减少无线自组网簇间通信冲突的MAC协议

雷洪利，田 雨，马林华，茹 乐



减少无线自组网簇间通信冲突的MAC协议

雷洪利1,2，田 雨2，马林华2，茹 乐2

(1. 西北工业大学航天学院，西安 710072；2. 空军工程大学航空航天工程学院，西安 710038)

多个无人飞行器编队在执行协同任务时，不但要保证编队间指挥和协同数据的优先传输，还要保证编队内的高速通信。为此，提出一种可减少无线自组网簇间通信冲突的MAC协议。该协议设计优先保证编队间关键数据传输的混合接入机制，编队间的通信均须经过簇首，簇首采用载波侦听多路存取接入方式。编队内可以直接通信，采用时分复用接入方式。对簇首节点分配 2个相邻的子时隙，在簇间通信时发送相同的数据。双时隙的使用可以保证当某个簇向其他簇发送数据时，其他簇首的内部通信数据只影响第1个时隙发送的数据，而载波侦听则能使第2个时隙发送的数据不会与其他簇首产生内部通信冲突。仿真结果表明，该协议能有效减小簇内通信对簇间通信产生的干扰，提高通信成功率。

分簇；信道接入；时分复用；载波侦听多路存取；冲突；丢包率

1 概述

无人飞行器已经广泛地用于地理勘测、海洋监控等领域，但无人飞行器存在计算、通信和能量等诸多受限的问题。传统MAC协议已经不能满足多个无人飞行器编队组网通信的需求。时分复用(Time Division Multiple Access, TDMA)将不同的节点分配到不同的时隙从而避免了信道冲突。ALOHA[1]和载波侦听多路存取(Carrier Sense Multiple Access, CSMA)[2]采用竞争接入的方式利用相同的信道资源。典型的基于分簇的数据收集协议有LEACH[3]、HEED[4]等，这些协议需要使用频分多址(Frequence Division Multiple Access, FDMA)或码分多址(Code Division Multiple Access,CDMA)的方式通信[5]，文献[6-7]采用簇间FDMA、簇内TDMA/CSMA的混合接入方式。上述协议由于采用了FDMA或CDMA，增加了硬件的复杂度。文献[8]根据流量大小在TDMA和CSMA协议之间进行切换。Z-MAC协议[9]结合了CSMA和TDMA，减弱了2种协议的缺点。文献[10-12]采用了簇间CSMA，簇内TDMA的接入方式，但是不能保证优先传输簇间的指挥、协同等关键数据。本文提出一种基于分簇网络结构的MAC接入协议DSHP，该协议在簇首之间采用CSMA竞争接入方式，在簇内采用TDMA接入方式，通过避免簇内通信对簇间通信产生干扰，提高簇间通信的成功率。

2 协议应用场景

假设每个无人飞行器编队的半径为10 km，任意2个编队所在球域球心间的距离大于40 km。在这种特殊拓扑结构下，可以通过电磁波衰减的特性，设计出编队内部无隐藏终端，各个编队内部可以同时通信，编队间通信优先实现的MAC协议。可以将多个无人飞行器编队组成的网络视为分簇网络，每个编队都是网络中的一个簇。

在计算电磁波的传输距离时，本文结合了电磁波自由空间损耗、工程实践经验、大气衰减和通信裕量。考虑天线后端的低噪放=2.0 dB，接收信噪比门限=12.0 dB (保证误码率<10–6)，中频处理损耗=2.0 dB，编码增益G=5.0 dB，大气衰减每公里的影响=0.05 dB，发射机天线增益和接收机天线增益=0 dB；由于飞行器的姿态变化等考虑通信裕量10 dB。由灵敏度及衰减的计算公式，可得：

如果发射机功率为(W)、频带宽度为(MHz) 、最大通信距离为(km)，只有当式(3)成立时才能满足系统要求。根据式(1)~式(3)可以得到如表1所示的统计结果。

表1 考虑大气衰减时的通信距离 km

由表1可知，当发射功率为1 W、带宽为8 MHz时最大通信距离为20 km；发射功率为1 W、带宽为256 kHz时最大通信距离为111 km。因此，簇内部通信采用8 MHz数据带宽，而簇间的通信采用256 kHz数据带宽，并将其扩频至8 MHz带宽。这样的优点是：

(1)网络中的各个节点不必同时配备8 MHz带宽和 256 kHz带宽的射频模块，只使用8 MHz带宽的射频模块就可以实现簇间的通信，降低了成本。

(2)簇首之间的通信可以通过降低簇首之间的数据通信带宽提高其通信距离；而簇内通信不会影响到其他簇内的通信。

(3)簇内通信速度高达4 Mb/s，如果不分簇则所有节点的数据速率都要降至128 Kb/s才能满足通信距离的要求。

(4)通知在该场景下，网络由距离较远的多个簇组成，而簇内的各个节点距离较近，不存在隐藏节点。不同簇之间的数据只能通过簇首传输，簇首之间采用CSMA的竞争接入方式，簇内采用TDMA的接入方式。

3 簇内通信与簇间通信的冲突问题

簇内TDMA及簇间CSMA相互独立的实现方式，在接收端存在冲突，结合图1及图2进行分析。图2给出了簇、簇及簇中TDMA的时隙划分情况，簇内节点对应时隙。簇内的时隙6、簇内的时隙1、簇内的时隙均为簇首节点对应的时隙。结合图1进行分析，假定当前时刻为，簇内的簇首节点1已经建立了与簇内簇首节点6的通信。簇的簇首节点对应的时隙在时刻到来，该簇首节点在发送控制分组之前首先对信道进行侦听，发现信道忙被占用，则先不发送数据分组，随机地等待一段时间之后再重新检测信道。在时隙结束前，直到检测到时隙空闲才进行簇间数据分组的发送，避免了信道接入的冲突。但当1时刻，簇内节点4的时隙到来时，节点4有数据分组需要进行簇内的信息传输，节点4为非簇首节点，在自己的时隙直接进行数据分组的发送，于是对簇的簇首节点1与簇内簇首节点6已经建立的通信造成了干扰，导致分组丢失，通信建立失败。

图1 簇内及簇间信道接入方式

图2 簇内及簇间的通信冲突

为解决该问题，通常的做法是在TDMA时隙开始阶段设置侦听部分，如图3所示。当簇内节点对应的发送时隙到达时，节点先对信道进行载波侦听，若发现簇内信道未被占用，则进行数据分组的发送，若信道被占用，则节点不发送数据，等待下一帧中对应时隙的到来，优先保证簇与簇之间通信的建立。

图3 TDMA侦听时隙示意图

当1时刻，簇内节点4的时隙到来时，节点4先对信道进行载波侦听，发现信道被进行簇间通信的簇首节点以CSMA信道接入方式占用，则节点4不发送数据，优先保证了簇的簇首1与簇的簇首6之间的通信。但通过更进一步的分析发现，这种为TDMA时隙增加侦听阶段的方法，也无法保证簇与簇之间的通信一定能够建立。例如在簇内存在簇的簇首1无法建立通信的节点3时，节点3恰好在对应的时隙进行簇内数据分组的传输。当节点1的时隙到来，若无其他簇的簇首正在进行簇间通信，节点3侦听信道状况为空闲，于是发送数据分组。则该数据分组仍然会在接收端发生冲突，致使分组发送失败，簇之间的通信没有建立。

4 簇内TDMA和簇间CSMA的实现

针对上节的分析，只要有无法载波侦听到的节点存在，则冲突就无法避免。但这种在可通信范围内却无法侦听到的节点总是极少数的“特殊情况”。解决方案为：在TDMA的同一帧中为每个非簇首节点分配一个时隙，每个时隙的开始设定为载波侦听部分，目的是侦听是否有其他簇的簇首节点发送信号，若侦听到有其他簇的簇首节点发送信号，则该节点在自己的时隙中不发送信号。而为每个簇首节点分配2个连续的时隙，在第1个时隙的开始仍然设定为载波侦听部分，而在其连续的第2个时隙的开始阶段没有设置载波侦听部分。设簇内的节点总数为，改进后的TDMA协议的帧结构如图4所示。

图4 改进后TDMA的帧结构

在图4中，簇的簇首0节点以CSMA的方式进行信道的载波侦听，若侦听到信道空闲，即没有其他簇的簇首节点接入信道，则节点0在01时隙和02时隙发送相同的数据。具体分为以下2种情况进行分析，如图5所示，其中，1节点为0节点无法侦听到的节点。

图5 簇间通信示意图

(1)当不存在节点1的发送干扰时，是单纯的簇间竞争的CSMA机制。完成一次簇间的通信，其实现过程的时间域示意图，如图6所示，图中标注的01为节点0的第1个时隙，02为节点0的第2个时隙。1、2分别为节点1、2对应的时隙。接收节点0簇内对应发送时隙的非簇首节点1和2侦听到有簇首节点正在发送数据时，则不再进行分组的发送，等待下一帧中对应时隙的到来。此过程中其他簇首以CSMA机制侦听信道。

图6 无隐藏终端干扰时信道接入的时隙示意图

(2)当存在节点1的发送干扰时。簇中有数据发送的簇首0在第1个时隙开始时侦听信道，由于侦听不到节点1正在发送数据分组。0则认为信道处于空闲状态，直接进行数据分组的发送，使得在接收端1处发生了冲突，造成分组的丢失，如图7所示。

图7 存在隐藏终端干扰时信道接入的时隙示意图

此时节点0在01时隙发送的数据和1节点发送的数据碰撞，簇内的其他节点此时侦听到了冲突，在之后2节点的时隙不发送数据分组，随后的节点在接入信道前都会进行载波侦听，当侦听到信道空闲时才进行分组地发送，保证了簇与簇之间通信的顺利进行。此过程中其他簇的簇首节点以CSMA机制侦听到信道。当节点侦听到信道忙时，说明簇间有其他的簇首节点正在占用信道，则随机的等待一段时间后再重新检测信道。

分析以上实现过程可以看出，改进TDMA协议为簇首节点分配双时隙的优势在于：簇首节点双时隙的使用，有效地保证了簇间通信的成功率。即使存在簇内节点的发送干扰时，也能保证簇首节点使用第2个时隙直接进行分组的发送，保证信道接入的成功，实现簇与簇之间的通信。

5 仿真实验

在200 km×200 km区域中分别放置=5和=10个簇，各簇的范围为半径10 km的圆域，每个簇内有8个节点。簇内TDMA划分为9个不同的时隙，簇首节点占用2个时隙。设定任意2个簇所在圆的圆心之间的距离大于40 km。各个簇首在编写的Mobility Configure模块控制下移动，而单个无人机节点在其所在簇的球形区域(以簇首为圆心，半径为10 km)内随机移动。簇与簇之间的通信只通过簇首节点进行，簇首节点可以给簇内一跳邻居节点、其他簇的簇首节点及簇间的非簇首一跳邻居节点发送数据包，而非簇首节点只在本簇内进行数据包的发送，不与簇外节点发送数据包。节点的移动速度设定为40 m/s。数据包的大小为2 Kb。非簇首节点只进行簇内数据包的发送，设定其数据分组的产生间隔服从均值为0.002 2 s的泊松分布。簇首节点既要进行簇内数据包的发送，还要进行簇间数据的发送，设定簇首节点给本簇节点发送的数据分组的产生间隔服从均值为0.002 5 s和1 s的泊松分布。设定簇首节点进行簇间通信的数据分组的产生间隔服从均值为10 s的泊松分布，数据分组的大小为400 Kb~900 Kb。仿真时间=300 s，每种场景运行50次，对仿真结果取平均值。在图8、图9中，without DSHP为采用本文图3所示的接入方式。

图8分析了簇内及簇间通信同时存在时，丢包率与簇间产生的数据量之间的关系。仿真结果表明DSHP有效的降低了簇间通信丢包率，原因是DSHP避免了簇间的数据受到簇内通信干扰而产生丢包。由图8可以看出，簇内数据包的丢失率随簇间通信业务量的增大而有所增加，呈一定的正比关系。当簇首节点进行簇间的通信时，会对其他簇的非簇首节点的通信造成干扰，引起数据包的丢失。当簇间通信的数据分组产生量不断增加或簇数量增加时，簇间需要传输的数据量增大，所需要占用的时隙越多，对簇内数据传输造成的影响也越大，从而导致簇内丢包率的增加。当簇的数量5增加到10时，DSHP算法簇间的丢包率基本保持不变，但簇内通信的丢包率增加了约1倍。DSHP在进行簇内及簇间通信时，优先保证了簇间通信的建立。

图8 簇间产生的数据分组与丢包率的关系(产生间隔均值为10 s)

图9描述的是簇间存在大量数据需要传输，即簇间产生数据分组的平均间隔时间减少到1 s时，簇内簇间通信的丢包率。DSHP的簇间通信丢包率依然保持较低的水平，这是因为DSHP为簇首分配了双时隙，当第1个时隙的数据因为接入碰撞而丢包时，数据依然可以通过第2个时隙完整地传输。当簇的数量5增加到10时，DSHP算法簇间的丢包率基本保持不变，但是簇内通信的丢包率增加了将近1倍。

图9 簇间产生的数据分组与丢包率的关系(产生间隔均值为1 s)

比较图8和图9可以看出，采用DSHP后，簇内通信的丢包率随着平均时间间隔的减少而增加，而簇间通信的丢包率几乎保持不变，即使簇数量变化时DSHP算法的簇间通信丢包率也基本保持不变。因此，DSHP可以有效地保证无人机编队间指挥、控制、协同等关键数据的传输。由于飞行器编队间主要传输的是控制、指挥、协作等数据，此类数据的数据量较少，因此簇间通信不会出现如图9所示的大量通信。虽然簇内通信的丢包率很大，但图9仅是证明即使簇间通信量很大，DSHP依然可以保证簇间通信的优先实现，这种簇间的大量通信在实际应用中是不会出现的。

6 结束语

本文针对分簇网络设计了一种采用TDMA和CSMA的MAC协议，在使用少量握手协议的前提下优先保证簇间的通信，有效解决了簇内与簇间通信时存在的冲突问题。仿真结果表明，DSHP算法可以在保持簇间通信的同时，降低簇间通信的丢包率。下一步工作将研究在保证簇间通信优先的前提下，如何降低簇内通信的丢包率。

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编辑 金胡考

MAC Protocol for Reducing Inter-cluster Communication Conflict in Wireless Ad Hoc Network

LEI Hong-li1,2, TIAN Yu2, MA Lin-hua2, RU Le2

(1. College of Astronautics, Northwestern Polytechnical University, Xi’an 710072, China; 2. School of Aeronautics and Astronautics Engineering, Air Force Engineering University, Xi’an 710038, China)

There are two issues should be satisfied when multiple unmanned aircraft groups implementing cooperative task. First, the command and cooperation data should be transmitted preferentially among the groups. Second, the inner group transmission rate should be fast. To solve these problems, a cluster-based MAC protocol Double Slots Hybrid Protocol(DSHP) is presented. The hybrid access protocol DSHP sets the key data transmission among groups as top target. The inter-group communication is processed through cluster head with Carrier Sense Multiple Access(CSMA) access protocol. The nodes in the same group can communicate directly with each other with Time Division Multiple Access(TDMA) access protocol. The cluster head is assigned two successive time slots. The two time slots send the same data during inter-cluster communication. The double slots can make sure that the inner-group data of other cluster heads only collide with the inter-group data in the first time slot, and the carrier sensing can make sure that the transmitted data in the second time slot won’t ruined by any inner-group data. Simulation results show that this protocol can prevent the inter-group communication from the interference of inner-group communication and improve the successrate of communication.

clustering; channel access; Time Division Multiple Access(TDMA); Carrier Sense Multiple Access(CSMA); conflict; packet loss rate

1000-3428(2014)03-0158-05

A

TP393

陕西省电子信息系统综合集成重点实验室基金资助重点项目(2011.ZD01, 2011.02Y02)；国家部委基金资助项目。

雷洪利(1970－)，男，教授，主研方向：通信与信息系统，导航制导与控制；田 雨，博士研究生；马林华，教授、博士；茹 乐，副教授、博士。

2013-10-30

2013-12-27 E-mail：labyahoo@126.com

10.3969/j.issn.1000-3428.2014.03.032