宋兆涵，曾貴明，梁 君

(中國運載火箭技術(shù)研究院，北京 100076)

0 引 言

隨著航天技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展，空間自組網(wǎng)通信模式已經(jīng)逐步成為了新的研究熱點。由多類空間飛行器組成的自組織網(wǎng)絡(luò)需要具備極強的自組織、自配置和管理能力，以適應(yīng)通信任務(wù)的變化[1]，增強網(wǎng)絡(luò)靈活性，因此有必要設(shè)計高效的時隙分配算法對其進行有效的規(guī)劃和管理?？臻g飛行器具有拓撲范圍大、節(jié)點數(shù)目少、可靠性要求高、時延敏感性強等特點[2]，基于信道訪問機制的不同，現(xiàn)有MAC協(xié)議主要分為競爭類、調(diào)度類和混合類三類[3]。以CSMA/CA為代表的競爭類MAC協(xié)議被廣泛應(yīng)用于無線局域網(wǎng)，但由于其退避機制和握手機制，在長距離傳輸中性能急劇下降[4]。調(diào)度類MAC協(xié)議大多基于時分多址(Time Division Multiple Access,TDMA)方式，可以確保時延的邊界值，能實現(xiàn)無沖突的分組傳輸[5]，但固定分配的方式造成了信道資源的極大浪費，因此時隙動態(tài)分配的TDMA成為長距離自組網(wǎng)通信的研究熱點[6]。

文獻[7]提出了一種面向報文流的混合時隙分配算法，該算法基于報文通過將固定時隙分配與動態(tài)時隙分配相結(jié)合來提高網(wǎng)絡(luò)效率，然而算法復雜度較高，且無法對固定分配時隙進行調(diào)整，在網(wǎng)絡(luò)發(fā)生變化時會造成固定時隙的浪費。文獻[8]提出了一種改進的動態(tài)時隙分配算法，通過調(diào)整節(jié)點等級確定節(jié)點占用固定時隙或競爭時隙，然而算法的幀結(jié)構(gòu)固定，不夠靈活，隨著節(jié)點等級的提升只能通過降低高等級節(jié)點的等級來平衡節(jié)點數(shù)量，降低了高等級節(jié)點信息傳輸?shù)膶嵭?。文獻[9]對混合粒子群算法進行優(yōu)化，提出了一種新的數(shù)據(jù)鏈時隙分配方法，有效降低了數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò)的調(diào)度抖動，不足之處在于求得全局最優(yōu)解需要較長時間和占用較大計算機內(nèi)存。

本文基于網(wǎng)絡(luò)通過兩個頻點建立雙層通信鏈路，設(shè)計了一種新的動態(tài)時隙分配策略，為在網(wǎng)工作的節(jié)點動態(tài)分配時隙，維持節(jié)點存儲的網(wǎng)絡(luò)拓撲穩(wěn)定更新，且利用節(jié)點的位置信息周期性的對時隙分配進行優(yōu)化，時幀結(jié)構(gòu)靈活可變，避免了時隙資源的浪費；同時，對拓撲范圍較大的網(wǎng)絡(luò)完成空間復用，提高了空間資源的利用率。本文采用無沖突的時隙分配算法，相較于競爭接入類協(xié)議避免了碰撞的發(fā)生，提升了網(wǎng)絡(luò)性能。

1 時幀結(jié)構(gòu)設(shè)計

考慮一般空間飛行器的通信包括協(xié)同控制和數(shù)據(jù)傳輸?shù)榷喾N業(yè)務(wù)類型，采用傳統(tǒng)TDMA時隙分配(圖1)，節(jié)點業(yè)務(wù)傳輸時隙分配固定，導致各節(jié)點存儲的拓撲信息不能及時更新，業(yè)務(wù)傳輸端到端時延較大;同時，隨著網(wǎng)絡(luò)負載的增加，TDMA協(xié)議的吞吐量很快達到飽和。本文根據(jù)業(yè)務(wù)類型不同將飛行器通信業(yè)務(wù)分為低速和高速兩種，改進后的動態(tài)時隙分配方案按通信頻率分為上下兩層，如圖2所示，低速業(yè)務(wù)占用頻點f1，作為一層網(wǎng)絡(luò)，傳輸飛行器協(xié)同控制等交互信息；高速業(yè)務(wù)占用頻點f2，作為二層網(wǎng)絡(luò)，傳輸點對點高速數(shù)據(jù)通信業(yè)務(wù)，同時預(yù)留競爭時隙，方便節(jié)點入網(wǎng)和退網(wǎng)進程。

圖1 TDMA時幀結(jié)構(gòu)

圖2 改進的動態(tài)時幀結(jié)構(gòu)

本文的時隙分配研究建立在網(wǎng)絡(luò)已完成前期初始化工作的基礎(chǔ)上，通過網(wǎng)絡(luò)節(jié)點發(fā)現(xiàn)和初始建立鏈路等工作，節(jié)點會對網(wǎng)絡(luò)初始拓撲結(jié)構(gòu)存在粗略掌握。在此基礎(chǔ)上，如何在穩(wěn)定通信過程中建立高可靠性和高實效性的時隙分配策略，是本文研究的主要內(nèi)容。本文采用動態(tài)時隙分配的網(wǎng)絡(luò)工作流程如圖3所示，在時幀周期的起始時隙，各節(jié)點根據(jù)自身掌握的網(wǎng)絡(luò)拓撲信息自發(fā)性選舉中心節(jié)點，由中心節(jié)點完成雙層網(wǎng)絡(luò)獨立的時隙分配表，并通過低速業(yè)務(wù)廣播告知所有節(jié)點，節(jié)點在各自分配的時隙和頻段完成低速業(yè)務(wù)廣播和高速業(yè)務(wù)定向傳輸。

圖3 動態(tài)時隙分配方案

在低頻層信息交互過程中，各節(jié)點在相應(yīng)時隙無沖突地完成拓撲信息和時隙分配信息的存儲、更新和發(fā)送，從而保證所有節(jié)點均可實時更新網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)，并作為反饋信息輔助完成下一個時幀周期開始時中心節(jié)點的選舉和時隙分配結(jié)構(gòu)的動態(tài)更新。

同時，在高頻層信息交互過程中，各節(jié)點無沖突發(fā)送、轉(zhuǎn)發(fā)和接收高速數(shù)據(jù)信息，根據(jù)預(yù)先收到的高頻層時隙分配表，節(jié)點可掌握高速數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)過程中出現(xiàn)的丟包現(xiàn)象，并作為反饋信息影響中心節(jié)點對高速業(yè)務(wù)隊列處理和業(yè)務(wù)優(yōu)先級判定。

2 動態(tài)時隙分配策略

2.1 低速廣播業(yè)務(wù)嵌套型時隙分配策略

由于飛行器節(jié)點的高速移動帶來網(wǎng)絡(luò)拓撲變化，在一層網(wǎng)絡(luò)低速業(yè)務(wù)傳輸過程中節(jié)點需實時交換網(wǎng)絡(luò)拓撲信息，根據(jù)一層網(wǎng)絡(luò)中心節(jié)點選取策略，中心節(jié)點周期性變化，優(yōu)先選取網(wǎng)絡(luò)中心區(qū)域節(jié)點。為避免中心節(jié)點選舉沖突，因此中心區(qū)域節(jié)點對低速交互信息的實時性要求更高，需保證中心區(qū)域節(jié)點存儲的拓撲信息和業(yè)務(wù)信息具有更小的更新時延。同時，為保證高速數(shù)據(jù)定向傳輸路徑規(guī)劃的準確性和鏈路穩(wěn)定性，節(jié)點需實時掌握網(wǎng)絡(luò)拓撲信息，而隨機的時隙分配方式會產(chǎn)生不均勻的信息更新時延。以圖4所示拓撲為例，9個飛行器節(jié)點離散分布于網(wǎng)絡(luò)中，互相位于通信范圍內(nèi)的節(jié)點以實線連接，節(jié)點以時幀為周期依次廣播低速交互信息。圖5為網(wǎng)絡(luò)拓撲嵌套劃分例圖。

圖4 網(wǎng)絡(luò)拓撲例圖

圖5 網(wǎng)絡(luò)拓撲嵌套劃分例圖

2.1.1 隨機TDMA時隙分配方式信息延遲

采用隨機TDMA時隙分配方式時，時隙分配結(jié)構(gòu)以圖6中隨機TDMA時隙分配方式為例。

圖6 時隙分配方式比較

單個時隙長度為ts，節(jié)點6位于時幀周期末尾，因此節(jié)點6在本周期內(nèi)最新交互信息只能廣播給節(jié)點6的一跳鄰節(jié)點(即節(jié)點9)，在下一個時幀周期，節(jié)點9將存儲的交互信息廣播給一跳鄰節(jié)點，節(jié)點4和節(jié)點8收到節(jié)點6的交互信息延遲8 ts，約為一個時幀周期。以此類推，節(jié)點1收到節(jié)點6的交互信息存在的延遲為38 ts。構(gòu)造交互信息延遲矩陣(Information Delay Matrix,IDM)，IDM(i,j)表示節(jié)點i存儲的節(jié)點j交互信息存在以T為單位的延遲數(shù)。隨機TDMA時隙分配方式信息延遲如上所述，則矩陣IDM_rand元素最大值為

IDM_rand(i,j)MAX=38 ts 。

(1)

根據(jù)此種時隙分配，節(jié)點6于時隙ts9廣播當前最新交互信息INF，中心節(jié)點5最早于一個周期后的時隙ts7收到節(jié)點8存儲的節(jié)點6交互信息INF，因此中心節(jié)點5所存儲的節(jié)點交互信息延遲最大值為16 ts，約為2T。

IDM_rand(5,j)MAX=IDM_rand(5,6)，

(2)

IDM_rand(5,6)=16 ts 。

(3)

2.1.2 動態(tài)嵌套型時隙分配方式信息延遲

本文設(shè)計嵌套型時隙分配策略，重新劃分時幀周期。嵌套型時隙分配策略將網(wǎng)絡(luò)拓撲按照圖5所示劃分，以節(jié)點到中心節(jié)點的跳數(shù)為依據(jù)，跳數(shù)相同的節(jié)點加入同一層次集合，以虛線連接。圖中三跳節(jié)點節(jié)點1和節(jié)點6為最外層，一跳節(jié)點3、4、7、8位于嵌套結(jié)構(gòu)最里層，節(jié)點由最外層向最里層依次占用微時隙進行廣播，在微時隙ts9時刻，所有節(jié)點當前時幀周期內(nèi)的交互信息均到達中心節(jié)點，之后以中心節(jié)點為嵌套結(jié)構(gòu)的中心，節(jié)點從內(nèi)向外依次占用微時隙廣播，中心節(jié)點將存儲的交互信息告知所有節(jié)點，完成如圖6所示時隙分配。整個時幀周期內(nèi)，節(jié)點1最早于ts1時刻廣播當前交互信息，經(jīng)過多跳傳輸于ts14時刻由節(jié)點9廣播告知節(jié)點6，同理節(jié)點6于ts2時刻廣播交互信息，于ts14時刻由節(jié)點2廣播告知節(jié)點1，因此嵌套式時隙分配信息延遲矩陣IDM_nest元素最大值為

IDM_nest(i,j)MAX=13 ts 。

(4)

根據(jù)此種時隙分配，節(jié)點1于時隙ts1廣播當前最新交互信息INF，中心節(jié)點5最早于時隙ts7收到節(jié)點7存儲的節(jié)點1交互信息INF，因此中心節(jié)點5所存儲的節(jié)點交互信息延遲最大值為6 ts。

IDM_nest(5,j)MAX=IDM_nest(5,1)，

(5)

IDM_nest(5,1)=6 ts 。

(6)

與2.1.1節(jié)計算結(jié)果相比，信息延遲是隨機時隙分配的1/3～2/5，因此嵌套型時隙分配方式滿足節(jié)點間實時信息延遲小于一個時幀周期。為保證信息充分交換，取中心節(jié)點占用的時隙為時幀周期實際起始時刻。根據(jù)嵌套型時隙分配原則，非中心節(jié)點被分配占用的時隙必定在收到廣播信息之后到來，因此不會出現(xiàn)時隙分配表更新不及時導致的漏播。

2.2 高速定向業(yè)務(wù)無沖突時隙分配策略

基于低頻網(wǎng)絡(luò)的低時延信息交互，中心節(jié)點實時更新各節(jié)點待發(fā)送的高速業(yè)務(wù)隊列信息表，根據(jù)高速業(yè)務(wù)優(yōu)先級選取優(yōu)先級較高的K個業(yè)務(wù)為其分配時隙，并將時隙分配寫入低速交互信息告知所有節(jié)點。

高頻網(wǎng)絡(luò)的時隙分配過程即為所有轉(zhuǎn)發(fā)鏈路完成無沖突時隙分配的過程。節(jié)點于高頻網(wǎng)絡(luò)采用方向圖可變的相控陣天線進行業(yè)務(wù)傳輸，根據(jù)天線性能和鏈路信干比判斷通信鏈路之間是否會發(fā)生干擾。

定義節(jié)點j與節(jié)點k的最大干擾距離為ρ，若dk,j>ρ，則節(jié)點j不能接收到節(jié)點k發(fā)射的干擾信號。定義節(jié)點i、j間的通信鏈路link(i,j)的信干比(Signal-to-Interference Ratio,SIR)為[10]

(7)

式中：θij為節(jié)點j相對于節(jié)點i的方位角，Gij為節(jié)點i向節(jié)點j發(fā)射信號時所采用的天線的定向增益，dij為節(jié)點之間的距離，a是路徑衰減指數(shù)(一般定義a=2)，

(8)

對于分配于同一時隙的通信鏈路，需滿足各鏈路的信干比大于一個限定的通信門限值γ0，即同一時隙傳輸?shù)乃墟溌穕ink(i,j)均需滿足Γij>γ0才能保證各鏈路無沖突傳輸。

2.3 時隙分配算法

本小節(jié)在低速業(yè)務(wù)嵌套型時隙分配和高速業(yè)務(wù)無沖突時隙分配研究的基礎(chǔ)上總結(jié)時隙分配算法。

低速業(yè)務(wù)廣播傳輸時隙分配算法以嵌套性時隙分配為基礎(chǔ)，以時隙矩陣的形式完成時隙分配，矩陣列數(shù)即為每周期時隙總數(shù)。將網(wǎng)絡(luò)節(jié)點以至中心節(jié)點的跳數(shù)為依據(jù)進行劃分，按照節(jié)點跳數(shù)由大到小再由小到大依次寫入矩陣，同時基于空間復用加入時隙重用機制[10]，跳數(shù)相同且無廣播沖突的節(jié)點可占用同一時隙，即寫入矩陣中的同一列，直至分配完成。

高速業(yè)務(wù)傳輸過程為多跳節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)的過程，節(jié)點在各自時隙與高頻網(wǎng)絡(luò)層完成高速業(yè)務(wù)傳輸、接收和轉(zhuǎn)發(fā)，獨立于低頻網(wǎng)絡(luò)層，完成多個高速業(yè)務(wù)的并行傳輸。高速業(yè)務(wù)時隙分配算法以Dijkstra算法為基礎(chǔ)，由中心節(jié)點采用優(yōu)化后的Dijkstra算法為每個業(yè)務(wù)計算最優(yōu)傳輸路徑，形成有向路徑圖，為路徑圖中跳數(shù)序號相同的鏈路依次無沖突分配時隙，同樣基于空間復用加入時隙重用機制，以時隙矩陣的形式完成時隙分配(因篇幅所限，具體時隙分配算法略，可掃描本文OSID碼查看)。

3 仿真驗證

3.1 仿真環(huán)境

本文采用OPNET仿真平臺搭建網(wǎng)絡(luò)模型。雙層網(wǎng)絡(luò)通信過程中，選取S頻段和Ka頻段分別進行擴頻傳輸，保證信號傳輸質(zhì)量。仿真參數(shù)設(shè)置如表1所示。

表1 仿真參數(shù)設(shè)置

取低頻網(wǎng)絡(luò)物理層傳輸速率為2 Mb/s，高頻層物理層傳輸速率為20 Mb/s。仿真模型中，低速廣播業(yè)務(wù)廣播幀長度為256 B，則理想傳輸時間為1.024 ms；高速業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)幀長度為9 182 B，理想傳輸時間為3.7 ms，考慮實際節(jié)點數(shù)據(jù)處理時間，因此取時隙長度為5 ms。系統(tǒng)模型分別使用DF-DTDMA和TDMA兩種時隙分配策略正常運行。

3.2 高速業(yè)務(wù)丟包率分析

飛行器自組網(wǎng)拓撲變化快，拓撲信息更新不及時是造成定向業(yè)務(wù)丟包的主要原因。

假設(shè)飛行器節(jié)點j相對于節(jié)點i以速度v快速移動，d為通信鏈路link(i,j)中節(jié)點i、j的相對距離，t為節(jié)點i所存儲的節(jié)點j的拓撲信息更新時延，則節(jié)點i已分配時隙到來時，節(jié)點j的位置相對于節(jié)點i發(fā)生偏移的角度為

(9)

若節(jié)點j偏移角度Δθ大于發(fā)射節(jié)點i的1/2天線波束寬度，或節(jié)點j位置變化導致鏈路信干比Γij<γ0，則認為會發(fā)生拓撲變化帶來的丟包。

取節(jié)點數(shù)目為9，根據(jù)2.2節(jié)對兩種時隙分配方式的信息延遲分析，TDMA協(xié)議拓撲更新時延

t

(10)

DF-DTDMA策略拓撲更新時延

tmax=13 ts 。

(11)

實際算法中加入空間復用，因此

t

(12)

根據(jù)仿真場景設(shè)置，節(jié)點間相對距離約為100 km，取天線波束寬度θ為1°左右，飛行器相對移動速度v取5 km/s，則對于通信鏈路link(i,j)，由于拓撲更新時延導致節(jié)點j的位置相對于節(jié)點i發(fā)生偏移的最大角度理論值Δθmax為

Δθmax-DF-DTDMA=0.14°，

(13)

Δθmax-DTDMA=0.56° 。

(14)

可以得出， 采用DF-DTDMA策略不會發(fā)生由于拓撲變化快使接收節(jié)點實際位置偏離發(fā)射節(jié)點波束范圍導致的丟包;TDMA策略拓撲更新時延較大，最大偏移角度已超過波束寬度的1/2，易發(fā)生丟包。

在仿真過程中，高速業(yè)務(wù)丟包率隨仿真時間變化如圖7所示，DF-DTDMA協(xié)議由于網(wǎng)絡(luò)拓撲變化產(chǎn)生的丟包率約為0.1%，趨近于0；TDMA協(xié)議由于網(wǎng)絡(luò)交互信息延遲較大，高速業(yè)務(wù)隊列信息和拓撲信息未能及時更新，導致高速業(yè)務(wù)傳輸丟包率約為5%。

圖7 高速業(yè)務(wù)丟包率分析

3.3 網(wǎng)絡(luò)吞吐量分析

仿真場景中，網(wǎng)絡(luò)拓撲變化相同，網(wǎng)絡(luò)負載逐漸增大，仿真得到的結(jié)果如圖8所示。隨著網(wǎng)絡(luò)負載的增加，DF-DTDMA協(xié)議網(wǎng)絡(luò)吞吐量為TDMA協(xié)議吞吐量的1.5～1.8倍，與理論值相近；TDMA協(xié)議的吞吐量相比于DF-DTDMA更早達到飽和。仿真結(jié)果說明DF-DTDMA策略提高了信道利用率，降低了TDMA協(xié)議中實時信息交互帶來的信令開銷對數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠绊?，提高了網(wǎng)絡(luò)的吞吐量。

圖8 網(wǎng)絡(luò)吞吐量

但算法同樣存在一定的局限性。由于本文研究的算法是在TDMA協(xié)議的基礎(chǔ)上將信道資源以時隙為單位進行劃分，因此隨信道負載的增加，網(wǎng)絡(luò)吞吐量會達到飽和。另外，由于算法需要在低速廣播業(yè)務(wù)中交換節(jié)點位置信息和高速業(yè)務(wù)隊列信息，在信道帶寬一定的情況下，隨著網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的增加，算法可容納的節(jié)點數(shù)目存在上限，約為50個節(jié)點。因此，算法適用的網(wǎng)絡(luò)規(guī)模具有一定局限性。后續(xù)可通過優(yōu)化算法，改進占用帶寬，使其適用于大型飛行器網(wǎng)絡(luò)。

3.4 業(yè)務(wù)平均時延分析

本文動態(tài)時隙分配策略采用時隙矩陣形式，完成時隙分配空間復用，提高了時隙利用率。本文將時幀中已被節(jié)點占用的非空閑時隙稱為有效時隙，計算一個時幀周期內(nèi)傳輸?shù)退贅I(yè)務(wù)或高速業(yè)務(wù)的有效時隙的總時長與有效時隙內(nèi)成功傳輸(由源節(jié)點到目的節(jié)點)的低速或高速業(yè)務(wù)數(shù)目的比值作為業(yè)務(wù)平均時延，此指標用于體現(xiàn)不同時隙分配方案對有效時隙的利用率。業(yè)務(wù)平均時延越小，時隙利用率越高。

從圖9和圖10可以看出，DF-DTDMA低速廣播業(yè)務(wù)平均時延低于3.7 ms，高速業(yè)務(wù)平均時延低于9 ms，傳統(tǒng)TDMA時隙分配策略產(chǎn)生的I類業(yè)務(wù)平均時延約5 ms，II類業(yè)務(wù)平均時延大于11 ms，因此DF-DTDMA策略相比于傳統(tǒng)TDMA時隙分配策略有效時隙利用率提高了20%以上。

圖9 低速業(yè)務(wù)平均時延

圖10 高速業(yè)務(wù)平均時延

4 結(jié) 論

本文針對分布式空間飛行器自組網(wǎng)使用傳統(tǒng)時分多址時隙分配方式時網(wǎng)絡(luò)時延大、傳輸效率不高的問題，提出了一種適用于飛行器自組網(wǎng)的動態(tài)時隙分配方案(DF-DTDMA)。該策略基于改進的動態(tài)時隙分配的TDMA方式：在低頻網(wǎng)絡(luò)層，DF-DTDMA方案提出了嵌套型時隙分配策略，保證網(wǎng)絡(luò)拓撲信息更新的及時性，降低了動態(tài)變化的飛行器網(wǎng)絡(luò)中業(yè)務(wù)傳輸丟包率，在傳統(tǒng)TDMA分配方式產(chǎn)生丟包率達到5%情況下，DF-DTDMA策略產(chǎn)生丟包率趨近于0；在高頻網(wǎng)絡(luò)層提出高速業(yè)務(wù)無沖突時隙分配策略，降低信息碰撞概率。同時，采用雙頻時幀結(jié)構(gòu)設(shè)計并在算法中加入基于位置信息的空間復用，提高了網(wǎng)絡(luò)吞吐量和時隙利用率。仿真結(jié)果表明，本文提出的動態(tài)時隙分配方案DF-DTDMA相比較傳統(tǒng)TDMA協(xié)議有效提高了網(wǎng)絡(luò)性能，具有高可靠性和靈活性，適用于高動態(tài)的中小型飛行器自組織網(wǎng)絡(luò)，經(jīng)優(yōu)化后可滿足更高性能空間飛行器自組網(wǎng)通信需求。