基于隊列優(yōu)化的多優(yōu)先級媒體接入控制協(xié)議

于必成，趙學軍，袁修久，任耀軍，侯 蓓

(空軍工程大學研究生院，陜西 西安 710051)

0 引言

隨著科學技術不斷發(fā)展以及作戰(zhàn)環(huán)境日趨復雜，無人機將在未來戰(zhàn)爭中起著舉足輕重的作用。由于單個無人機生存能力較弱，可擴展性較差，無法完成對整個戰(zhàn)場環(huán)境的感知，無人機自組網(wǎng)應運而生。無人機自組網(wǎng)[1-4]是移動自組網(wǎng)[5]和車載自組網(wǎng)[6]概念的拓展，其基本思想是網(wǎng)絡中各無人機不依賴于固定的基礎設施，而是將自身作為網(wǎng)絡節(jié)點，相互之間分發(fā)和傳遞指控指令、態(tài)勢信息。無人機自組網(wǎng)是一類特殊的無線自組網(wǎng)，不僅具有多跳、自組織、無中心等特點，同時由于無人機的高速移動，使其具有高動態(tài)的網(wǎng)絡拓撲結(jié)構以及大尺度稀疏分布等特點。由于無人機自組網(wǎng)有著區(qū)別于傳統(tǒng)自組網(wǎng)的諸多特性，使其在軍事上具有極高的應用價值，但同時也面臨著諸多技術挑戰(zhàn)。隨著戰(zhàn)爭形態(tài)的不斷演變，戰(zhàn)爭節(jié)奏不斷加快，無人機發(fā)送控制指令必須滿足低時延和較高的一次接入成功概率的需求[7]，多無人機系統(tǒng)才能實現(xiàn)對時延敏感目標的精確打擊，同時對于語音、圖片、視頻等態(tài)勢信息則需要保證其較高的吞吐量和時效性。這就需要無人機為不同類型業(yè)務提供相應的服務質(zhì)量(QoS)支持。媒體接入控制(MAC)協(xié)議是無人機自組網(wǎng)協(xié)議棧的重要組成部分，作為數(shù)據(jù)鏈路層的核心機制，在保證通信系統(tǒng)吞吐量、數(shù)據(jù)傳輸成功率和時延等性能方面起著至關重要的作用。

按照節(jié)點對信道資源的不同占用方式，無人機自組網(wǎng)MAC協(xié)議大致可以劃分為3類： 1) 以時分多址(TDMA)[8-9]為代表的固定分配類協(xié)議，該類協(xié)議無競爭沖突，重負載時吞吐量穩(wěn)定，但是時延較大，魯棒性較差，一般難以滿足時延敏感信息毫秒級別的軍事需求； 2) 以IEEE 802.11 DCF[10-11]為代表的預約競爭類協(xié)議，該類協(xié)議采用請求發(fā)送/清除發(fā)送(RTS/CTS)交互機制預約競爭時隙，能夠保證系統(tǒng)穩(wěn)定的吞吐量，但預約信道可能存在競爭沖突，對于拓撲結(jié)構變化大的無人機網(wǎng)絡，將會產(chǎn)生較大的時延; 3) 以Aloha[12-13]為代表的隨機競爭類協(xié)議，網(wǎng)絡節(jié)點通過競爭使用信道，大大降低接入時延，符合無人機自組網(wǎng)的需求。美軍新一代戰(zhàn)術目標瞄準網(wǎng)絡技術采用的統(tǒng)計優(yōu)先級多址接入(SPMA)協(xié)議[14]，利用多信道隨機競爭、信道監(jiān)測、多優(yōu)先級發(fā)送判決、數(shù)據(jù)包編碼以及流量控制等機制，可以支持大量用戶傳輸多種不同優(yōu)先級業(yè)務，并且保證最高優(yōu)先級業(yè)務傳輸延遲在2 ms以內(nèi)，一次接入成功概率達到99%以上，但是其技術相對保密。文獻[15]在無線自組網(wǎng)時隙Aloha協(xié)議的基礎上，提出了一種傳輸控制算法，得到了最優(yōu)的排隊性能，降低了數(shù)據(jù)分組的傳輸時延，但系統(tǒng)傳輸業(yè)務單一。文獻[16]提出了面向無人機網(wǎng)絡的媒體接入控制協(xié)議，該協(xié)議基于時間重用思想，利用較大的傳播時延使并發(fā)傳輸成為了可能，通過這種方法提高了信道利用率和網(wǎng)絡吞吐量，但在重負載時，協(xié)議時延性能較差。文獻[17]提出了一種支持混合業(yè)務傳輸?shù)亩嗦吩L問控制協(xié)議，該協(xié)議中最高優(yōu)先級業(yè)務和其他優(yōu)先級業(yè)務分別采用不同的信道接入策略，并且采用基于信道忙閑感知的多優(yōu)先級避退機制，保證了最高優(yōu)先級業(yè)務的低時延和高可靠性，但其他優(yōu)先級業(yè)務的性能較差。

鑒于此，針對無人機自組網(wǎng)多優(yōu)先級業(yè)務并行傳輸，以及高優(yōu)先級業(yè)務低時延、高可靠服務質(zhì)量(QoS)需求的問題，本文提出一種基于隊列優(yōu)化的多優(yōu)先級媒體接入控制(QO-MAC)協(xié)議。

1 協(xié)議描述

為了保證無人機自組網(wǎng)中多優(yōu)先級業(yè)務并行傳輸?shù)男枨?，QO-MAC協(xié)議采用多信道機制傳輸多種優(yōu)先級業(yè)務，同時為保證在重負載情況下最高優(yōu)先級業(yè)務嚴格的時效性(小于2 ms)、可靠性(大于99%)，和其他優(yōu)先級業(yè)務的性能均能保持在一個較高水平，該協(xié)議采用多優(yōu)先級隊列優(yōu)化算法，自適應調(diào)整發(fā)送概率和選擇發(fā)送信道。多優(yōu)先級隊列優(yōu)化算法是該協(xié)議的核心機制，其目標是最小化每個發(fā)送節(jié)點緩存隊列中數(shù)據(jù)分組總和，該算法通過對節(jié)點緩存隊列中不同優(yōu)先級數(shù)據(jù)積壓監(jiān)測和信道忙閑程度反饋，自適應調(diào)整各節(jié)點當前分組的發(fā)送概率以達到最優(yōu)的排隊性能。

本文提出的QO-MAC協(xié)議具體過程如下：

1) 編碼：對節(jié)點產(chǎn)生的數(shù)據(jù)分組均采用RS-Turbo級聯(lián)的糾錯編碼[18]，并將其拆分為長度相等的若干個突發(fā)包，在每個突發(fā)包中加入分組序號和突發(fā)序列號。

2) 排隊過程：系統(tǒng)中不同優(yōu)先級業(yè)務具有不同的分組到達率，在節(jié)點的隊列緩沖區(qū)中不同優(yōu)先級業(yè)務按照優(yōu)先級順序進行排列，高優(yōu)先級分組較低優(yōu)先級分組具有搶占優(yōu)先權。

3) 信道忙閑監(jiān)測：通過統(tǒng)計各個信道在一段時間內(nèi)接收到的突發(fā)數(shù)對信道忙閑程度進行量化，計算處于各忙閑等級的信道數(shù)，并將結(jié)果反饋給各發(fā)送節(jié)點。

4) 發(fā)送節(jié)點分組積壓監(jiān)測：監(jiān)測當前系統(tǒng)中各發(fā)送節(jié)點將要發(fā)送突發(fā)包的優(yōu)先級，統(tǒng)計當前發(fā)送相同優(yōu)先級突發(fā)的節(jié)點數(shù)，并將結(jié)果反饋給各發(fā)送節(jié)點。通過與不同優(yōu)先級業(yè)務發(fā)送閾值比較，確定突發(fā)的發(fā)送權限，從而實現(xiàn)多優(yōu)先級業(yè)務區(qū)分傳輸。

5) 隊列優(yōu)化算法：通過對節(jié)點緩存隊列中不同優(yōu)先級數(shù)據(jù)積壓監(jiān)測和信道忙閑程度反饋，自適應調(diào)整各節(jié)點分組的發(fā)送概率和發(fā)送信道，使各節(jié)點緩存隊列達到最優(yōu)。

6) 解碼：通過識別突發(fā)MAC頭部包含的分組號及突發(fā)序列號，對原分組進行重組，對重組分組進行譯碼，根據(jù)Turbo編碼原理，接收端只要接收到一半數(shù)量以上的突發(fā)包便可還原分組。

2 協(xié)議建模

2.1 信道忙閑程度量化

對于多信道網(wǎng)絡，單個信道可以通過接收機統(tǒng)計突發(fā)包接收的歷史數(shù)量信息，以N個時隙內(nèi)接收到的突發(fā)數(shù)量表示信道忙閑程度。如圖1所示為信道接收時頻圖，N為統(tǒng)計周期，f1,…,fM表示信道，M表示網(wǎng)絡中信道總數(shù)。

圖1 信道接收時頻圖Fig.1 Time-frequency diagram of channel reception

設在N個時隙內(nèi)，信道fi接收到的突發(fā)數(shù)為Nfi，Nfi反映信道忙閑程度，Nfi越大，信道越忙，反之，信道越閑。

2.2 設置各優(yōu)先級分組接入門限Wth

不同優(yōu)先級分組接入門限Wth不同，優(yōu)先級越高，接入門限Wth越高。當信道忙閑程度低于該突發(fā)的優(yōu)先級門限時，則允許該優(yōu)先級突發(fā)發(fā)送；若信道的忙閑程度高于該分組的優(yōu)先級門限時，則禁止該優(yōu)先級突發(fā)發(fā)送。

2.3 發(fā)送節(jié)點緩存隊列模型

系統(tǒng)中節(jié)點共產(chǎn)生n種不同優(yōu)先級數(shù)據(jù)分組，各優(yōu)先級分組數(shù)據(jù)產(chǎn)生均服從泊松分布，各優(yōu)先級數(shù)據(jù)的分組到達率分別為λ1,…,λn，則根據(jù)泊松公式，在σ時間內(nèi)，節(jié)點i產(chǎn)生ki,j個數(shù)據(jù)的概率為：

(1)

式(1)中，ki,j表示優(yōu)先級j數(shù)據(jù)分組到達節(jié)點i緩存隊列的數(shù)目。發(fā)送節(jié)點緩存隊列模型如圖2所示。

圖2 發(fā)送節(jié)點緩存隊列模型Fig.2 Sending node cache queue model

(2)

由排隊論理論知：

(3)

(4)

由此可得Tk的表達式為：

(5)

2.4 多優(yōu)先級隊列優(yōu)化算法

該算法是一個最小化每個發(fā)送節(jié)點隊列長度總和的優(yōu)化算法。我們用Qi,j(t)表示t時刻發(fā)送節(jié)點i的緩存隊列中優(yōu)先級j的突發(fā)數(shù)。隨著時間的推移，每個發(fā)送節(jié)點緩存隊列中優(yōu)先級j的突發(fā)數(shù)演變?yōu)椋?/p>

Qi,j(t+1)=
max(Qi,j(t)-Di,j(t),0)+Ai,j(t)

(6)

式(6)中，在t時刻，發(fā)送節(jié)點i將優(yōu)先級j的突發(fā)包傳輸成功，Di,j(t)取1，否則取0；Ai,j(t)是t時刻發(fā)送節(jié)點i中優(yōu)先級j的突發(fā)包到達數(shù)。

ΔLj(Q(t))=Lj(Q(t+1))-Lj(Q(t))

(7)

(8)

(9)

式(9)中，Si= 1或0表示突發(fā)包在通道i上傳輸成功或失敗，Mj表示t時刻信道忙閑程度低于優(yōu)先級j閾值的信道總數(shù)。

設P(Si|Qj)為給定發(fā)送優(yōu)先級j突發(fā)的緩存節(jié)點總數(shù)為Qj，突發(fā)包在通道i上傳輸成功的條件概率，則：

E[Si]=1·P(Si|Qj)+0·(1-P(Si|Qj))

(10)

我們可以將式(10)改寫為：

(11)

(12)

(13)

將式(12)、式(13)代入式(11)整理得：

(14)

p*=min(1,Mj/Qj)

(15)

所以，當我們已知Qj和Mj就可以求出最佳發(fā)送概率p*。為了保障最高優(yōu)先級業(yè)務的時效性，優(yōu)先級1分組的發(fā)送概率恒為1。

2.5 接入閾值求解

(16)

定義Pp為分組成功接收概率。根據(jù)譯碼原理，一個分組中只要有Mp個突發(fā)被成功接收，就能解碼出原分組，根據(jù)排列組合原理得：

(17)

2.6 算法性能指標

1) 分組的成功傳輸率

(18)

2) 丟包率

(19)

3) 平均時延

(20)

(21)

式(21)中，d為單跳最大通信距離，v為光的傳播速度。

4)系統(tǒng)吞吐量

定義系統(tǒng)吞吐量Sthroughput為單位時間內(nèi)系統(tǒng)正確接收的分組比特數(shù)之和，即：

(22)

式(22)中，LP為分組比特長度，η為編碼效率，T為傳輸時間。

5)信道利用率

定義信道利用率為單位時間內(nèi)信道傳輸?shù)姆纸M數(shù)，即：

(23)

式(23)中，Cch信道傳輸?shù)姆纸M數(shù)，T為傳輸時間。

3 仿真分析

本文采用OMNeT++仿真平臺對該協(xié)議性能進行分析。仿真場景大小設置為200 km×200 km×10 km，所有節(jié)點在該場景中隨機分布，每個節(jié)點隨機選擇目的節(jié)點通信，并且構成一個全連通網(wǎng)絡。根據(jù)無人機自組網(wǎng)的應用需求，協(xié)議設定4種優(yōu)先級業(yè)務，其中優(yōu)先級1 業(yè)務分組到達率固定為100包/s，優(yōu)先級2、3、4業(yè)務的分組到達率的比例為1∶1∶1，具體仿真參數(shù)設置見表1。

表1 仿真參數(shù)設置Tab.1 Simulation parameters

隨著網(wǎng)絡負載的不斷增加，協(xié)議中各優(yōu)先級分組成功傳輸率、平均時延、丟包率以及網(wǎng)絡吞吐量等性能也在不斷變化。

如圖3(a)所示，隨著網(wǎng)絡負載的增加，網(wǎng)絡碰撞加劇，各優(yōu)先級分組成功傳輸率隨之下降，但是優(yōu)先級1分組始終保持99%以上的成功傳輸率；由圖3(b)知，在網(wǎng)絡負載為104包/s時，其他優(yōu)先級業(yè)務依然能夠保證50%以上的成功傳輸率。圖4所示為各優(yōu)先級分組平均時延，隨著網(wǎng)絡負載的增加，各優(yōu)先級分組的平均時延依次增加，在重負載時，優(yōu)先級1分組的平均時延仍然保持在2 ms以內(nèi)，此外，由于各優(yōu)先級負載增加，為保證高優(yōu)先級業(yè)務的傳輸，優(yōu)先級4分組被發(fā)送概率降低，在重負載時，優(yōu)先級4分組幾乎不能被發(fā)送，所以優(yōu)先級4分組的平均時延略有下降。由圖4(b)可知，當網(wǎng)絡處于負載在104包/s以內(nèi)時，各優(yōu)先級分組的平均時延均能保持一個較低值。

圖3 分組成功傳輸率Fig.3 Rate of successful transmission

圖4 平均時延Fig.4 Mean delay

圖5所示為各優(yōu)先級分組丟包率，各優(yōu)先級分組丟包率隨著網(wǎng)絡負載增加不斷增加，而優(yōu)先級1分組丟包率始終為0。文獻[17]提出的MPS-MAC協(xié)議可以保證最高優(yōu)先級分組嚴格的時效性和可靠性，但是在重負載時，優(yōu)先級3、4分組的成功傳輸率低于0.5，且平均時延均在200 ms以上。文獻[20]提出的PAJ-MAC協(xié)議中最高優(yōu)先級分組的成功傳輸率只能維持在95%。與之相比，本文提出的QO-MAC協(xié)議在保證最高級優(yōu)先級分組的低時延、高可靠性的同時，其他優(yōu)先級分組的成功傳輸率、平均時延、丟包率等性能均有較大提升。

圖5 各優(yōu)先級分組丟包率Fig.5 Packet loss rates for each priority group

圖6對協(xié)議的吞吐量進行統(tǒng)計，在輕負載時，隨著網(wǎng)絡負載增加，各優(yōu)先級吞吐量均在不斷增加，系統(tǒng)最大的吞吐量達到20 Mb/s，在重負載時，隨著碰撞的增加，吞吐量有所下降，在較大負載區(qū)間，系統(tǒng)的吞吐量仍然保持在12 Mb/s以上。圖7所示為協(xié)議信道利用率，由于采用時隙競爭方式，協(xié)議信道利用率有了較大提升，并且最大信道利用率達到0.3，在較大負載區(qū)間，信道利用率保持在0.23以上。

圖6 各優(yōu)先級分組吞吐量和系統(tǒng)吞吐量Fig.6 Packet throughput and system throughput for each priority

圖7 信道利用率Fig.7 Channel utilization

4 結(jié)論

本文提出了基于隊列優(yōu)化的多優(yōu)先級媒體接入控制協(xié)議。該協(xié)議通過多優(yōu)先級隊列優(yōu)化算法自適應調(diào)整不同優(yōu)先級業(yè)務的發(fā)送概率和選擇發(fā)送信道，實現(xiàn)多優(yōu)先級業(yè)務區(qū)分服務。仿真結(jié)果表明：

1) 在重負載情況下，QO-MAC協(xié)議可以保證最高優(yōu)先級業(yè)務低時延(小于2 ms)、高可靠性(大于99% )的QoS需求以及系統(tǒng)較高的吞吐量，并且其他優(yōu)先級業(yè)務性能均能保持在一個較高的水平。系統(tǒng)的吞吐量最大能夠達到20 Mb/s，在較大網(wǎng)絡負載區(qū)間，系統(tǒng)的吞吐量保持在12 Mb/s以上。

2) 由于采用了時隙競爭信道資源的方式，QO-MAC協(xié)議的數(shù)據(jù)分組碰撞區(qū)間減小，信道利用率得到了提升，信道利用率最大值達到0.3，并且在較大負載區(qū)間，信道利用率保持在0.23以上。

3) 與其他協(xié)議對比，QO-MAC協(xié)議在各優(yōu)先級業(yè)務的時延、成功傳輸率、信道利用率等性能方面均有較大提升。