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一種低時延無人機自組網(wǎng)閾值自適應(yīng)接入?yún)f(xié)議

2020-08-23 08:50:06朱克蘭
光通信研究 2020年4期
關(guān)鍵詞:調(diào)整機制門限吞吐量

任 智,楊 迪,胡 春,朱克蘭

(重慶郵電大學 通信與信息工程學院,重慶 400065)

0 引 言

無人機自組網(wǎng)(Unmanned Aerial Vehicle Ad-Hoc Network,UANET)[1-2]是一種非常靈活的自組織網(wǎng)絡(luò),被廣泛應(yīng)用于各種場景中[3-4]?;诮y(tǒng)計優(yōu)先級的多址接入?yún)f(xié)議[5-7](Statistical Prioritybased Multiple Access Protocol,SPMA)是美軍數(shù)據(jù)鏈戰(zhàn)術(shù)瞄準網(wǎng)絡(luò)[8-9](Tactical Targeting Network Technology,TTNT)中使用的媒體訪問控制(Media Access Control,MAC)層接入?yún)f(xié)議,文獻[10]提出了一種基于業(yè)務(wù)量統(tǒng)計的改進算法(Traffic Statistic Multiple Access Protocl,TSMPMAC),該算法控制信道負載在一個特定閾值門限以下,保證了高優(yōu)先級包的傳輸成功率;文獻[11]介紹了一種單通道自組網(wǎng)MAC協(xié)議,考慮了站內(nèi)排隊的數(shù)據(jù)包的服務(wù)質(zhì)量(Quality of Service,QoS)要求,以便為每個站提供基于優(yōu)先級的訪問;文獻[12]為了滿足網(wǎng)絡(luò)負載較大時時間敏感業(yè)務(wù)的低延遲傳輸需求,研究了一種基于SPMA的移動自組網(wǎng)系統(tǒng);文獻[13]提出了一個分析模型來計算飽和輸入條件下的時隙傳輸概率,得到系統(tǒng)的平均延遲、丟包率和吞吐量等特性;文獻[14]提出了基于幀成功傳輸概率自適應(yīng)閾值調(diào)整方法,通過借鑒傳輸控制協(xié)議(Transfer Control Protocol,TCP)流量控制機制設(shè)計了閾值調(diào)整機制。通過以上研究發(fā)現(xiàn),現(xiàn)有SPMA存在如下問題:(1)在節(jié)點開機后尋找真實滿載門限的過程收斂慢,不能快速找到真實門限;(2)無人機飛行環(huán)境的變化會造成信道承載能力的變化,此時的滿載門限不能隨環(huán)境變化做出正確調(diào)整。鑒于此,本文在文獻[14]的閾值自適應(yīng)協(xié)議基礎(chǔ)上,提出了一種低時延UANET閾值自適應(yīng)接入?yún)f(xié)議,并對其進行了仿真驗證及分析。

1 系統(tǒng)模型

1.1 網(wǎng)絡(luò)場景

多個地位相同的無人機節(jié)點構(gòu)成UANET,其網(wǎng)絡(luò)拓撲如圖1所示,節(jié)點ID唯一,且通信方式為全雙工,采用全向天線。各個節(jié)點開機后開始運行求取信道滿載門限的程序,在此過程中各個節(jié)點產(chǎn)生信道負載門限求取包,并按照一定的速率發(fā)送出去,在一定時機獲取前一個負載統(tǒng)計周期內(nèi)出現(xiàn)的包的個數(shù)作為信道滿載門限。當統(tǒng)計出的信道負載小于滿載門限時,不做退避,將各隊列中的包按優(yōu)先級順序發(fā)出;若統(tǒng)計出的信道負載大于滿載門限,則退避相應(yīng)低優(yōu)先級的包,維持信道負載不大于信道承載能力,使數(shù)據(jù)的首發(fā)成功率≥99%。

圖1 UANET網(wǎng)絡(luò)拓撲

1.2 問題描述

(1)現(xiàn)有滿載門限的確定需要長時間的測試,而測試過程中系統(tǒng)未正常發(fā)包,增加了控制開銷?,F(xiàn)有方法一:無控制發(fā)包逐漸增大發(fā)包速率,在數(shù)據(jù)發(fā)送成功率下降到99%時獲取前一個統(tǒng)計周期內(nèi)出現(xiàn)的數(shù)據(jù)包的個數(shù)作為滿載門限;方法二:通過控制測試階段的發(fā)包速率提高測試的收斂速度,使用指數(shù)增加的發(fā)包速率增大信道負載,當信道過載時,降低發(fā)包速率為過載時的一半,然后線性增加發(fā)包速率,逐次逼近得出滿載門限。但這兩種方法的收斂速度都較慢。

(2)無人機群在飛行過程中,信道的環(huán)境是變化的(比如從基地飛進電磁環(huán)境復(fù)雜的戰(zhàn)場),此時信道的承載能力是變化的,所以滿載門限也是上下浮動變化的?,F(xiàn)有研究或認為信道滿載閾值是固定的數(shù)值或是不能找到變化后準確的滿載門限,在信道承載能力變化后繼續(xù)使用固定或不準確的滿載門限值會造成發(fā)包成功率的降低,或是信道資源的浪費。如何在組網(wǎng)完成后的工作過程中適時地校準這個變化的滿載門限成為了一個問題。

2 低時延閾值自適應(yīng)接入?yún)f(xié)議

針對現(xiàn)有相關(guān)SPMA的研究存在信道滿載門限確定過程收斂慢、滿載門限不能自適應(yīng)調(diào)整導(dǎo)致的時延增大和沖突增加數(shù)據(jù)傳輸成功率降低等問題,提出一種UANET低時延閾值自適應(yīng)接入(Low-Delay Threshold Adaptive Access,LDTA)協(xié)議,包括如下改進:(1)提出“信道滿載門限快速收斂機制”,通過使用類似TCP快重傳快恢復(fù)的方式在使用一定的先驗信息后使預(yù)測門限快速收斂至實際門限,使系統(tǒng)快速渡過滿載門限確定期,進入正常收發(fā)狀態(tài),降低了初始數(shù)據(jù)的發(fā)送等待時延;(2)提出“基于傳輸成功率的滿載門限自適應(yīng)調(diào)整機制”,通過單播包的數(shù)據(jù)傳輸成功率的連續(xù)數(shù)值,判斷當前信道是否過載或是否有空閑承載能力,通過動態(tài)調(diào)整滿載門限實現(xiàn)信道承載能力的最大化利用可以降低數(shù)據(jù)重傳的發(fā)生,從而減少平均時延。

2.1 信道滿載門限快速收斂機制

信道滿載門限快速收斂機制的核心思想是:每個信道負載統(tǒng)計周期的時間相同,所以控制每個周期內(nèi)的發(fā)包頻率就能控制信道接入量,此時在仿照TCP的快重傳快恢復(fù)機制的基礎(chǔ)上,利用確認字符消息計算的單播包傳輸成功率,大致確定快恢復(fù)的起始數(shù)值,使估計的滿載門限值與真實的滿載門限值快速重合。信道滿載門限快速收斂機制流程圖如圖2所示。

圖2 信道滿載門限快速收斂機制流程圖

該新機制的具體操作步驟如下:

(1)以指數(shù)遞增的方式快速增大初始幾個負載統(tǒng)計周期內(nèi)的信道負載接入量,以期在較短的時間內(nèi)突破信道承載能力,最終在某個信道負載統(tǒng)計周期統(tǒng)計出數(shù)據(jù)傳輸成功率低于99%。

(2)當上個信道負載統(tǒng)計周期內(nèi)的數(shù)據(jù)傳輸成功率<99%時,利用上個周期統(tǒng)計出的數(shù)據(jù)傳輸成功率和總發(fā)包量相乘,得到預(yù)估的滿載門限,下個周期的信道負載從這個預(yù)估的滿載門限開始線性遞增。

(3)在數(shù)據(jù)傳輸成功率<99%時,再次根據(jù)上個周期統(tǒng)計出的數(shù)據(jù)傳輸成功率和發(fā)包個數(shù)得到預(yù)估的滿載門限,并在下個統(tǒng)計周期降低線性遞增速率。重復(fù)步驟(2)和(3),使預(yù)估的滿載門限不斷逼近真實,最終得到真實的滿載門限。

2.2 基于傳輸成功率的滿載門限自適應(yīng)調(diào)整機制

基于傳輸成功率的滿載門限自適應(yīng)調(diào)整機制的核心思想是:通過多個統(tǒng)計周期的單播包數(shù)據(jù)傳輸成功率和單播包發(fā)包數(shù)量的匯總計算來判斷當前網(wǎng)絡(luò)所處環(huán)境的信道承載能力是否發(fā)生變化,在此基礎(chǔ)上提出一種在保證吞吐量不降低的同時,提高數(shù)據(jù)傳輸成功率和減小時延的滿載門限自適應(yīng)調(diào)整機制。滿載門限自適應(yīng)調(diào)整機制流程圖如圖3所示。

圖3 滿載門限自適應(yīng)調(diào)整機制流程圖

具體操作步驟如下:

(1)在無干擾的最優(yōu)信道環(huán)境下找出滿載門限Tfullload_best,此門限對應(yīng)的發(fā)包成功率為99%。在信道承載能力降低時發(fā)包成功率降低至n%(n<99),此時MAC層吞吐量降低,若要使發(fā)包成功率向99%回升,需要將滿載門限降低至新的滿載門限Tfullload_n。新滿載門限為

式中:n%為信道承載能力降低后統(tǒng)計出的發(fā)包成功率;Tfullload_best為最優(yōu)信道環(huán)境下找出的滿載門限。

調(diào)整滿載門限為Tfullload_n后的吞吐量為Thnow,

Thnow大于等于調(diào)整前吞吐量,并且此時的發(fā)包成功率高于調(diào)整前的n%。隨著首發(fā)成功率的提升,重傳減少,整體時延也隨之降低。

(2)若調(diào)整后的滿載門限在連續(xù)數(shù)個統(tǒng)計窗口時間內(nèi)出現(xiàn)不能保證首發(fā)成功率達到99%的情況,則需要比較此時的首發(fā)成功率m%(m%為根據(jù)式(1)調(diào)整滿載門限后系統(tǒng)的發(fā)包成功率)是否大于調(diào)整前的n%,吞吐量是否大于等于調(diào)整前的吞吐量。若均滿足大于等于,則可以使用此時的滿載門限Tfullload_n;若不能滿足,則將滿載門限返回調(diào)整前的門限值,使性能不至降低。

(3)在連續(xù)數(shù)個統(tǒng)計窗口時間內(nèi),在信道承載能力不過載的情況下,出現(xiàn)發(fā)包成功率>99%,則認為當前UANET的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境發(fā)生了改善。此時可以向上調(diào)整滿載門限。首先,調(diào)整滿載門限為最優(yōu)條件下的滿載門限Tfullload_best,而后再視發(fā)包成功率是否小于99%做相應(yīng)調(diào)整。若在Tfullload_best下發(fā)包成功率低于99%,則按照第(1)~(2)步找出合理的滿載門限值,否則就維持最優(yōu)滿載門限值不變。

3 仿真驗證及結(jié)果分析

3.1 仿真參數(shù)設(shè)置

為了驗證LDTA協(xié)議的性能,本文采用網(wǎng)絡(luò)仿真工具OPNET 14.5對LDTA進行仿真驗證,主要仿真參數(shù)如表1所示。UANET SPMA及各種改進協(xié)議包括LDTA支持節(jié)點間單跳距離可達180 km,且UANET的特點之一是網(wǎng)絡(luò)的空間分布尺度較大,所以仿真場景為350 km×350 km。UANET中節(jié)點密度較小,在有限的仿真場景中節(jié)點數(shù)量不能過多,故設(shè)置為15個正常節(jié)點,0~8個干擾節(jié)點。OPNET是事件驅(qū)動的網(wǎng)絡(luò)仿真工具,仿真時間設(shè)置為100 s、發(fā)包速率10 Mbit/s和每個包6 400 bit可以發(fā)生足夠多的事件,得出較為客觀的時延、成功率和吞吐量等數(shù)據(jù)供分析參考。

表1 主要仿真參數(shù)

3.2 仿真結(jié)果分析

(1)數(shù)據(jù)傳輸成功率仿真結(jié)果。圖4所示為數(shù)據(jù)傳輸成功率,由圖可知,隨著干擾節(jié)點的增加和信道承載能力的持續(xù)下降,并未得到控制的發(fā)包速率導(dǎo)致固定閾值SPMA的數(shù)據(jù)傳輸成功率持續(xù)下降。帶有沖突避免的載波偵聽多路訪問(Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance,CSMA/CA)協(xié)議由于長時間的信道忙導(dǎo)致大量的數(shù)據(jù)包長時間退避,最終退避超時銷毀數(shù)據(jù)包,造成傳輸成功率很低。LDTA協(xié)議因為滿載門限自適應(yīng)調(diào)整機制的運行,在短時間內(nèi)重新找到了信道的滿載門限,從而很好地控制了低優(yōu)先級包接入信道的個數(shù),保證了高優(yōu)先級包的傳輸成功率,控制了信道的整體負載水平,降低了碰撞的發(fā)生,所以LDTA的數(shù)據(jù)傳輸成功率始終保持在95%以上,可見LDTA協(xié)議的滿載門限自適應(yīng)調(diào)整機制可以保證較高的數(shù)據(jù)傳輸成功率。

圖4 數(shù)據(jù)傳輸成功率

(2)數(shù)據(jù)平均時延。圖5所示為數(shù)據(jù)平均時延仿真結(jié)果。由圖可知,LDTA協(xié)議的數(shù)據(jù)平均時延低于固定閾值SPMA和CSMA/CA協(xié)議。固定閾值SPMA在干擾增大信道承載能力降低時,未能調(diào)整信道滿載門限,造成低優(yōu)先級不該接入信道的數(shù)據(jù)包未能受到控制,過多的負載使信道中的沖突加劇并導(dǎo)致重傳的增多從而造成時延增大。LDTA協(xié)議通過自動調(diào)整信道的滿載門限可以得到當前信道承載能力的準確滿載門限。以此門限為基準,可以通過退避調(diào)度算法控制低優(yōu)先級包的接入,從而控制信道負載水平在實際信道承載能力附近,在最大化利用信道資源的同時減少了數(shù)據(jù)包沖突,提高了首發(fā)成功率,降低了時延。

(3)MAC層吞吐量。MAC層吞吐量指單位時間內(nèi)MAC層成功接收到的比特數(shù)。圖6所示為MAC層吞吐量仿真結(jié)果。由圖可知,LDTA協(xié)議具有大于CSMA/CA、大于等于固定閾值SPMA的MAC層吞吐量。由于信道負載水平控制得當,數(shù)據(jù)傳輸成功率高,所以LDTA協(xié)議的MAC層吞吐量還是能維持在大于CSMA/CA、大于等于固定閾值SPMA吞吐量的水平。

圖5 數(shù)據(jù)平均時延

圖6 MAC層吞吐量

4 結(jié)束語

本文針對現(xiàn)有SPMA滿載門限計算過程收斂慢和滿載門限在信道承載能力發(fā)生變化時不能自適應(yīng)調(diào)整的問題,提出了信道滿載門限快速收斂和基于數(shù)據(jù)傳輸成功率的滿載門限自適應(yīng)調(diào)整兩個機制。通過使初始滿載門限閾值快速收斂,根據(jù)信道實際的承載能力動態(tài)調(diào)整滿載門限,實現(xiàn)對信道負載水平的有效控制,從而減少了沖突的發(fā)生,提高了數(shù)據(jù)傳輸成功率,重傳次數(shù)的減少使數(shù)據(jù)傳輸時延降低。

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