常 揚,陳建民,馬鵬飛

(中國電子科技集團公司第五十四研究所,河北石家莊050081)

0 引言

國內無人機研究發(fā)展已有30多年歷史,考慮到無人機的網絡通信環(huán)境,無法采用固有的基礎網絡通信設備,需要建立一套快速展開、高效穩(wěn)定、多點覆蓋、協(xié)同工作的高速運動條件下的無線通信網絡,在這樣的應用背景下,Ad Hoc網絡通信系統(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網絡通信系統(tǒng),關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網絡協(xié)議棧的建設過程中,最重要的就是信道接入協(xié)議的性能。

從高速運動條件下的空中Ad Hoc網絡出發(fā),對Ad Hoc網絡信道接入協(xié)議進行研究,提出一種新型的Ad Hoc網絡信道接入協(xié)議,并通過NS2模擬實際使用環(huán)境,從而對高速運動條件下Ad Hoc網絡信道接入協(xié)議性能進行分析,得出應用性結論。

1 移動Ad Hoc網絡原理

Ad Hoc網絡是一種特殊的對等式網絡,使用無線通信技術,若干個帶有收發(fā)信機的節(jié)點構成的一個無中心、多跳的、自組織的網絡,采用分布式控制,網中的節(jié)點同時具有主機和路由器的功能,可以不依賴預先存在的網絡基礎設施而快速展開,自適應組網,各節(jié)點可在不進行通知的情況下自由進入網絡和脫離網絡且不會導致整個網絡陷入癱瘓。

Ad hoc網絡的節(jié)點結構不僅具有移動終端的功能,還要完成路由器的功能。因此,網絡節(jié)點通常包括主機、路由器和電臺3部分。Ad hoc網絡一般有平面結構和分級結構2種。在平面結構中,所有節(jié)點的地位平等,所以又可以稱為對等式結構。分級結構中,網絡被劃分為簇,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絡。在高一級網絡中,又可以分簇,再次形成更高一級的網絡,至最高級。

在移動Ad Hoc網絡中,各個無線節(jié)點都可以自由移動,與其他Ad Hoc通信網絡的區(qū)別之處在于:網絡拓撲變化迅速、受網絡規(guī)模大小和節(jié)點移動影響;移動Ad Hoc網絡范圍跨距大而且含有數十個到幾百個網絡節(jié)點;移動Ad Hoc網絡節(jié)點安放在其移動模式相異的各個平臺上;在移動Ad Hoc網絡內部可能有極大的變化;節(jié)點運動速度(從靜止節(jié)點到高速飛行器)、運動方向、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網絡提供多種傳輸類型,包括從純數據傳輸、純話音傳輸到話音和數據的綜合傳輸,話音和圖像的綜合傳輸,話音和數據圖像的綜合傳輸,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

信道接入處于Ad Hoc網絡協(xié)議棧的底層,是協(xié)議棧的基礎,用來控制節(jié)點在合適的時機接入無線信道,是數據信息在信道上發(fā)送和接收的直接控制者,其好壞直接關系著信道的利用效率和整個網絡的性能,對Ad Hoc網絡通信起著決定性作用。信道接入技術能否有效地使用無線信道的有限帶寬,對Ad Hoc網絡的性能至關重要。

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

由于移動Ad Hoc網絡沒有預先確定的基站來協(xié)調信道訪問,因此許多集中式媒介訪問控制設計思想在移動Ad Hoc網絡中都是無效的。Ad Hoc通信系統(tǒng)的信道接入協(xié)議根據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,并且通過隨機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。這種映射導致一個發(fā)送時間安排決定了一個節(jié)點在其特定的時隙(可以是1個,也可以是多個)內允許訪問信道。大多數分配協(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(按照時隙個數計算)是建立協(xié)議性能的基礎。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,學術界提出了各種類型的Ad Hoc網絡信道接入控制協(xié)議,但到現在為止,還沒有找到一個能夠適用于任何網絡環(huán)境的信道接入控制協(xié)議。造成這種現象的原因一是由于Ad Hoc網絡應用環(huán)境的復雜性和多變性,二是由于協(xié)議的評價指標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個指標就屬一對矛盾,只能根據需求,在2個指標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,要根據協(xié)議所應用的環(huán)境,符合環(huán)境特點,具體問題具體分析。

3 一種新型MAC協(xié)議

在無人機寬帶網絡環(huán)境下,各節(jié)點運動速度很高,在現有的無線信道接入協(xié)議里,并沒有一種協(xié)議能夠完美支持高速運動節(jié)點。考慮到無人機網絡通信需要動態(tài)組網的應用特點,協(xié)議設計應滿足以下目標:

①能夠在高速運動,拓撲變化迅速條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,設計了一種基于時分多址方式的新型信道接入協(xié)議,該協(xié)議的設計要充分考慮系統(tǒng)最重要的限制條件:時延要求,在現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協(xié)議具備時延上限保證的可能性,其他類型信道接入協(xié)議從理論上無法確保時延上限值。為確保時延指標,必須采用基于時隙的幀結構,將新設計的信道接入協(xié)議命名為高速空基網絡接入控制協(xié)議(High Speed Airborne,HSA)。

3.1 基本時隙

為了保證時延特性指標和業(yè)務同傳能力,將信道時隙的組成設計如表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)議幀結構仍然無法滿足實時短消息端到端時延的苛刻要求(≤6 ms)。因為若采用輪轉或預約的時隙結構,不管是輪轉還是預約,某個結點在需發(fā)送短消息時,總要等待邏輯上屬于該節(jié)點的時隙到達后才能夠發(fā)送數據。最壞情況下,當信息到達時,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)送數據,設一個消息發(fā)送從源點到目的點經過n次轉發(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)送數據的時隙。這樣的需求,常規(guī)的協(xié)議幀結構無法滿足。

結合表1,整個系統(tǒng)幀結構如表2所示。

表2 HSA幀結構

無人機網絡中,控制信息基本上是由主控結點發(fā)出,而其他結點響應并返回結果,因此可以設計一個專門為主控結點發(fā)送短信息優(yōu)化的MAC協(xié)議。在這個協(xié)議里,主控結點專門留有實時短消息快速發(fā)送通道,而其他結點僅起到迅速轉發(fā)的作用,不與主控結點競爭該快速發(fā)送通道。其他結點待發(fā)的數據(包括主結點待發(fā)的非實時短消息,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)在設計時,在控制通道中預先留出了控制信息的發(fā)送和轉發(fā)區(qū),而同時給每個結點留出了一個發(fā)送其他信息的發(fā)送區(qū)。由于每個結點輪轉享有一次發(fā)送機會,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絡模擬軟件,其開發(fā)目的主要是為了研究大規(guī)模網絡以及當前和未來的網絡協(xié)議的交互行為,其為模擬研究有線和無線網絡上的多層協(xié)議和跨層設計提供了強有力的支持。目前NS2可以用于模擬各個不同的通信網絡,其優(yōu)勢在于其開源性,可以便捷開發(fā)和實現設計者自己的網絡協(xié)議和層次功能。在對協(xié)議進行性能分析時,具體情境設置如下:

?網絡覆蓋范圍:100 km*100 km;

?節(jié)點覆蓋范圍:25 km;

?節(jié)點運動情況:31個發(fā)送節(jié)點(機載設備),1個接收節(jié)點(指揮中心);

?運動方式:運動節(jié)點采用隨機運動方式,從一個坐標點以最大 100 kmph、500 kmph、1 000 kmph(3次仿真)隨機速度運動到一個隨機坐標點后,然后向另一個隨機坐標重復以上運動方式;

?應用層:采用固定比特率(Cantus Bit Rate,CBR)流量產生器模擬多媒體數據;

?傳輸層:采用用戶數據報協(xié)議(User Datagram Protocol,UDP);

?網絡層:采用按需矢量距離(Ad hoc On dem and Distance Vector,AODV)路由協(xié)議;

?數據鏈路層:采用傳統(tǒng)時分多址(TDMA)與HSA兩種信道接入協(xié)議分別進行仿真;

?物理層:采用直擴方式,帶寬2 M;

?仿真時間:200 s;

?數據連接情況:發(fā)送節(jié)點依次與接收節(jié)點建立連接,進行CBR數據傳輸,傳輸時間均為5 s,數據速率1.0 Mbps。

通過仿真,結果如下:

①在MAC層采用HSA信道接入協(xié)議的條件下,對整個網絡的端到端時延特性進行仿真,并獲取實驗數據統(tǒng)計如圖1所示。

圖1 HSA信道接入協(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信道接入協(xié)議的條件下,對整個網絡的吞吐量特性進行仿真,并獲取實驗數據統(tǒng)計如圖2所示。

圖2 HSA信道接入協(xié)議下的網絡吞吐量

通過對實驗數據的統(tǒng)計分析,無論何種運動速度,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信道接入協(xié)議的條件下,對整個網絡的端到端時延特性進行仿真,并獲取實驗數據統(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,但當網絡拓撲變化劇烈時,如1 000 kmph的35～45 s,端到端時延陡增到300 ms,且陡增與網絡拓撲變化相關,值得關注的是這種陡增比HSA模式下大得多;

④在MAC層采用TDMA信道接入協(xié)議的條件下,對整個網絡的吞吐量特性進行仿真,并獲取實驗數據統(tǒng)計如圖4所示。

圖4 TDMA協(xié)議下的網絡吞吐量

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

5 結束語

通過以上仿真得出如下結論:節(jié)點高速運動、拓撲迅速變化條件下,HSA協(xié)議仍然保持較高的吞吐量,對速率變化、拓撲變化不敏感;節(jié)點高速運動、拓撲迅速變化條件下,TDMA吞吐量下降較大,對速率變化、拓撲變化敏感;端到端時延特性上,HSA基本可控,TDMA部分拓撲條件下不可控;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用環(huán)境以及所關心的具體性能參數。

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