高速飛行器自組織網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議研究

孫 芳 鄧志均 王長(zhǎng)慶 李 喆

(中國(guó)運(yùn)載火箭技術(shù)研究院 北京 100076)

0 引 言

高速飛行器自組織網(wǎng)絡(luò)是一種特殊且極為重要的移動(dòng)自組織網(wǎng)絡(luò)，除了具有常規(guī)移動(dòng)自組織網(wǎng)絡(luò)的自組織無(wú)中心、動(dòng)態(tài)拓?fù)?、多跳路由等特點(diǎn)之外，高速飛行器自組織網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)運(yùn)行速度通常可達(dá)數(shù)倍馬赫或者更高，具有高動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涮匦浴８咚亠w行器自組織網(wǎng)絡(luò)不僅要滿足無(wú)中心、多跳傳輸?shù)幕竟δ?，還要考慮復(fù)雜多變的戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境和種類繁多的信息類型，對(duì)有效性和可靠性要求更為嚴(yán)苛[1]。對(duì)于關(guān)鍵的戰(zhàn)術(shù)指令和測(cè)控信息，必須保證信息傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性，因此高速飛行器自組織網(wǎng)絡(luò)必須有能力針對(duì)各級(jí)各類業(yè)務(wù)提供服務(wù)質(zhì)量保障(Quality of Service, QoS)，支持多種優(yōu)先級(jí)任務(wù)差異化服務(wù)。

MAC協(xié)議控制網(wǎng)絡(luò)中多個(gè)節(jié)點(diǎn)可以公平、高效地共享無(wú)線信道資源，直接影響了自組織網(wǎng)絡(luò)性能，是鏈路層協(xié)議設(shè)計(jì)的重中之重。常見(jiàn)MAC協(xié)議，不管是固定分配類還是隨機(jī)競(jìng)爭(zhēng)類，都無(wú)法滿足高速飛行器自組織網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用場(chǎng)景需求。固定分配類接入?yún)f(xié)議，比如TDMA、FDMA、CDMA等，其協(xié)議穩(wěn)定性最高，可以保證節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)發(fā)送的公平性，但是協(xié)議平均傳輸時(shí)延較大、靈活性較低，不能很好地適應(yīng)高動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洵h(huán)境，且不支持可變節(jié)點(diǎn)密度，業(yè)務(wù)量較輕時(shí)信道利用率降低，用戶數(shù)量增多時(shí)無(wú)法利用其他用戶空閑的時(shí)隙資源為新用戶服務(wù)，從而不能很好地支撐網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模化發(fā)展；隨機(jī)競(jìng)爭(zhēng)類接入?yún)f(xié)議，比如ALOHA、CSMA、CSMA/CA等，其協(xié)議機(jī)制簡(jiǎn)單，但是碰撞概率很大、傳輸成功率較低，在業(yè)務(wù)量增多時(shí)會(huì)導(dǎo)致碰撞掉的數(shù)據(jù)不斷重傳，系統(tǒng)開(kāi)銷增大，無(wú)法滿足業(yè)務(wù)的QoS需求。

美軍新一代戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈(Tactical Targeting Network Technology, TTNT)聚焦實(shí)現(xiàn)對(duì)時(shí)敏目標(biāo)進(jìn)行精確打擊能力，其信道接入控制協(xié)議是統(tǒng)計(jì)優(yōu)先級(jí)多址接入?yún)f(xié)議(Statistical Priority-based Multiple Access, SPMA)，具備動(dòng)態(tài)快速組網(wǎng)、支持多個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)通信、支持多種優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)區(qū)分、保障高優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)低時(shí)延接入等能力[2]，可以很好滿足高速飛行器自組織網(wǎng)絡(luò)的QoS需求。本文在分析SPMA協(xié)議原理的基礎(chǔ)上，針對(duì)退避時(shí)間算法進(jìn)行研究和改進(jìn)，專利文獻(xiàn)[3-4]中提到利用退避時(shí)間窗口抑制低優(yōu)先級(jí)數(shù)據(jù)接入，但是沒(méi)有給出退避時(shí)間窗口的具體設(shè)置方式。文獻(xiàn)[1-2，5-8]在對(duì)SPMA協(xié)議進(jìn)行設(shè)計(jì)與仿真實(shí)現(xiàn)的同時(shí)，給出了退避時(shí)間算法方案，但并無(wú)最優(yōu)算法的定論，仍存在不足之處可以改進(jìn)。本文提出一種改進(jìn)型動(dòng)態(tài)自適應(yīng)退避時(shí)間算法，利用OPNET平臺(tái)對(duì)SPMA協(xié)議進(jìn)行系統(tǒng)建模與仿真分析，對(duì)比分析基于本算法和文獻(xiàn)[6]算法SPMA協(xié)議的吞吐量、丟包率和平均時(shí)延，以驗(yàn)證改進(jìn)算法對(duì)SPMA協(xié)議性能的影響效果。

1 高速飛行器自組織網(wǎng)絡(luò)

1.1 網(wǎng)絡(luò)組成

高速飛行器自組織網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)較多，根據(jù)實(shí)際任務(wù)場(chǎng)景，一般以任務(wù)集群的方式進(jìn)行分群協(xié)同工作：一定空間內(nèi)同一任務(wù)集合的多個(gè)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)組成一個(gè)集群，使用虛擬中心節(jié)點(diǎn)(群首)的方式構(gòu)建無(wú)線自組織網(wǎng)絡(luò)，支撐集群內(nèi)部各節(jié)點(diǎn)的接入、退出以及路由維護(hù)等功能，實(shí)現(xiàn)內(nèi)部組網(wǎng)和協(xié)同任務(wù)需求；大范圍間不同任務(wù)集合的移動(dòng)節(jié)點(diǎn)通過(guò)各自集群的群首構(gòu)建的無(wú)中心無(wú)線自組織網(wǎng)實(shí)現(xiàn)集群與集群之間的數(shù)據(jù)交流，完成任務(wù)對(duì)接、數(shù)據(jù)共享、敵我身份識(shí)別等任務(wù)。高速飛行器自組織網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)組成示意圖如圖1所示。

圖1 高速飛行器自組織網(wǎng)絡(luò)示意圖

1.2 協(xié)議棧架構(gòu)

參照TCP/IP經(jīng)典五層協(xié)議棧架構(gòu)，高速飛行器自組織網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧自下而上包括物理層、鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層和應(yīng)用層。其中，鏈路層又分為介質(zhì)接入控制(Media Access Control, MAC)子層和邏輯鏈路控制(Logic Link Control, LLC)子層。在遵循五層協(xié)議棧架構(gòu)以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)連通基本功能的同時(shí)，高速飛行器自組織網(wǎng)絡(luò)各層還應(yīng)融合“協(xié)議棧+QoS需求+安全需求”的模式[9]，如圖2所示。QoS需求是指網(wǎng)絡(luò)各層協(xié)議設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮有效性和可靠性要求，具體性能指標(biāo)包括優(yōu)先級(jí)區(qū)分、時(shí)延、丟包率、吞吐量等。安全需求是指網(wǎng)絡(luò)各層還需要采取安全措施以增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)抗干擾、抗截獲能力等。

圖2 高速飛行器自組織網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧架構(gòu)

1.2.1 物理層可靠傳輸

物理層負(fù)責(zé)完成數(shù)據(jù)比特流的可靠傳輸，負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量、收發(fā)同時(shí)、多收同時(shí)的信號(hào)接收解調(diào)糾錯(cuò)功能。為了滿足抗干擾、抗截獲、適應(yīng)高動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境需求，高速飛行器自組織網(wǎng)絡(luò)物理層采用寬帶編碼跳頻跳時(shí)信號(hào)體制。大塊的數(shù)據(jù)包被拆分成多個(gè)小塊數(shù)據(jù)包，分散到各個(gè)離散時(shí)間和離散頻率上進(jìn)行傳輸。為網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)節(jié)點(diǎn)分配獨(dú)特的跳頻跳時(shí)圖案實(shí)現(xiàn)多址接入，不但可以區(qū)分不同的節(jié)點(diǎn)，而且比簡(jiǎn)單的跳頻或者跳時(shí)技術(shù)具有更強(qiáng)的保密性、抗干擾性和抗截獲性。

1.2.2 鏈路層多址接入?yún)f(xié)議

鏈路層負(fù)責(zé)完成無(wú)線傳輸介質(zhì)的訪問(wèn)控制、沖突處理以及多節(jié)點(diǎn)間多址通信傳輸功能。高速飛行器自組織網(wǎng)絡(luò)要實(shí)現(xiàn)低時(shí)延可靠傳輸，需要采用適合的MAC協(xié)議，合理有效地分配信道資源，提高無(wú)線信道資源的使用效率和系統(tǒng)的容量，控制接入時(shí)延且避免擁塞。針對(duì)高速飛行器自組織網(wǎng)絡(luò)需求特點(diǎn)，采用SPMA接入?yún)f(xié)議，保證高優(yōu)先級(jí)信息時(shí)延最短，支持多個(gè)不同的優(yōu)先級(jí)和大量的用戶。SPMA協(xié)議基本原理如圖3所示，按照任務(wù)消息的輕重緩急將數(shù)據(jù)分為多個(gè)優(yōu)先級(jí)隊(duì)列，并為每個(gè)隊(duì)列預(yù)先設(shè)置相應(yīng)的門限閾值，通過(guò)比較優(yōu)先級(jí)門限閾值和當(dāng)前信道占用統(tǒng)計(jì)(Channel Occupancy Statistics, COS)值的大小，來(lái)決定數(shù)據(jù)分組是否立刻發(fā)送。如果某隊(duì)列的門限閾值大于當(dāng)前信道占用統(tǒng)計(jì)值，則該隊(duì)列數(shù)據(jù)分組立刻發(fā)送；如果該隊(duì)列的門限閾值小于信道占用統(tǒng)計(jì)值，則該隊(duì)列數(shù)據(jù)分組選擇退避一定時(shí)間后再次重復(fù)上述判據(jù)算法。通過(guò)這種機(jī)制，SPMA可以抑制較低優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)的傳輸，控制信道負(fù)載不會(huì)過(guò)載，以保證更為重要的較高優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)的低時(shí)延、高可靠傳輸。

圖3 SPMA協(xié)議的基本原理

1.2.3 網(wǎng)絡(luò)層路由協(xié)議

網(wǎng)絡(luò)層負(fù)責(zé)完成高速節(jié)點(diǎn)自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞木S護(hù)與優(yōu)化、信息傳輸路由尋址等功能。網(wǎng)絡(luò)層采用基于業(yè)務(wù)優(yōu)先級(jí)的低時(shí)延路由協(xié)議，用于實(shí)現(xiàn)高動(dòng)態(tài)環(huán)境下信息高可靠、低時(shí)延多跳傳輸。路由協(xié)議主要包括拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)模塊、路由算法模塊和分組轉(zhuǎn)發(fā)模塊。拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)模塊實(shí)時(shí)獲取高速飛行器自組織網(wǎng)絡(luò)當(dāng)前拓?fù)錉顟B(tài)，維護(hù)當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞姆€(wěn)定，構(gòu)建拓?fù)浔?，輸出給路由算法模塊；路由算法模塊根據(jù)拓?fù)浔?，?gòu)建出鏈路模型，并進(jìn)行最優(yōu)路由計(jì)算，生成路由表，輸出給分組轉(zhuǎn)發(fā)模塊；分組轉(zhuǎn)發(fā)模塊用于實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)分組的編址、尋址，轉(zhuǎn)發(fā)是按照優(yōu)先級(jí)高低依次讀取隊(duì)列數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)以實(shí)現(xiàn)優(yōu)先級(jí)任務(wù)區(qū)分。

1.2.4 傳輸層協(xié)議

傳輸控制協(xié)議(Transport Control Protocol, TCP)和用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議(User Data Protocol, UDP)是傳輸層最重要的兩種協(xié)議。TCP最大的特點(diǎn)是面向連接，數(shù)據(jù)傳輸之前，通過(guò)三次握手機(jī)制建立連接，即在正式數(shù)據(jù)傳輸之前源端和目的端就已有交互，這種機(jī)制大大提高了傳輸可靠性，但是帶來(lái)的缺點(diǎn)是時(shí)延較大。而UDP是面向非連接的傳輸協(xié)議，在數(shù)據(jù)傳輸之前不需要事先建立交互連接，這種簡(jiǎn)單的協(xié)議機(jī)制可靠性會(huì)相對(duì)較差，但是具有較好的低時(shí)延性能。

2 算法設(shè)計(jì)

通過(guò)分析SPMA協(xié)議原理，可以看出SPMA本質(zhì)上是一種退避機(jī)制，如圖4所示，如果某隊(duì)列的門限閾值小于信道占用統(tǒng)計(jì)，說(shuō)明此時(shí)信道負(fù)載存在過(guò)載，則系統(tǒng)調(diào)用退避算法執(zhí)行退避。退避時(shí)間和用戶在給定優(yōu)先級(jí)下的實(shí)際傳輸速率之間存在一定映射規(guī)則。每一個(gè)優(yōu)先級(jí)對(duì)應(yīng)一個(gè)允許的傳輸速率，單位是每秒脈沖數(shù)，當(dāng)信道負(fù)載增大時(shí)，最低優(yōu)先級(jí)的傳輸速率首先被限制，隨著信道負(fù)載逐漸增大，更高優(yōu)先級(jí)依次開(kāi)始執(zhí)行退避。

圖4 SPMA退避機(jī)制流程

2.1 現(xiàn)有退避時(shí)間算法

經(jīng)典的退避時(shí)間算法有二進(jìn)制指數(shù)退避算法(Binary Exponential Back-off, BEB)，CSMA/CA協(xié)議采用的就是這種退避時(shí)間算法。BEB算法的核心思想是設(shè)置一個(gè)退避時(shí)間窗口，每發(fā)生一次碰撞就將退避時(shí)間窗口長(zhǎng)度加倍。但BEB算法并不適用SPMA協(xié)議，有以下兩點(diǎn)原因：一是BEB算法認(rèn)為所有數(shù)據(jù)包地位平等，不能提供多種優(yōu)先級(jí)數(shù)據(jù)QoS差異化服務(wù)，這與SPMA基于優(yōu)先級(jí)統(tǒng)計(jì)的設(shè)計(jì)初衷不符；二是BEB算法當(dāng)退避結(jié)束后，會(huì)立刻嘗試接入信道發(fā)送數(shù)據(jù)包，而SPMA協(xié)議在退避時(shí)間結(jié)束后，需要物理層再次進(jìn)行信道占用統(tǒng)計(jì)，再次比較信道占用統(tǒng)計(jì)值和優(yōu)先級(jí)門限閾值的大小，決定此數(shù)據(jù)包是接入信道還是再次執(zhí)行退避。

文獻(xiàn)[5-7]給出的SPMA協(xié)議退避時(shí)間算法，都是根據(jù)優(yōu)先級(jí)等級(jí)確定退避時(shí)間。例如文獻(xiàn)[6]退避時(shí)間計(jì)算公式，如式(1)所示。

Tbackoff=random(Tupdate,Tupdate×(Priority+1))

(1)

式中：Tupdate表示信道占用統(tǒng)計(jì)周期；Priority表示優(yōu)先級(jí)，取值范圍[0,N-1]；random(x,y)表示生成一個(gè)區(qū)間[x,y]上的隨機(jī)數(shù)。

以優(yōu)先級(jí)等級(jí)作為自變量計(jì)算退避時(shí)間，可以使得不同優(yōu)先級(jí)數(shù)據(jù)包在執(zhí)行退避時(shí)采用差異化退避時(shí)間，但是，對(duì)于同等優(yōu)先級(jí)的數(shù)據(jù)包在執(zhí)行退避時(shí)僅僅采用隨機(jī)退避時(shí)間，并沒(méi)有考慮當(dāng)前信道負(fù)載狀態(tài)，顯然這樣設(shè)計(jì)是存在不足的。

2.2 自適應(yīng)退避時(shí)間算法

本文綜合考慮SPMA協(xié)議中三個(gè)重要參數(shù)：優(yōu)先級(jí)等級(jí)Priority、信道占用統(tǒng)計(jì)COS和優(yōu)先級(jí)門限閾值Threshold為自變量，設(shè)計(jì)了一種動(dòng)態(tài)自適應(yīng)退避時(shí)間算法，具體算法設(shè)計(jì)如下：

假設(shè)共有N個(gè)優(yōu)先級(jí)隊(duì)列：0～N-1，0代表最高優(yōu)先級(jí)，N-1代表最低優(yōu)先級(jí)，優(yōu)先級(jí)i隊(duì)列的門限閾值為Thi(0≤i≤N-1)。當(dāng)COS

(2)

式中:α和β為系數(shù)，根據(jù)具體網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景而定；Priority為優(yōu)先級(jí)等級(jí)，取值范圍[0,N-1]；COS為信道占用統(tǒng)計(jì)，由物理層統(tǒng)計(jì)得到；Thi為優(yōu)先級(jí)i隊(duì)列的門限閾值。

門限閾值的設(shè)置直接決定了數(shù)據(jù)包是否能夠立刻發(fā)出，門限閾值設(shè)置得過(guò)高，會(huì)造成信道負(fù)載過(guò)大，信道碰撞概率加大；門限閾值設(shè)置得過(guò)低，數(shù)據(jù)被過(guò)分抑制無(wú)法傳輸。一個(gè)基本設(shè)置原則是高優(yōu)先級(jí)隊(duì)列的門限閾值在數(shù)值上應(yīng)該高于低優(yōu)先級(jí)隊(duì)列的門限閾值。本文采用先設(shè)置最低優(yōu)先級(jí)門限閾值、然后依次推算其他較高優(yōu)先級(jí)門限閾值的方法。最低優(yōu)先級(jí)門限閾值ThN-1的設(shè)置，采用所有數(shù)據(jù)分組隨到隨發(fā)，隨著信道負(fù)載逐漸增大，當(dāng)丟包率增至1%時(shí)，此時(shí)對(duì)應(yīng)的信道占用統(tǒng)計(jì)為20%，將這個(gè)值作為ThN-1，其他門限閾值的遞推如式(3)所示，其中rj代表優(yōu)先級(jí)j隊(duì)列的業(yè)務(wù)量占比。

(3)

式(2)中系數(shù)α和β用來(lái)調(diào)節(jié)退避時(shí)間的靈敏度，α和β的取值不僅影響退避時(shí)間的大小，同時(shí)影響退避時(shí)間的變化率。如果取值偏大，帶來(lái)退避時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，尤其低優(yōu)先級(jí)數(shù)據(jù)分組會(huì)一直退避，始終無(wú)法發(fā)送，造成“饑餓”問(wèn)題；如果取值偏小，帶來(lái)退避時(shí)間過(guò)短，不能有效抑制信道負(fù)載，且不同優(yōu)先級(jí)數(shù)據(jù)分組在相同COS情況下的退避時(shí)間差距也會(huì)減少，退避效果變差，碰撞概率增加。

本文設(shè)計(jì)SPMA協(xié)議共有0-3四種優(yōu)先級(jí)，0表示最高優(yōu)先級(jí)。當(dāng)四種優(yōu)先級(jí)的業(yè)務(wù)量占比為1∶1∶1∶1時(shí)，由式(3)可得四種優(yōu)先級(jí)門限閾值分別為Th0=80、Th1=40、Th2=27和Th3=20。通過(guò)多次實(shí)驗(yàn)測(cè)試，取α=0.01和β=0.04時(shí)，可以取得較好的仿真效果。式(2)對(duì)應(yīng)的函數(shù)曲線如圖5所示。

圖5 自適應(yīng)退避時(shí)間算法函數(shù)曲線

門限閾值決定了四種優(yōu)先級(jí)曲線開(kāi)始退避的起點(diǎn)，系數(shù)α和β影響函數(shù)曲線的斜率和曲率。四條曲線從左到右分別對(duì)應(yīng)優(yōu)先級(jí)3、優(yōu)先級(jí)2、優(yōu)先級(jí)1和優(yōu)先級(jí)0的退避時(shí)間隨信道占用統(tǒng)計(jì)COS值的變化情況。當(dāng)信道負(fù)載逐漸增大至20%時(shí)，低優(yōu)先級(jí)3數(shù)據(jù)包開(kāi)始執(zhí)行退避，隨著信道負(fù)載繼續(xù)增大，優(yōu)先級(jí)2、優(yōu)先級(jí)1、優(yōu)先級(jí)0依次開(kāi)始執(zhí)行退避，優(yōu)先級(jí)等級(jí)越高的數(shù)據(jù)，退避時(shí)間相應(yīng)越小，因此可以保障高優(yōu)先級(jí)分組以更高概率接入信道。觀察四條曲線均為單調(diào)遞增函數(shù)，信道負(fù)載越大時(shí)執(zhí)行退避時(shí)間越大，且四條曲線隨著COS值越大對(duì)應(yīng)的曲線斜率越大，即信道負(fù)載越大時(shí)執(zhí)行退避時(shí)間的增速也越大。

3 建模與仿真

3.1 協(xié)議棧建模

SPMA專利文獻(xiàn)[3]中提到，為了保證最弱的信號(hào)也可以達(dá)到低于1%的PER，系統(tǒng)應(yīng)該提供1個(gè)發(fā)送信道和4個(gè)接收信道。本文利用OPNET仿真平臺(tái)搭建節(jié)點(diǎn)協(xié)議棧模型如圖6所示，協(xié)議使用SPMA作為接入層協(xié)議，SPMA接入模塊在發(fā)送方連接一套發(fā)信機(jī)模塊負(fù)責(zé)發(fā)送報(bào)文，在接收方連接4套收信機(jī)模塊，每套收信機(jī)模塊對(duì)應(yīng)一個(gè)無(wú)線信道，且每套收信機(jī)模塊均分別有兩條狀態(tài)統(tǒng)計(jì)線，連接至SPMA接入模塊，用以統(tǒng)計(jì)信道占用率和信道閑忙狀態(tài)，天線模塊用于模擬全向天線。同時(shí)，使用與SPMA接入?yún)f(xié)議配套的SPMA通信業(yè)務(wù)模型，該業(yè)務(wù)模型用于產(chǎn)生和收發(fā)不同有限等級(jí)的優(yōu)先級(jí)的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)報(bào)文，這些業(yè)務(wù)報(bào)文將在SPMA接入層按照業(yè)務(wù)類型分類發(fā)送，從而確保高優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性和傳輸成功率。

圖6 協(xié)議棧模型

Application應(yīng)用層模塊，負(fù)責(zé)生成不同優(yōu)先級(jí)的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)；TCP、UDP傳輸層模塊，提供端到端可靠傳輸和快速報(bào)文轉(zhuǎn)發(fā)；IP模塊，支持IP分組的存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)、路由建立和路由選擇；ARP模塊，支持接口IP地址與MAC地址間的查詢和地址映射轉(zhuǎn)換；MAC模塊，采用SPMA協(xié)議執(zhí)行無(wú)線信道的接入控制機(jī)制，根據(jù)信道的占用情況決策上層業(yè)務(wù)類型的轉(zhuǎn)發(fā)服務(wù)；無(wú)線收發(fā)信機(jī)模塊，計(jì)算節(jié)點(diǎn)發(fā)射和接收無(wú)線信號(hào)的一系列參數(shù)指標(biāo)，可以設(shè)置發(fā)射速率、頻段、功率、調(diào)制編碼方式等；天線模塊，負(fù)責(zé)模擬節(jié)點(diǎn)的射頻全向天線，能夠根據(jù)信號(hào)的傳輸距離計(jì)算電磁波在自由空間的衰減程度以及天線增益大小，從而為收信機(jī)模塊提供接收信噪比的計(jì)算依據(jù)。

3.2 網(wǎng)絡(luò)參數(shù)配置

網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景由3組集群組成，每組集群內(nèi)包含4個(gè)節(jié)點(diǎn)，全網(wǎng)共12個(gè)高速飛行器節(jié)點(diǎn)。集群內(nèi)節(jié)點(diǎn)間兩兩間距約為12 km左右，集群間的距離相隔60 km左右。該場(chǎng)景為每個(gè)節(jié)點(diǎn)關(guān)聯(lián)設(shè)置了一條移動(dòng)飛行軌跡，描述高速飛行器的全程飛行過(guò)程。所有節(jié)點(diǎn)以廣播的方式發(fā)送數(shù)據(jù)，周期性產(chǎn)生0-3四種優(yōu)先級(jí)的通信業(yè)務(wù)，0表示最高優(yōu)先級(jí)，四種優(yōu)先級(jí)的數(shù)據(jù)包到達(dá)均服從泊松分布且獨(dú)立同分布，具體的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)配置如表1所示。

表1 網(wǎng)絡(luò)參數(shù)配置

3.3 仿真結(jié)果分析

本仿真對(duì)基于自適應(yīng)退避時(shí)間算法和文獻(xiàn)[6]退避時(shí)間算法的協(xié)議性能進(jìn)行對(duì)比，通過(guò)改變發(fā)包間隔時(shí)間模擬網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)量變化，運(yùn)行多次仿真觀察兩種算法下SPMA協(xié)議的吞吐量、丟包率和平均時(shí)延三項(xiàng)性能指標(biāo)的變化情況。

圖7為網(wǎng)絡(luò)吞吐量隨業(yè)務(wù)量變化曲線，可以看出，隨著業(yè)務(wù)量不斷加大，網(wǎng)絡(luò)吞吐量也隨之不斷增大，當(dāng)業(yè)務(wù)量達(dá)到7 Mbit/s時(shí)，吞吐量不再繼續(xù)增大而是逐漸趨于一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)，說(shuō)明SPMA協(xié)議在業(yè)務(wù)量增大時(shí)能夠及時(shí)退避低優(yōu)先級(jí)分組，使網(wǎng)絡(luò)吞吐量保持穩(wěn)定。但對(duì)比發(fā)現(xiàn)，自適應(yīng)退避時(shí)間算法可以使網(wǎng)絡(luò)吞吐量穩(wěn)定于飽和值，大約為6.65 Mbit/s，而原退避時(shí)間算法達(dá)到的最大吞吐量低于這個(gè)飽和值，且有明顯波動(dòng)，說(shuō)明改進(jìn)算法可以通過(guò)對(duì)退避時(shí)間的動(dòng)態(tài)自適應(yīng)調(diào)整，進(jìn)一步優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)流量，使吞吐量性能表現(xiàn)更優(yōu)。

圖7 吞吐量隨業(yè)務(wù)量變化曲線

圖8為四種優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)的丟包率隨業(yè)務(wù)量變化曲線?？梢钥闯?，四種優(yōu)先級(jí)丟包率隨著業(yè)務(wù)量的增大均呈現(xiàn)逐漸上升的趨勢(shì)，且優(yōu)先級(jí)越低數(shù)據(jù)包的丟包率上升得越快，性能惡化越嚴(yán)重，而最高等級(jí)優(yōu)先級(jí)0業(yè)務(wù)的丟包率是最低的，且增幅最為緩慢，說(shuō)明SPMA 協(xié)議可以實(shí)現(xiàn)不同優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)差異化服務(wù)，高優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)的丟包率低于低優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)的丟包率。但是對(duì)比兩種算法曲線，本文算法優(yōu)先級(jí)0和優(yōu)先級(jí)1業(yè)務(wù)的丟包率較原算法更低，而本文算法優(yōu)先級(jí)2和優(yōu)先級(jí)3業(yè)務(wù)的丟包率較原算法有所增大，原算法優(yōu)先級(jí)0業(yè)務(wù)丟包率在業(yè)務(wù)量超過(guò)6 Mbit/s之后會(huì)有小幅上漲，業(yè)務(wù)量達(dá)到9 Mbit/s時(shí)對(duì)應(yīng)的優(yōu)先級(jí)0業(yè)務(wù)丟包率大約為5%，而本文算法優(yōu)先級(jí)0業(yè)務(wù)丟包率始終低于1%，說(shuō)明本文算法可以更有效地抑制低優(yōu)先級(jí)分組接入信道，更好地控制信道負(fù)載狀況，保障高優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)的高可靠傳輸。

圖8 丟包率隨業(yè)務(wù)量變化曲線

圖9為四種優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)的平均時(shí)延隨業(yè)務(wù)量變化曲線?？梢钥闯?，各個(gè)優(yōu)先級(jí)數(shù)據(jù)包的平均時(shí)延隨著網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)量的增大均呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，且優(yōu)先級(jí)越低平均時(shí)延越大，說(shuō)明SPMA 協(xié)議對(duì)不同優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)做時(shí)延差異化處理。但是對(duì)比兩種算法曲線，本文算法優(yōu)先級(jí)0和優(yōu)先級(jí)1業(yè)務(wù)平均時(shí)延較原算法更低，而本文算法優(yōu)先級(jí)2和優(yōu)先級(jí)3業(yè)務(wù)平均時(shí)延較原算法均有所增大，原算法優(yōu)先級(jí)0業(yè)務(wù)丟包率隨著業(yè)務(wù)量加大會(huì)出現(xiàn)一定幅度上漲，當(dāng)業(yè)務(wù)量達(dá)到9 Mbit/s時(shí)原算法優(yōu)先級(jí)0業(yè)務(wù)平均時(shí)延大約為17 ms，而本文算法優(yōu)先級(jí)0業(yè)務(wù)平均時(shí)延始終低于2 ms。說(shuō)明自適應(yīng)退避時(shí)間算法通過(guò)動(dòng)態(tài)調(diào)整退避時(shí)間，起到了更好的退避效果，進(jìn)一步優(yōu)化各優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)的接入時(shí)延，保障高優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)的低時(shí)延傳輸。

圖9 平均時(shí)延隨業(yè)務(wù)量變化曲線

4 結(jié) 語(yǔ)

SPMA協(xié)議具備動(dòng)態(tài)快速組網(wǎng)、支持多種優(yōu)先級(jí)任務(wù)區(qū)分、保障高優(yōu)先級(jí)任務(wù)低時(shí)延接入等能力，可以很好滿足高速飛行器自組織網(wǎng)絡(luò)的QoS需求。SPMA協(xié)議退避時(shí)間是當(dāng)信道負(fù)載超載時(shí)控制各個(gè)優(yōu)先級(jí)接入信道的參數(shù)，直接決定著網(wǎng)絡(luò)吞吐量性能。本文針對(duì)高速飛行器自組織網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景，結(jié)合相關(guān)專利對(duì)SPMA協(xié)議進(jìn)行設(shè)計(jì)，著重任務(wù)優(yōu)先級(jí)差異化服務(wù)需求，并針對(duì)現(xiàn)有退避時(shí)間算法不足，提出一種自適應(yīng)退避時(shí)間算法，可以根據(jù)優(yōu)先級(jí)等級(jí)、門限閾值和信道占用統(tǒng)計(jì)三個(gè)參數(shù)動(dòng)態(tài)調(diào)整退避時(shí)間以達(dá)到更好的退避效果。仿真結(jié)果表明，本文設(shè)計(jì)的SPMA協(xié)議可以實(shí)現(xiàn)多種優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)差異化服務(wù)，改進(jìn)的退避時(shí)間算法在業(yè)務(wù)量不斷增大時(shí)能夠更好地維持網(wǎng)絡(luò)吞吐量性能，保證高優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)的高QoS傳輸。