高速无人机网络MAC协议设计与性能分析

常 扬,陈建民,马鹏飞

(中国电子科技集团公司第五十四研究所,河北石家庄050081)

0 引言

国内无人机研究发展已有30多年历史,考虑到无人机的网络通信环境,无法采用固有的基础网络通信设备,需要建立一套快速展开、高效稳定、多点覆盖、协同工作的高速运动条件下的无线通信网络,在这样的应用背景下,Ad Hoc网络通信系统就成为了理想的选择。

建立稳定、高效、符合特定条件下通信需求的Ad Hoc网络通信系统,关键在于拟定一套完整、有效的通信协议栈,并证明其在特定通信条件下最优化,而在Ad Hoc网络协议栈的建设过程中,最重要的就是信道接入协议的性能。

从高速运动条件下的空中Ad Hoc网络出发,对Ad Hoc网络信道接入协议进行研究,提出一种新型的Ad Hoc网络信道接入协议,并通过NS2模拟实际使用环境,从而对高速运动条件下Ad Hoc网络信道接入协议性能进行分析,得出应用性结论。

1 移动Ad Hoc网络原理

Ad Hoc网络是一种特殊的对等式网络,使用无线通信技术,若干个带有收发信机的节点构成的一个无中心、多跳的、自组织的网络,采用分布式控制,网中的节点同时具有主机和路由器的功能,可以不依赖预先存在的网络基础设施而快速展开,自适应组网,各节点可在不进行通知的情况下自由进入网络和脱离网络且不会导致整个网络陷入瘫痪。

Ad hoc网络的节点结构不仅具有移动终端的功能,还要完成路由器的功能。因此,网络节点通常包括主机、路由器和电台3部分。Ad hoc网络一般有平面结构和分级结构2种。在平面结构中,所有节点的地位平等,所以又可以称为对等式结构。分级结构中,网络被划分为簇,每个簇由1个簇头和多个簇成员组成,这些簇头形成了高一级的网络。在高一级网络中,又可以分簇,再次形成更高一级的网络,至最高级。

在移动Ad Hoc网络中,各个无线节点都可以自由移动,与其他Ad Hoc通信网络的区别之处在于:网络拓扑变化迅速、受网络规模大小和节点移动影响;移动Ad Hoc网络范围跨距大而且含有数十个到几百个网络节点;移动Ad Hoc网络节点安放在其移动模式相异的各个平台上;在移动Ad Hoc网络内部可能有极大的变化;节点运动速度(从静止节点到高速飞行器)、运动方向、加减速以及路线限制。尽管存在这种变动性,业界还是期望用移动Ad Hoc网络提供多种传输类型,包括从纯数据传输、纯话音传输到话音和数据的综合传输,话音和图像的综合传输,话音和数据图像的综合传输,甚至很可能是带有某种限制的综合视频传输。

2 信道接入技术

信道接入处于Ad Hoc网络协议栈的底层,是协议栈的基础,用来控制节点在合适的时机接入无线信道,是数据信息在信道上发送和接收的直接控制者,其好坏直接关系着信道的利用效率和整个网络的性能,对Ad Hoc网络通信起着决定性作用。信道接入技术能否有效地使用无线信道的有限带宽,对Ad Hoc网络的性能至关重要。

Ad Hoc网络的无线信道不同于普通网络的共享广播信道、点对点无线信道和蜂窝移动通信网络中由基站控制的无线信道,它是一种多跳共享的多点信道,即一个节点发送信息时,邻居节点(也只有邻居节点)可以收到。这一特征一方面提高了信道的空间复用度,另一方面使得信息冲突与节点所处的地理位置有关,这些问题都需要通过专门设计的信道接入技术才能解决。

由于移动Ad Hoc网络没有预先确定的基站来协调信道访问,因此许多集中式媒介访问控制设计思想在移动Ad Hoc网络中都是无效的。Ad Hoc通信系统的信道接入协议根据信道访问策略不同可以分为下列竞争协议和分配协议2种:

①竞争协议。使用直接竞争来决定信道访问权,并且通过随机重传来解决碰撞问题,这种协议方式相对比较简单,在低传输载荷条件下性能较好,但随着传输载荷的增大,往往使协议性能下降、碰撞次数增多;

②分配协议。使用同步通信模式,采用某种传输时间安排算法将时隙映射为节点。这种映射导致一个发送时间安排决定了一个节点在其特定的时隙(可以是1个,也可以是多个)内允许访问信道。大多数分配协议需要建立无碰撞的发送时间安排,安排的发送时间长度(按照时隙个数计算)是建立协议性能的基础。时隙可以静态分配,也可以动态分配,从而分别得到固定长度的传输时间安排、可变长度的传输时间安排。

近年来,学术界提出了各种类型的Ad Hoc网络信道接入控制协议,但到现在为止,还没有找到一个能够适用于任何网络环境的信道接入控制协议。造成这种现象的原因一是由于Ad Hoc网络应用环境的复杂性和多变性,二是由于协议的评价指标本身就是相互矛盾的,例如一个协议的开销和协议收敛速度2个指标就属一对矛盾,只能根据需求,在2个指标间取折中而无法取得同时最优。因此,一个好的信道接入控制协议,要根据协议所应用的环境,符合环境特点,具体问题具体分析。

3 一种新型MAC协议

在无人机宽带网络环境下,各节点运动速度很高,在现有的无线信道接入协议里,并没有一种协议能够完美支持高速运动节点。考虑到无人机网络通信需要动态组网的应用特点,协议设计应满足以下目标:

①能够在高速运动,拓扑变化迅速条件下仍然保持较高的吞吐量,对速率变化不能太敏感;

②具有较好的时延特性,媒体接入层层应该能够做到时延可控;

③在满足以上条件时,一般情况下也有较佳的性能。

基于以上考虑,设计了一种基于时分多址方式的新型信道接入协议,该协议的设计要充分考虑系统最重要的限制条件:时延要求,在现有各类型媒体接入控制(Medium Assignment and Control,MAC)协议中,只有基于时隙的信道接入协议具备时延上限保证的可能性,其他类型信道接入协议从理论上无法确保时延上限值。为确保时延指标,必须采用基于时隙的帧结构,将新设计的信道接入协议命名为高速空基网络接入控制协议(High Speed Airborne,HSA)。

3.1 基本时隙

为了保证时延特性指标和业务同传能力,将信道时隙的组成设计如表1所示。

表1 基本时隙组成

3.2 发送策略

即便采用时隙策略,但常规的协议帧结构仍然无法满足实时短消息端到端时延的苛刻要求(≤6 ms)。因为若采用轮转或预约的时隙结构,不管是轮转还是预约,某个结点在需发送短消息时,总要等待逻辑上属于该节点的时隙到达后才能够发送数据。最坏情况下,当信息到达时,属于该时隙的时隙刚刚过去,必须等待k个时隙才能够发送数据,设一个消息发送从源点到目的点经过n次转发,则整个时延最小不低于D(每个时隙1 ms):

式中,若n=3,而k只要等于2就会达6 ms,也就是说,系统必须最多等2个时隙就要获得可发送数据的时隙。这样的需求,常规的协议帧结构无法满足。

结合表1,整个系统帧结构如表2所示。

表2 HSA帧结构

无人机网络中,控制信息基本上是由主控结点发出,而其他结点响应并返回结果,因此可以设计一个专门为主控结点发送短信息优化的MAC协议。在这个协议里,主控结点专门留有实时短消息快速发送通道,而其他结点仅起到迅速转发的作用,不与主控结点竞争该快速发送通道。其他结点待发的数据(包括主结点待发的非实时短消息,如路由消息等)则在专门留出的微时隙里发送。

考虑到以上因素,系统在设计时,在控制通道中预先留出了控制信息的发送和转发区,而同时给每个结点留出了一个发送其他信息的发送区。由于每个结点轮转享有一次发送机会,该区域被称为“微时隙”。

4 NS2下的性能仿真及分析

NS2是一款开放源代码的网络模拟软件,其开发目的主要是为了研究大规模网络以及当前和未来的网络协议的交互行为,其为模拟研究有线和无线网络上的多层协议和跨层设计提供了强有力的支持。目前NS2可以用于模拟各个不同的通信网络,其优势在于其开源性,可以便捷开发和实现设计者自己的网络协议和层次功能。在对协议进行性能分析时,具体情境设置如下:

◦网络覆盖范围:100 km*100 km;

◦节点覆盖范围:25 km;

◦节点运动情况:31个发送节点(机载设备),1个接收节点(指挥中心);

◦运动方式:运动节点采用随机运动方式,从一个坐标点以最大 100 kmph、500 kmph、1 000 kmph(3次仿真)随机速度运动到一个随机坐标点后,然后向另一个随机坐标重复以上运动方式;

◦应用层:采用固定比特率(Cantus Bit Rate,CBR)流量产生器模拟多媒体数据;

◦传输层:采用用户数据报协议(User Datagram Protocol,UDP);

◦网络层:采用按需矢量距离(Ad hoc On dem and Distance Vector,AODV)路由协议;

◦数据链路层:采用传统时分多址(TDMA)与HSA两种信道接入协议分别进行仿真;

◦物理层:采用直扩方式,带宽2 M;

◦仿真时间:200 s;

◦数据连接情况:发送节点依次与接收节点建立连接,进行CBR数据传输,传输时间均为5 s,数据速率1.0 Mbps。

通过仿真,结果如下:

①在MAC层采用HSA信道接入协议的条件下,对整个网络的端到端时延特性进行仿真,并获取实验数据统计如图1所示。

图1 HSA信道接入协议下端到端时延

移动速度从100～1 000 kmph的变化并未对端到端时延造成很大影响,基本保持在1～3 ms的水平线上,这说明HSA协议下的速度因素不是决定端到端时延的主要因素;

②在MAC层采用HSA信道接入协议的条件下,对整个网络的吞吐量特性进行仿真,并获取实验数据统计如图2所示。

图2 HSA信道接入协议下的网络吞吐量

通过对实验数据的统计分析,无论何种运动速度,UDP吞吐量均稳定在1 M水平,属于正常范围;

③在MAC层采用TDMA信道接入协议的条件下,对整个网络的端到端时延特性进行仿真,并获取实验数据统计如图3所示。

图3 TDMA协议下的端到端时延

TDMA模式的端到端时延基本保持在10 ms以下,但当网络拓扑变化剧烈时,如1 000 kmph的35～45 s,端到端时延陡增到300 ms,且陡增与网络拓扑变化相关,值得关注的是这种陡增比HSA模式下大得多;

④在MAC层采用TDMA信道接入协议的条件下,对整个网络的吞吐量特性进行仿真,并获取实验数据统计如图4所示。

图4 TDMA协议下的网络吞吐量

无论何种运动速度,UDP吞吐量均无法稳定在1M以上,由此可见,TDMA在设定的仿真环境下性能并不理想。

5 结束语

通过以上仿真得出如下结论:节点高速运动、拓扑迅速变化条件下,HSA协议仍然保持较高的吞吐量,对速率变化、拓扑变化不敏感;节点高速运动、拓扑迅速变化条件下,TDMA吞吐量下降较大,对速率变化、拓扑变化敏感;端到端时延特性上,HSA基本可控,TDMA部分拓扑条件下不可控;满足特定场景需求的情况下,HSA协议比TDMA协议具有更优性能;任何一种协议都不可能是完美的,采用何种信道接入方案取决于应用环境以及所关心的具体性能参数。

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