統調用退避算法執行退避。退避時間和用戶在給定優先級下的實際傳輸速率之間存在一定映射規則。每一個優先級對應一個允許的傳輸速率，單位是每秒脈沖數，當信道負載增大時，最低優先級的傳輸速率首先被限制，隨著信道負載逐漸增大，更高優先級依次開始執行退避。

圖4 SPMA退避機制流程

2.1 現有退避時間算法

經典的退避時間算法有二進制指數退避算法(Binary Exponential Back-off, BEB)，CSMA/CA協議采用的就是這種退避時間算法。BEB算法的核心思想是設置一個退避時間窗口，每發生一次碰撞就將退避時間窗口長度加倍。但BEB算法并不適用SPMA協議，有以下兩點原因：一是BEB算法認為所有數據包地位平等，不能提供多種優先級數據QoS差異化服務，這與SPMA基于優先級統計的設計初衷不符；二是BEB算法當退避結束后，會立刻嘗試接入信道發送數據包，而SPMA協議在退避時間結束后，需要物理層再次進行信道占用統計，再次比較信道占用統計值和優先級門限閾值的大小，決定此數據包是接入信道還是再次執行退避。

文獻[5-7]給出的SPMA協議退避時間算法，都是根據優先級等級確定退避時間。例如文獻[6]退避時間計算公式，如式(1)所示。

Tbackoff=random(Tupdate,Tupdate×(Priority+1))

(1)

式中：Tupdate表示信道占用統計周期；Priority表示優先級，取值范圍[0,N-1]；random(x,y)表示生成一個區間[x,y]上的隨機數。

以優先級等級作為自變量計算退避時間，可以使得不同優先級數據包在執行退避時采用差異化退避時間，但是，對于同等優先級的數據包在執行退避時僅僅采用隨機退避時間，并沒有考慮當前信道負載狀態，顯然這樣設計是存在不足的。

2.2 自適應退避時間算法

本文綜合考慮SPMA協議中三個重要參數：優先級等級Priority、信道占用統計COS和優先級門限閾值Threshold為自變量，設計了一種動態自適應退避時間算法，具體算法設計如下：

假設共有N個優先級隊列：0～N-1，0代表最高優先級，N-1代表最低優先級，優先級i隊列的門限閾值為Thi(0≤i≤N-1)。當COS

(2)

式中:α和β為系數，根據具體網絡場景而定；Priority為優先級等級，取值范圍[0,N-1]；COS為信道占用統計，由物理層統計得到；Thi為優先級i隊列的門限閾值。

門限閾值的設置直接決定了數據包是否能夠立刻發出，門限閾值設置得過高，會造成信道負載過大，信道碰撞概率加大；門限閾值設置得過低，數據被過分抑制無法傳輸。一個基本設置原則是高優先級隊列的門限閾值在數值上應該高于低優先級隊列的門限閾值。本文采用先設置最低優先級門限閾值、然后依次推算其他較高優先級門限閾值的方法。最低優先級門限閾值ThN-1的設置，采用所有數據分組隨到隨發，隨著信道負載逐漸增大，當丟包率增至1%時，此時對應的信道占用統計為20%，將這個值作為ThN-1，其他門限閾值的遞推如式(3)所示，其中rj代表優先級j隊列的業務量占比。

(3)

式(2)中系數α和β用來調節退避時間的靈敏度，α和β的取值不僅影響退避時間的大小，同時影響退避時間的變化率。如果取值偏大，帶來退避時間過長，尤其低優先級數據分組會一直退避，始終無法發送，造成“饑餓”問題；如果取值偏小，帶來退避時間過短，不能有效抑制信道負載，且不同優先級數據分組在相同COS情況下的退避時間差距也會減少，退避效果變差，碰撞概率增加。

本文設計SPMA協議共有0-3四種優先級，0表示最高優先級。當四種優先級的業務量占比為1∶1∶1∶1時，由式(3)可得四種優先級門限閾值分別為Th0=80、Th1=40、Th2=27和Th3=20。通過多次實驗測試，取α=0.01和β=0.04時，可以取得較好的仿真效果。式(2)對應的函數曲線如圖5所示。

圖5 自適應退避時間算法函數曲線

門限閾值決定了四種優先級曲線開始退避的起點，系數α和β影響函數曲線的斜率和曲率。四條曲線從左到右分別對應優先級3、優先級2、優先級1和優先級0的退避時間隨信道占用統計COS值的變化情況。當信道負載逐漸增大至20%時，低優先級3數據包開始執行退避，隨著信道負載繼續增大，優先級2、優先級1、優先級0依次開始執行退避，優先級等級越高的數據，退避時間相應越小，因此可以保障高優先級分組以更高概率接入信道。觀察四條曲線均為單調遞增函數，信道負載越大時執行退避時間越大，且四條曲線隨著COS值越大對應的曲線斜率越大，即信道負載越大時執行退避時間的增速也越大。

3 建模與仿真

3.1 協議棧建模

SPMA專利文獻[3]中提到，為了保證最弱的信號也可以達到低于1%的PER，系統應該提供1個發送信道和4個接收信道。本文利用OPNET仿真平臺搭建節點協議棧模型如圖6所示，協議使用SPMA作為接入層協議，SPMA接入模塊在發送方連接一套發信機模塊負責發送報文，在接收方連接4套收信機模塊，每套收信機模塊對應一個無線信道，且每套收信機模塊均分別有兩條狀態統計線，連接至SPMA接入模塊，用以統計信道占用率和信道閑忙狀態，天線模塊用于模擬全向天線。同時，使用與SPMA接入協議配套的SPMA通信業務模型，該業務模型用于產生和收發不同有限等級的優先級的業務數據報文，這些業務報文將在SPMA接入層按照業務類型分類發送，從而確保高優先級業務傳輸的實時性和傳輸成功率。

圖6 協議棧模型

Application應用層模塊，負責生成不同優先級的數據業務；TCP、UDP傳輸層模塊，提供端到端可靠傳輸和快速報文轉發；IP模塊，支持IP分組的存儲轉發、路由建立和路由選擇；ARP模塊，支持接口IP地址與MAC地址間的查詢和地址映射轉換；MAC模塊，采用SPMA協議執行無線信道的接入控制機制，根據信道的占用情況決策上層業務類型的轉發服務；無線收發信機模塊，計算節點發射和接收無線信號的一系列參數指標，可以設置發射速率、頻段、功率、調制編碼方式等；天線模塊，負責模擬節點的射頻全向天線，能夠根據信號的傳輸距離計算電磁波在自由空間的衰減程度以及天線增益大小，從而為收信機模塊提供接收信噪比的計算依據。

3.2 網絡參數配置

網絡場景由3組集群組成，每組集群內包含4個節點，全網共12個高速飛行器節點。集群內節點間兩兩間距約為12 km左右，集群間的距離相隔60 km左右。該場景為每個節點關聯設置了一條移動飛行軌跡，描述高速飛行器的全程飛行過程。所有節點以廣播的方式發送數據，周期性產生0-3四種優先級的通信業務，0表示最高優先級，四種優先級的數據包到達均服從泊松分布且獨立同分布，具體的網絡參數配置如表1所示。

表1 網絡參數配置

3.3 仿真結果分析

本仿真對基于自適應退避時間算法和文獻[6]退避時間算法的協議性能進行對比，通過改變發包間隔時間模擬網絡業務量變化，運行多次仿真觀察兩種算法下SPMA協議的吞吐量、丟包率和平均時延三項性能指標的變化情況。

圖7為網絡吞吐量隨業務量變化曲線，可以看出，隨著業務量不斷加大，網絡吞吐量也隨之不斷增大，當業務量達到7 Mbit/s時，吞吐量不再繼續增大而是逐漸趨于一個相對穩定的狀態，說明SPMA協議在業務量增大時能夠及時退避低優先級分組，使網絡吞吐量保持穩定。但對比發現，自適應退避時間算法可以使網絡吞吐量穩定于飽和值，大約為6.65 Mbit/s，而原退避時間算法達到的最大吞吐量低于這個飽和值，且有明顯波動，說明改進算法可以通過對退避時間的動態自適應調整，進一步優化網絡流量，使吞吐量性能表現更優。

圖7 吞吐量隨業務量變化曲線

圖8為四種優先級業務的丟包率隨業務量變化曲線。可以看出，四種優先級丟包率隨著業務量的增大均呈現逐漸上升的趨勢，且優先級越低數據包的丟包率上升得越快，性能惡化越嚴重，而最高等級優先級0業務的丟包率是最低的，且增幅最為緩慢，說明SPMA 協議可以實現不同優先級業務差異化服務，高優先級業務的丟包率低于低優先級業務的丟包率。但是對比兩種算法曲線，本文算法優先級0和優先級1業務的丟包率較原算法更低，而本文算法優先級2和優先級3業務的丟包率較原算法有所增大，原算法優先級0業務丟包率在業務量超過6 Mbit/s之后會有小幅上漲，業務量達到9 Mbit/s時對應的優先級0業務丟包率大約為5%，而本文算法優先級0業務丟包率始終低于1%，說明本文算法可以更有效地抑制低優先級分組接入信道，更好地控制信道負載狀況，保障高優先級業務的高可靠傳輸。

圖8 丟包率隨業務量變化曲線

圖9為四種優先級業務的平均時延隨業務量變化曲線。可以看出，各個優先級數據包的平均時延隨著網絡業務量的增大均呈現上升趨勢，且優先級越低平均時延越大，說明SPMA 協議對不同優先級業務做時延差異化處理。但是對比兩種算法曲線，本文算法優先級0和優先級1業務平均時延較原算法更低，而本文算法優先級2和優先級3業務平均時延較原算法均有所增大，原算法優先級0業務丟包率隨著業務量加大會出現一定幅度上漲，當業務量達到9 Mbit/s時原算法優先級0業務平均時延大約為17 ms，而本文算法優先級0業務平均時延始終低于2 ms。說明自適應退避時間算法通過動態調整退避時間，起到了更好的退避效果，進一步優化各優先級業務的接入時延，保障高優先級業務的低時延傳輸。

圖9 平均時延隨業務量變化曲線

4 結 語

SPMA協議具備動態快速組網、支持多種優先級任務區分、保障高優先級任務低時延接入等能力，可以很好滿足高速飛行器自組織網絡的QoS需求。SPMA協議退避時間是當信道負載超載時控制各個優先級接入信道的參數，直接決定著網絡吞吐量性能。本文針對高速飛行器自組織網絡場景，結合相關專利對SPMA協議進行設計，著重任務優先級差異化服務需求，并針對現有退避時間算法不足，提出一種自適應退避時間算法，可以根據優先級等級、門限閾值和信道占用統計三個參數動態調整退避時間以達到更好的退避效果。仿真結果表明，本文設計的SPMA協議可以實現多種優先級業務差異化服務，改進的退避時間算法在業務量不斷增大時能夠更好地維持網絡吞吐量性能，保證高優先級業務的高QoS傳輸。