一种基于高动态无人机群的TDMA时隙调度策略
2023-05-30杨帆孙志刚韩彦中
杨帆 孙志刚 韩彦中
摘 要：为了满足高动态无人机群自组网在网络拓扑频繁变化下快速传输高优先级业务的需求，提出一种基于TDMA协议的动态优先级时隙分配算法。根據节点优先级级别，在TDMA协议框架下提出面向不同业务需求的动态时隙分配算法，采用位向量（BOV）间接确认法实现节点时隙分配；并通过多维度调整策略，综合业务优先级、邻居节点数量、邻居节点变化率和等待时间多个维度确定节点优先级，均衡不同优先级节点对不同数量时隙的申请；最后通过仿真实验对调度策略进行了验证。结果表明，提出的动态优先级时隙分配算法（DP-TDMA）在拓扑频繁变化时可以动态申请、快速分配不同数量的业务时隙，满足对多种业务传输需求；在一定程度上降低了高动态下网络拓扑变化的影响，提高了协议的公平性与稳定性，保证了高优先级信息快速传输，提高了网络的吞吐量。所设计的DP-TDMA算法可应用在高动态无人机群自组网场景中，为网络时隙资源分配提供参考。
关键词：无线通信技术；无人机自组网；TDMA；动态优先级；时隙分配；DP-TDMA
中图分类号：TN929.5
文献标识码：A
DOI： 10.7535/hbgykj.2023yx02007
A TDMA slot scheduling strategy based on high dynamic unmanned aerial vehicle cluster
YANG Fan1， SUN Zhigang1， HAN Yanzhong2
（1.The 54th Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation （CETC）， Shijiazhuang， Hebei 050081，China; 2.The First Military Representative Office of Army Armament Department in Shijiazhuang， Shijiazhuang， Hebei 050000， China）
Abstract：In order to meet the demand of fast transmission of high priority services in highly dynamic UAV cluster ad hoc networks with frequent changes in network topology， a dynamic priority slot allocation algorithm based on TDMA protocol was proposed. According to the node priority level， a dynamic slot allocation algorithm for different service requirements was proposed under the TDMA protocol framework， and the bit of vector （BOV） indirect confirmation method was used to achieve node slot allocation; Through a multi-dimensional adjustment strategy， the node priority was determined by integrating multiple dimensions such as data priority， number of neighbor nodes， change rate of neighbor nodes， and waiting time， to balance the applications of different priority nodes for different number of timeslots; Finally， the scheduling strategy was validated through simulation experiments. The results show that the DP-TDMA can dynamically apply for and quickly allocate different numbers of traffic slots when the topology changes frequently， meeting the transmission requirements for multiple services; To a certain extent， it reduces the impact of network topology changes under high dynamic conditions， improves the fairness and stability of the protocol， ensures rapid transmission of high priority information， and improves network throughput. The DP-TDMA can be applied in highly dynamic UAV cluster ad hoc networks， providing a reference for network slot resource allocation.
Keywords：wireless communication technique; UANET; TDMA; dynamic priority; slot allocation; DP-TDMA
无人机自组网（UAV ad hoc network，UANET）作为飞行自组网（flyingad-hoc network， FANET）的一種应用类型，是由多个无人机以自组织的形式所构成的无中心分布式网络
［1-4］，需要具备极强的自组织、自配置和管理能力，以适应通信任务的变化［5］。同时高动态无人机群自组网具有拓扑范围大、可靠性要求高、拓扑变化频繁等特点［6］，基于信道访问机制的不同，现有无人机自组网MAC协议主要分为竞争类、调度类和混合类3类［7-8］。同时需要增强网络灵活性，以确保紧急任务优先执行，因此有必要设计灵活高效的时隙分配算法保证高优先级业务稳定快速传输［9］。以CSMA/CA为代表的竞争类MAC协议被广泛应用于无线局域网，但由于其退避机制和握手机制，在长距离传输中性能会急剧下降［10］。调度类MAC协议大多是基于时分多址（time division multiple access，TDMA）方式，可以确保时延的边界值，能实现无冲突的分组传输［11］，但固定分配的方式造成了信道资源的极大浪费，因此基于TDMA的动态时隙分配策略成为无人机自组网通信的研究热点［12］。
文献［13］提出了一种面向报文流的混合时隙分配算法，通过将固定时隙分配与动态时隙分配相结合来提高网络效率，然而该算法复杂度较高，且无法及时根据拓扑变化进行时隙分配调整，在网络进行分裂与融合时造成业务时隙的浪费。文献［14］提出了一种改进的动态时隙分配算法，通过调整节点优先级来确定节点占用固定时隙或竞争时隙，然而该算法的优先级分配不够灵活，随着节点数量的提升只能通过降低高优先级节点的级别来平衡节点数量，降低了高优先级节点信息传输的实效性与时隙分配的公平性。文献［15］提出了一种路径级动态时隙分配算法，在分配过程中利用一步回退与一次性预约多个时隙的方式提升瓶颈节点获得时隙的数目，并根据超帧内业务时隙数量进行吞吐量分析，证实该算法在提高了端到端吞吐量的同时提高了时隙的有效利用率。
本文针对TDMA协议下高动态自组网不同业务传输需求及目前TDMA时隙分配算法相对单一的问题，在基于位向量（BOV）间接确认法（BOV-TDMA）的基础上，提出一种动态优先级时隙分配算法（DP-TDMA）。采用固定时隙分配与动态时隙分配相结合的方式，在防止发生时隙饥饿现象的同时，通过多维度动态调节优先级确定时隙预约数量，一次性申请多个业务时隙，保证了时隙调度的优先性，同时提高了网络的吞吐量、公平性和稳定性。
1 时帧结构
无人机加电后，随着节点发现、GSN选取、控制时隙分配过程建立网络，GSN低级节点向高级节点同步，故考虑协议时帧结构（如图1所示）由控制帧和业务帧2部分组成，其中控制帧由64个控制时隙组成，业务帧由64个业务时隙组成，即全网最大支持64个节点，每个节点固定占有一个控制时隙，并具有唯一的MAC值，在完成控制时隙分配后，可根据控制时隙号获取节点网络ID，取值范围为0～63。业务时隙用于业务数据的传输，在预分配时隙的基础上根据各节点优先级和带宽需求动态分配，当节点收到时帧ID的控制时隙时开始进行业务时隙分配过程。
1.1 控制时隙结构
控制帧中每个控制时隙结构如图2所示，其主要负责网络时钟同步维护、冲突检测、新节点的加入、网络拓扑维护、时隙申请与分配、数据传输的ACK确认等功能。其中，帧类型用于区分控制帧和业务帧，“1”标识为控制帧，“0”为业务帧；优先级字段表征该节点优先级别，共分为5级；业务时隙申请BOV为1×64矢量，其中矢量中某位为“1”表示申请该业务时隙，否则，不申请；确认BOV为申请BOV的回复，当矢量中某位为“1”时表示该时隙存在申请冲突；为“0”，表示不冲突；占用BOV为本节点当前时帧时隙占用矢量，为邻居节点生成申请BOV提供参考。邻居节点信息字段记录该节点的邻居信息与节点网络ID，并维护邻居节点表。
1.2 业务时隙结构
业务时隙用于业务数据的传输，其结构如图3所示，其中传输信息字段由传输数据包的地址、优先级以及净荷长度组成。地址字段标识对应数据包的发送、接收地址信息；优先级字段表征该节点优先级别，共分为5级；净荷长度字段表征数据包净荷长度。
2 动态时隙分配策略
2.1 时隙分配策略
控制时隙分配采用初始竞争，稳定后固定占用方式；业务时隙分配综合了固定分配算法与竞争分配算法的优势，在固有时隙和预分配基础上根据带宽需求动态分配，以保证高QoS需求业务传输。在高动态无人机自组网场景中，节点移动速度快，在三维空间中速度为30～460 km/h，通信链路会剧烈波动，网络拓扑变化频繁，故提出BOV间接确认算法（BOV-TDMA），通过申请BOV、回复BOV和占用BOV完成业务时隙分配，完整流程需要占用3个时帧，在第1个时帧完成预分配和申请，在第2个时帧完成回复接收，在第3个时帧进行时隙占用，以保证无人机网络在拓扑变化时可以快速完成时隙分配，实现业务快速稳定传输。
2.1.1 控制时隙
控制时隙以及对应的网络ID采用初始竞争，稳定后固定占用的策略，既可以满足网络组建的需要，又可以避免竞争冲突和退避带来的资源消耗，提高网络响应速度和性能。各节点时钟同步、网络ID申请完成后，控制时隙为固定占用，占用时隙即为本节点网络ID对应的时隙。
当节点完成时钟同步时，控制时隙分配过程进入初始态，其分配流程如图4所示，节点将通过控制时隙占用BOV记录本节点与全网邻居表中存在节点所占用的控制时隙；随后随机选择未被占用的时隙发送控制时隙申请BOV，当其他已入网节点时，若收到该信息则发送控制时隙回复BOV。若本节点收到回复BOV且此时隙可占用，则占用申请的时隙；若本节点收到回复BOV且不可占用，则随机申请其他未被占用时隙；若本节点未收到回复BOV，则继续发送控制时隙申请BOV，直到最大申请次数达到3为止，若还未收到回复BOV则占用该时隙。
2.1.2 业务时隙
当节点收到有效控制信令，且本地存在有效邻居信息时，开始进行业务时隙分配。完整分配流程由3步构成，分别为预分配和申请、回复接收、时隙占用，由控制时隙中的业务时隙申请字段实现，一次业务时隙分配过程需要3个时帧。
每个节点在入网后即占用本节点ID相应的业务时隙，即固定时隙，当网络拓扑发生变化时，该时隙不会发生改变，从而保证低时延业务正常进行，其余时隙通过动态分配获取。考虑网络稳定性及实现复杂度，采用根据节点数目进行预分配的方案。假设网内目前节点数目为n，则网络ID最小的节点占用的第i个时隙为（i×n）%64，其余节点按照网络ID的大小，对非固定时隙进行预分配。
1）业务时隙申请BOV
时隙分配中可用于申请的时隙分为2个部分，本节点的预分配时隙和其余节点预分配时隙中因业务需求较少而未申请使用的预分配时隙。其中，本节点的预分配时隙可全部用于申请，其余未被邻居节点申请的时隙可进行随机申请。节点在生成申请BOV时，除两跳邻居节点的固定时隙外，还需将当前时刻邻居节点已申请的时隙删除。设节点i有n个两跳邻居节点，节点i收到n个申请BOV（如图5所示），可构成如表1所示n行64列BOV矩阵。矩阵第n行对应网络ID为n的节点时隙申
请BOV，第k列对应各节点申请时隙k的情况，x（n，k）取值为{0，1}，x（n，k）=1表示节点n申请了时隙k，x（n，k）=0表示节点n没有申请时隙k。
2）业务时隙回复BOV
各节点根据收到的时隙申请BOV矩阵，先计算出所有申请时隙，随后计算出冲突时隙，最后将申请时隙删除冲突时隙与本节点当前占用时隙作为时隙回复BOV。设yk为时隙分配回复BOV第k位的值，则有：
yk=1表示k时隙存在申请冲突；yk=0表示k时隙不存在申请冲突。
3）业务时隙占用BOV
节点根据邻居节点回复BOV和上一时帧本节点时隙申请BOV，生成当前时帧本节点时隙占用BOV，对应位为1表示占用该时隙，否则不占用，并在对应占用时隙传输数据。
2.2 基于优先级的时隙分配策略
在BOV-TDMA中，网络架构方式无中心节点，各个节点均能够平均地得到时隙，但当节点数量增大时，各个节点获得的平均带宽将受限，其QoS性能表现受限。为了适应图像、视频等高传输速率、高业务优先级的功能，将BOV-TDMA改进为可以一次性申请多个时隙的优先级时隙分配算法（FP-TDMA），可动态地调整节点的接入时隙，高等级业务节点优先预约“空闲时隙”，克服了MANET网络中单个节点信道资源受限的缺点，支持高QoS等级业务传输，提高端到端的传输速率。申请原则如下：
1）所有节点固定占用的业务时隙不能申请；
2）节点两跳范围内已经被占用的业务时隙不能申请；
3）低优先级节点生成申请BOV时，自动去除相同优先级以上邻居节点已申请的业务时隙；
4）低优先级节点与高优先级节点申请同一业务时隙时，低优先级节点退让该业务时隙；
5）节点可一次性申请n=2Proi-1个业务时隙，其中Proi为节点的优先级，分为1～5级。
第1条申请原则避免低優先级节点出现时隙饥饿现象，确保每个节点有固定占用的时隙；第2条用来避免节点发起无意义的时隙申请；第3条和第4条原则是在减小申请冲突的前提下，保证高优先级节点获取信道资源的能力；第5条原则是对BOV-TDMA的改进，通过一次性申请多个时隙的方式，快速占用业务时隙，降低节点的等待时延，提高吞吐量。
2.3 多维度动态调节节点优先级策略
在网络节点时隙调度中，业务优先级由传输业务的QoS需求与业务传输紧急度决定，对于业务优先级相同的节点，若仅根据节点信息重要程度确定节点优先级，将导致时隙申请数较大、业务优先级较高的节点长期占用信道资源，使业务优先级较低的节点无法成功申请业务时隙，影响协议的公平性；同时，在无人机自组网场景中，仅根据节点业务优先级决定节点优先级，会使时隙调度策略显得过于单一。基于以上原因，在FP-TDMA的基础上，提出动态优先级时隙分配算法（DP-TDMA）。该算法的核心思想：有效地结合节点的业务优先级、邻居节点数量、邻居节点变化率和等待时间多维度量来动态确定节点的优先级，从而应对高动态下频繁拓扑变化带来的影响，降低等待时延，保证时隙调度的时延性、稳定性和公平性，操作过程如图6所示，详细步骤如下。
Step1 根据控制时隙中邻居节点信息，计算节点i的邻居节点数量NBi。节点在控制帧中，根据接收到的一跳邻居节点的邻居信息生成一跳邻居信息矢量，并同步维护本地邻居节点表和链路状态表，提取邻居节点数量与对应的网络ID，构建全网拓扑。根据邻居节点表和申请BOV可知每个节点的邻居节点数量和各节点的时隙需求。在计算节点优先级的过程中，考虑节点i的邻居节点数量NBi，提高邻居节点数较大节点的优先级，使这些节点获得更低的端到端时延，从而降低整个网络的平均时延，提高网络吞吐量。
Step2 计算节点i的邻居节点变化率。节点记录每帧收到控制帧的时间t，假设一节点在某一帧收到控制帧的时间为
ti1，下一帧的时间为ti2。在ti1时刻，节点i的邻居集合为S（ti1）；在ti2时刻，节点i的邻居集合为S（ti2），
则在ti1到ti2的时间间隔内，节点i的邻居节点变化率NCRi可以表示为
节点i的邻居节点变化率NCRi可以反映节点拓扑的稳定状况，若NCRi越小，则节点i的拓扑越稳定；否则，表明节点i的拓扑越不稳定。在计算节点优先级的过程中，提高邻居节点变化率NCR较大节点的优先级，能够减少节点传输数据时的不稳定因素，降低网络丢包率。
Step3 计算节点i的等待时间twaiti。在节点未收到新的允许占用时隙回复BOV之前，本地保存上一帧的占用BOV，若节点i在多个时帧内未成功申请时隙，则节点i的等待时间为twaiti。在计算节点优先级的过程中，考虑节点i的等待时间twaiti能保证节点时隙调度的公平性，若节点i在多个时帧中优先级较小导致其调度顺序比较靠后，则其等待时间twaiti的值较大，在本帧进行调度时根据twaiti值提升其优先级，从而能够保证网络中各节点调度的公平性。
Step4 计算各节点的综合优先级Proei。如式（1）所示：
Proei=Pro（NBi）+Pro（NCRi）+Pro（twaiti），（1）
式中：NBi为节点i的邻居节点数量；NCRi为节点i的邻居节点变化率；twaiti为节点i的等待时间。当节点i的NBi值大于所有节点的平均值NB时，Pro（NBi）取1，否则为0；当NCRi值大于0.5时，Pro（NCRi）取1，否则为0；设一个时帧的长度为T，当twaiti≥3T时，Pro（twaiti）取1，否则为0。
Step5 根据各节点的业务优先级和综合优先级，计算所有节点的优先级Proi，并按照优先级申请相应数量的业务时隙，
Proi如式（2）所示：
Proi=Prodi+Proei ，（2）
式中：Prodi为节点i的业务优先级，分为5级，可取1～5，由传输业务的QoS需求与业务传输紧急度决定；Proi的最大取值为5。
节点i的业务优先级Prodi和综合优先级Proei值越大，其业务时隙分配越靠前，可同时申请的时隙越多，这样既保证了节点调度的优先性，同时也保证了各节点调度的公平性、时延性和稳定性。
3 仿真分析
在随机网络拓扑下对网络节点动态优先级和吞吐量进行仿真分析，其拓扑结构在二维空间中随机生成，如图7所示。各个随机分布的节点能够最大程度地反映拓扑结构的不规则性，主要仿真参数如表2所示。为了模拟节点高速移动下短时间内拓扑变化，仿真中将节点8由图7位置随机移动至图8所示位置。
引入公平指数（fairness index，FI）［16］如式（3）所示：
式中：Ti为节点i的吞吐量；wi为节点i对应的优先级；N为网络中节点的数量；FI值介于1与1/N之间，当FI=1时各节点单位优先级上分配的带宽相等，此时公平性最好，反之当FI=1/N时公平性最差，在随机生成网络拓扑下对吞吐量和公平指数FI进行多次仿真后取平均值。
3.1 网络拓扑变化分析
在高动态无人机自组网场景中，对节点8移动进行时隙分配仿真，短时间内邻居节点由节点10，12变为节点14，2，9，5，网络拓扑发生变化。节点8暂时退网后，释放所占用的固定时隙，节点10，12，7，11重新计算预分配时隙，不会存在时隙冲突，待退网后第3个时帧完成新的业务时隙分配；节点8重新入网时，时隙占用情况如表3所示。
节点8入网后立即占用其ID相应的固定时隙，因此可能存在時隙的冲突。第1帧中节点8计算回复BOV时会去掉自己当前占用时隙，原有4个节点在第2帧计算占用BOV时无法占用时隙8，因此时隙8不再存在冲突。在节点8入网后的第3个时帧完成业务时隙预分配，在拓扑变化时依然可以快速完成时隙分配，实现业务快速稳定传输，时隙分配结果如表4所示。
3.2 动态优先级分析
DP-TDMA采用BOV间接确认算法，节点在申请BOV中可一次性连续预约多个业务时隙，业务时隙数与优先级n之间的函数关系式表示为
设节点当前需要传输数据总量为D，当前的传输带宽为Vc，每个业务时隙的长度为tslot，则节点完成其当前业务信息传输所需的时隙总数S可以表示为
在传统的动态分布式TDMA时隙分配算法中，节点在每个控制帧内一次只能申请一个时隙。由此可得超帧中数据传输时间为
式中：K1为传统动态分布式TDMA节点每帧中业务时隙数的集合；t1tran为超帧中传输数据时间。设DP-TDMA中对应变量为K2，t2tran，则有：
可以看到，采用DP-TDMA后高优先级节点在每个超帧内可以使用的业务时隙数目增多。该时隙调度算法减少了节点申请业务时隙时不必要的等待时延，提高了数据吞吐量，同时增强了高优先级信息传输的实时性。
网络建立时，各节点读取不同待发送信息的业务优先级，并取各节点Prodi值如表5所示。在节点侦听1个时帧后，可获得邻居节点信息与时隙占用情况，节点根据邻居节点数量计算Pro（NBi）调整自身优先级如表6所示；数据传输3个时帧后，节点9在时隙冲突中由于最低优先级未成功占用时隙，节点计算Pro（twaiti）调整优先级为表7所示；3个时帧后节点9更新占用BOV后重新调整为表4。第10个时帧节点8暂时退网，邻居节点10，12计算Pro（NCRi）并调整自身优先级，节点9，10，11，12优先级动态调整过程如图9所示。
3.3 吞吐量分析
随机网络拓扑下，3种协议吞吐量在发包速率较低时，因固定占用业务时隙，后续随着发包速率提高而均匀增加；动态时隙分配TDMA协议能够实现时隙复用，因此其吞吐量要远高于固定时隙分配TDMA协议，3种协议网络吞吐量如图10所示。DP-TDMA在时隙分配中可一次性连续预约多个业务时隙，其节点在固定超帧可传输业务时隙略高于BOV-TDMA协议；当时隙冲突发生时，DP-TDMA高优先级节点不需重新申请可直接占用业务时隙。对比得出DP-TDMA相较于BOV-TDMA吞吐量略高，优先高速传输重要信息的同时，提高吞吐量。
由表5可知节点2，3，4优先级分别为3，4，2。3个节点的吞吐量如图11所示。节点优先级每提高一级可大幅提高其吞吐量与业务时隙争抢能力，保证高重要度信息快速传输；同时综合邻居节点数量、邻居变化率和等待时间等因素，利用优先级动态调节各节点优先级，来提高网络稳定性。
3.4 公平性分析
不同时隙调度策略在随机网络拓扑下公平指数对比结果如图12所示。传统TDMA协议中，节点均匀分配业务时隙，因此其公平指数并不会因发包速率而改变，FI=1，即处于最公平的状态。FP-TDMA与DP-TDMA在发包速率较低时为1，随着动态时隙分配过程开始下降，到达一定程度时保持不变。由于多维度动态调节节点优先级机制的存在，DP-TDMA公平指数高于FP-TDMA，在保证高重要度信息优先快速传输的同时，提高了公平性。
4 结 语
针对高动态无人机群不同优先级数据信息传输的需求与网络拓扑频繁变化的特点，提出了基于BOV-TDMA的动态优先级时隙分配算法（DP-TDMA）。仿真结果表明DP-TDMA吞吐量要高于BOV-TDMA与传统TDMA，并通过动态优先级调整策略，在网络拓扑频繁变化下，依然可以快速分配时隙，保证高重要度信息优先快速传输，提高了网络的吞吐量，增加了数据传输的公平性与稳定性。
本文仅考虑了适用于高动态无人机群的时隙分配算法，若能将其与拓扑控制、同步算法相结合，则能进一步提高无人机自组网网络性能，这也是后续工作的研究内容。
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