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摘要 空中高速移动自组织网络中的节点具有很快的移动速度，通信链路在很短时 间内容易失效，网络拓扑变化非常快。传统的自组织网络m a c 协议很难满足这种 高速移动的自组织网络。 文章根据空中高速移动自组织网络的特点，提出了一个新的基于网络拓扑预 测的p d c t d m a 协议算法，该算法根据节点间交互的控制信息，在数据分组业务 发送时根据预测到的网络拓扑进行数据发送，能够减少网络中的丢包率。 本文以空中高速移动自组织网络为背景，运用了0 p n e t 仿真软件建立空中高 速移动自组织网络的仿真模型。在该模型下针对不同的移动速度，不同的网络负 载等进行了网络仿真。仿真结果表明，与没有采用预测的t d m a 协议相比， p d c t d m a 协议能够有效的减少网络中的丢包率，提高网络的吞吐量。 关键字：自组织m a c网络拓扑预测高速移动性时分多址 a b s t r a c t n o d e si na e r i a o n a u t i c a lh i g h - s p e e dm o b i l es e l f - o r g a n i z e dn e t w o r k sm o v ef a s t ， s ot h en e t w o r kt o p o l o g yc h a n g e sq u i c k l ya n dc o m m u n i c a t i o nl i n k sc a nb ei n v a l i di na v e r ys h o r tt i m e t h em a cp r o t o c o lo f t r a d i t i o n a ls e l f o r g a n i z e dn e t w o r ki sh a r dt od e a l 、们t 1 1t h e s ep r o b l e m s c o n s i d e r i n gt h ef e a t u r e s o fh i 曲一s p e e dm o b i l es e l f - o r g a n i z e dn e t w o r k s ，t h i s p a p e rp r o p o s e dan e wp r o t o c o la l g o r i t h mp d c t d m ab a s e do nn e t w o r kt o p o l o g y p r e d i c t i o n i nt h i sa l g o r i t h m ，d a t ai st r a n s m i t t e da c c o r d i n gt ot h ep r e d i c t e dn e t w o r k t o p o l o g yw h i c hi so b t a i n e db yt h ec o n t r o li n f o r m a t i o ni n t e r a c t e da m o n gn o d e s t h u s ， t h ep a c k e tl o s sp r o b a b i l i t yi sd e c r e a s e d t h ea e r i a lh i g h - s p e e dm o b i l es e l f - o r g a n i z e dn e t w o r ks i m u l a t i o nm o d e li sb u i l ti n o p n e t ，a n ds c e n a r i o s 谢md i f f e r e n tm o v e m e n ts p e e dn e t w o r kl o a da r es t u d i e d t h e s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tp d c - t d m ap r o t o c o lc a nd e c r e a s ep a c k e tl o s sp r o b a b i l i t y a n di n c r e a s e t h r o u g h p u te f t e c t i v e l yc o m p a r i n gt o t h et d m ap r o t o c o lw i t h o u t p r e d i c t i o n k e yw o r d s ：s e l f - o r g a n i z e dm a cn e t w o r kt o p o l o g yp r e d i c t i o nh i g h - s p e e d m o b i l et d m 队 第一章绪论 第一章绪论 l - 1 自组织网络 2 0 世纪中期，随着移动通信技术和计算机网络技术的飞速发展，移动自组织 网络【1 1 逐渐成为人们研究的热点。 1 1 1 自组织网络的基本特点 移动自组织网络是移动通信和计算机网络技术相结合的一种分布式多跳网 络，是一组带有无线发射机和接收机的移动节点组成的种无线移动通信网络， 它的原型是美国在2 0 世纪中期建立的a l o h a 网络和p r ( p a c k e tr a d i o ) 网络。 和传统的网络相比，移动自组织网络具有以下的几个特点： ( 1 ) 网络结构临时性。当一组具有收发装置的节点聚集到一起，就可以临时 地组成一个自组织网络，尤需预先的规划和预先建殴的基础改施。 ( 2 ) 网络的动态拓扑变化比较快。由于自组织网络中的节点可以以任意的速 度和方向移动，加上无线信道易受到干扰而导致的信号不稳定性，节点之间的网 络拓扑很容易发生变化。 ( 3 ) 多跳的网络特性。由于受到无线通信距离的影响，自组织网络内的节点 往往需要借助于其他节点进行中继才能实现远距离的通信，这样就形成了多跳的 通信路径。 ( 4 ) 分布式控制。由于自组织网络中没有中心节点，只能采用基于分布式的 控制方式来完成节点之间的通信。 ( 5 ) 链路带宽和能量受限。自组织网由于采用无线传输的通信方式，同时由 于无线传输过程中信号容易受到各种干扰，导致自组织网的带宽比起有线传输的 带宽要低很多。自组织网络的移动节点一般依赖于电池提供能量，在电池容量受 限的情况下，降低移动节点的发送功率以节省能量在移动自组织网络中也是一个 需要考虑的重要问题。 ( 6 ) 网络安全性有限。自组织网络由于采用非集中式控制、无中心网络节点 和网络的临时性等原因，它比一般的无线网络更容易受到来自安全方而的威胁。 2 空中高速自组织网络m a c 协议 1 1 2 自组织网络的发展及应用 由于无线移动自组织网络具有分布式、无中心、节点可移动、自组织等技术 特点，使它具有可以快速临时组网、系统抗毁性强、无需建设网络基础设施等优 点。但是自组织网络节点有限的处理和存储能力及节点有限的能量等特点，又限 制了它的应用场合。目前，自组织网络可能的应用领域包括军事通信、灾后紧急 救援、无线传感器网络、局域网和个域网、车辆通信与蜂窝系统结合等。 p r n e t t 2 ( p a c k e tr a d i on e t w o r k ) 是美国国防部d a r p a 资助的第一个自组 网试验系统，其目的是探讨将分组交换和存储转发技术应用到无线通信领域以实 现计算机的无线移动通信的可行性。 n t d r 3 l ( n e a rt e r md i g i t a lr a d i o ) 是美军用于在移动无线环境下支持口数据 业务的战术无线电台，美军将其用于为实现旅或旅以下战术作战中心t o c ( t a c f i c a l o p e r a t i o n sc e n t e r ) 之间的骨干无线电台，n t d r 电台可以自动组织为一个动态的 两层网络。在该网络中，电台分成若干个群，每个群由一个群首和若干成员组成， 各个群的群首构成骨干网，结构如图1 1 所示： 伞斗 l r i i i i l i i i i i 群首节点 o 普通节点 图1 1n t d r 网络结构图 w i n g s 4 1 是美国国防部d a r p a 设立的g l o m o 计划中的一个项目，由美国加 州大学圣克鲁兹工程学院计算机工程系计算机通信研究小组与美国r o o f t o p 通信 公司共同开发，开始于1 9 9 6 年，结束于2 0 0 0 年。项目的主要目标是将无线移动 自组织网与多媒体英特网无缝结合。 自组织网在蜂窝移动通信系统中的研究包括o d m a 、a - g s m 和s o p 鼬蝌o 第一章绪论 等。 o d m a 5 】( o p p o r t u n i t yd r i v e nm u l t i p l ea c c e s s ) 是在第三代移动通信系统中引 入自组织网的一种尝试。它是在3 g p pt r 2 5 9 2 4 提出的在u t r at d d 模式中支持 移动中继的一种方式。它的主要目标是增加系统容量和提高小区边界处无线传输 的有效性。 a g s m * 1 是英国萨里大学通信系统研究中心的g e o r g en e o n a k i sa g g e l o u 等人 于2 0 0 1 年发表在i e e e 的个人通信上的一篇为“下一代g s m 蜂窝网中继能力 研究 的论文中提出的。这篇论文是由英国l u c e n t 技术公司资助的一个项目的研 究成果。 s o p r a n o 7 l ( s e l f - o r g a n i z i n gp a c k e tr a d i oa d h o cn e t w o r k sw i t ho v e r l a y ) 是乔 治梅森大学由美国自然科学基金资助的一个项目。该项目从2 0 0 2 年开始，其目 的在于研究一种面向未来的自适应和可扩展的新无线网结构。他们试图将蜂窝网 和分组无线网( 自组织网) 相结合，提出一种新的无线网络结构一分组多跳无线 网，以提供无线英特网和多媒体服务。他们希望这种结构能够迅速地适应业务、 信道和干扰的变化，通过明显降低发送功率最终使网络的吞吐量得到较大改善。 该项目同时还研究物理层、m a c 和网络层的新技术以及它们之间的相互协作，力 图能够获得殳人的系统容量和史好地保障业务的q o s 。 1 2 空中高速自组织网络 1 2 1 空中高速自组织网络特点 空中高速自组织网络中的移动节点一般由飞行器构成，具有很高的运动速度。 普通的民航客机的飞行速度一般在音速( 1 音速= 3 4 0 m s ) 左右，用于军事用途的 飞行器的飞行速度更高，可达3 5 倍音速。而且随着科技技术的飞速发展，未来的 飞行器运动速度可能达到更高。这种高速运动造成了空中高速自组织网络具有其 自身的独特性。 空中高速自组织网络与传统的自组织网络相比，具有以下几个特点： ( 1 ) 分群的结构。由于空中高速自组织网络中节点运动具有群组的特点，采 用分群的结构可以实现最有效的控制和最方便的管理办法。在采用分群的结构中， 每个群包含一个群首节点和一个备用群首节点，当群首节点故障时，启用备份群 首节点，提高网络的抗毁性和网络的健壮性。 ( 2 ) 网络拓扑高动态性。由于空中高速自组织网络中的节点具有很高的移动 速度，导致通信链路频繁失效。应用于军事领域的空中高速自组织网络，由于飞 行节点容易受到来自敌方的攻击而毁灭，这也将导致网络的拓扑变化很快。 4 空中高速自组织网络m a c 协议 ( 3 ) 节点分布范围广。在空中高速自组织网络中，由于应用场景比较大，网 络中节点数目比较少，导致网络中节点密度比较小，可能会出现网络连通性受限 的情况。 ( 4 ) 信道不稳定。空中高速自组织网络中节点由于其高速运动的特性，除了 受到传统的无线信道各种干扰之外，信道质量还受到多普勒频移的影响。 ( 5 ) 节点差异性。空中高速自组织网络中节点包含很多不同的通信节点类型， 如飞机、地面中继站、中继卫星、以及临近空间平台等，这些通信节点的通信功 能方面存在很大差异。 ( 6 ) 网络安全性。尤其是在应用于军事领域的空中高速自组织网络，更容易 受到来自敌方的恶意攻击，对安全性更加敏感。 1 2 2 空中高速自组织网络发展与应用 目前空中高速自组织网络的应用按照应用场合分为两个方面，军事领域和民 用领域。 军事领域一方面用来提高军事航空通信系统的抗毁性，在战场上，当节点遭 受敌方破坏，空巾高速自组织网络可以利用 】组织网络的 - 1 愈性快速建立新的路 由，最大限度的保证了网络的连通性，降低了对地面站的依赖程度。另一方面用 来支持战机编队之间的协同作战，空中高速自组织网络可以使多个飞行编队连接 成一个整体，快速交换战场各种信息，实现整体协同作战，使各个作战单元能够 发挥出最大的战术效果。 民用领域一方面可以通过多跳中继的方式为空中旅客接入i n t e m e t 服务。另一 方面可以为空中管制提供技术支持，未来的航空通信是要能保证飞机在空中自由 飞行，通过空中高速自组织网络间各节点的信息交互，有利于实现飞机的自由飞 行。 目前，世界各国对空中高速自组织网络都展开了广泛的研究。 m i n u t e m a n 8 】( m u l t i m e d i ai n t e l l i g e n tn e t w o r ko fu n a t t e n d e dm o b l i l ea g e n t s ) 是 在美国海军研究办公室的资助下开展的一个项目。该项目于2 0 0 2 年开始，主要针 对未来海军作战的需要，将来自地面站、海上和空中的实时信息和传感器数据有 效的结合在一起，组建一个海陆空一体化作战体系的m a n e t 网络。m i n u t e m a n 是一个采用基于分层的分布式网络架构，如图1 2 所示。m i n u t e m a n 采用两层的网 络结构，网络中若干个具有相似移动特性的节点组成群，每个群有若干个骨干节 点，骨干节点构成m i n u t e m a n 网络的移动骨干网m b n ( m o b i l eb a c k b o n en e t w o r k ) ， 其他非骨干节点构成了m i n u t e m a n 网络中骨干节点的本地接入网l a n ( l o c a l a c c e s sn e t w o r k ) 。 第一章绪论 5 图1 2m i n u t e m a n 网络体系结构 订n t 【9 j ( t a c t i c a lt a r g e t i n g n e t w o r kt e c h n o l o g y ) 是在美国国防部和空军研究 实验室资助下开展的一个项目，该项目由罗克威尔柯林斯( r o c k w e l lc o l l i n s ) 公司于2 0 0 1 年开始研发至今，属于美国提出的未来网络中心站n c w ( n e t - c e n t r i c w a r f a c e ) 体系中的一支。”附t 是一个快速、动态的专用自组织网，它以i p ( i n t e m e t p r o t o c 0 1 ) 为基础，具有高速、动态和带宽大的特点，t 1 n t 能够为1 8 5 k m 范围内的 2 0 0 个节点之间数据传输提供支持，全系统的数据传输速率高达1 0 m b s ，单个平 台数据传输速率最高可达2 m b s 。t 1 n t 使用实时的数字化通信设备将窄中和地面 的作战单元紧密的联系在一起，可以更快、更精确的对敌方单位进行定位、瞄准，j 和打击，为网络中心战的最大效能提供网络化的支持。t n t 在n c w 体系中的应 用如图1 3 所示。 一夺邪飘僭鼹卷黟器辑磊蜒c s l ) s a s 烛灭馕连编“埘3 i j 0 i 二lf 睫兜拖咆缓翩s r w i 堆譬轴| 撕竣赍憾蟪坟燎f o r c l 融 。 图1 1 3 美国国防部提出的n c w 体系 n e w s k y i n o l ( n e t w o r k i n gt h es k yf o ra e r o n a u t i c a lc o m m u n i c a t i o n ) 项目是由欧盟 4 国联合开发的航空通信项目，该项目致力于全球范围内航空通信系统的互联。互 联的通信系统包括地面网络、机场通信系统、飞机m a n e t ( m o b i l ea d h o cn e t w o r k ) 6 空中高速自组织网络m a c 协议 网络和卫星网络等。该项目的网络体系架构如图1 - 4 所示： 撬场瘫蓐缝麟嘲翁遣德 图1 4n e w s k y 网络体系架构 1 3 选题的目的和意义 当前空中高速自组织网络的研究热点主要包括组网可行性与网络连通性、网 络的移动模型、分群算法、m a c 协议和路由协议。如何让用户更高效更合理的使 用有限的无线信道资源是m a c 层接入协议所要解决的问题，也是空中高速自组织 网络的关键技术之一，它直接影响了整个网络的性能。由于空中高速自组织网络 的高速移动性、分布式控制和无中心节点等特点，m a c 接入协议的设计极具挑战 性。 空中高速自组织网络不同于其他自组织网络的另一个重要特性在于网络的抗 干扰性，t d m a 协议由于其低截获性和抗干扰性在空中高速自组织网络研究中得 到广泛的应用。t d m a 协议作为一种多址接入的方式，关键问题在于时隙的分配， 时隙分配的合理与否直接影响到网络的性能。而在空中高速自组织网络中应用 t d m a 多址接入协议不仅仅要考虑到时隙的分配问题，还需要考虑到空中高速自 组织网络中节点高速移动性所带来的问题。高速移动性带来的通信链路频繁失效 也是空中高速自组织网络m a c 协议必须要解决的问题之一。 本文主要从空中高速自组织网络高速移动性带来的通信链路频繁失效问题出 发，根据节点的运动速度和位置对网络拓扑进行预测，同时根据节点不同位置和 第一章绪论 7 不同功能定义不同的优先级，创新性地提出了一种基于预测的p d c t d m a 算法， 最后对算法进行了仿真验证。 1 4 本文的主要内容以及安排 本文的内容主要安排如下： 第一章是绪论，主要介绍了移动自组织网络的基本特点、发展以及应用。着 重分析了空中高速自组织网络的特点以及研究的目的以及意义。 第二章介绍了空中高速自组织网络m a c 协议设计的要求以及相关关键技术， 对现有的协议进行了简单的分析。 第三章详细的分析了本文设计的适合空中高速自组织网络的p d c t d m a 协 议，分析并给出了协议的组网、入网、同步、时隙分配、拓扑预测等详细方案。 第四章介绍了利用o p n e t 建立空中高速自组织网络仿真模型，并针对不同的 情况进行了仿真分析和总结。 8 空中高速自组织网络m a c 协议 第二章空中高速自组织网络m a c 协议综述 9 第二章空中高速自组织网络m a c 协议综述 2 i 自组织网络m a c 协议概述 如何解决网络中多个用户合理、高效地共享无线信道资源这一问题，即m a c ( m e d i aa c c e s sc o n t r 0 1 ) 技术的设计是自组织网络中关键技术之一。m a c 协议的 好坏直接影响到网络的吞吐量、时延等性能指标。 在自组织网络中，根据节点获得信道的方式分类，自组织网络m a c 协议可以 分为如下几类： ( 1 ) 固定分配方式。固定分配方式是利用t d m c d m 斛d m a 等多址方式 将无线信道分为若干个子信道，预先为网络中所有的用户指定分配好一定数量的 子信道，用户在分配好的子信道中进行数据的发送和接收。显然，这种分配方式 无法对具体的环境和业务变化进行自适应调整，是一种效率较低的接入方式，只 适用于特定的场合或者和其他接入技术进行结合使用。 ( 2 ) 随机接入方式。随机接入分配方式是当前自组织网络使用较多的接入信 道技术，它起源于最早的无线数据通信协议a l o h a 和c s m a 协议。在随机接入 分配方式中，用户可以根据自己的业务需求，发送信息进行信道资源的抢占并通 知网络中其他用户不能使用该信道资源。显然，当网络中多个用户同时有信息要 发送时就会造成发送时的冲突，造成干扰导致网络的性能下降。一种解决冲突的 办法通常是为网络中的用户引入随机发送机制和a c k 确认机制，使得冲突的概率 降低。 ( 3 ) 轮替接入方式。轮替接入方式分为两种类型：令牌传递方式和轮询方式。 令牌传递方式是一种分布式的轮询方式，它把网络中的节点临时组成一个环状的 拓扑，依次传递令牌，控制网络中节点的信道接入。轮询方式是网络中的主节点 或者a p ( a c c e s sp o i n t ) 依次轮询其它节点，控制节点的信道使用。 按照网络是同步网络还是异步网络，自组织网络m a c 协议可以分为以下两 类： ( 1 ) 同步m a c 协议。同步m a c 协议应用于同步网络，同步网络指的是网 络中的所有节点遵守同一个时隙划分的标准，时隙的长度和起点相同。同步m a c 协议将无线信道资源按照时隙进行划分，将不同的时隙分配给网络中的不同用户 使用。同步m a c 协议易于支持资源预留和节省功率，网络性能比较好。但是在有 些场合下，网络中节点的同步比较困难。 1 0 空中高速自组织网络m a c 协议 ( 2 ) 异步m a c 协议。异步m a c 协议应用于异步网络，网络中的每个节点 都有自己的时间标准，一般来说不划分为时隙，即使划分时隙并且时隙等长，其 时间起点也不一定相同。异步m a c 协议可以灵活地根据数据分组信息的大小为节 点申请信道资源，而不用受到时隙大小的约束。这种方式对突发的数据业务能提 供较好的支持，但是对实时业务的支持比较困难。 2 2 影响自组织网络m a c 协议性能的主要因素 2 2 1 自组织网络m a c 协议设计要求 由于自组织网络是一种采用分布式控制的网络，m a c 协议问题的产生在于多 个节点共享同样的无线信道资源。如图2 1 所示，当位于同一地理位置的网络节点 图2 1 多个节点兴享无线信道 发送信号时，会形成相互干扰，导致信号无法被正确接收。因此，需要一种合理 合理的控制机制来分配信道资源，减小和避免数据业务分组冲突。同时，由于无 线信道资源十分的宝贵，要求设计的m a c 协议能够充分高效地利用信道资源。当 网络中多个节点比另外的一些节点占用过多的资源情况下，造成了信道资源使用 的不公平性，这个要求我们设计的m a c 协议应当能够保证信道被节点合理公平地 使用。处于较远的地理区域的节点，由于通信节点之间的距离比较远，可以同时 通过信道进行数据业务传输而不会造成干扰，这个就是信道的空间复用性。如何 充分的利用信道资源和空间复用性，使得更多的通信节点能够同时使用信道资源 也是设计m a c 协议所需要考虑的问题。当前的自组织网络的业务种类越来越多， 不同的业务的q o s ( q u a l i t yo f s e r v i c e ) 要求也不同，某些业务对接入信道的时延要 求比较高，某些业务对吞吐量要求比较高，如何保证不同业务的不同需求也是自 第二章空中高速自组织网络m a c 协议综述 l l 组织网m a c 协议需要解决的问题。此外，由于自组织网的移动节点都利用电池供 电，如何节能也是m a c 协议不可忽视的问题。因此，自组织网m a c 协议的设计 要求是：高效、公平、q o s 保障和节能。 目前，自组织网络m a c 协议的设计难点主要是由以下几点造成： ( 1 ) 自组织网络采用分布式控制，网络中没有类似于基站和a p 之类的中心 控制设备，所以无法使用集中控制的分配方式，只能采用全分布式的接入机制来 完成信道资源的分配与管理。 ( 2 ) 自组织网的节点通常处于移动状态，并且不定期的会离开网络或者有新 的节点接入，导致网络拓扑发生改变，这将改变网络中节点之间相互干扰关系， 也将改变节点使用信道时产生冲突的概率。同时，网络中的业务负荷也在不断的 改变之中，有时候很轻，有时候很重。自组织网络的m a c 接入协议要能够适应这 些网络拓扑的变化和业务负载的变化，进而提供优良的网络性能。 ( 3 ) 自组织网络是一个多跳的网络，传统的a l o h a 和c s m a 系列等协议是 采用基于共享广播信道的接入技术，它们是面向全联通网络设计的。多跳的特性 给自组织网络带来了隐藏和暴露终端、资源的空间复用性等问题。 2 2 2 自组织网m a c 协议关键技术问题 由于自组织网分布式、多跳等特性，对自组织m a c 协议的设计提出了很高的 要求。下面就影响自组织网络m a c 协议性能的关键技术问题进行简单的分析。 ( 1 ) 隐藏终端和暴露终端问题 隐藏终端和暴露终端问题由自组织网多跳的特性产生，主要是由于节点发送 的分组信息网络中其他节点不一定全能收到该分组信息所导致。隐藏终端是指在 接收节点的通信范围内，同时在发送节点的通信范围以外的终端节点。暴露终端 是指在发送节点的通信范围之内，同时在接收节点的通信范围之外的终端节点。 隐藏终端会增加信道的冲突概率，暴露终端会影响节点信息的发送，导致信道资 源的浪费。这些问题严重影响自组织网的网络性能，是自组织网络m a c 协议设计 的关键问题之一。 隐藏终端和暴露终端问题的解决办法一种是利用握手机制，通信双方利用控 制信息r t s ( r e q u e s tt os e n d ) 和c t s ( c l e a rt os e n d ) 进行握手，从而实现数据的 无冲突发送。但是由于r t s 和c t s 可能和数据业务分组发生冲突，所以简单的采 用握手机制并不能从根本上解决数据传输冲突的问题，只能简单的减少冲突的概 率。在此基础上划分控制信道是一种比较常见的改善控制信息r t s c t s 和数据传 输分组冲突的机制，在控制信道进行控制信息r t s 和c t s 的传输，在数据传输信 道进行数据分组业务的传输，这样就尽可能的减小控制信息和数据传输分组冲突 1 2 空中高速自组织网络m a c 协议 的概率。利用功率控制和采用有向天线也是减少隐藏终端影响和暴露终端影响常 用的两种办法。 ( 2 ) 信道的公平接入 随着自组织网络从实验系统转向实际应用，公平的使用无线信道资源就变成 了一个非常突出的问题。早期的m a c 接入协议通常可以保证长期的公平性，但是 自组织网组网比较灵活，生存时间通常比较短，所以短期的公平性也是要考虑的 问题。 目前，自组织网络中接入公平性讨论主要从以下两个角度考虑：一是业务流 的角度考虑，保证业务流之间占用的信道资源相等。二是节点的角度考虑，保证 节点之间占用的信道资源相等。不论是从那个角度出发，最后都归结为如何在m a c 协议中保证每个节点或者业务流接入信道的几率相等。目前的随机接入协议中主 要是采用退避算法和发送概率来实现随机接入，发送成功和发送失败时采用不同 的退避算法和发送概率，这种策略主要是为了适应网络负载的变化，降低接入信 道冲突的概率，提高信道的利用率，而这样也是产生不公平性的根源所在。目前 的解决办法主要是节点记录报文冲突次数，对信道的征用情况进行正确的估计， 对退避计数器最大值进行调整。 ( 3 ) m a c 协议中的q o s 保障 早期的自组织网络多应用于军事通信等场合，支持的业务种类比较单一，所 以关于不同业务的q o s 保证问题并不突出。随着自组织网络应用范围的不断扩大， 支持的业务越来越多样化，q o s 的问题变得日益突出。在m a c 层中，q o s 主要是 保证实时性要求很高的业务能够快速接入信道，并且具有较小的时延抖动。由于 自组织网络信道使用权的获得采用分布式，导致业务的接入不只取决于节点本身， 也取决于网络中其他节点，这给q o s 保证带来比较大的负面影响。 目前自组织网m a c 协议中q o s 保证主要采用以下几种方法。一是多种接入 机制的综合使用。固定分配和轮替接入方式比较适合实时性业务，随机接入比较 适合突发业务，如何将它们有效的结合在一起，是当前研究的热点方向之一。二 是区分业务的优先级，根据网络中业务要求的不同，为不同的业务分配不同的优 先级，优先级高的业务分配较多的信道资源来保证q o s 。三是采用信道资源预留 的机制，通过为高优先级的资源进行信道资源的预留，可以有效的保证高优先业 务的信道使用权，但是由于自组织网的动态拓扑特性，资源预留必须动态维护。 ( 4 ) m a c 协议中的功率控制 自组织网络中的功率控制技术主要包含两个方面。一是如何控制节点发送功 率，改变网络的连通性。二是如何节省节点的电能，使节点获得较长的生存时间。 自组织网是一种多跳的网络，如何利用信道资源的空间可重用性实现网络更 高的吞吐量是很重要的一个问题。节点发送功率越大，信号传输范围越大，干扰 第二章空中高速自组织网络m a c 协议综述 1 3 范围也越大，信道可复用程度就低，网络容量就小。节点发送功率越小，信号传 输范围越小，干扰范围也越小，信道可复用程度就大。节省发送功率可以节省节 点能量和提高网络容量。但是发送功率小就会导致节点单跳通信范围降低，降低 网络的连通性，同时对那些基于载波侦听的m a c 协议，发送功率的降低可能会引 起载波侦听的困难，增加冲突的概率。 自组织网络节点和其它无线局域网终端都是用电池供电，如何节省电池能量， 增加节点的工作寿命也是一个必须考虑的因素。和无线局域网不同，自组织网络 中节点能量不仅仅影响到自己的通信，而且还会影响到其他节点通过该节点中继 转发的数据。因此，自组织网络中节点的节能问题较之其他无线移动网络更需引 起我们的关注。目前的节能方式主要采用以下两种。一种是采用功率控制技术， 减小节点的发送功率，将节点的发送功率控制在保证正确接收的最小值。二是在 节点没有业务的情况下，使节点处于睡眠状态，当节点有业务时，能够及时苏醒。 2 3 空中高速自组织网络m a c 协议概述 ； 气 廿 目前空中高速自组织网络m a c 协议主要采用两种类型m a c 协议，美国t 1 n t 项口使用的s p m a ( s t a t i s t i c a lp r i o r i t ym u l t i p l ea c c e s s ) 和其他绝人部分项目采用 的基于t d m a 改进的m a c 协议。 s p m a u 是一种改进版的c s m a 协议，主要是增加了信道占用状态统计的优 先级接入策略。即利用过去一段时间内在信道侦听到的分组突发个数作为分组接 入信道的门限值。在s p m a 协议中，各个节点相互独立，同时遵守相同的状态转 移策略，其状态转移流程如图2 2 所示。从“初始化状态开始，若有分组到达， 进入到状态“检查队列中最高优先级的分组 ，根据分组不同的优先级重新排队， 并检查优先级最高的分组是否超时。如果超时，将其从队列中移除，并根据“队 列是否为空 决定分组是进入“空闲状态 还是进入数据发送流程；如果没有超 时，进入到状态“统计信道占用程度 。若此时信道允许发送，进入到状态“队 列中移除分组”，再进入到状态“发送最高优先级的分组 进行分组的发送；若 信道条件不允许发送，进入到状态“基于优先级的退避状态 ，退避结束或者上 层有更高优先级的分组到达时，进入状态“检查队列最高优先级分组”，依此不 停的循环。相比c s m a 协议而言，s p m a 协议一方面降低了分组接入信道前的等 待时间，另一方面对不同的业务进行了优先级的区分，保证了不同业务的q o s 。 1 4 空中高速自组织网络m a c 协塑 墨 飘剃是 否奔室 勰始亿， 空阁抗瘩 | 争艇舅逡辕鸯队辩中 毫优先级的分组 彩，匕 蕊孰i 移除分雏一l 一 发送叠建傥 先镊构分组 墓手使9 b 缓 的逞鼍状态 更离兜先 缎分组舅达 不允许囊避 飘搿：接段上层分蟹的缝存致搿 超耐：分媳在酞捌中停豳的i 寸闻麓过其定鼍大谯 废硪发送：分组麓奢j 接入偿逼 图2 2s p m a 协议的状态转移图 缝汁信道 占用髓 由于空中高速自组织网络的网络覆盖范围比较大，由于竞争类的协议由于 r t s c t s 具有较大的时延，往往并不适用于空中高速自组织网络。所以基于t d m a 的m a c 接入协议越来越成为大家研究的雨点之一。t d m a 多址接入技术是将信 道资源按照时间进行周期划分，一个周期为一个帧，一个帧划分为若干个时隙， 节点通过预约或者竞争获得时隙，在自己的时隙里进行数据的发送，节点获得时 隙数越多，获得的信道资源就越多。所以在t d m a 协议中，时隙分配合理与否， 直接影响到网络的性能。 目前常用的t d m a 协议根据时隙的分配方式可以划分为两种：固定时隙分配 t d m a 协议和动态时隙分配t d m a 协议。 在固定时隙分配t d m a 协议中，通过对用户需求的预估，时隙资源分配方案 固定，用户占用的时隙固定。该类算法实现比较简单，能够保证网络的最小吞吐 量，并且通过合理的设计，不会出现多址干扰的现象。但它最大的缺点在于时隙 的利用率较低，不能根据用户的业务需求变化动态调整时隙分配方案，从而可能 导致某些用户在业务量较低的情况下仍然占用较多的时隙资源，造成时隙资源的 极度浪费，很难提供较高的q o s 保证。目前的固定时隙分配算法大都利用最优化 理论最大化时隙利用率或最小化帧长，来降低网络时延和提高网络吞吐量。但是 这些算法也存在明显的缺陷，算法复杂度高，且需要全局信息，不适用于分布式 的自组织网络。 在动态时隙分配t d m a 协议中，可以根据用户的业务量的变化而实时动态改 变时隙分配方案，是t d m a 协议研究的热点。动态时隙分配t d m a 协议的特点是： 信道分成时隙，时隙组成帧；网络内节点必须同步，节点间通信限制于时隙范围 第二章空中高速自组织网络m a c 协议综述 1 5 内；节点按照自身需求动态产生一个分布式的时隙分配表接入无线信道；与基于 固定时隙分配t d m a 协议相比，动态时隙分配t d m a 协议能够根据节点自身的业 务需求动态分配信道资源，具有很大的灵活性并且能有效提高信道利用率和网络 性能。与随机接入的方式相比，动态时隙分配t d m a 协议通过清晰的时隙( 信道) 分配使得分组冲突、时延和带宽占用变得可控，能够带来更好的信道利用率和处 理不同优先级业务和不同业务的能力，使节点q o s 保证要求变得简单。 目前基于t d m 的m a c 协议主要有美军应用的l i n k l 6 数据链“。l i n k l 6 数据链是美国国防部开发的高速视距战术数据链，在l i n k l 6 数据链中，时隙分配 算法采用了固定分配、竞争分配和动态分配三种方式。其中最常用的方式是固定 分配方式，只有在时隙容量不足或特殊的条件才使用基于竞争分配和动态分配的 方式。 d t m a ” ( d y n a m i ct i m ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ) 协议是应用于机载网络的一 种动态分配时隙的t d m a 协议。在d t m a 协议中，将控制接入信息和数据传输完 全分开，对控制接入进行优化。d t m a 协议帧结构如下图2 3 所示： 。； 图2 3d t m a 协议帧结构 其中b i ：接收节点发送的忙音指示；r t s ：发送节点时隙请求；c t s ：接收节 点或者邻居节点应答；c o n f ：发送节点发送确认；r a ：接收节点发送确认，o e p ： 广播节点发送的死锁消除分组。每帧由n 个控制时隙和相对应的n 个数据时 隙1 d 浙。c 砌包含5 个微时隙( c m s l - - - c m s 5 ) ，其中c m s l 用来发送b i ( b u s y i n d i c a t i o n ) ，c m s 2 - q 2 m s 5 用来竞争数据时隙。d t m a 协议中，每个节点都维护 一个时隙预留表。d t m a 协议的时隙预留机制支持单播和广播两种方式，对于单 播方式，飞机节点a 向邻居节点b 发送的时隙预留必须满足以下几个条件：该时 隙没有预留给节点a 或者节点b ，a 的所有其他邻居节点在该时隙没有接收同时b 的所有其他邻居节点在该时隙没有发送。对于广播方式，节点a 的时隙预留必须 满足以下条件：该时隙还没有预留给a 节点和其他任意的邻居节点，a 节点的邻 居节点的所有邻居节点在该时隙没有发送。节点进入到网络中，首先侦听控制分 组更新自己的时隙预留表，等到某控制时隙的c m s l 空闲，有数据分组发送请求 的节点在c m s 2 中发送r t s 分组竞争。在单播方式中，r t s 分组包含源节点 1 6空中高速自组织网络m a c 协议 i d 、目的节点i d 以及若干个先前时隙。目的节点收到r t s 后在c m s 3 中回复c t s 分组。c t s 分组包含应答当前竞争时隙和可用的先前时隙。源节点收到c t s 后在 c m s 4 中发送c o n f ( c o n f i r m ) 分组确认，目的节点则在c m s 5 中发送r a ( r e s e r v a t i o na c k n o w l e d g m e n t ) 分组，从而达到两跳范围内节点都知道源节点和 目的节点时隙成功预留。其它节点在c m s 2 中侦听到r t s 分组冲突后，在c m s 3 中发送n c t s ( n o tc t s ) 分组来阻止目的节点发出c t s 分组。当正确接收到r t s 分组后，其他节点请求是否与现有的时隙预留发送冲突。若存在冲突，在c m s 3 中发送n c t s 分组来避免正在进行的竞争，否则等待c o n f 分组的确认。在广播 方式中，r t s 包含源节点i d 和先前时隙。当收到广播r t s 后，所有节点在c m s 3 中保持静默。一旦侦听到r t s 分组冲突，或先前时隙不可用，目的节点在c m s 3 中发送n c t s 阻止广播预留。如果c m s 3 中没有发送，源节点在c m s 4 中发送c o n f 分组，到此广播预留成功。 e a s a t l 4 】( a ne f f i c i e n ta d a p t i v et d m as l o ta s s i g n m e n tp r o t o c o lf o rc l u s t e r e d a dh o en e t w o r k ) 是一种适用于基于分群的a dh o e 网络高效t d m a 时隙分配算法。 e a s a 算法根据节点内m a c 层缓存长度进行自适应的时隙分配，并根据m a c 层 缓存队列长度进行帧长的动态调整，解决了传统t d m a 时隙分配算法中低业务节 点占月j 过多f i 必要时隙的问题。 在e a s a t d m a 时隙分配算法中，时隙的分配主要分为两步：第一步设定帧 长，第二步将时隙分配给网络中的通信节点。传统的时隙分配算法致力于设定最 小的帧长以降低时延。通常在一个t d m a 网络中，帧长最小为网络中节点信号覆 盖范围内节点的数目，固定t d m a 时隙分配就是简单的把时隙平均分配给网内节 点。如果网络内节点的数据业务量相差比较大，就会导致信道利用率低。而通过 e a s a 算法，节点根据m a c 层缓存队列申请时隙，并根据申请的时隙和帧长之间 关系动态进行帧长调整，有效地提高了网络性能。 e a s a 是一种基于分布式的t d m a 算法，网络内每个节点都保存一份e a s a 的副本。e a s a 算法由三个步骤组成：收集网络中节点m a c 层缓存队列长度、帧 长的动态改变以及时隙的具体分配。我们假设n 为网络中节点数目，q i 为节点缓 存队列长度，节点m a c 缓存最大长度为q m 强，帧长为f ，算法允许最大帧长为 f m 舣，e a s a 时隙分配流程图如图2 4 所示： 第二章空中高速自组织网络m a c 协议综述 1 7 个或多个 q p o 5 q 。瞩 f f m 图2 4 e a s a 算法流程图 2 4 本章小结 步骤 步骧： 步骤_ 三 本章简要介绍了白组织网络的m a c 协议，分析了影响自组织网m a c 协议的 主要因素，讨论了自组织网m a c 协议设计中涉及的主要技术。最后重点介绍了空 中高速自组织网络几种典型的m a c 协议，为下一章的p d c t d m a 协议的研究打 下基础。 1 8 空中高速自组织网络m a c 协议 第三章空中高速自组织网络m a c 协议算法设计 1 9 第三章空中高速自组织网络m a c 协议算法设计 3 1 空中高速自组织网络m a c 协议算法基本思想 由于空中高速自组织网络的网络特性，采用随机传送传送序列容易引起数据 的冲突以及较大的时延和时延抖动，而基于时隙的t d m a 类的m a c 协议能够提 供较好的网络性能。例如应用于军事系统的典型接入机制e - t d m a 【1 5 j ( e v o l u t i o n a r y t d m a ) 协议和e a s a 协议。但是由于空中高速自组织网络的节点之 间具有很大的相对移动速度，导致链路短时间内容易失效。普通的t d m a 算法由 于链路的频繁失效很容易引起较大的丢包率和较大的时延，从而导致网络性能下 降。 本文提出的一种有效的适用于空中高速自组织网络的m a c 层协议，其主要思 想是通过对未来整个帧长的链路有效性的预测，解决因为运动速度过大可能导致 的链路失效问题。同时根据节点的1 ： 7 ：置信息进行优先级的调节，提供了高优先级 节点的q o s 保证，从而保证网络具有较佳性能。我们把这种新的m a c 协议称为 p d c t d m a ( p r e d i c t i o na n dd y n a m i cc o m b i n e dt d m