孙 芳 邓志均 王长庆 李 喆
(中国运载火箭技术研究院 北京 100076)
高速飞行器自组织网络是一种特殊且极为重要的移动自组织网络，除了具有常规移动自组织网络的自组织无中心、动态拓扑、多跳路由等特点之外，高速飞行器自组织网络的节点运行速度通常可达数倍马赫或者更高，具有高动态网络拓扑特性。高速飞行器自组织网络不仅要满足无中心、多跳传输的基本功能，还要考虑复杂多变的战场环境和种类繁多的信息类型，对有效性和可靠性要求更为严苛[1]。对于关键的战术指令和测控信息，必须保证信息传输的实时性和准确性，因此高速飞行器自组织网络必须有能力针对各级各类业务提供服务质量保障(Quality of Service, QoS)，支持多种优先级任务差异化服务。
MAC协议控制网络中多个节点可以公平、高效地共享无线信道资源，直接影响了自组织网络性能，是链路层协议设计的重中之重。常见MAC协议，不管是固定分配类还是随机竞争类，都无法满足高速飞行器自组织网络应用场景需求。固定分配类接入协议，比如TDMA、FDMA、CDMA等，其协议稳定性最高，可以保证节点数据发送的公平性，但是协议平均传输时延较大、灵活性较低，不能很好地适应高动态网络拓扑环境，且不支持可变节点密度，业务量较轻时信道利用率降低，用户数量增多时无法利用其他用户空闲的时隙资源为新用户服务，从而不能很好地支撑网络的规模化发展；
随机竞争类接入协议，比如ALOHA、CSMA、CSMA/CA等，其协议机制简单，但是碰撞概率很大、传输成功率较低，在业务量增多时会导致碰撞掉的数据不断重传，系统开销增大，无法满足业务的QoS需求。
美军新一代战术数据链(Tactical Targeting Network Technology, TTNT)聚焦实现对时敏目标进行精确打击能力，其信道接入控制协议是统计优先级多址接入协议(Statistical Priority-based Multiple Access, SPMA)，具备动态快速组网、支持多个节点同时通信、支持多种优先级业务区分、保障高优先级业务低时延接入等能力[2]，可以很好满足高速飞行器自组织网络的QoS需求。本文在分析SPMA协议原理的基础上，针对退避时间算法进行研究和改进，专利文献[3-4]中提到利用退避时间窗口抑制低优先级数据接入，但是没有给出退避时间窗口的具体设置方式。文献[1-2，5-8]在对SPMA协议进行设计与仿真实现的同时，给出了退避时间算法方案，但并无最优算法的定论，仍存在不足之处可以改进。本文提出一种改进型动态自适应退避时间算法，利用OPNET平台对SPMA协议进行系统建模与仿真分析，对比分析基于本算法和文献[6]算法SPMA协议的吞吐量、丢包率和平均时延，以验证改进算法对SPMA协议性能的影响效果。
1.1 网络组成
高速飞行器自组织网络节点数较多，根据实际任务场景，一般以任务集群的方式进行分群协同工作：一定空间内同一任务集合的多个移动节点组成一个集群，使用虚拟中心节点(群首)的方式构建无线自组织网络，支撑集群内部各节点的接入、退出以及路由维护等功能，实现内部组网和协同任务需求；
大范围间不同任务集合的移动节点通过各自集群的群首构建的无中心无线自组织网实现集群与集群之间的数据交流，完成任务对接、数据共享、敌我身份识别等任务。高速飞行器自组织网络的网络组成示意图如图1所示。
图1 高速飞行器自组织网络示意图
1.2 协议栈架构
参照TCP/IP经典五层协议栈架构，高速飞行器自组织网络协议栈自下而上包括物理层、链路层、网络层、传输层和应用层。其中，链路层又分为介质接入控制(Media Access Control, MAC)子层和逻辑链路控制(Logic Link Control, LLC)子层。在遵循五层协议栈架构以实现网络连通基本功能的同时，高速飞行器自组织网络各层还应融合“协议栈+QoS需求+安全需求”的模式[9]，如图2所示。QoS需求是指网络各层协议设计时需要考虑有效性和可靠性要求，具体性能指标包括优先级区分、时延、丢包率、吞吐量等。安全需求是指网络各层还需要采取安全措施以增强网络抗干扰、抗截获能力等。
图2 高速飞行器自组织网络协议栈架构
1.2.1 物理层可靠传输
物理层负责完成数据比特流的可靠传输，负责实现高质量、收发同时、多收同时的信号接收解调纠错功能。为了满足抗干扰、抗截获、适应高动态网络环境需求，高速飞行器自组织网络物理层采用宽带编码跳频跳时信号体制。大块的数据包被拆分成多个小块数据包，分散到各个离散时间和离散频率上进行传输。为网络中每个节点分配独特的跳频跳时图案实现多址接入，不但可以区分不同的节点，而且比简单的跳频或者跳时技术具有更强的保密性、抗干扰性和抗截获性。
1.2.2 链路层多址接入协议
链路层负责完成无线传输介质的访问控制、冲突处理以及多节点间多址通信传输功能。高速飞行器自组织网络要实现低时延可靠传输，需要采用适合的MAC协议，合理有效地分配信道资源，提高无线信道资源的使用效率和系统的容量，控制接入时延且避免拥塞。针对高速飞行器自组织网络需求特点，采用SPMA接入协议，保证高优先级信息时延最短，支持多个不同的优先级和大量的用户。SPMA协议基本原理如图3所示，按照任务消息的轻重缓急将数据分为多个优先级队列，并为每个队列预先设置相应的门限阈值，通过比较优先级门限阈值和当前信道占用统计(Channel Occupancy Statistics, COS)值的大小，来决定数据分组是否立刻发送。如果某队列的门限阈值大于当前信道占用统计值，则该队列数据分组立刻发送；
如果该队列的门限阈值小于信道占用统计值，则该队列数据分组选择退避一定时间后再次重复上述判据算法。通过这种机制，SPMA可以抑制较低优先级业务的传输，控制信道负载不会过载，以保证更为重要的较高优先级业务的低时延、高可靠传输。
图3 SPMA协议的基本原理
1.2.3 网络层路由协议
网络层负责完成高速节点自适应网络拓扑的维护与优化、信息传输路由寻址等功能。网络层采用基于业务优先级的低时延路由协议，用于实现高动态环境下信息高可靠、低时延多跳传输。路由协议主要包括拓扑发现模块、路由算法模块和分组转发模块。拓扑发现模块实时获取高速飞行器自组织网络当前拓扑状态，维护当前网络拓扑的稳定，构建拓扑表，输出给路由算法模块；
路由算法模块根据拓扑表，构建出链路模型，并进行最优路由计算，生成路由表，输出给分组转发模块；
分组转发模块用于实现业务分组的编址、寻址，转发是按照优先级高低依次读取队列数据进行转发以实现优先级任务区分。
1.2.4 传输层协议
传输控制协议(Transport Control Protocol, TCP)和用户数据报协议(User Data Protocol, UDP)是传输层最重要的两种协议。TCP最大的特点是面向连接，数据传输之前，通过三次握手机制建立连接，即在正式数据传输之前源端和目的端就已有交互，这种机制大大提高了传输可靠性，但是带来的缺点是时延较大。而UDP是面向非连接的传输协议，在数据传输之前不需要事先建立交互连接，这种简单的协议机制可靠性会相对较差，但是具有较好的低时延性能。
通过分析SPMA协议原理，可以看出SPMA本质上是一种退避机制，如图4所示，如果某队列的门限阈值小于信道占用统计，说明此时信道负载存在过载，则系统调用退避算法执行退避。退避时间和用户在给定优先级下的实际传输速率之间存在一定映射规则。每一个优先级对应一个允许的传输速率，单位是每秒脉冲数，当信道负载增大时，最低优先级的传输速率首先被限制，随着信道负载逐渐增大，更高优先级依次开始执行退避。
图4 SPMA退避机制流程
2.1 现有退避时间算法
经典的退避时间算法有二进制指数退避算法(Binary Exponential Back-off, BEB)，CSMA/CA协议采用的就是这种退避时间算法。BEB算法的核心思想是设置一个退避时间窗口，每发生一次碰撞就将退避时间窗口长度加倍。但BEB算法并不适用SPMA协议，有以下两点原因：一是BEB算法认为所有数据包地位平等，不能提供多种优先级数据QoS差异化服务，这与SPMA基于优先级统计的设计初衷不符；
二是BEB算法当退避结束后，会立刻尝试接入信道发送数据包，而SPMA协议在退避时间结束后，需要物理层再次进行信道占用统计，再次比较信道占用统计值和优先级门限阈值的大小，决定此数据包是接入信道还是再次执行退避。
文献[5-7]给出的SPMA协议退避时间算法，都是根据优先级等级确定退避时间。例如文献[6]退避时间计算公式，如式(1)所示。
Tbackoff=random(Tupdate,Tupdate×(Priority+1))
(1)
式中：Tupdate表示信道占用统计周期；
Priority表示优先级，取值范围[0,N-1]；
random(x,y)表示生成一个区间[x,y]上的随机数。
以优先级等级作为自变量计算退避时间，可以使得不同优先级数据包在执行退避时采用差异化退避时间，但是，对于同等优先级的数据包在执行退避时仅仅采用随机退避时间，并没有考虑当前信道负载状态，显然这样设计是存在不足的。
2.2 自适应退避时间算法
本文综合考虑SPMA协议中三个重要参数：优先级等级Priority、信道占用统计COS和优先级门限阈值Threshold为自变量，设计了一种动态自适应退避时间算法，具体算法设计如下：
假设共有N个优先级队列：0～N-1，0代表最高优先级，N-1代表最低优先级，优先级i队列的门限阈值为Thi(0≤i≤N-1)。当COS (2) 式中:α和β为系数，根据具体网络场景而定； 门限阈值的设置直接决定了数据包是否能够立刻发出，门限阈值设置得过高，会造成信道负载过大，信道碰撞概率加大； (3) 式(2)中系数α和β用来调节退避时间的灵敏度，α和β的取值不仅影响退避时间的大小，同时影响退避时间的变化率。如果取值偏大，带来退避时间过长，尤其低优先级数据分组会一直退避，始终无法发送，造成“饥饿”问题； 本文设计SPMA协议共有0-3四种优先级，0表示最高优先级。当四种优先级的业务量占比为1∶1∶1∶1时，由式(3)可得四种优先级门限阈值分别为Th0=80、Th1=40、Th2=27和Th3=20。通过多次实验测试，取α=0.01和β=0.04时，可以取得较好的仿真效果。式(2)对应的函数曲线如图5所示。 图5 自适应退避时间算法函数曲线 门限阈值决定了四种优先级曲线开始退避的起点，系数α和β影响函数曲线的斜率和曲率。四条曲线从左到右分别对应优先级3、优先级2、优先级1和优先级0的退避时间随信道占用统计COS值的变化情况。当信道负载逐渐增大至20%时，低优先级3数据包开始执行退避，随着信道负载继续增大，优先级2、优先级1、优先级0依次开始执行退避，优先级等级越高的数据，退避时间相应越小，因此可以保障高优先级分组以更高概率接入信道。观察四条曲线均为单调递增函数，信道负载越大时执行退避时间越大，且四条曲线随着COS值越大对应的曲线斜率越大，即信道负载越大时执行退避时间的增速也越大。 SPMA专利文献[3]中提到，为了保证最弱的信号也可以达到低于1%的PER，系统应该提供1个发送信道和4个接收信道。本文利用OPNET仿真平台搭建节点协议栈模型如图6所示，协议使用SPMA作为接入层协议，SPMA接入模块在发送方连接一套发信机模块负责发送报文，在接收方连接4套收信机模块，每套收信机模块对应一个无线信道，且每套收信机模块均分别有两条状态统计线，连接至SPMA接入模块，用以统计信道占用率和信道闲忙状态，天线模块用于模拟全向天线。同时，使用与SPMA接入协议配套的SPMA通信业务模型，该业务模型用于产生和收发不同有限等级的优先级的业务数据报文，这些业务报文将在SPMA接入层按照业务类型分类发送，从而确保高优先级业务传输的实时性和传输成功率。 图6 协议栈模型 Application应用层模块，负责生成不同优先级的数据业务； 网络场景由3组集群组成，每组集群内包含4个节点，全网共12个高速飞行器节点。集群内节点间两两间距约为12 km左右，集群间的距离相隔60 km左右。该场景为每个节点关联设置了一条移动飞行轨迹，描述高速飞行器的全程飞行过程。所有节点以广播的方式发送数据，周期性产生0-3四种优先级的通信业务，0表示最高优先级，四种优先级的数据包到达均服从泊松分布且独立同分布，具体的网络参数配置如表1所示。 表1 网络参数配置 本仿真对基于自适应退避时间算法和文献[6]退避时间算法的协议性能进行对比，通过改变发包间隔时间模拟网络业务量变化，运行多次仿真观察两种算法下SPMA协议的吞吐量、丢包率和平均时延三项性能指标的变化情况。 图7为网络吞吐量随业务量变化曲线，可以看出，随着业务量不断加大，网络吞吐量也随之不断增大，当业务量达到7 Mbit/s时，吞吐量不再继续增大而是逐渐趋于一个相对稳定的状态，说明SPMA协议在业务量增大时能够及时退避低优先级分组，使网络吞吐量保持稳定。但对比发现，自适应退避时间算法可以使网络吞吐量稳定于饱和值，大约为6.65 Mbit/s，而原退避时间算法达到的最大吞吐量低于这个饱和值，且有明显波动，说明改进算法可以通过对退避时间的动态自适应调整，进一步优化网络流量，使吞吐量性能表现更优。 图7 吞吐量随业务量变化曲线 图8为四种优先级业务的丢包率随业务量变化曲线。可以看出，四种优先级丢包率随着业务量的增大均呈现逐渐上升的趋势，且优先级越低数据包的丢包率上升得越快，性能恶化越严重，而最高等级优先级0业务的丢包率是最低的，且增幅最为缓慢，说明SPMA 协议可以实现不同优先级业务差异化服务，高优先级业务的丢包率低于低优先级业务的丢包率。但是对比两种算法曲线，本文算法优先级0和优先级1业务的丢包率较原算法更低，而本文算法优先级2和优先级3业务的丢包率较原算法有所增大，原算法优先级0业务丢包率在业务量超过6 Mbit/s之后会有小幅上涨，业务量达到9 Mbit/s时对应的优先级0业务丢包率大约为5%，而本文算法优先级0业务丢包率始终低于1%，说明本文算法可以更有效地抑制低优先级分组接入信道，更好地控制信道负载状况，保障高优先级业务的高可靠传输。 图8 丢包率随业务量变化曲线 图9为四种优先级业务的平均时延随业务量变化曲线。可以看出，各个优先级数据包的平均时延随着网络业务量的增大均呈现上升趋势，且优先级越低平均时延越大，说明SPMA 协议对不同优先级业务做时延差异化处理。但是对比两种算法曲线，本文算法优先级0和优先级1业务平均时延较原算法更低，而本文算法优先级2和优先级3业务平均时延较原算法均有所增大，原算法优先级0业务丢包率随着业务量加大会出现一定幅度上涨，当业务量达到9 Mbit/s时原算法优先级0业务平均时延大约为17 ms，而本文算法优先级0业务平均时延始终低于2 ms。说明自适应退避时间算法通过动态调整退避时间，起到了更好的退避效果，进一步优化各优先级业务的接入时延，保障高优先级业务的低时延传输。 图9 平均时延随业务量变化曲线 SPMA协议具备动态快速组网、支持多种优先级任务区分、保障高优先级任务低时延接入等能力，可以很好满足高速飞行器自组织网络的QoS需求。SPMA协议退避时间是当信道负载超载时控制各个优先级接入信道的参数，直接决定着网络吞吐量性能。本文针对高速飞行器自组织网络场景，结合相关专利对SPMA协议进行设计，着重任务优先级差异化服务需求，并针对现有退避时间算法不足，提出一种自适应退避时间算法，可以根据优先级等级、门限阈值和信道占用统计三个参数动态调整退避时间以达到更好的退避效果。仿真结果表明，本文设计的SPMA协议可以实现多种优先级业务差异化服务，改进的退避时间算法在业务量不断增大时能够更好地维持网络吞吐量性能，保证高优先级业务的高QoS传输。
Priority为优先级等级，取值范围[0,N-1]；
COS为信道占用统计，由物理层统计得到；
Thi为优先级i队列的门限阈值。
门限阈值设置得过低，数据被过分抑制无法传输。一个基本设置原则是高优先级队列的门限阈值在数值上应该高于低优先级队列的门限阈值。本文采用先设置最低优先级门限阈值、然后依次推算其他较高优先级门限阈值的方法。最低优先级门限阈值ThN-1的设置，采用所有数据分组随到随发，随着信道负载逐渐增大，当丢包率增至1%时，此时对应的信道占用统计为20%，将这个值作为ThN-1，其他门限阈值的递推如式(3)所示，其中rj代表优先级j队列的业务量占比。
如果取值偏小，带来退避时间过短，不能有效抑制信道负载，且不同优先级数据分组在相同COS情况下的退避时间差距也会减少，退避效果变差，碰撞概率增加。
3.1 协议栈建模
TCP、UDP传输层模块，提供端到端可靠传输和快速报文转发；
IP模块，支持IP分组的存储转发、路由建立和路由选择；
ARP模块，支持接口IP地址与MAC地址间的查询和地址映射转换；
MAC模块，采用SPMA协议执行无线信道的接入控制机制，根据信道的占用情况决策上层业务类型的转发服务；
无线收发信机模块，计算节点发射和接收无线信号的一系列参数指标，可以设置发射速率、频段、功率、调制编码方式等；
天线模块，负责模拟节点的射频全向天线，能够根据信号的传输距离计算电磁波在自由空间的衰减程度以及天线增益大小，从而为收信机模块提供接收信噪比的计算依据。3.2 网络参数配置
3.3 仿真结果分析
