關(guān)鍵詞：無(wú)人機(jī)群；媒體接入控制協(xié)議；接入機(jī)制；自組網(wǎng)

0引言

近年來(lái)，無(wú)人機(jī)群自組網(wǎng)（UAV Swarm Ad HocNetwork，UAVSNet）已廣泛應(yīng)用于軍事、農(nóng)業(yè)和偵察等多個(gè)領(lǐng)域，解決各領(lǐng)域中的實(shí)際問(wèn)題，包括實(shí)時(shí)監(jiān)控、電力線路檢查、搜索救援和森林火災(zāi)檢測(cè)等，它將移動(dòng)自組網(wǎng)（Mobile Ad Hoc Net-work，MANET）和車(chē)載自組網(wǎng)（Vehicular Ad HocNetwork，VANET）的概念拓展到無(wú)人機(jī)網(wǎng)絡(luò)通信中以更高效快速地實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的收集、處理、傳輸和共享。但也存在諸多問(wèn)題，其中最為重要的就是多無(wú)人機(jī)間的協(xié)同通信，而媒體接入控制（Media Access Control，MAC）協(xié)議在這之間起著關(guān)鍵作用。

MAC協(xié)議的本質(zhì)是研究如何有效利用無(wú)線頻譜，避免無(wú)人機(jī)節(jié)點(diǎn)共享頻譜資源時(shí)的競(jìng)爭(zhēng)和沖突。對(duì)此，很多學(xué)者在這個(gè)領(lǐng)域進(jìn)行了深入的研究。宋佳等概述了無(wú)線自組網(wǎng)MAC協(xié)議并對(duì)其發(fā)展進(jìn)行展望。然而只是簡(jiǎn)單闡述了2種握手協(xié)議。Arafat等從飛行自組網(wǎng)MAC協(xié)議的主要特點(diǎn)、工作原理和優(yōu)缺點(diǎn)等方面進(jìn)行綜述，對(duì)各協(xié)議進(jìn)行定性比較并提出挑戰(zhàn)。鄭祖朋等細(xì)致總結(jié)了應(yīng)用于能量采集傳感器網(wǎng)絡(luò)中的MAC協(xié)議，對(duì)其優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行討論，并提出關(guān)于能量采集網(wǎng)絡(luò)的MAC協(xié)議的展望。和夢(mèng)琪等對(duì)調(diào)度型MAC協(xié)議、競(jìng)爭(zhēng)型MAC協(xié)議和混合型MAC協(xié)議運(yùn)行機(jī)制等方面進(jìn)行綜述，然而其展望太過(guò)寬泛。董超等針對(duì)車(chē)聯(lián)網(wǎng)和無(wú)人機(jī)自組網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)特征，從不同的優(yōu)化目標(biāo)出發(fā)，對(duì)其使用的MAC協(xié)議進(jìn)行綜述。閆濤等對(duì)MANET中的自適應(yīng)MAC協(xié)議進(jìn)行綜述，并對(duì)未來(lái)MANET MAC協(xié)議研究進(jìn)行展望。Hussien等對(duì)機(jī)器學(xué)習(xí)相關(guān)的無(wú)線MAC協(xié)議進(jìn)行綜述并提出展望。綜上，現(xiàn)有研究很少有專(zhuān)門(mén)對(duì)UAVSNet的MAC協(xié)議進(jìn)行歸納總結(jié)。

與上述綜述文章不同，本文主要針對(duì)UAVSNet的MAC協(xié)議，研究并整理不同MAC協(xié)議對(duì)UAVSNet通信性能的影響。本文主要貢獻(xiàn)如下：①基于無(wú)人機(jī)群MAC協(xié)議的分類(lèi)，總結(jié)歸納每一類(lèi)協(xié)議的特點(diǎn)；②基于不同協(xié)議的改進(jìn)基礎(chǔ)，對(duì)UAVSNet的MAC協(xié)議進(jìn)行總結(jié)歸納，闡述各協(xié)議的接人機(jī)制與通信性能等；③基于以上的研究基礎(chǔ)，對(duì)各協(xié)議進(jìn)行定性比較分析；④基于分析結(jié)果，對(duì)今后UAVSNet的MAC協(xié)議設(shè)計(jì)提出展望。

1UAVSNet的MAC協(xié)議研究現(xiàn)狀

UAVSNet MAC協(xié)議一般可以分為3類(lèi)，分別是基于競(jìng)爭(zhēng)類(lèi)、非競(jìng)爭(zhēng)類(lèi)和混合類(lèi)協(xié)議。UAVSNet信道接入?yún)f(xié)議分類(lèi)如圖1所示。

1.1競(jìng)爭(zhēng)類(lèi)協(xié)議

基于競(jìng)爭(zhēng)類(lèi)的MAC協(xié)議是一種用于共享介質(zhì)上進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)膮f(xié)議，它允許多個(gè)節(jié)點(diǎn)通過(guò)競(jìng)爭(zhēng)的方式來(lái)訪問(wèn)介質(zhì)并傳輸數(shù)據(jù)。此類(lèi)協(xié)議通常具有分散控制、靈活性、隨機(jī)性和沖突解決等特點(diǎn)，可以有效管理共享信道上的數(shù)據(jù)傳輸，提高系統(tǒng)的性能。常見(jiàn)的基于競(jìng)爭(zhēng)類(lèi)的MAC協(xié)議主要分為隨機(jī)訪問(wèn)類(lèi)、控制訪問(wèn)類(lèi)和統(tǒng)計(jì)多優(yōu)先級(jí)類(lèi)協(xié)議，這些協(xié)議通過(guò)競(jìng)爭(zhēng)訪問(wèn)機(jī)制來(lái)實(shí)現(xiàn)多個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的公平訪問(wèn)和數(shù)據(jù)傳輸。

1.1.1隨機(jī)訪問(wèn)類(lèi)

隨機(jī)訪問(wèn)類(lèi)MAC協(xié)議是一種基于競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制的MAC協(xié)議，用于共享信道上進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸并通過(guò)引入隨機(jī)化機(jī)制來(lái)解決多個(gè)無(wú)人機(jī)同時(shí)訪問(wèn)信道可能引發(fā)的沖突問(wèn)題。其特點(diǎn)是一旦節(jié)點(diǎn)有分組到達(dá)，就立即發(fā)送分組，或通過(guò)某種方式判斷信道的忙閑狀態(tài)。若信道處于忙狀態(tài)，則退避一段時(shí)間；若信道處于空閑狀態(tài)，則立即接人信道。隨機(jī)訪問(wèn)MAC協(xié)議節(jié)點(diǎn)如圖2所示。

圖2中，有2個(gè)節(jié)點(diǎn)（A和B）代表了網(wǎng)絡(luò)中的無(wú)人機(jī)，節(jié)點(diǎn)通過(guò)共享的信道進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。當(dāng)多個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)要發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，它們會(huì)進(jìn)行競(jìng)爭(zhēng)，以獲取對(duì)信道的訪問(wèn)權(quán)限，競(jìng)爭(zhēng)的結(jié)果是隨機(jī)的，取決于各節(jié)點(diǎn)的競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制和算法。此類(lèi)協(xié)議不是動(dòng)態(tài)的，即在無(wú)人機(jī)飛行過(guò)程中不能自動(dòng)更新或修改。

文獻(xiàn)提出自適應(yīng)載波偵聽(tīng)多址訪問(wèn)調(diào)度（Adaptive Carrier Sense Multiple Access Scheduling，AS-CSMA）協(xié)議，增強(qiáng)了隊(duì)列時(shí)延并優(yōu)化了能量利用。文獻(xiàn)針對(duì)UAVSNet的高密度性和高動(dòng)態(tài)性等特征，提出自適應(yīng)載波感知多址防撞的MAC（MAC Protocol for Flocking of FANETs， FMAC）協(xié)議，能保證在密度變化的集群場(chǎng)景下實(shí)現(xiàn)高效的數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務(wù)。文獻(xiàn)提出位置預(yù)測(cè)MAC（PositionPrediction MAC，PPMAC）協(xié)議，將傳輸范圍限制在相鄰節(jié)點(diǎn)的一跳以減少網(wǎng)絡(luò)開(kāi)銷(xiāo)，并利用位置預(yù)測(cè)和定向天線技術(shù)避免鏈路中斷。然而，該協(xié)議在建立通信之前發(fā)送請(qǐng)求（Request To Send，RTS）幀，可能導(dǎo)致性能下降。文獻(xiàn)針對(duì)IEEE 802. 11和時(shí)分多址（Time Division Multiple Access，TDMA）所存在的問(wèn)題，提出多通道負(fù)載感知MAC（Multi-ChannelLoad Awareness MAC，MCLA-MAC）協(xié)議。其根據(jù)當(dāng)前信道狀態(tài)和優(yōu)先級(jí)的預(yù)測(cè)閾值來(lái)決定不同優(yōu)先級(jí)的服務(wù)，可以在數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中保證服務(wù)質(zhì)量（Quality of Service，QoS）。然而，其無(wú)法保證實(shí)時(shí)的信道占用狀態(tài)。文獻(xiàn)用機(jī)器學(xué)習(xí)的方法動(dòng)態(tài)地決定是否啟用還是禁用分布式協(xié)調(diào)功能RTS/CTS幀（Machine Learning-Distributed CoordinationFunction，ML-DCF），能自適應(yīng)避免碰撞從而提高信道的利用率。文獻(xiàn)提出全雙工自組網(wǎng)MAC（Full-Duplex MAC

Protocol for Ad Hoc Networks， Ad-Hoc-FDMAC）協(xié)議，利用帶內(nèi)全雙工無(wú)線通信。雖然可以提高網(wǎng)絡(luò)吞吐量，但該協(xié)議與當(dāng)前的IEEE標(biāo)準(zhǔn)不完全兼容。文獻(xiàn)基于密集無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的通信異構(gòu)性以及引入初始競(jìng)爭(zhēng)窗口等系數(shù)，創(chuàng)新性地提出一種無(wú)人機(jī)輔助通信的密集無(wú)線網(wǎng)絡(luò)MAC（UAV Assisted Dense Network MAC Protocol， UAD-MAC）協(xié)議，提高了網(wǎng)絡(luò)的性能。文獻(xiàn)提出多通道MAC（Multi Channel MAC，MMAC）協(xié)議，將多個(gè)信道和逆向指令陣列天線連接到相鄰的無(wú)人機(jī)節(jié)點(diǎn)，因此多個(gè)節(jié)點(diǎn)在同一條信道上傳輸數(shù)據(jù)不會(huì)發(fā)生碰撞。文獻(xiàn)提出自適應(yīng)退避算法MAC（Adaptive Backoff Algorithm MAC，ABAM）協(xié)議采用最優(yōu)信道訪問(wèn)、多信道和退避等3種機(jī)制保證了網(wǎng)絡(luò)的性能。文獻(xiàn)提出時(shí)延容錯(cuò)MAC（UAVDelay-tolerant MAC，UD-MAC）協(xié)議，在存儲(chǔ)一攜帶一轉(zhuǎn)發(fā)（Store-Carry-and-Forward，SCF）模式下通過(guò)訪問(wèn)優(yōu)先級(jí)為節(jié)點(diǎn)分配更多的資源占用權(quán)，在MH模式下凍結(jié)時(shí)間為節(jié)點(diǎn)提供更多的資源。文獻(xiàn)提出雙信道頻率分集MAC（Dual-Channel FrequencyDiversity MAC，DCFD-MAC）協(xié)議，將信道劃分為控制信道與業(yè)務(wù)信道，降低了網(wǎng)絡(luò)碰撞率的同時(shí)提高了信道接入效率。文獻(xiàn)提出基于流量預(yù)測(cè)的MAC （Traffic Prediction Based MAC Protocol forFANETs，TPF-MAC）協(xié)議，克服了無(wú)人機(jī)的高移動(dòng)性，保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

綜上所述，隨機(jī)訪問(wèn)類(lèi)MAC協(xié)議在飛行過(guò)程中不能自動(dòng)更新或修改，因此存在數(shù)據(jù)沖突、控制幀碰撞和隱藏終端等問(wèn)題。雖然通過(guò)機(jī)器學(xué)習(xí)等技術(shù)能提高信道的利用率，但是隨著網(wǎng)絡(luò)負(fù)載的增加，節(jié)點(diǎn)的發(fā)送效率會(huì)急劇下降。此外，AdHoc-FDMAC協(xié)議提高了網(wǎng)絡(luò)吞吐量，但也需要進(jìn)一步解決兼容性的問(wèn)題?？傊祟?lèi)協(xié)議在高負(fù)載下的延遲、發(fā)送效率、公平性和復(fù)雜性等方面存在挑戰(zhàn)。

1.1.2控制訪問(wèn)類(lèi)

控制訪問(wèn)類(lèi)MAC協(xié)議是一種通過(guò)中央控制機(jī)制來(lái)管理多個(gè)無(wú)人機(jī)節(jié)點(diǎn)對(duì)傳輸介質(zhì)訪問(wèn)的協(xié)議，通常具有中央控制、低碰撞率等特點(diǎn)，適用于對(duì)實(shí)時(shí)性和可靠性要求較高的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。其實(shí)現(xiàn)方式主要包括輪詢、令牌傳遞和集中式調(diào)度3種方式。其中最為典型的是基于令牌的MAC（Token Based MAC，TBI-MAC）協(xié)議。令牌是一種特殊的位模式或小消息，按照預(yù)定的順序從一個(gè)節(jié)點(diǎn)循環(huán)到下一個(gè)節(jié)點(diǎn)。具體方案是在公共信道設(shè)計(jì)一個(gè)令牌，令牌按照順序傳遞，而數(shù)據(jù)幀則通過(guò)數(shù)據(jù)信道傳輸。圖3為基于令牌的協(xié)議框架。

在UAVSNet中，由于無(wú)人機(jī)的高移動(dòng)性，如果令牌持有者或其接收者碰巧離開(kāi)令牌環(huán)，無(wú)線鏈路的連通性可能會(huì)迅速變化，這時(shí)在數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中可能會(huì)導(dǎo)致延遲和無(wú)線資源的浪費(fèi)。因此，文獻(xiàn)提出了改進(jìn)的令牌MAC（Improved TBI-MAC，ITBI-MAC）協(xié)議，令牌的結(jié)構(gòu)由代碼列表、通道增益列表和延遲列表組成。需要發(fā)送數(shù)據(jù)的節(jié)點(diǎn)持有令牌時(shí)，會(huì)從令牌的代碼列表中獲取代碼，并立即將令牌傳遞給下一個(gè)節(jié)點(diǎn)。該方法有效避免了沖突的發(fā)生，滿足了QoS的要求。然而，該協(xié)議無(wú)法保證高優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)的實(shí)時(shí)傳輸需求，并且在高移動(dòng)性的環(huán)境中，很難獲得對(duì)動(dòng)態(tài)信道的完整認(rèn)知。

綜上，控制訪問(wèn)類(lèi)MAC協(xié)議通常具有低碰撞率等特點(diǎn)，適用于實(shí)時(shí)性較高的網(wǎng)絡(luò)。但是由于無(wú)人機(jī)群網(wǎng)絡(luò)的高移動(dòng)性，此類(lèi)協(xié)議在延遲、資源利用等方面存在挑戰(zhàn)。

1.1.3統(tǒng)計(jì)多優(yōu)先級(jí)類(lèi)

統(tǒng)計(jì)優(yōu)先級(jí)多址接入（Statistical Priority-basedMultiple Access，SPMA）協(xié)議是一種基于隨機(jī)競(jìng)爭(zhēng)的接入方式，不需要事先為節(jié)點(diǎn)分配和預(yù)約時(shí)隙，也無(wú)需進(jìn)行信道載波監(jiān)聽(tīng)。僅需通過(guò)統(tǒng)計(jì)信道負(fù)載來(lái)確定信道的忙閑程度，然后決定是否接入幀，因此時(shí)間開(kāi)銷(xiāo)較小。這種方式能夠保證幀的端到端低時(shí)延性，尤其適用于節(jié)點(diǎn)在快速進(jìn)網(wǎng)和離網(wǎng)狀態(tài)之間進(jìn)行切換的情況。SPMA系統(tǒng)如圖4所示。

盡管SPMA協(xié)議能夠遵循高優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)優(yōu)先的原則并具備各種優(yōu)點(diǎn)，但由于其采用固定閾值，無(wú)法靈活應(yīng)對(duì)通信業(yè)務(wù)的變化。在負(fù)載變化時(shí)，吞吐量會(huì)嚴(yán)重下降，并且在高負(fù)載條件下會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的消息沖突問(wèn)題。此外，SPMA協(xié)議只提出了信道負(fù)載統(tǒng)計(jì)采用窗口的方式，并未提出如何設(shè)計(jì)窗口以及如何準(zhǔn)確地統(tǒng)計(jì)突發(fā)碰撞等問(wèn)題。因此研究者們不斷對(duì)此進(jìn)行改進(jìn)。文獻(xiàn)結(jié)合非正交多址接人技術(shù)提出聯(lián)合功率域的SPMA（SPMA JointPower Domain．SPMA-JPD）協(xié)議，使得信號(hào)能夠更有效地被區(qū)分和接收。通過(guò)動(dòng)態(tài)調(diào)整閾值，可以在不同網(wǎng)絡(luò)負(fù)載和優(yōu)先級(jí)需求下，實(shí)現(xiàn)更靈活的接人控制和資源分配，進(jìn)而提升整體網(wǎng)絡(luò)性能。文獻(xiàn)提出一種算法改善SPMA協(xié)議的發(fā)送判斷機(jī)制（Sending Judgment Mechanism Improvement Algorithmof SPMA protocol，SI-SPMA），當(dāng)發(fā)送的數(shù)據(jù)超過(guò)某個(gè)優(yōu)先級(jí)閾值時(shí)，引入一定的概率，將發(fā)送行為從停止發(fā)送狀態(tài)切換為發(fā)送狀態(tài)。該算法在負(fù)載增加時(shí)吞吐量能夠保持飽和狀態(tài)，提高了系統(tǒng)的資源利用率。文獻(xiàn)提出幀成功傳輸概率的動(dòng)態(tài)閾值設(shè)置方法（Dynamic Threshold Setting Method Based on theFrame Successful Transmission Probability SPMA， FS-SPMA），使不同優(yōu)先級(jí)的業(yè)務(wù)按需接入信道，避免了資源浪費(fèi)和頻譜使用不合理的問(wèn)題。文獻(xiàn)結(jié)合統(tǒng)計(jì)差值退避算法和虛擬時(shí)間戳排隊(duì)算法（StatisticalDifference Back-off Algorithm and Virtual TimestampQueuing Algorithm．SDVT）對(duì)MAC協(xié)議進(jìn)行改進(jìn)（SDVT-MAC）。在低負(fù)載情況下，能保證低優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)的接人要求。

在SPMA協(xié)議中，通常通過(guò)周期性地對(duì)發(fā)送流量脈沖數(shù)目進(jìn)行統(tǒng)計(jì)來(lái)獲取平均值，用于估計(jì)當(dāng)前信道狀態(tài)，以控制戰(zhàn)術(shù)信息接入信道的時(shí)機(jī)。這種統(tǒng)計(jì)平均的方法適用于流量相對(duì)平穩(wěn)的情況，但流量波動(dòng)較大時(shí)可能導(dǎo)致嚴(yán)重的信道狀態(tài)檢測(cè)誤差。針對(duì)這個(gè)問(wèn)題，文獻(xiàn)采用循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（Recur-rent Neural Network，RNN）對(duì)SPMA協(xié)議進(jìn)行改進(jìn)RNN-SPMA，該算法通過(guò)學(xué)習(xí)歷史流量數(shù)據(jù)能夠相對(duì)準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)當(dāng)前時(shí)刻到達(dá)的流量脈沖數(shù)。相比傳統(tǒng)算法，該協(xié)議的預(yù)測(cè)性能有明顯提高，尤其在處理突發(fā)流量和強(qiáng)波動(dòng)性流量數(shù)據(jù)時(shí)表現(xiàn)更好。針對(duì)UAVSNet MAC協(xié)議中數(shù)據(jù)傳輸?shù)母邥r(shí)延和低可靠性等問(wèn)題，文獻(xiàn)提出面向蜂群無(wú)人機(jī)自組網(wǎng)MAC協(xié)議的多優(yōu)級(jí)先動(dòng)態(tài)閾值方法（Multi-priorityDynamic Threshold Algorithm for Swarm UAV Ad HocNetwork，MTS-MAC）。通過(guò)依次調(diào)整優(yōu)先級(jí)的閾值使得信道處于滿載閾值水平，顯著提高了UAVSNet的性能。提出距離加權(quán)的信道負(fù)載算法（Distance Weighted SPMA，DW-SPMA），有效克服了信道負(fù)載統(tǒng)計(jì)算法對(duì)單節(jié)點(diǎn)依賴(lài)性大、信道利用率低的問(wèn)題。然而，該方法僅在簡(jiǎn)單的一跳環(huán)境內(nèi)進(jìn)行分析，可能導(dǎo)致自適應(yīng)調(diào)整的閾值不適用于當(dāng)前環(huán)境的閾值，進(jìn)而影響算法的準(zhǔn)確性和性能。

綜上，統(tǒng)計(jì)多優(yōu)先級(jí)類(lèi)MAC協(xié)議具有高優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)優(yōu)先、開(kāi)銷(xiāo)小等特點(diǎn)，但也存在固定閾值等限制導(dǎo)致協(xié)議吞吐量低等問(wèn)題。采用深度學(xué)習(xí)、距離加權(quán)等技術(shù)能解決吞吐量低、信道利用率低等問(wèn)題，但也在傳播時(shí)延等方面存在挑戰(zhàn)。因此單一競(jìng)爭(zhēng)類(lèi)MAC協(xié)議不太適用于大規(guī)模UAVSNet。

1.2非競(jìng)爭(zhēng)類(lèi)協(xié)議

非競(jìng)爭(zhēng)類(lèi)MAC協(xié)議是一種無(wú)沖突、無(wú)競(jìng)爭(zhēng)的協(xié)議，其信道資源按照一定的規(guī)則分配給各個(gè)節(jié)點(diǎn)，從而避免了競(jìng)爭(zhēng)和沖突。按照信道資源（時(shí)域、碼域、頻域和空域）的不同，這類(lèi)協(xié)議可以進(jìn)一步劃分為T(mén)DMA、碼分多址（Code Division Muttiple Access，CDMA）、頻分多址（Frequency Division Muttiple Ac-cess，F(xiàn)DMA）和空分多址（Space Division MuttipleAccess，SDMA）協(xié)議，而TDMA和SDMA在UAVSNet的MAC協(xié)議中比較常見(jiàn)。非競(jìng)爭(zhēng)類(lèi)MAC協(xié)議的原理如圖5所示。

TDMA是一種廣泛使用的無(wú)爭(zhēng)用信道訪問(wèn)方法，將信道劃分為不同時(shí)隙允許多個(gè)無(wú)人機(jī)節(jié)點(diǎn)在不同的時(shí)段內(nèi)共享信道，類(lèi)似于分時(shí)操作系統(tǒng)中的時(shí)間片輪轉(zhuǎn)。無(wú)人機(jī)節(jié)點(diǎn)按順序使用分配好的時(shí)隙來(lái)傳輸數(shù)據(jù)，提高信道利用率以及降低通信復(fù)雜性。為了保障無(wú)人機(jī)自組網(wǎng)的安全通信，文獻(xiàn)提出無(wú)人機(jī)客延遲MAC（UAV Delay-tolerant MAC，UD-MAC）協(xié)議。其將網(wǎng)絡(luò)鏈路分為控制和非有效載荷通信鏈路和數(shù)據(jù)鏈路兩部分以實(shí)現(xiàn)安全通信，但其缺乏實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)需求的優(yōu)先級(jí)訪問(wèn)策略，文獻(xiàn)為其改進(jìn)協(xié)議。

CDMA是一種無(wú)線通信技術(shù)，用于多節(jié)點(diǎn)在同一頻率帶寬上同時(shí)傳輸數(shù)據(jù)。在CDMA中，每個(gè)節(jié)點(diǎn)使用唯一的偽隨機(jī)碼將其數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼，以使不同用戶的數(shù)據(jù)能夠在同一頻率上同時(shí)傳輸。但CDMA無(wú)法支持大規(guī)模的網(wǎng)絡(luò)且CDMA系統(tǒng)的干擾問(wèn)題較為嚴(yán)重，因此不適用于UAVSNet。

FDMA將可用的頻譜范圍分割成多個(gè)不重疊的子信道，每個(gè)子信道用于傳輸一個(gè)無(wú)人機(jī)節(jié)點(diǎn)的信息。由于FDMA的資源一旦分配則被一直占用，導(dǎo)致信道利用率低，無(wú)法支持大規(guī)模無(wú)人機(jī)群網(wǎng)絡(luò)，因此也不適用于UAVSNet。

SDMA利用定向天線實(shí)現(xiàn)的多光束頻率復(fù)用技術(shù)為每個(gè)無(wú)人機(jī)節(jié)點(diǎn)分配點(diǎn)波束，從而實(shí)現(xiàn)碰撞避免并有效利用頻率資源，提高系統(tǒng)的容量和性能。文獻(xiàn)提出基于定向天線的MAC（DirectionalAntennas Based MAC．DAB-MAC）協(xié)議，利用定向天線和頻率復(fù)用來(lái)提高網(wǎng)絡(luò)性能。然而，由于無(wú)人機(jī)節(jié)點(diǎn)的高速移動(dòng)性和突發(fā)類(lèi)業(yè)務(wù)的特殊性，該協(xié)議在定向天線位置校準(zhǔn)方面存在一定限制。

綜上，非競(jìng)爭(zhēng)類(lèi)MAC協(xié)議具有低碰撞率等優(yōu)點(diǎn)，但CDMA、FDMA因?yàn)楦蓴_和利用率低等問(wèn)題不適用于UAVSNet。同時(shí)基于TDMA的UD-MAC協(xié)議在安全等方面得到了保障，但也在時(shí)延等方面存在挑戰(zhàn)。而基于SDMA的DAB-MAC協(xié)議利用定向天線等技術(shù)提高了網(wǎng)絡(luò)的性能，但也在天線位置校準(zhǔn)和時(shí)延等方面存在挑戰(zhàn)。

1.3混合類(lèi)協(xié)議

競(jìng)爭(zhēng)類(lèi)協(xié)議在面對(duì)流量負(fù)載較低的動(dòng)態(tài)環(huán)境時(shí)表現(xiàn)良好，但隨著網(wǎng)絡(luò)負(fù)載增加性能會(huì)下降。相比之下，非競(jìng)爭(zhēng)類(lèi)協(xié)議通過(guò)信道預(yù)留的方式消除了碰撞，但也存在資源利用率較低等問(wèn)題。因此混合類(lèi)協(xié)議應(yīng)運(yùn)而生，它綜合了競(jìng)爭(zhēng)類(lèi)MAC協(xié)議和非競(jìng)爭(zhēng)類(lèi)MAC協(xié)議的優(yōu)點(diǎn)。在流量負(fù)載較低的情況下，它可以靈活適應(yīng)動(dòng)態(tài)環(huán)境，像競(jìng)爭(zhēng)類(lèi)協(xié)議一樣高效地利用信道資源。而當(dāng)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)量增加時(shí)，它可以像非競(jìng)爭(zhēng)類(lèi)協(xié)議一樣避免沖突，并解決同步分配網(wǎng)絡(luò)資源的問(wèn)題。通過(guò)結(jié)合競(jìng)爭(zhēng)類(lèi)和非競(jìng)爭(zhēng)類(lèi)協(xié)議的特點(diǎn)，混合類(lèi)協(xié)議能夠在不同的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下提供更好的性能和靈活性，從而滿足不同應(yīng)用場(chǎng)景對(duì)于高效利用信道資源和避免沖突的需求。其一般分為T(mén)DMA+CSMA、安全感知、競(jìng)爭(zhēng)+非競(jìng)爭(zhēng)3類(lèi)。

1.3.1TDMA+CSMA類(lèi)

此技術(shù)使用非競(jìng)爭(zhēng)類(lèi)TDMA協(xié)議和競(jìng)爭(zhēng)類(lèi)CS-MA/CA協(xié)議用以訪問(wèn)空中無(wú)線信道。典型的是文獻(xiàn)提出的自適應(yīng)容錯(cuò)同步MAC（Fault-tolerantSynchronous Switching MAC，F(xiàn)S-MAC）協(xié)議，它可以調(diào)整CSMA/CA和TDMA協(xié)議的特性以適用于無(wú)人機(jī)自組網(wǎng)信道。該協(xié)議利用Q -learning算法進(jìn)行MAC協(xié)議的選擇和切換。FS-MAC協(xié)議的通信過(guò)程如圖6所示，網(wǎng)絡(luò)層向MAC層傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，根據(jù)MAC預(yù)選操作的輸出和基于實(shí)用拜占庭容錯(cuò)（Practical Byzantine Fault Tolerance，PBFT）決策過(guò)程，動(dòng)態(tài)選擇適合當(dāng)前環(huán)境的MAC協(xié)議。

盡管FS-MAC協(xié)議具有自適應(yīng)和容錯(cuò)特性，但隨著網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的擴(kuò)大，通信時(shí)間的增加可能會(huì)導(dǎo)致一定程度的性能下降。文獻(xiàn)提出自適應(yīng)MAC（Concurrent Transimlssion

MAC， CT-MAC）協(xié)議，可根據(jù)實(shí)際情況動(dòng)態(tài)地切換成CSMA或TDMA協(xié)議，確保無(wú)人機(jī)節(jié)點(diǎn)之間的通信不會(huì)丟失數(shù)據(jù)包。但是在缺乏全局控制信息的情況下，協(xié)議的切換會(huì)面臨一些挑戰(zhàn)。文獻(xiàn)基于半雙工無(wú)線電和全向天線技術(shù)，提出無(wú)碰撞MAC（Collision free MAC，CF-MAC）協(xié)議，實(shí)現(xiàn)了零碰撞率和高訪問(wèn)速度。文獻(xiàn)提出基于集群的多通道MAC（Cluster-basedMultichannel MAC Protocol，CMMPP）協(xié)議，通過(guò)劃分集群以及設(shè)置業(yè)務(wù)的優(yōu)先級(jí)減少了通信時(shí)延和碰撞。但在實(shí)際部署和運(yùn)行時(shí)需要進(jìn)一步驗(yàn)證其性能和可靠性。文獻(xiàn)提出創(chuàng)新混合MAC（Innovation Hybrid MAC，IH-MAC）協(xié)議，旨在應(yīng)對(duì)無(wú)人機(jī)在戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境中的運(yùn)動(dòng)需求。通過(guò)試飛驗(yàn)證無(wú)人機(jī)能夠適應(yīng)戰(zhàn)場(chǎng)中的動(dòng)態(tài)變化，有效地優(yōu)化了通信性能。文獻(xiàn)結(jié)合CSMA和TDMA協(xié)議的優(yōu)點(diǎn)，提出樹(shù)形無(wú)人機(jī)蜂群網(wǎng)絡(luò)MAC（Tree TopologyUAV Swarm Network MAC，TS-MAC）協(xié)議，可以滿足無(wú)人機(jī)蜂群網(wǎng)絡(luò)高帶寬、低時(shí)延的要求。

綜上所述，TDMA+CSMA類(lèi)協(xié)議可以動(dòng)態(tài)地在2種協(xié)議之間切換，提高了網(wǎng)絡(luò)的吞吐量、信道利用率等。但是隨著網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，該類(lèi)協(xié)議在傳播時(shí)延、復(fù)雜性等方面存在挑戰(zhàn)。

1.3.2安全感知類(lèi)

安全意識(shí)和協(xié)議管理正在成為UAVSNet協(xié)議設(shè)計(jì)中的重要因素。在現(xiàn)代通信環(huán)境中，保護(hù)機(jī)密信息的安全性變得至關(guān)重要，尤其是在軍事通信領(lǐng)域。這種協(xié)議通常會(huì)在網(wǎng)絡(luò)中實(shí)現(xiàn)一些安全機(jī)制，例如身份驗(yàn)證、數(shù)據(jù)加密和訪問(wèn)控制等，以確保只有授權(quán)用戶可以訪問(wèn)網(wǎng)絡(luò)資源。其主要包括身份驗(yàn)證、數(shù)據(jù)加密和訪問(wèn)控制等特點(diǎn)，一些常見(jiàn)的安全感知類(lèi)MAC協(xié)議包括802.1X、802. 11i、WPA2等。

文獻(xiàn)提出基于安全感知的高效無(wú)人機(jī)網(wǎng)絡(luò)MAC（Efficient MAC-Internet of Drones， EMAC-IoD）協(xié)議，通過(guò)使用深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)有效管理和維護(hù)了無(wú)人機(jī)節(jié)點(diǎn)之間的通信鏈接，從而提高網(wǎng)絡(luò)的性能。

綜上，安全感知類(lèi)MAC協(xié)議正在成為新的研究重點(diǎn)，通過(guò)身份驗(yàn)證等安全機(jī)制保護(hù)網(wǎng)絡(luò)中的機(jī)密信息不被竊取。該類(lèi)協(xié)議通過(guò)加入深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)有效提高了網(wǎng)絡(luò)的吞吐量等性能指標(biāo)，但在資源分配等方面依然存在較大的挑戰(zhàn)。

1.3.3競(jìng)爭(zhēng)+非競(jìng)爭(zhēng)類(lèi)

競(jìng)爭(zhēng)和非競(jìng)爭(zhēng)類(lèi)結(jié)合了2類(lèi)協(xié)議的優(yōu)點(diǎn)，如碰撞率和延遲的降低等。典型的是文獻(xiàn)提出的混合傳播延遲感知接人類(lèi)MAC（Propagation Delay-aware MAC Scheme for Long-distance UAV Networks，LDMAC）協(xié)議，采用順序重用的方法分配無(wú)碰撞、公平和增強(qiáng)的時(shí)隙，最大程度減少了碰撞的概率，提高通信的成功率和穩(wěn)定性。圖7為L(zhǎng)DMAC協(xié)議的幀結(jié)構(gòu)。

文獻(xiàn)提出節(jié)能和位置感知MAC（Energy-efficient and Location Aware MAC， EF-LA-MAC）協(xié)議，通過(guò)本地化策略提高了QoS。然而，隨著網(wǎng)絡(luò)的密集度不斷增加，需要考慮到協(xié)議在網(wǎng)絡(luò)中的可擴(kuò)展性。文獻(xiàn)提出定向通信的多通道MAC（FANETs Multi-channel MAC，F(xiàn)M-MAC）協(xié)議，采用基于移動(dòng)預(yù)測(cè)的信道分配系統(tǒng)使無(wú)人機(jī)節(jié)點(diǎn)能在不同頻率下進(jìn)行工作，降低了數(shù)據(jù)包被非授權(quán)接收的風(fēng)險(xiǎn)。文獻(xiàn)采用動(dòng)態(tài)時(shí)分復(fù)用的方法，設(shè)計(jì)面向UAV網(wǎng)絡(luò)的MAC（MAC Protocal for UAVs-basedwireless networks，T-MAC）協(xié)議，實(shí)現(xiàn)了同一競(jìng)爭(zhēng)域內(nèi)多數(shù)據(jù)包的并發(fā)傳輸。為了應(yīng)對(duì)高動(dòng)態(tài)無(wú)人機(jī)環(huán)境下信道利用率隨時(shí)間和頻率變化的挑戰(zhàn)，文獻(xiàn)提出自適應(yīng)信道劃分MAC（AdaptiveChannel Division MAC，ACD-MAC）協(xié)議，動(dòng)態(tài)調(diào)整公共控制信道和共享數(shù)據(jù)信道之間的相對(duì)長(zhǎng)度，改善了端到端時(shí)延和吞吐量。然而，ACD-MAC協(xié)議將高空平臺(tái)和無(wú)人機(jī)節(jié)點(diǎn)之間的時(shí)間認(rèn)為是同步的，因此在實(shí)際應(yīng)用中需要克服時(shí)間同步的挑戰(zhàn)。提出認(rèn)知無(wú)線電和多通道機(jī)會(huì)保留的MAC（Cognitive Mutti-channel Opportunistic ReservationMAC，CogMOR-MAC）協(xié)議，能適應(yīng)動(dòng)態(tài)環(huán)境中的信道變化，提高信道利用率。然而，該協(xié)議使用的頻譜感知方法實(shí)現(xiàn)難度較高，且不太實(shí)用。

綜上所述，競(jìng)爭(zhēng)+非競(jìng)爭(zhēng)類(lèi)MAC協(xié)議結(jié)合了2類(lèi)協(xié)議的特點(diǎn)，可以提供無(wú)碰撞、靈活性高的網(wǎng)絡(luò)，從而滿足不同應(yīng)用場(chǎng)景對(duì)于高效利用信道資源和避免沖突的需求。但隨著網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的擴(kuò)大，協(xié)議在復(fù)雜性、可擴(kuò)展性等方面存在挑戰(zhàn)。因此在設(shè)計(jì)大規(guī)模UAVSNet MAC協(xié)議時(shí)需要綜合考慮具體應(yīng)用場(chǎng)景、網(wǎng)絡(luò)需求和性能要求，以平衡這些優(yōu)缺點(diǎn)。

2MAC協(xié)議對(duì)比分析與展望

MAC協(xié)議定性比較如表1所示，對(duì)現(xiàn)有MAC協(xié)議的各種特性，如拓?fù)?、信道、吞吐量、延遲和復(fù)雜性等進(jìn)行了比較。從表1可以看出，大多數(shù)MAC協(xié)議都是多個(gè)信道，以減少無(wú)人機(jī)節(jié)點(diǎn)的延遲。此外，很少有協(xié)議同時(shí)滿足高吞吐量、低延遲、低開(kāi)銷(xiāo)、高公平性和低復(fù)雜性等特點(diǎn)。因此如何設(shè)計(jì)一個(gè)高效、合理的UAVSNet MAC協(xié)議將是未來(lái)的一個(gè)挑戰(zhàn)。

3未來(lái)展望

通過(guò)對(duì)MAC協(xié)議的探討，未來(lái)UAVSNet的MAC協(xié)議設(shè)計(jì)可以從以下幾個(gè)方面進(jìn)行更加深入的研究。

①高容量和低延遲：隨著無(wú)人機(jī)應(yīng)用場(chǎng)景的多樣化，例如高清視頻傳輸、傳感器數(shù)據(jù)共享和協(xié)同任務(wù)執(zhí)行，對(duì)于快速且可靠的數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨蟛粩嘣黾?。因此MAC協(xié)議的設(shè)計(jì)需要支持更高容量數(shù)據(jù)傳輸和更低延遲通信。具體可以采用毫米波通信、智能頻譜管理等技術(shù)以實(shí)現(xiàn)UAVSNetMAC協(xié)議的高容量和低延遲。這些技術(shù)尚未廣泛應(yīng)用于UAVSNet的MAC協(xié)議中，但在研究和實(shí)驗(yàn)階段已經(jīng)被論證可行。在未來(lái)的發(fā)展中，隨著技術(shù)的成熟和標(biāo)準(zhǔn)的制定，這些技術(shù)有望被應(yīng)用于提升UAVSNet的通信性能。

②碰撞避免：未來(lái)無(wú)人機(jī)群MAC協(xié)議的設(shè)計(jì)需要考慮更高效的碰撞設(shè)計(jì)，以保證無(wú)人機(jī)之間的通信效率和可靠性。具體研究中可以考慮引入機(jī)器學(xué)習(xí)或其他預(yù)測(cè)算法進(jìn)行碰撞預(yù)測(cè)，以及自適應(yīng)調(diào)整發(fā)送參數(shù)等方式以實(shí)現(xiàn)UAVSNet的MAC協(xié)議的碰撞避免。

③能量效率：無(wú)人機(jī)的電池壽命有限，不能長(zhǎng)時(shí)間續(xù)航，因此未來(lái)的協(xié)議設(shè)計(jì)更需要注重能量效率。具體研究中可以考慮能量的收集與轉(zhuǎn)換技術(shù)，將太陽(yáng)能或環(huán)境中的能量收集以轉(zhuǎn)換為無(wú)人機(jī)的電能。通過(guò)調(diào)整通信功率、休眠和喚醒策略等方式也能提高能量效率，并延長(zhǎng)無(wú)人機(jī)的續(xù)航時(shí)間。

④網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涔芾恚簾o(wú)人機(jī)群體的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渫ǔＪ莿?dòng)態(tài)和自適應(yīng)的。因此未來(lái)的MAC協(xié)議可以考慮提高網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)涔芾砉δ?，確保能處理無(wú)人機(jī)之間的連接和斷連、網(wǎng)絡(luò)分割和合并等情況，提高網(wǎng)絡(luò)的連通性和魯棒性。例如可以采用分布式管理、自組織網(wǎng)絡(luò)和拓?fù)鋬?yōu)化算法等方式，以實(shí)現(xiàn)UAVSNet的MAC協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涔芾怼?/p>

⑤安全性和隱私保護(hù)：無(wú)人機(jī)通信涉及敏感信息和任務(wù)數(shù)據(jù)的傳輸，因此安全性和隱私保護(hù)是未來(lái)協(xié)議設(shè)計(jì)的一個(gè)重要考慮因素，需要進(jìn)一步提高協(xié)議的安全性。例如可以考慮在協(xié)議中加入認(rèn)證、加密和防御各種攻擊的機(jī)制，以保護(hù)通信內(nèi)容和網(wǎng)絡(luò)的安全性。

⑥跨層融合：跨層設(shè)計(jì)可使網(wǎng)絡(luò)擁有更高的網(wǎng)絡(luò)性能、能量效率、安全性和用戶體驗(yàn)，同時(shí)增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)的適應(yīng)性和靈活性。因此跨層設(shè)計(jì)也應(yīng)該進(jìn)一步成為未來(lái)研究的重點(diǎn)方向。具體可以采用跨層協(xié)議棧、物理層與MAC層的協(xié)同設(shè)計(jì)、QoS管理和跨層優(yōu)化算法等方式以實(shí)現(xiàn)UAVSNet的MAC協(xié)議的跨層設(shè)計(jì)。

最后，在未來(lái)的研究中，應(yīng)盡可能從實(shí)際環(huán)境、大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)、異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)、動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)和安全性等方面對(duì)MAC協(xié)議進(jìn)行驗(yàn)證，并進(jìn)一步優(yōu)化和改進(jìn)協(xié)議設(shè)計(jì)。這將有助于確保MAC協(xié)議在未來(lái)無(wú)人機(jī)群組網(wǎng)絡(luò)中的性能、可靠性和安全性。

4結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)UAVSNet的MAC協(xié)議進(jìn)行了研究和綜述。現(xiàn)有的UAVSNet的MAC協(xié)議分為競(jìng)爭(zhēng)類(lèi)、非競(jìng)爭(zhēng)類(lèi)和混合類(lèi)協(xié)議。本文對(duì)它們的突出特點(diǎn)和優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了分析，并對(duì)各類(lèi)協(xié)議進(jìn)行了定性對(duì)比分析。根據(jù)分析結(jié)果，沒(méi)有一個(gè)協(xié)議可以被認(rèn)為是完美解決大規(guī)模UAVSNet的MAC協(xié)議的方案。最后，提出了一些未來(lái)在設(shè)計(jì)UAVSNet的MAC協(xié)議時(shí)的建議。作為未來(lái)無(wú)人機(jī)網(wǎng)絡(luò)通信的發(fā)展方向，大規(guī)模UAVSNet的MAC協(xié)議在高容量低延遲、能效、跨層融合等方面具有廣闊的研究和應(yīng)用前景。