無人機自組織網絡組網與接入技術的仿真設計與實現

高思穎 毛中杰 李東 徐鵬杰 趙天鶴 周杰 俞暉

摘 要： 描述了面向無人機（UAV）自組織網絡的組網技術和接入技術，提出了針對時延的改進接入技術，以增加一部分低優先級消息的時延為代價，降低另一部分高優先級的消息的時延.選擇基于C++和Python語言的網絡模擬仿真軟件NS3作為開發平臺，編程實現UAV自組織網絡的接入和組網技術仿真.

關鍵詞： 無人機; 自組網; 接入技術; NS3; 時延

中圖分類號： TN 929.5文獻標志碼： A文章編號： 1000-5137（2019）01-0056-08

Abstract： It described the networking technology and access technology for self-organized network of unmanned aerial vehicle （UAV）.It proposed an improved access technology for time delay，which reduced the time delay of one part of the service at the expense of time delay of the other part of the service.The paper chose NS3 as the network simulation software which was based on C++ and Python language as the development platform，and accomplished the UAV self-organized network access and networking technology simulation.

Key words： unmanned aerial vehicle （UAV）; self-organized network; access technology; NS3; time delay

0 引 言

相比于長期演進（LTE）通信模式，自組網并不需要類似于基站的外部設施即可通信，因此自組網在構建小型無人機群組的通信網絡中，具有重要地位.接入技術是將通信設備接入網絡，實現通信設備間有效通信的技術.目前應用最為廣泛的接入技術分為時分多址（TDMA）、頻分多址（FDMA）、空分多址（SDMA）和碼分多址（CDMA）等.其中，TDMA接入技術將時間劃分為周期性的超幀，再將超幀劃分為若干時隙，分配給各用戶傳輸.TDMA接入技術具有通信質量高、保密好、系統容量大等優點，但需要對其進行精確的定時和同步，才能保證其時隙分配的正確性.自組網技術具有良好的同步機制，并且可以獲取在線用戶數量，適用TDMA接入技術.

PATIBANDLA等[1]通過統計在衰落信道環境下，網絡負載非飽和時單跳無人機（UAV）自組網的時延數據，分析了采用經典IEEE 802.11 分布式接入協議模型的MAC協議系統時延性能.CAI等[2]提出了一種采用令牌環（token）方式的接入MAC協議，通過仿真驗證了協議的有效性.韓海艷等[3]提出了在固定TDMA協議中加入競爭機制并考慮優先級，使協議性能有一定程度的提高.

本文作者基于網絡仿真軟件NS3，編程實現了無人機自組網的組網過程和傳輸過程，仿真過程中采用的接入技術是在文獻[3]所提出方法的基礎上進行改進的，將改進方案的時延性能與原方案進行對比，結果表明：改進方案的時延性能更優.

1 自組網網絡架構

自組網是由獨立通信終端相互通信并自行建立連接的網絡[4].自組網中各個終端都具有主機和路由器的功能.路由器功能執行路由協議，進行路由轉發和路由維護的工作;主機的功能是運行面向用戶的各種應用程序.自組網路由協議應具備快速、準確且高效的特點，需盡量在最短的時間內查找到準確的路由信息，同時由于自組網終端一般是可移動的，路由協議需要適應網絡拓撲的快速變化.

在自組網建網過程中，由于各終端實現的功能較多，需要考慮其硬件的計算能力、電源容量和存儲空間等因素的限制，應選擇合適的接入策略和路由協議，以盡可能降低網絡開銷[5].一方面，由于自組網中沒有類似基站的中轉設施，各節點的時間無法校準，為實現節點同步，需要選出其中一個節點作為簇頭，其余節點以它為標準進行同步;另一方面，在自組網中節點的傳輸距離有限，一般需要通過多跳轉發，才能將數據包發送到目的節點，隨著網絡規模增大，數據包的轉發次數隨之增加，所占用的資源會隨之增加，構建及維護路由的開銷也會隨之增大，導致無線網絡的穩定性下降.

綜上所述，為了解決自組織網絡的可擴展問題，提出分層樹狀結構的跳頻自組網通信網絡架構.樹狀分層網絡中，同時存在中心控制結構和分布式控制結構，每一層中有多個簇，每一簇中含有一個簇頭節點和若干成員節點.同一簇內的節點可以直接或間接進行通信，而同一層中不同簇的成員節點根據相應簇頭節點進行轉發.

2 系統設計

無人機自組網是自組網中的一種特殊形式，除了一般自組網的多跳、無中心等特點，還具備一些獨有的特點.

（1） 高速移動模型.無人機具有很高的移動速度，這種高速移動將造成網絡拓撲頻繁變化，進而對網絡結構穩定性和協議性能帶來沖擊.

（2） 低密度分布.由于空域廣泛，無人機活動范圍極廣，節點在空中分散分布，彼此間距離以公里計算，這種低密度的分布將對網絡連通性帶來沖擊.此外，在現實中，無人機還需要與地面控制臺、衛星、有人駕駛飛機等不同的平臺建立通信連接，在這些情況下，節點之間存在不確定性，會導致網絡的異構性.

（3） 節點能量強及網絡臨時性明顯.無人機上的通信設備由飛機提供空間和能量，這使得無人機自組網不需額外考慮節點計算能力和能量耗費問題.無人機一般用于執行特殊任務，運動規律性不強，飛行不確定性大，網絡臨時性非常明顯.

（4） 獨特的網絡目標.傳統自組網的連接目標是對等的，無人機自組網也是如此，此外網絡中還需要部分擔任數據收集的中心節點，因此需要支持流量匯聚.網內可能存在多種傳感器，傳輸的業務包括圖像、音頻、視頻等，具有時延敏感性高、數據業務量大、數據類型多元化等特點，需要保證相應的通信質量.

基于上述特點，進行無人機自組網的仿真系統設計，具體實現主要包括網絡參數設計、組網過程、接入技術及路由過程4個方面.其中，網絡參數設計基于具體場景要求，路由過程已經有具體實例可以參考，因此，程序設計主要分為組網過程和接入技術2個部分.

2.1 組網技術仿真設計

分簇組網流程包括4個階段：1） 簇頭節點向第一跳節點發送時間同步消息，第一跳節點收到消息后，將本地時間與簇頭節點時間進行校準;2） 各跳節點向下一跳節點發送tod同步消息，發送方案與1相同;3） 從最大跳數處開始廣播路由信息，并在簇頭節點匯聚子網內所有節點的在線情況，本階段的路由信息只針對一個節點所知的所有在線節點，不包括節點之間的連接關系;4） 簇頭在線廣播全部節點的信息，節點根據收到的數據包更新本地其余在線節點的信息.本系統中采用自同步方進行前兩個階段的網絡同步，后兩個階段實現各節點通信，以獲取網絡信息與網絡結構.

2.2 接入技術仿真設計

采用競爭性TDMA接入技術，將時間分割成周期性的幀，每一幀中分成若干個時隙，各通信設備只能在特定的時隙進行收發通信，在時間軸上不會相互沖突.競爭TDMA時隙分配方法在遇到傳輸消息不平衡的情況時，可以調節時隙分配情況，節省時間資源.

競爭TDMA時隙分配方法的幀結構如圖2所示.

3 仿真及結果分析

本系統總體設計概念圖如圖4所示.

圖4中，構建網絡場景主要包括：設置節點數，安裝網卡及協議棧，設置信道類型，設置移動模型，安裝應用層協議，設計網絡的拓撲結構，并且依據信道衰減模型，計算相應節點間的距離.當網絡仿真的各項模塊添加完成后，啟動仿真，下達組網指令，所有節點開始組網.組網完成后，開始傳輸過程，將數據包的目的地址傳到路由層，路由層返回數據包下一跳的目的地址，完成交互.

3.1 組網仿真結果

下達組網指令后，5個節點由于開機時間不同，其時間未獲得同步，如圖7所示.

3.2 基于TDMA的競爭時隙技術仿真

傳輸過程的網絡仿真結果如圖12所示.

圖12中，一個TDMA超幀開始后，1號節點有8個消息包需要發送.在聲明過程中，1號節點廣播RTS分組，2號節點收到RTS消息;在應答過程中，2號節點廣播CTS分組，1號節點收到CTS消息.此時1號節點2跳范圍內的節點已經獲知了發送消息的需求，在傳輸階段，1號節點除了在本時隙發送5個數據包外，還可以占用2號節點的時隙發送剩余的3個數據包.

在仿真實驗中，將高優先級業務插入到隊頭，并通過增加低優先級業務的時延，達到降低高優先級業務的時延.設計高、低優先級消息的數量比為1∶4，不同網絡負載下仿真結果圖如圖13所示.

4 結 論

研究了面向UAV自組織網絡的接入與組網技術仿真，并且在NS3網絡仿真軟件上實現了面向UAV自組織網絡的通信系統，提出了一種針對時延的改進接入技術，通過仿真分析了改進前后的系統性能，結果表明：本研究的改進系統較原系統，具備更優的性能.但當前系統仍然存在著一些問題，如在接入技術方面，對于相同優先級之間的排隊問題欠缺考慮.在未來的工作中，仍需進一步改進.

參考文獻：

[1] PATIBANDLA S T，BAKKER T，KLENKE R H.Initial evaluation of an IEEE 802.11s-based mobile ad-hoc network for collaborative unmanned aerial vehicles [C]//International Conference on Connected Vehicles and Expo.Las Vegas：IEEE，2014：145-150.

[2] CAI Y，YU F R，LI J，et al.Medium access control for unmanned aerial vehicle （UAV） ad-hoc networks with full-duplex radios and multipacket reception capability [J].IEEE Transactions on Vehicular Technology，2013，62（1）：390-394.

[3] 韓海艷，馬林華，田雨，等.無人機編隊中的自主定位與動態TDMA協議應用 [J].電光與控制，2012，19（9）：29-32.HAN H Y，MA L H，TIAN Y，et al.Self-localization and application of dynamic TDMA in UAV formation [J].Electronics Optics and Control，2012，19（9）：29-32.

[4] ALSHBATAT A I，DONG L.Cross layer design for mobile ad-Hoc unmanned aerial vehicle communication networks [C]//International Conference on Networking，Sensing and Control.Chicago：IEEE，2010：331-336.

[5] GOKTOGAN A H，NETTLETON E，RIDLEY M，et al.Real time multi-UAV simulator [C]//IEEE International Conference on Robotics and Automation.Taipei：IEEE，2003：2720-2726.

[6] 鄭偉明.OLSR路由協議研究及仿真 [D].成都：電子科技大學，2011.

（責任編輯：包震宇，顧浩然）