一种适用于飞行自组网的动态时分信道接入机制

苏榆渊　王辛果

【摘要】    飞行自组网可广泛应用于军用数据链、无人机测控、航空通信等场景。然而，由于网络节点高速移动和用户业务需求剧烈变化等原因，传统的时分信道接入机制的信道接入延迟较高且信道利用率较低。本文提出了一种适用于飞行自组网的动态时分信道接入机制。通过引入节点业务需求预测，保证在节点间更加合理地分配信道资源。此外，采用了动态的时隙分配策略，并引入业务优先级机制，按照优先级高低顺序分配信道资源，实现高优先级业务的低时延接入。最后，根据网络拓扑变化程度对网络管理时隙和数据传输时隙的比例进行优化，从而在保证低时隙冲突概率的前提下，尽可能提升信道资源利用率。模拟结果表明，在信道资源一定的情况下，该机制可最大化信道资源利用，保证在网节点的高优先级业务的传输需求，高优先级节点高优先级业务拥有更低的接入时延，且节点优先级依次变化，网络整体资源利用率高，节点接入公和资源使用相对公平。

【关键词】    飞行自组网    接入延时    动态TDMA    节点优先级    业务优先级

引言：

飞行自组网（flying ad-hoc networks， FANET）需支持节点随时入网和退网，且整个网络能自动恢复，是一种高残存性、高自适应性、且适合战场环境的组网方式。在飞行自组网的场景下，各节点具有高度的独立性和自组性，没有主控节点进行全盘操控。在高速变化的拓扑场景下，节点的自适应能力更强。

近年来，无人机以其灵活性、易部署性、低延迟、低成本等优点引起了人们的广泛关注。随着无人机的迅速普及及其在各种应用（如工业和应急服务）中的巨大潜力，飞行自组网技术吸引了工业界和学术界的广泛研究兴趣。[1-4]盡管在部署上有好处，但无人机在无线电分配和通道访问方面面临着重大挑战。这些问题的大部分是由于媒体访问控制（Medium access control， MAC）协议效率低下，因为大多数无人机应用程序使用现有的MAC协议，这些协议只适用于传统网络。由于高度动态和移动场景的要求，现有网络的MAC协议面临着适用飞行自组网通信的问题。

为了解决飞行自组网的通信问题，目前国内外有很多学者已经对相关MAC协议做了不少研究。文献[5]考虑了高空平台（high altitude platform， HAP）辅助的无人机网络对物联网（Internet of Things， IOT），其中高动态无人机可以通过HAP向远程地面控制中心发送实时的IOT数据;该协议在这种高动态无人机网络中可以实现更低的端到端延迟和更高的吞吐量性能。文献[6] 提出了一种基于CSMA/CA的FANET群集自适应载波感知多址接入协议，即FMAC，以在密度变化的群集场景下提供可靠的广播信息服务，所提出的FMAC协议在密度变化的群集情况下能够保证较高的成功传输概率，并且优于典型的MAC解决方案。文献[7]提出了一种新的全双工ad-hoc网络混合MAC协议。该MAC结合了时分多址（TDMA）和ieee802.11基于时隙竞争的控制帧和无冲突数据帧链中的分布式协调功能（distributed coordination function， DCF）强度。目的是充分利用全双工（full-duplex， FD）传输机会，提高网络吞吐量。该方案缓解了隐藏节点问题（hidden-node problem， HNP）和暴露节点问题（exposed-node problem， ENP）等传统MAC问题。它还允许以无冲突的方式进行并发FD数据传输。文献[8]在固定时隙分配（TDMA）协议基础上，提出了一种支持业务优先级传输机制的闲置时隙预约TDMA。该协议在满足协同与控制业务较低时延要求的同时，还有着较高的信道利用率及吞吐量。文献[9] 提出的一种基于节点优先级的动态TDMA协议NP-TDMA（dynamic TDMA based on node priority-TDMA）采用动态分配策略，在节点申请空闲时隙阶段引入节点优先级判断机制，实现了高优先级节点优先接入信道的目的。此外，该协议通过采取时隙冲突避免和时隙冲突检测两种方式来快速高效的解决时隙冲突问题。

基于以上的研究，再考虑实际应用场景的情况下，本文提出一种适用于飞行自组网的动态时分信道接入机制，引入节点业务预测，保证节点业务传输的实时性;引入节点优先级和业务优先级，保证高优先级业务低时延接入和保证高优先级节点业务传输需求。满足飞行自组网的特性，即低延迟、大容量、高灵活性、可扩展性强、多优先级的媒体访问控制（MAC）协议。

一、时帧结构

（一）时间同步

时分信道接入前提需要满足节点间时间同步，本文采用的是双向时间校准。如图1所示，A、B两个节点，其中A是参考节点，B是待同步节点。两个节点在自己的控制时隙发送时间同步帧。B节点根据时间同步算法进行Δ调整，保证节点间的时间同步。Δ计算公式如下：

（二）时隙结构

如图2所示，时隙结构由物理帧和保护间隔组成。保护间隔的设置是用来防止各节点由于物理传播时延帧间干扰。设置保护间隔的时长需考虑节点的最大通信距离和功放收发切换保护。由于项目中要求节点的最大通信距离为 100km，电磁波传播 10km 所需的时间约为 334us。考虑功放收发切换时间，将保护间隔设置为 500us。

（三）时帧

动态TDMA接入机制中，时隙类型有控制时隙、响应时隙和数据时隙。网络时间周期为一个时帧，一个时帧有N个控制时隙、N个响应时隙和M个数据时隙组成。

如图3所示，整个TDMA系统的通信时间由一个个周而复始的时帧组成。控制时隙和响应时隙的设定是为了保证节点的基本通信功能和业务量信息通知。其中控制时隙阶段时，各节点完成全网时间同步信息和时隙请求信息的广播;响应时隙阶段则是各个节点在控制时隙阶段收集到一跳和两跳节点的时隙请求信息后进行汇总并广播。然后各节点根据响应时隙阶段收到的时隙请求汇总信息在本地进行动态时隙分配。接着进入数据时隙阶段完成节点间的数据收发。

N的个数取决于自组网中节点的最大数量;M的个数取决于网络拓扑变化率。M越大，信道利用率越高，但检测到因网络拓扑变化造成的时隙冲突所需的时间也越长。为保证较低的时隙冲突概率，将M设为节点通信半径/节点最大移动速率的一半。

二、动态时分信道接入机制设计

在本文的动态TDMA接入机制中，引入了业务预测，用于预测各节点控制时隙阶段和响应时隙阶段各优先级业务总数据量，并在控制时隙阶段通知到邻居节点。在汇集一跳和两跳节点业务数据时隙需求后，在节点本地按照业务优先级和节点优先级进行动态时隙分配。

（一）业务需求预测

为了更准确地为各节点各优先级业务分配更合理的数据时隙数，以保证数据的低时延接入。本文引入差分整合移动平均自回归模型（Autoregressive Integrated Moving Average model， ARIMA），用各节点历史业务需求量数据对下一个时间周期各优先级业务需求量进行预测。

用X，X，X，...，X表示历史t个时帧周期观测到的各优先级业务数据队列的数据量，进而预测下一个时帧周期的业务需求量Xt。

其中，X表示第t个时间周期数据队列数据量;p代表预测模型中采用的时序数据本身的滞后数;

d代表时序数据需要进行几阶差分化才是稳定的;q代表预测模型中采用的预测误差的滞后数;c为常数（表示序列数据没有0均值化）;α表示AR权重系数;θ表示MA权重系数;ε表示预测的残差。在预测完本地节点的各优先级业务需求量后在控制时隙阶段广播自己的业务量信息。

（二）为各优先级业务分配数据时隙数

在介绍协议时隙分配算法流程前，先声明算法中所用到的符号如表1所示。各节点在获取到一跳和两跳节点业务需求信息后，首先在本地先进行各优先级业务数据时隙数分配，分配流程如图4所示。

根据业务优先级依次分配数据时隙数，高优先级业务数据时隙优先分配，保证所有用户高优先级业务需求优先满足，如下算法1所示。各优先级业务数据时隙请求总数：

（三）为各优先级节点分配数据时隙

在第一阶段分配完成后，对数据时隙号（1...M）进行依次分配，时隙分配流程如图5所示。

为了保证高优先级节点接入低时延要求和高优先级节点业务传输需求。本文算法按照节点优先级和业务优先级顺序一个个分配数据时隙，如下算法2所示。分配完成后，各节点只需要在属于自己的数据时隙进行数据发送，否则处于数据接收状态。

三、事例分析

假设网络中网络节点数为4，最大跳数为2，網络的拓扑结构如图6所示。时帧中控制时隙和响应时隙N各为4，数据时隙数M为20，业务优先级为1，2，3，节点优先级A-B-C-D-E依次递减。

四、仿真与分析

使用OMNeT++对本文协议性能进行仿真分析。仿真参数表3所示。该仿真仅考虑最大跳数为2的网络场景。场景由10个节点组成，节点通信半径是100km，每个时帧有100个时隙。

（一）不同优先级节点接入时延分析

如图7所示，结果表明，本文的接入机制能保证不同时刻的各用户高优先级节点业务优先接入，且保证高优先级节点相对接入时延更小，不同优先级时延也不会相差较大，且都优于NP-TDMA。

（二）预测与未预测业务需求对比

如图8所示，结果表明，在加入业务预测后，业务量的数据时隙需求与实际产生的数据包数量基本吻合;而在不进行业务预测情况下，用上一次的统计量进行是时隙请求，则会出现与实际产生的数量包数量差别较大的情况，从而影响业务数据的实时性或浪费过多数据时隙，进而降低信道利用率。

（三）数据时隙获取能力

如图9所示，本文提出的动态时分信道接入机制，在时隙数分配上是优先满足高优先级业务，保证高优先级节点的高优先级业务的传输需求，而NP-TDMA仅考虑了最高节点优先级的业务优先。

五、结束语

在FANET中各个节点有着不同的任务分工且存在多种类型数据业务传输需求，根据实际FANET场景应用的特点，本文基于引入业务预测、节点优先级和业务优先级设计了一种适用于FANET的动态TDMA接入机制。

该机制通过业务预测来保证各节点数据传输的实时性，且设计基于节点优先级和业务优先级共同决策的动态时隙分配机制，使得信道资源充分得到利用，且满足整个网络中节点访问信道资源的相对公平性。仿真结果表明，该机制既满足了高优先级节点高优先级业务低延迟接入，也满足不同优先级业务的时延要求，充分利用信道资源。

作者单位：苏榆渊    成都信息工程大学计算机学院

王辛果    成都信息工程大学计算机学院    中国航空工业无线电电子研究所

参  考  文  献

[1] M. Y . Arafat and S. Moh， “Localization and clustering based on swarm intelligence in UA V networks for emergency communications，”IEEE Internet of Things Journal， vol. 6， no. 5， pp. 8958–8976， Oct. 2019.

[2] Q. Zhang， M. Jiang， Z. Feng， W. Li， W. Zhang， and M. Pan， “IoT enabled UA V： Network architecture and routing algorithm，”IEEE Internet of Things Journal， vol. 6， no. 2， pp. 3727–3742， Apr. 2019.

[3] M. Asadpour， K. A. Hummel， D. Giustiniano， and S. Draskovic， “Route or carry： Motion-driven packet forwarding in micro aerial vehicle networks，”IEEE Trans. Mobile Comput.， vol. 16， no. 3， pp. 843–856， Mar. 2017

[4] W. Shi， J. Li， W. Xu， H. Zhou， N. Zhang， S. Zhang， and X. Shen， “Multiple drone-cell deployment analyses and optimization in drone assisted radio access networks，”IEEE Access， vol. 6， pp. 12 518–12 529， Feb. 2018.

[5] Y. Ruan， Y. Zhang， Y. Li， R. Zhang and R. Hang， “An Adaptive Channel Division MAC Protocol for High Dynamic UAV Networks，” in IEEE Sensors Journal， vol. 20， no. 16， pp. 9528-9539， 15 Aug.15， 2020.

[6] X. Huang， A. Liu， H. Zhou， K. Yu， W. Wang and X. Shen， “FMAC： A Self-Adaptive MAC Protocol for Flocking of Flying Ad Hoc Network，” in IEEE Internet of Things Journal， vol. 8， no. 1， pp. 610-625， 1 Jan.1， 2021.

[7] R. Rukaiya， M. U. Farooq， S. A. Khan， F. Hussain and A. Akhunzada， “CFFD-MAC： A Hybrid MAC for Collision Free Full-Duplex Communication in Wireless Ad-Hoc Networks，” in IEEE Access， vol. 9， pp. 35584-35598， 2021， doi： 10.1109/ACCESS.2021.3061943.

[8] 陸毅，符杰林，仇洪冰，林基明，李燕龙.适用于飞行自组网的闲置时隙预约TDMA协议[J/OL].计算机工程：1-8[2022-01-10].

[9] 赵佳明，郭肃丽，杨健.一种面向飞行自组网应用的动态TDMA协议[J].电子测量技术，2020，43（23）：133-138.DOI：10.19651/j.cnki.emt.2005138.

[10] M. Zhang， C. Dong and Y. Huang， “FS-MAC： An Adaptive MAC Protocol With Fault-Tolerant Synchronous Switching for FANETs，” in IEEE Access， vol. 7， pp. 80602-80613， 2019， doi： 10.1109/ACCESS.2019.2920175.

[11] C. Cai， J. Fu， H. Qiu and Y. Lu， “An Active Idle Timeslot Transfer TDMA for Flying Ad-Hoc Networks，” 2020 IEEE 20th International Conference on Communication Technology （ICCT）， 2020， pp. 746-751， doi： 10.1109/ICCT50939.2020.9295932.

[12] 李其超，周逊，宋威威，等.一种高效可靠的无人机自组网多跳TDMA协议[J].电讯技术，2020，60（2） ：189- 195.[LI Qichao，ZHOU Xun，SONG Weiwei，et al.An efficient and reliable multi-hop TDMA protocol for UAV ad hoc networks[J].Telecommunication Engi-neering，2020，60（2） ：189-195.

[13] 杨茂保， 徐利亚， 葛明珠，等. 面向无人机网络的媒体接入控制协议[J]. 探测与控制学报， 2018， 40（4）：7.