基于動態(tài)中繼選擇的無人機自組網(wǎng)協(xié)作接入?yún)f(xié)議

王睿，王文燦，白麗，范兼睿，張莉涓，雷磊

（1.南京航空航天大學(xué)電子信息工程學(xué)院，南京 210016；2.中國人民解放軍96901部隊，北京 100089；3.北京航天自動控制研究所，北京 100854）

引 言

無人機自組織網(wǎng)絡(luò)（unmanned aerial vehicle ad?hoc network，UANET）［1?2］憑借其抗毀性強、節(jié)點機動性高等優(yōu)勢引起了業(yè)界與學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注。然而，要充分利用UANET的優(yōu)勢，就必須考慮其特征，如無人機飛行軌跡、能耗、動態(tài)拓?fù)浜托诺罓顩r等。對于UANET，要在節(jié)點高速移動而導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇焖僮兓那闆r下保持穩(wěn)定的性能，必須使用有效的媒體接入控制（Media access control，MAC）協(xié)議來協(xié)調(diào)每個節(jié)點的數(shù)據(jù)包傳輸，并適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)流量負(fù)載變化。因此，設(shè)計實用、可靠和高效的MAC協(xié)議是UANET中的關(guān)鍵問題。

MAC協(xié)議可以分為3類：基于競爭的MAC協(xié)議［3?4］、無競爭MAC協(xié)議［5?6］以及混合MAC協(xié)議［7?8］。已經(jīng)證明：在多跳、高網(wǎng)絡(luò)負(fù)載的情況下，基于競爭的MAC協(xié)議不具有擴展性。這是由于隱藏終端問題會引起傳輸沖突的增加［9］，并且隨著節(jié)點數(shù)量的增加，傳輸沖突會變得更加嚴(yán)重。時分多址（Time di?vision multiple access，TDMA）接入?yún)f(xié)議作為一種無競爭的MAC協(xié)議，通過時隙調(diào)度實現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點無競爭地發(fā)送數(shù)據(jù)，從而實現(xiàn)了較高的信道利用率，并且在傳播時延大的環(huán)境以及多跳傳輸環(huán)境中有更優(yōu)異的表現(xiàn)。

為了提高節(jié)點的傳輸速率、擴大通信覆蓋范圍，在傳統(tǒng)自組織網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議的基礎(chǔ)上，引入了節(jié)點間協(xié)作通信的概念。協(xié)作通信需要網(wǎng)絡(luò)中的多個節(jié)點以協(xié)作的方式工作，利用網(wǎng)絡(luò)中的潛在資源提升網(wǎng)絡(luò)性能。文獻［10］提出了一種可在802.11網(wǎng)絡(luò)中進行協(xié)作通信的協(xié)議，利用高數(shù)據(jù)速率節(jié)點幫助低數(shù)據(jù)速率節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)。利用對傳輸過程的監(jiān)聽，每個低數(shù)據(jù)速率節(jié)點維護一個協(xié)作表，潛在的協(xié)作節(jié)點可以幫助低數(shù)據(jù)速率節(jié)點進行傳輸。在傳輸過程中，每個低數(shù)據(jù)速率節(jié)點可以直接傳輸或者通過高數(shù)據(jù)速率協(xié)作節(jié)點傳輸，以使總傳輸時間最小。在文獻［11］中提出了一個用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的協(xié)作MAC協(xié)議（Cooperative MAC，COMAC），該協(xié)議對基于802.11g的無線網(wǎng)絡(luò)在真實場景下實現(xiàn)協(xié)作，并利用從發(fā)送方節(jié)點的鄰近節(jié)點偵聽到的數(shù)據(jù)包來實現(xiàn)協(xié)作通信。COMAC增加了點對點場景下的傳輸范圍，并提高了數(shù)據(jù)包遞交成功率，同時可節(jié)省能耗。文獻［12］提出了基于多天線系統(tǒng)的協(xié)作Aloha協(xié)議（Cooperative Aloha，C?Aloha），通過實現(xiàn)分組重傳以獲得傳輸分集。該協(xié)作MAC協(xié)議設(shè)計增加了時隙Aloha系統(tǒng)的最大吞吐量，同時C?Aloha還可應(yīng)用于其他基于競爭的MAC協(xié)議。文獻［13］針對協(xié)作通信在MAC層面臨的問題和挑戰(zhàn)提出了一種跨層協(xié)作MAC設(shè)計方案，研究如何將物理層協(xié)作與MAC層集成，以實現(xiàn)更高的吞吐量和更可靠的通信。該跨層協(xié)作MAC協(xié)議支持多種傳輸速率和傳輸模式，性能優(yōu)于傳統(tǒng)的非協(xié)作MAC協(xié)議。

上述MAC協(xié)議主要針對單跳傳輸設(shè)計。然而，在網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲?，一對?目的S?D節(jié)點之間的通信距離往往大于單跳傳輸范圍。因此，假設(shè)有一節(jié)點恰好位于一對單跳不可達(dá)的S?D節(jié)點共同傳輸范圍內(nèi)，且該節(jié)點具備一定的數(shù)據(jù)傳輸能力，則該節(jié)點不僅可以發(fā)送來自自己應(yīng)用層的數(shù)據(jù)包，還可以在S?D節(jié)點對之間轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)分組，這樣的中間節(jié)點稱為默認(rèn)中繼R節(jié)點。然而，在實際通信環(huán)境中，由于背景噪聲干擾變化、節(jié)點高速移動和節(jié)點損壞等原因很容易導(dǎo)致默認(rèn)中繼節(jié)點性能降低，甚至喪失中繼功能，因此對于中繼選擇與性能的研究非常重要。文獻［14］針對基站對移動站的組播通信場景設(shè)計了一種基于位置感知的分布式移動中繼選擇算法，該方法在第1階段將距離基站較遠(yuǎn)的成功傳輸移動站以較高的概率激活為移動中繼，從而提升第2階段的覆蓋性能，文章用數(shù)值與仿真結(jié)果證明了位置感知分布式（Location aware distributed，LAD）算法具有更高的能源利用率與覆蓋性能。文獻［15］針對多跳放大轉(zhuǎn)發(fā)大規(guī)模多輸入多輸出（Multiple input multiple output，MIMO）中繼系統(tǒng)設(shè)計提出了一個框架，該框架假設(shè)每個天線均有功率限制，并且在該框架的基礎(chǔ)上利用矩陣單調(diào)優(yōu)化推導(dǎo)出了具有最優(yōu)解的架構(gòu)，仿真結(jié)果證明該方法具有更好的中繼性能。文獻［16］專注于多跳放大轉(zhuǎn)發(fā)MIMO中繼通信，提出了一個包括各種收發(fā)器設(shè)計的框架，將各種目標(biāo)函數(shù)統(tǒng)一為一個多目標(biāo)優(yōu)化問題，將每一跳的中繼操作理解為矩陣加權(quán)操作，對于僅具有純成形約束或聯(lián)合功率約束的兩種情況，都得出了最優(yōu)閉式解。

除此之外，使用輔助中繼節(jié)點協(xié)作傳輸機制可以大幅提升源節(jié)點與目的節(jié)點間中繼傳輸?shù)男阅?。對于一對超出單跳通信范圍的S?D節(jié)點來說，可以將除了默認(rèn)中繼節(jié)點R之外同樣具有中繼功能的節(jié)點稱為輔助中繼節(jié)點H，輔助中繼節(jié)點可以在默認(rèn)中繼節(jié)點R轉(zhuǎn)發(fā)失敗時進行協(xié)作轉(zhuǎn)發(fā)，增加傳輸成功率，從而提高網(wǎng)絡(luò)吞吐量。目前已有許多針對輔助中繼節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)機制的研究。文獻［17］利用虛擬天線陣，提出了一種基于TDMA的協(xié)作MAC協(xié)議，即協(xié)作TDMA（Cooperative TDMA，C?TDMA），使協(xié)作傳輸能夠在瑞利衰落信道中進行，以提高正確接收數(shù)據(jù)包的概率和系統(tǒng)吞吐量。C?TDMA協(xié)議極大提升了傳統(tǒng)TDMA系統(tǒng)的吞吐量。文獻［18］提出了用于多跳中繼網(wǎng)絡(luò)的協(xié)作中繼TDMA（Coopera?tive relaying TDMA，CR?TDMA）機制，在該網(wǎng)絡(luò)中，默認(rèn)中繼節(jié)點可以利用附近的輔助中繼節(jié)點幫助轉(zhuǎn)發(fā)，緩存隊列未滿的輔助中繼節(jié)點可以幫助轉(zhuǎn)發(fā)中繼數(shù)據(jù)包。CR?TDMA的一個特征是只有當(dāng)默認(rèn)中繼節(jié)點成功地從源節(jié)點接收數(shù)據(jù)包，輔助中繼節(jié)點才可以開始協(xié)作。由于源節(jié)點和默認(rèn)中繼節(jié)點之間不穩(wěn)定的信道狀況，該條件會導(dǎo)致利用協(xié)作資源的效率較低。在文獻［18］的基礎(chǔ)上，文獻［19］對協(xié)作機制進行了改進，即無論默認(rèn)中繼節(jié)點是否成功接收到了源節(jié)點S發(fā)送的數(shù)據(jù)包，都不會影響輔助中繼節(jié)點的協(xié)作行為，只要輔助中繼節(jié)點成功接收到S節(jié)點發(fā)送的中繼數(shù)據(jù)包并且自身的網(wǎng)絡(luò)層隊列為空，就會將該數(shù)據(jù)包加入網(wǎng)絡(luò)層隊列中，并且即使該中繼數(shù)據(jù)包在當(dāng)前時幀沒有被成功轉(zhuǎn)發(fā)，也不會將其刪除，而是等到下個時幀繼續(xù)嘗試轉(zhuǎn)發(fā)。

雖然文獻［18］與文獻［19］都提出了有效的輔助中繼節(jié)點協(xié)作轉(zhuǎn)發(fā)機制，提升了中繼節(jié)點傳輸數(shù)據(jù)包的性能。但目前提出的TDMA協(xié)作轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議均是針對固定網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湓O(shè)計的，且采用的時隙分配方式均為固定時隙分配，無法對網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓蚬?jié)點突發(fā)故障等狀況作出快速應(yīng)對。同時，當(dāng)節(jié)點自身業(yè)務(wù)流負(fù)載較大時，將會影響輔助中繼節(jié)點的協(xié)作性能。

針對上述缺點，本文提出一種基于動態(tài)中繼選擇的無人機自組網(wǎng)協(xié)作時分信道接入?yún)f(xié)議（Dynamic cooperative TDMA，DC?TDMA）。在每個時幀周期，該協(xié)議都會動態(tài)選擇有效的默認(rèn)中繼與輔助中繼節(jié)點以有效適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋭討B(tài)變化，同時采用雙隊列協(xié)作機制可有效避免大流量負(fù)載對緩存隊列的影響，在提高中繼數(shù)據(jù)包投遞率的同時，也能夠降低端到端時延。

1 輔助中繼節(jié)點雙隊列協(xié)作機制

在如圖1所示的兩跳中繼網(wǎng)絡(luò)中，將源節(jié)點S預(yù)先確定用于轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包給目的節(jié)點D的中繼節(jié)點R稱為默認(rèn)中繼節(jié)點，節(jié)點R周圍同樣可以中繼數(shù)據(jù)包的節(jié)點Hk（k=1，2，…）稱為源節(jié)點S的輔助中繼節(jié)點。為提高轉(zhuǎn)發(fā)成功率，S節(jié)點可以在附近的輔助中繼節(jié)點的中繼緩存隊列中沒有數(shù)據(jù)包的情況下，借助它們來幫助轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)分組。則數(shù)據(jù)傳輸可分解為4個類型，即S→R，S→Hk，R→D和Hk→D。

圖1 輔助中繼節(jié)點協(xié)作轉(zhuǎn)發(fā)示意圖Fig.1 Schematic diagram of helper relay nodes’cooperative forwarding

在本協(xié)議中，輔助中繼節(jié)點Hk只有在自身MAC層中繼緩存隊列為空時才可以開始協(xié)作，并將成功接收的中繼包存入中繼緩存隊列頭部，否則不參與協(xié)作，如圖2所示。

圖2 協(xié)作轉(zhuǎn)發(fā)機制緩存隊列示意圖Fig.2 Schematic diagram of cooperative forwarding mecha?nism’s cache queue

如果某一輔助中繼節(jié)點在當(dāng)前時幀接收到了一個中繼數(shù)據(jù)包，那么它會偵聽當(dāng)前時幀中默認(rèn)中繼節(jié)點R的發(fā)送。如果默認(rèn)中繼節(jié)點成功發(fā)送當(dāng)前時幀的數(shù)據(jù)包并收到了目的節(jié)點回復(fù)的ACK幀，則默認(rèn)中繼節(jié)點R和所有攜帶當(dāng)前時幀中繼數(shù)據(jù)包的輔助中繼節(jié)點Hk都會從緩存隊列中丟棄該中繼數(shù)據(jù)包。

在輔助中繼轉(zhuǎn)發(fā)時隙到來時，如節(jié)點Hk攜帶了目的地址為D的中繼數(shù)據(jù)包，則進行轉(zhuǎn)發(fā)。源節(jié)點S可偵聽節(jié)點Hk成功發(fā)送的數(shù)據(jù)包，隨后檢查并丟棄隊列中相同數(shù)據(jù)包。如節(jié)點D回送ACK，所有中繼節(jié)點會從隊列中丟棄相同數(shù)據(jù)包。接下來將對DC?TDMA協(xié)議的輔助中繼節(jié)點協(xié)作轉(zhuǎn)發(fā)性能進行分析。

默認(rèn)中繼節(jié)點R的緩存隊列長度為L，所以對于R來說，將觀察點設(shè)置在每個時幀傳輸時隙的末尾，則緩存隊列共有L+1種狀態(tài)，狀態(tài)i表示緩存隊列中有i個數(shù)據(jù)包。將系統(tǒng)建模為馬爾科夫鏈，推導(dǎo)DC?TDMA協(xié)議的協(xié)作轉(zhuǎn)發(fā)的中繼數(shù)據(jù)包投遞率性能。在推導(dǎo)出馬爾科夫鏈的一步概率轉(zhuǎn)移矩陣后，可以求解出馬爾科夫鏈的穩(wěn)態(tài)分布，最終獲得DC?TDMA協(xié)議協(xié)作轉(zhuǎn)發(fā)的中繼數(shù)據(jù)包遞交成功率。

1.1 控制時隙階段默認(rèn)中繼節(jié)點緩存隊列狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣

將數(shù)據(jù)傳輸階段之前的時隙（即廣播時隙、請求時隙、轉(zhuǎn)發(fā)請求時隙和分配時隙）統(tǒng)稱為控制時隙階段。中心節(jié)點在控制時隙階段中收集全網(wǎng)節(jié)點的請求信息，并進行時隙分配。在控制時隙階段的每個時隙，默認(rèn)中繼節(jié)點只可能以一定概率在非中繼緩存隊列中添加非中繼包，所以中繼緩存隊列不會產(chǎn)生變化，即控制時隙階段對中繼緩存隊列的狀態(tài)沒有影響。

1.2 數(shù)據(jù)傳輸階段默認(rèn)中繼節(jié)點緩存隊列狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣

因為數(shù)據(jù)傳輸階段由K個相同結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)幀組成，所以可以先求解一個數(shù)據(jù)時幀內(nèi)的狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣B。將從狀態(tài)i轉(zhuǎn)移到狀態(tài)j的轉(zhuǎn)移概率表示為Pj，i。則狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣可以表示為

式中，Bi為與i的初始狀態(tài)對應(yīng)的行向量。將默認(rèn)中繼節(jié)點R的緩存隊列的初始長度分為3類：緩存隊列為空，緩存隊列已滿，緩存隊列非空且未滿［20］。下面分別推導(dǎo)這3種情況的轉(zhuǎn)移概率。

1.2.1 默認(rèn)中繼節(jié)點緩存隊列初始狀態(tài)為空時轉(zhuǎn)移概率

當(dāng)默認(rèn)中繼節(jié)點R的初始緩存隊列為空，假設(shè)該狀態(tài)（即i=0）轉(zhuǎn)移到狀態(tài)j，也就是說緩存隊列中增加了j個數(shù)據(jù)包。由于每個數(shù)據(jù)時幀中為源節(jié)點分配一個時隙，當(dāng)一個數(shù)據(jù)時幀結(jié)束時，默認(rèn)中繼節(jié)點的中繼緩存隊列中至多增加一個中繼數(shù)據(jù)包，因此，可以求出默認(rèn)中繼節(jié)點R的初始狀態(tài)由狀態(tài)i=0轉(zhuǎn)移到狀態(tài)j的概率Pj，0為

式中：Psucc，rs為默認(rèn)中繼節(jié)點R成功接收到源節(jié)點S發(fā)送的中繼包的概率，Psucc，hs為輔助中繼節(jié)點Hk成功接收到源節(jié)點S發(fā)送中繼包的概率，Pidle為輔助中繼節(jié)點緩存隊列為空的概率，Perr，dr為目的節(jié)點D沒有成功接收到默認(rèn)中繼節(jié)點R轉(zhuǎn)發(fā)包的概率，nh為輔助中繼節(jié)點的數(shù)量。當(dāng)默認(rèn)中繼節(jié)點成功接收到源節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)包，但沒有完成向目的節(jié)點的成功轉(zhuǎn)發(fā)，同時輔助中繼節(jié)點也沒有轉(zhuǎn)發(fā)成功時，源節(jié)點的中繼數(shù)據(jù)包便會緩存在默認(rèn)中繼節(jié)點的緩存隊列中，等待下一個數(shù)據(jù)時幀到來時重新發(fā)送。

1.2.2 默認(rèn)中繼節(jié)點緩存隊列初始狀態(tài)為滿時轉(zhuǎn)移概率

當(dāng)默認(rèn)中繼節(jié)點R的初始緩存隊列已滿，則無法再接收源節(jié)點的數(shù)據(jù)包。所以在默認(rèn)中繼節(jié)點R自身數(shù)據(jù)時隙到來之前，其緩存隊列不會變化。在默認(rèn)中繼節(jié)點R的轉(zhuǎn)發(fā)時隙，如果目的節(jié)點成功接收中繼數(shù)據(jù)包，則節(jié)點R的緩存隊列會丟棄這個數(shù)據(jù)包，否則繼續(xù)保持不變。因此在中繼時隙結(jié)束時，默認(rèn)中繼節(jié)點R緩存隊列由狀態(tài)L轉(zhuǎn)移到狀態(tài)j的概率可以表示為

式中Psucc為默認(rèn)中繼節(jié)點成功發(fā)送中繼數(shù)據(jù)包的概率。

1.2.3 默認(rèn)中繼節(jié)點緩存隊列初始非空且未滿時轉(zhuǎn)移概率

在上面兩個小節(jié)中分別推導(dǎo)了默認(rèn)中繼節(jié)點緩存隊列初始狀態(tài)分別為i=0，i=L時的狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率Pj，0，Pj，L，根據(jù)這兩個初始狀態(tài)的轉(zhuǎn)移概率即可表達(dá)出B0，BL。在這一節(jié)中，將會繼續(xù)推導(dǎo)默認(rèn)中繼節(jié)點R的初始緩存隊列非空且未滿時的轉(zhuǎn)移概率Bi（1≤i≤L-1）。

當(dāng)默認(rèn)中繼節(jié)點R的緩存隊列初始非空且未滿時，緩存隊列的狀態(tài)在源節(jié)點發(fā)送階段、默認(rèn)中繼節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)階段、輔助結(jié)點協(xié)作階段都可能產(chǎn)生變化，所以先分別求出這3個階段的概率轉(zhuǎn)移矩陣，再進行相乘，即可得到整個時幀的概率轉(zhuǎn)移矩陣?？紤]到默認(rèn)中繼節(jié)點接收源節(jié)點的數(shù)據(jù)包有成功和不成功這兩種情況，所以Bi（1≤i≤L-1）可以表示為

式中，SY，RY，HY分別為默認(rèn)中繼節(jié)點成功接收了源節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)包情況下在源節(jié)點發(fā)送階段、默認(rèn)中繼節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)階段、輔助中繼節(jié)點協(xié)作階段的轉(zhuǎn)移概率矩陣，SN，RN，HN分別為默認(rèn)中繼節(jié)點未成功收到源節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)包的情況下在源節(jié)點發(fā)送階段、默認(rèn)中繼節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)階段、輔助中繼節(jié)點協(xié)作階段的轉(zhuǎn)移概率矩陣。

（1）默認(rèn)中繼節(jié)點成功接收源節(jié)點數(shù)據(jù)包情況下的子矩陣推導(dǎo)

當(dāng)默認(rèn)中繼節(jié)點成功接收源節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)包的情況下，首先對SY進行推導(dǎo)。在源節(jié)點傳輸階段，默認(rèn)中繼節(jié)點的緩存隊列中會增加一個中繼數(shù)據(jù)包。因為初始狀態(tài)為i=0，i=L時的轉(zhuǎn)移概率子矩陣已推導(dǎo)出，所以只考慮1≤i≤L-1，即有L-1種初始狀態(tài)，所以SY是一個（L-1）×（L+1）的矩陣，即［sj，i］（L-1）×（L+1）。sj，i可以表示為

在默認(rèn)中繼節(jié)點的轉(zhuǎn)發(fā)時隙，RY=［rj，i］（L-1）×（L+1），由式（7）可知，經(jīng)過源節(jié)點傳輸階段后，默認(rèn)中繼節(jié)點緩存隊列中至少有2個數(shù)據(jù)包，所以在中繼節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)時隙開始階段，一定滿足i≥2。在這一時隙中，默認(rèn)中繼節(jié)點的中繼緩存隊列有可能因為成功發(fā)送而從隊列中刪除一個數(shù)據(jù)包，所以rj，i可以表示為

在剩余的MR-1個時隙中，因為討論的是默認(rèn)中繼節(jié)點緩存隊列初始狀態(tài)（1≤i≤L-1）的情況，即默認(rèn)中繼節(jié)點成功接收源節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)包至少排在隊列中第2個，所以該數(shù)據(jù)包在當(dāng)前時幀的中繼轉(zhuǎn)發(fā)時隙不可能進行發(fā)送。如果至少有一個輔助中繼節(jié)點成功接收并轉(zhuǎn)發(fā)了源節(jié)點的數(shù)據(jù)包，則在其中一個輔助時隙中，默認(rèn)中繼節(jié)點會從緩存隊列刪除一個數(shù)據(jù)包。如果所有的輔助中繼節(jié)點都沒有成功接收源節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)包，則默認(rèn)中繼節(jié)點的緩存隊列不會發(fā)生變化。將矩陣HY表達(dá)為HY=［hj，i］（L+1）×（L+1），則hj，i可以表示為

（2）默認(rèn)中繼節(jié)點未成功接收源節(jié)點數(shù)據(jù)包情況下的子矩陣推導(dǎo)

在默認(rèn)中繼節(jié)點沒有成功接收源節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)包的情況下，源節(jié)點傳輸階段緩存隊列中不會增加數(shù)據(jù)包，矩陣SN=［s_j，i］（L+1）×（L+1），s_j，i可以表示為

在默認(rèn)中繼節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)時隙，RN=［rj，i］（L+1）×（L+1），經(jīng)過源節(jié)點傳輸階段后，中繼節(jié)點緩存隊列中至少有1個數(shù)據(jù)包，所以在中繼節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)時隙開始階段，一定滿足i≥1。在這一時隙中，默認(rèn)中繼節(jié)點緩存隊列有可能因為成功發(fā)送而從緩存隊列中刪除一個數(shù)據(jù)包，所以rj，i可以表示為

因為默認(rèn)中繼節(jié)點沒有成功接收源節(jié)點的數(shù)據(jù)包，所以在剩余的MR-1個時隙中，中繼節(jié)點緩存隊列狀態(tài)將不受輔助中繼節(jié)點的影響，則

式中I為單位矩陣。隨后將式（5～10）代入式（4）可得到Bi（1≤i≤L-1），再聯(lián)立式（2～3）求出的B0和BL即可得出數(shù)據(jù)傳輸階段默認(rèn)中繼節(jié)點緩存隊列狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣B。

令Πr=（πr0，πr1，···，πrL）為默認(rèn)中繼節(jié)點的緩存隊列各種狀態(tài)的的穩(wěn)態(tài)分布，通過求解矩陣方程ΠrB=Πr即可得出穩(wěn)態(tài)分布向量Πr。

接下來對協(xié)作的性能進行推導(dǎo)。中繼數(shù)據(jù)包投遞成功率可以用每個數(shù)據(jù)幀中成功轉(zhuǎn)發(fā)中繼數(shù)據(jù)包的數(shù)量來衡量，只有當(dāng)默認(rèn)中繼節(jié)點和輔助中繼節(jié)點均沒有成功轉(zhuǎn)發(fā)時，中繼數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)發(fā)才不會成功，所以投遞成功率Th可以表示為

式中Psucc，rs（1-πrL）Psucc為默認(rèn)中繼節(jié)點成功接受源節(jié)點數(shù)據(jù)包，同時中繼緩存隊列非空，并且成功轉(zhuǎn)發(fā)給目的節(jié)點的概率，則1-Psucc，rs（1-πrL）Psucc為中繼節(jié)點因隊列滿而沒有成功轉(zhuǎn)發(fā)的概率，(1-Psucc，hsPidle)nh為所有輔助節(jié)點均沒有成功轉(zhuǎn)發(fā)的概率，則Th表示中繼數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)成功的概率。

2 DC?TDMA協(xié)作策略實現(xiàn)步驟

DC?TDMA協(xié)作策略基于動態(tài)時隙分配協(xié)議，分為同步過程、時隙請求過程、時隙分配過程以及數(shù)據(jù)傳輸過程。DC?TDMA時幀結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 DC?TDMA時幀結(jié)構(gòu)圖Fig.3 DC?TDMA time frame structure diagram

2.1 廣播同步幀階段

在每個控制幀的同步時隙階段，中心節(jié)點廣播同步幀，用于告知哪些節(jié)點在中心節(jié)點的一跳通信范圍內(nèi)，同時可以讓待入網(wǎng)節(jié)點獲知網(wǎng)絡(luò)同步信息，從而發(fā)起入網(wǎng)請求。

2.2 時隙請求階段

時隙請求階段在網(wǎng)絡(luò)時幀的請求時隙與轉(zhuǎn)發(fā)請求時隙內(nèi)完成，兩種時隙的數(shù)量分別為N+1與N，N為網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點數(shù)。請求時隙的第1個時隙與最后1個時隙用于新加入網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點分別進行入網(wǎng)與發(fā)送請求幀，從第2個時隙開始的N-1個請求時隙用于網(wǎng)絡(luò)中除中心節(jié)點外的其他與中心節(jié)點一跳可達(dá)的節(jié)點發(fā)送各自的數(shù)據(jù)時隙請求。如果節(jié)點收到了兩跳節(jié)點的數(shù)據(jù)時隙請求幀，則確認(rèn)自己具有中繼功能，將自己標(biāo)記為中繼節(jié)點，隨后在后N個轉(zhuǎn)發(fā)請求時隙中將請求節(jié)點信息轉(zhuǎn)發(fā)給中心節(jié)點，中心節(jié)點將各節(jié)點請求發(fā)送數(shù)據(jù)的信息進行存儲。中心節(jié)點每收到一個數(shù)據(jù)時隙請求幀，就判斷發(fā)送節(jié)點是否有數(shù)據(jù)要發(fā)送，如果有，則存儲到本地記錄中。時隙請求階段結(jié)束后，中心節(jié)點通過遍歷記錄，即可獲得當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)時幀內(nèi)需要發(fā)送數(shù)據(jù)分組的節(jié)點信息。在后N個轉(zhuǎn)發(fā)請求時隙中，當(dāng)中心節(jié)點收到轉(zhuǎn)發(fā)請求幀時，即可知發(fā)送該幀的節(jié)點具有中繼功能，將該節(jié)點添加到自身維護的中繼節(jié)點信息表中。

2.3 時隙分配階段

時隙分配階段在網(wǎng)絡(luò)時幀的分配時隙內(nèi)完成。時隙分配階段分別由中心節(jié)點與中繼節(jié)點廣播時隙分配幀和轉(zhuǎn)發(fā)時隙分配幀。在廣播時隙分配幀階段，中心節(jié)點根據(jù)請求時隙中存儲的待發(fā)送節(jié)點信息將當(dāng)前時幀數(shù)據(jù)發(fā)送階段的時隙分配給有發(fā)送需求的節(jié)點。同時在每個時幀中動態(tài)為每個節(jié)點選擇分配對應(yīng)默認(rèn)中繼節(jié)點，并通過廣播分配幀，將時隙分配信息和默認(rèn)中繼節(jié)點分配信息告知自己一跳通信范圍內(nèi)的各個節(jié)點。數(shù)據(jù)傳輸階段由K個相同結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)幀組成，每個數(shù)據(jù)幀包含M個數(shù)據(jù)時隙，M的數(shù)量由中心節(jié)點決定后通過廣播分配幀來讓網(wǎng)絡(luò)中其他節(jié)點知曉。每個數(shù)據(jù)幀由MS個源節(jié)點傳輸時隙與MR個中繼節(jié)點傳輸時隙組成，即M=MS+MR。所有中繼節(jié)點（包括默認(rèn)中繼節(jié)點與輔助中繼節(jié)點）均在自己的轉(zhuǎn)發(fā)分配時隙廣播轉(zhuǎn)發(fā)時隙分配幀，將時隙分配信息告知網(wǎng)絡(luò)中的兩跳節(jié)點，至此全網(wǎng)節(jié)點都掌握了無沖突的時隙分配信息。

2.4 數(shù)據(jù)發(fā)送階段

數(shù)據(jù)發(fā)送階段在數(shù)據(jù)時隙內(nèi)完成。全網(wǎng)節(jié)點在自己的數(shù)據(jù)時隙到來時從網(wǎng)絡(luò)層緩存隊列中取出數(shù)據(jù)包發(fā)送。節(jié)點接收到數(shù)據(jù)時隙分配幀后，即可獲知本節(jié)點在當(dāng)前時幀內(nèi)分配到的數(shù)據(jù)時隙編號。在自身數(shù)據(jù)時隙到來時，節(jié)點在一個時隙的時間內(nèi)完成數(shù)據(jù)包的傳輸與應(yīng)答。

2.5 節(jié)點入網(wǎng)/退網(wǎng)流程

（1）新節(jié)點入網(wǎng)流程

當(dāng)一跳范圍內(nèi)有新節(jié)點需要加入網(wǎng)絡(luò)時，節(jié)點首先通過接收當(dāng)前時幀的同步幀獲知時間同步信息以及當(dāng)前時幀中心節(jié)點ID等信息。隨后待入網(wǎng)新節(jié)點在當(dāng)前時幀請求階段的首個請求時隙中向中心節(jié)點發(fā)送入網(wǎng)請求。同時，在首個請求時隙內(nèi)，待入網(wǎng)新節(jié)點按概率發(fā)送入網(wǎng)請求幀以避免沖突。中心節(jié)點收到入網(wǎng)請求幀后，回復(fù)入網(wǎng)應(yīng)答幀，同時將當(dāng)前時幀中的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點數(shù)告知待入網(wǎng)新節(jié)點。

（2）節(jié)點退網(wǎng)流程

如果某節(jié)點需要主動退出網(wǎng)絡(luò)，若該節(jié)點與中心節(jié)點一跳可達(dá)，則在自身請求時隙向中心節(jié)點發(fā)送退網(wǎng)請求幀。若該節(jié)點是兩跳節(jié)點，則向中繼節(jié)點發(fā)送退網(wǎng)請求幀，中繼節(jié)點收到退網(wǎng)請求幀后，在自身轉(zhuǎn)發(fā)時隙向中心節(jié)點進行轉(zhuǎn)發(fā)。時隙請求階段結(jié)束后，中心節(jié)點將當(dāng)前時幀中退網(wǎng)節(jié)點信息加入分配幀告知網(wǎng)絡(luò)中其他節(jié)點，其他節(jié)點收到后，對自身維護的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點數(shù)量、編號等信息進行更新。

3 仿真與結(jié)果分析

本節(jié)在EXata仿真平臺下實現(xiàn)了該協(xié)議，并分別從中繼數(shù)據(jù)包投遞率和時延兩個角度對該協(xié)議的性能進行評估分析。節(jié)點在仿真區(qū)域中按照設(shè)定的拓?fù)浞植?，每一時幀中數(shù)據(jù)幀重復(fù)數(shù)K的取值為10。仿真中網(wǎng)絡(luò)層采用靜態(tài)路由，網(wǎng)絡(luò)中的仿真業(yè)務(wù)類型為恒定比特率（Constant bit rate，CBR）業(yè)務(wù)，仿真時長設(shè)為60 s，所有仿真結(jié)果均為多次仿真取平均后的結(jié)果，其他仿真參數(shù)如表1所示。

表1 仿真參數(shù)Table 1 Simulation parameters

3.1 中繼節(jié)點均有流量負(fù)載情況下協(xié)議性能驗證分析

首先考慮網(wǎng)絡(luò)中除默認(rèn)中繼節(jié)點之外還有輔助中繼節(jié)點存在的情況。設(shè)網(wǎng)絡(luò)中源節(jié)點S與目的節(jié)點D位置固定，中繼節(jié)點R、H1、H2初始位置均位于源節(jié)點與目的節(jié)點一跳范圍內(nèi)，且圍繞初始位置盤旋，可近似看作位置固定。

中繼節(jié)點R、H1、H2位置近似固定條件下的仿真拓?fù)涫疽鈭D如圖4所示。在這樣的拓?fù)錀l件下，隨著節(jié)點發(fā)包速率由慢到快逐漸增加，3種協(xié)議的中繼數(shù)據(jù)包投遞率隨發(fā)包速率的變化曲線如圖5所示。由圖5可以看出，當(dāng)節(jié)點發(fā)包速率為0～900個/s時，TDMA協(xié)議與OCR?TDMA協(xié)議的中繼數(shù)據(jù)包都可以及時被處理，此時中繼數(shù)據(jù)包投遞率均為1，而當(dāng)發(fā)包速率逐漸增加為1 000～1 500個/s時，普通TDMA協(xié)議由于輔助中繼節(jié)點不參與協(xié)作，故中繼數(shù)據(jù)包投遞率低于OCR?TDMA，但當(dāng)發(fā)包速率高于1 600個/s后，輔助中繼節(jié)點負(fù)載增加，不再出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)層為空的情況，所以不參與協(xié)作轉(zhuǎn)發(fā)，此時性能等同于普通的TDMA協(xié)議，中繼數(shù)據(jù)包投遞率迅速降低，直到2 300個/s時趨近于0。而本文所提出的協(xié)議為了實現(xiàn)兩跳范圍內(nèi)內(nèi)節(jié)點的動態(tài)中繼選擇、入網(wǎng)退網(wǎng)，因而引入了節(jié)點同步、時隙請求、轉(zhuǎn)發(fā)請求、時隙分配和轉(zhuǎn)發(fā)分配等控制階段的時隙開銷，導(dǎo)致在數(shù)據(jù)包發(fā)送速率較低時中繼數(shù)據(jù)包投遞率略低于TDMA，但由于節(jié)點有雙隊列存在，中繼轉(zhuǎn)發(fā)隊列與應(yīng)用層數(shù)據(jù)包到達(dá)隊列不是同一個，所以不受應(yīng)用層發(fā)包速率的影響，在節(jié)點發(fā)包速率超過1 600個/s時，輔助中繼節(jié)點緩存隊列不再出現(xiàn)為空的情況，OCR?TDMA協(xié)議中繼數(shù)據(jù)包投遞率急劇下降，但本文所提出的協(xié)議依然具有較高的中繼數(shù)據(jù)包投遞率，當(dāng)數(shù)據(jù)包發(fā)送速率達(dá)到2 300個/s時，TDMA和OCR?TDMA協(xié)議中繼包投遞率幾乎為0，本文所提協(xié)議依舊具有40%左右的中繼數(shù)據(jù)包投遞率。

圖4 固定仿真拓?fù)涫疽鈭DFig.4 Schematic diagram of fixed simulation topology

圖5 固定拓?fù)錀l件下中繼包投遞率隨發(fā)包速率變化曲線Fig.5 Curves of relay packet delivery rate changing with the packet sending rate under fixed topology

節(jié)點發(fā)包速率由慢到快逐漸增加，3種協(xié)議的端到端時延隨發(fā)包速率的變化如圖6所示。由圖6可以看出，當(dāng)節(jié)點發(fā)包速率較低時，數(shù)據(jù)包到達(dá)間隔較大，網(wǎng)絡(luò)層隊列中的數(shù)據(jù)包會被很快轉(zhuǎn)發(fā)，所以具有很低的端到端時延。在發(fā)包速率為900～1 500個/s之間時，由于發(fā)包速率（即數(shù)據(jù)包到達(dá)率）的增加，因排隊時延增加，端到端時延開始增大。其中，由于輔助中繼節(jié)點未滿，存在協(xié)作轉(zhuǎn)發(fā)，所以這個區(qū)間內(nèi)OCR?TDMA的端到端時延顯著低于普通TDMA協(xié)議。本文所提出的協(xié)議由于引入了節(jié)點同步、時隙請求、轉(zhuǎn)發(fā)請求、時隙分配和轉(zhuǎn)發(fā)分配等控制階段的時隙開銷，服務(wù)率略低于TDMA與OCR?TDMA協(xié)議，所以端到端時延最先增加，但在達(dá)到0.12 s后即保持穩(wěn)定的值，而OCR?TDMA協(xié)議隨著發(fā)包速率增加直到數(shù)據(jù)包到達(dá)率大于服務(wù)率，不再出現(xiàn)隊列非空的情況，從而不再參與協(xié)作，在發(fā)包速率超過1 600個/s后，性能與普通TDMA協(xié) 議相同，并急劇 增大，在 發(fā)包速 率為1 800個/s時，TDMA與OCR?TDMA協(xié)議的端到端時延約為本文所提出協(xié)議的2倍。

圖6 固定拓?fù)錀l件下端到端時延隨發(fā)包速率變化曲線Fig.6 Curves of end?to?end delay changing with the packet sending rate under fixed topology

3.2 拓?fù)渥兓闆r下協(xié)議性能驗證分析

當(dāng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓瘯r，本文所提出的協(xié)議相比TDMA與OCR?TDMA更能適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋭討B(tài)變化。當(dāng)中繼節(jié)點動態(tài)運動并脫離目的節(jié)點視距通信范圍時，將不再具有中繼轉(zhuǎn)發(fā)功能。拓?fù)渥兓瘓D如圖7所示。

圖7 運動仿真拓?fù)涫疽鈭DFig.7 Motion simulation topology diagram

在初始網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲?，源與目的節(jié)點位置固定且一跳不可達(dá)，節(jié)點R與節(jié)點H均位于源節(jié)點和目的節(jié)點一跳通信范圍內(nèi)，以100 m/s的速度朝源節(jié)點方向移動，節(jié)點R′位于源節(jié)點一跳范圍內(nèi)、目的節(jié)點一跳范圍外，以100 m/s的速度向中繼節(jié)點反方向移動。虛線區(qū)域表示源與目的節(jié)點一跳通信范圍的交叉重疊部分。

在如上的拓?fù)鋭討B(tài)變化情況下，隨著節(jié)點發(fā)包速率的增加，3種協(xié)議的中繼數(shù)據(jù)包投遞率隨發(fā)包速率的變化曲線如圖8所示。由圖8可以看出，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞膭討B(tài)變化導(dǎo)致TDMA協(xié)議與OCR?TDMA協(xié)議在原有默認(rèn)中繼節(jié)點（輔助節(jié)點）均移動出中繼范圍后，無法動態(tài)選擇新節(jié)點作為中繼節(jié)點，所以中繼數(shù)據(jù)包投遞率遠(yuǎn)小于DC?TDMA協(xié)議。在發(fā)包速率為0～800個/s時，3種協(xié)議的中繼數(shù)據(jù)包都可以被及時處理，此時投遞率比較穩(wěn)定，但由于TD?MA與OCR?TDMA協(xié)議無法動態(tài)選擇中繼節(jié)點，導(dǎo)致數(shù)據(jù)包投遞率只有DC?TDMA協(xié)議的1/6。當(dāng)發(fā)包速率在800～1 500個/s之間時，由于OCR?TDMA協(xié)議在輔助節(jié)點未失效時可以利用輔助節(jié)點進行協(xié)作轉(zhuǎn)發(fā)，所以相較于TDMA具有更高的投遞率。當(dāng)發(fā)包速率超過1 500個/s時，輔助節(jié)點應(yīng)用層到達(dá)數(shù)據(jù)包無法及時處理，網(wǎng)絡(luò)層隊列不為空，無法協(xié)作轉(zhuǎn)發(fā)，此時OCR?TDMA性能等同于TDMA，在發(fā)包速率為2 000個/s時投遞率趨于0，但DC?TDMA由于雙隊列機制與動態(tài)中繼選擇機制仍可保持較高投遞率。

圖8 拓?fù)鋭討B(tài)變化情況下中繼數(shù)據(jù)包投遞率隨發(fā)包速率變化曲線Fig.8 Curves of relay data packet delivery rate changing with the packet sending rate un?der the dynamic change of topology

隨著節(jié)點發(fā)包速率的增加，3種協(xié)議的平均端到端時延隨發(fā)包速率的變化如圖9所示。由圖9可以看出，當(dāng)發(fā)包速率在0～800個/s時，由于數(shù)據(jù)包可以被及時處理，3種協(xié)議的中繼數(shù)據(jù)包時延都趨近于0。但當(dāng)發(fā)包速率超過800個/s后，由于拓?fù)鋭討B(tài)變化導(dǎo)致原有中繼節(jié)點失效以及無輔助節(jié)點幫助協(xié)作轉(zhuǎn)發(fā)，TDMA時延迅速上升。在發(fā)包速率為800～1 200個/s時，由于DC?TDMA引入了控制階段的時隙開銷，服務(wù)率略低于TDMA與OCR?TDMA協(xié)議，所以端到端時延最先增加，但在發(fā)包速率達(dá)到1 200個/s時即保持穩(wěn)定。而由于OCR?TDMA協(xié)議輔助節(jié)點網(wǎng)絡(luò)層隊列不為空無法協(xié)助轉(zhuǎn)發(fā)，同時也無法應(yīng)對拓?fù)鋭討B(tài)變化，導(dǎo)致在發(fā)包速率超過1 200個/s后時延迅速增大。

圖9 拓?fù)鋭討B(tài)變化情況下端到端時延隨發(fā)包速率變化曲線Fig.9 Curves of end?to?end delay changing with the packet sending rate under the dynamic change of topology

當(dāng)發(fā)包速率為2 000個/s時，3種協(xié)議隨仿真時間統(tǒng)計的目的節(jié)點接收中繼數(shù)據(jù)包數(shù)量如圖10所示。由于TDMA協(xié)議與OCR?TDMA協(xié)議中繼（輔助）節(jié)點均是預(yù)先分配，無法動態(tài)適應(yīng)拓?fù)渥兓?，?dāng)中繼與輔助中繼節(jié)點均移動出目的節(jié)點一跳通信范圍后，則無法參與轉(zhuǎn)發(fā)，導(dǎo)致10 s后目的節(jié)點無法再接收到源節(jié)點數(shù)據(jù)包。但由于OCR?TDMA協(xié)議利用了輔助中繼節(jié)點，所以O(shè)CR?TDMA相對TDMA可轉(zhuǎn)發(fā)更多中繼包。DC?TDMA協(xié)議可動態(tài)選擇中繼與輔助中繼節(jié)點，當(dāng)節(jié)點R′首先進入源節(jié)點與目的節(jié)點交叉通信范圍時，會發(fā)揮輔助中繼功能，幫助轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點R的數(shù)據(jù)包。而當(dāng)中繼與輔助中繼節(jié)點均移動出目的節(jié)點通信范圍后，中心節(jié)點會重新選擇并指定節(jié)點R′作為默認(rèn)中繼節(jié)點，從而盡最大可能保證在仿真運行時間內(nèi)，源節(jié)點和目的節(jié)點之間一直存在中繼節(jié)點，相比TDMA與OCR?TDMA協(xié)議極大提高了網(wǎng)絡(luò)吞吐量。

圖10 發(fā)包速率為2 000個/s時接收中繼包數(shù)量隨時間變化曲線Fig.10 Curves of the number of received re?lay packets versus time when the pack?et sending rate is 2 000 per second

4 結(jié)束語

針對高速移動無人機自組織網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，提出了DC?TDMA，采用中繼節(jié)點動態(tài)選擇機制，在每個時幀周期動態(tài)選擇更新有效的默認(rèn)中繼節(jié)點與輔助中繼節(jié)點，有效適應(yīng)拓?fù)渥兓２捎秒p隊列協(xié)作機制，可有效避免大流量負(fù)載對緩存隊列影響，在提高中繼數(shù)據(jù)包投遞率的同時也能降低端到端時延。仿真表明該協(xié)議與TDMA協(xié)議及OCR?TDMA協(xié)議相比，在網(wǎng)絡(luò)流量負(fù)載較大、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋭討B(tài)變化的情況下均能保持穩(wěn)定的高數(shù)據(jù)包投遞率與低平均端到端時延。在本文的研究基礎(chǔ)上，未來可進一步考慮動態(tài)調(diào)整時隙分配方案中數(shù)據(jù)時幀的數(shù)量，從而在網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓那闆r下進一步提升網(wǎng)絡(luò)性能。