基于信道状态感知的多优先级机载战术网络MAC协议

郑博 卓琨 张衡阳 黄仰超

1.空军工程大学信息与导航学院陕西西安710077 2.解放军93995部队陕西西安710306

机载战术网络(Airborne Tactical Network,ATN)是美军为适应网络中心战需求而提出的一种以空中各种作战飞行器为主要节点,通过战术数据链互连而构成的新型无线网络技术[1-7].机载战术网络采用移动Ad Hoc 网络(Mobile Ad Hoc Network,MANET)作为主体网络体系架构,具有灵活、动态、快速自组、大容量、分布式、高抗毁性等特点,能够大大提高各种飞行器网络化协同作战能力,已成为军事航空通信网络未来重要发展方向之一.媒质接入控制(Medium Access Control,MAC)协议是机载战术网络的关键技术之一,主要解决多个航空飞行器之间如何高效共享通信信道的问题,是决定信息传输时延的主要因素,而机载战术网络存在传输时延较大、信道质量不稳定等问题,影响信息传输的时效性、可靠性,对MAC协议提出了较高要求[8-12].

传统的军事航空通信网络,如美军的Link-11 数据链MAC 层使用轮询协议、Link-16 数据链MAC层使用TDMA协议、Link-22 数据链MAC 层使用TDMA 和动态TDMA (DTDMA)相结合的协议.此类固定分配式MAC协议应用于机载战术网络,只有在预规划的轮询时隙或分配时隙里才能通信,存在端到端时延大、网络容量小、灵活性差、可扩展性不强等缺点.虽然Link-22 采用动态TDMA 机制,在一定程度上解决了可扩展性和灵活性问题,但是并没有从根本问题上解决节点数据传输的等待时延问题,信息共享的时延一般在秒级,无法满足机载战术网络的低时延要求.

机载战术网络的MAC协议需要满足以下要求:1)高优先级业务极低的传输时延.2)分组首次发送成功率达到99%.3)支持多种业务不同的服务级别(Class of Service,CoS).4)支持大量用户.因此,非常有必要为机载战术网络设计一种传输时延小、网络容量大、灵活性高、可扩展性强,并支持多优先级业务区分服务的MAC协议,旨在保证高优先级的业务能够快速接入信道,获得最小的时延,同优先级业务获得公平接入的机会,实现节点之间快速有效可靠地共享和交换大数量的战场态势信息和指挥控制指令,提高网络化协同作战能力.

为了保障机载战术网络多种业务并存传输,并满足部分信息传输时效性和可靠性的严格要求,本文提出了一种基于信道状态感知的多优先级多信道(Multi-Priority Multi-Channel,MPMC)MAC协议,能够实时感知信道占用情况,为机载战术网络不同优先级业务实现区分服务,为各类信息传输提供有效的QoS 保障,并充分高效利用网络带宽资源.

1 相关研究工作

近年来随着无线多媒体业务量的增大,各种无线网络MAC协议中多信道机制和多优先级区分机制得到了广泛的研究与应用.为了提高网络性能,提升网络容量和信道资源利用率,人们提出了多种多信道MAC[13-17].根据不同的工作方式,可将现有多信道MAC协议分为两大类:单集合(Single Rendezvous,SR)协议和多集合(Multiple Rendezvous,MR)协议.

多优先级MAC协议也可分为两大类:集中式协议和分布式协议.集中式协议通过系统集中控制来协调各节点分组的传输.轮询协议就是一种典型的集中式协议,例如IEEE 802.11 PCF[18]、IEEE 802.15.3[19]、M-PCF[20]都是基于轮询协议的集中式协议.集中式协议的缺点是可扩展性差,难以适用于大规模网络; 轮询开销会浪费网络带宽资源; 大部分业务需要接入点的转发才能到达目的节点,从而损失系统吞吐量.文献[21]提出了一种支持多优先级业务的基于调度机制的集中式MAC协议,依靠协调节点权重调度算法,可有效利用网络带宽,合理调度不同优先级业务的传输.分布式协议,例如IEEE 802.11e Enhanced Distributed Channel Access(EDCA)[22]、分布式公平调度[23]、Blackburst[24],以及SPMA/PA[25]等协议,都是可提供差分服务的基于竞争的MAC协议.这几种协议能够为不同优先级业务提供QoS 区分服务,但都没有采用网络带宽分配、速率控制等策略,无法为实时业务传输提供严格的QoS 保证.

分组速率控制策略和准入控制策略既是提高网络吞吐量、优化带宽分配、避免网络拥塞有效方法,也是现有研究工作区分不同优先级服务的常用策略[26-31].其中,文献[28] 受扩展的Lotka-Volterra(LV)生物学竞争模型启发,提出了一种自适应速率控制策略,各优先级业务对网络带宽资源的竞争采用一种生态系统的方式,实现了不同优先级业务区分服务和网络带宽利用率的提高.但不足之处在于该协议只能传输两种优先级业务,而且为了保证高优先级分组的QoS 保障,浪费了较多的网络带宽资源,使得带宽利用率较低.

2 基于信道状态感知的多优先级多信道MAC协议

2.1 协议总体描述

本文提出的MPMC 协议是一种基于信道状态感知的分布式随机竞争MAC协议,主要包括多优先级多队列调度机制、分组接入控制机制、自适应退避算法,以及多信道动态分配模型等4 部分,如图1所示.

MPMC 协议状态转移过程如图2所示,网络中所有节点都按照此状态转移策略工作:1)节点从“初始化/空闲”状态开始,若收到来自上层的分组,则根据分组的优先级插入相应的队列.2)新到达分组插入其队列之后,根据分组准入控制机制计算目前网络中已占用的信道数,从而决定节点进入“发送队首分组”状态还是“退避等待”状态.3)节点在“退避等待”过程中,若收到新到达分组,如果其相应的队列未满,则插入该队列中,否则丢弃该分组,直到有相应空闲信道时进入“发送队首分组”状态.4)在“发送队首分组”状态,若有新分组到达,如果其相应的队列未满,则插入该队列中,否则丢弃该分组.5)“发送完毕”状态后,根据所有优先级分组队列是否为空以及已占用的信道数,决定节点是进入“发送队首分组”、“初始化/空闲”,还是“退避等待”状态.

图1 MPMC 协议组成框图

图2 MPMC 协议状态转移图

2.2 多优先级多队列调度机制

多优先级分组队列既可采用单队列,也可采用多队列[32].单队列涉及队列中不同优先级分组的排队规则问题,实现起来较为复杂.本文采用一种多优先级多队列(Multi-Priority Multi-Queuing,MPMQ)方式,如图1所示,其中每个队列对应于一种优先级分组,而且各队列的服务有先后次序,即系统总是优先服务高优先级分组队列,只有当高优先级分组队列为空时,系统才能服务低优先级分组队列.同一优先级分组按照FIFO 顺序排队.MPMQ 的调度算法可表示为

由此可见,MPMQ 的主要优势在于能够保证高优先级分组很低的传输时延,因为系统总是优先服务高优先级分组队列,这尤其符合机载战术网络作战指令信息传输的低时延QoS 要求.

2.3 多信道动态分配模型

令p(p=1,2,···,m,···,M)表示分组的优先级,其中,p=1 的优先级最高,p=M的优先级最低.令λT表示总分组到达率,λm表示优先级p=m的分组到达率,因此

令N表示网络中总信道数,Γ 为最大可预留的信道数,其占用权基于分组的优先级.其余N-Γ 个信道由所有优先级分组平等共享,如图3所示.为了达到较高的信道利用率,这里Γ 的数值不能设置过大.

在该模型中,为优先级p=1 分组预留的信道数可表示为

为优先级p=1,2 分组共同预留的信道数可表示为

为优先级p=1,2,···,m分组共同预留的信道数可表示为

那么,Γ 可表示为

除了N-Γ个共享信道之外,个信道也由所有优先级分组平等共享.在Γ 个预留信道中,优先级p=m分组可用信道数可表示为

图3 多信道动态分配模型示意图

因此,优先级p=m分组总可用信道数为

式(3)～式(8)表明该模型中,给不同优先级分组所分配的信道数不是固定的,而是由参数λm、λT、N和Γ 所决定的.在给定N和Γ 的情况下,优先级p=m分组总可用信道数可以通过估计分组到达率的方法计算得到.

Γ 最优值的计算有几种方法,其中最简便的方法是利用信道利用率计算.Γ 的取值可以通过期望的最小信道利用率、信道拥塞状况,以及Γ 的初值而动态调整.假设ηmin和ηp分别表示期望的最小信道利用率和当前的信道利用率,Γ 最优值可通过下式计算:

其中,Γ0表示Γ 的初值.式(9)给出一种在动态网络条件下计算Γ 最优值的简便方法.当当前信道利用率值低于期望的最小信道利用率值时,系统可通过减小Γ 的数值来进行调整.

2.4 分组准入控制机制

分组准入控制机制的流程图如图4所示,当优先级p=m分组到达时,该机制采用分组到达率估计算法估计该优先级分组的到达率,并计算最大可用信道数Nm.如果已占用信道数小于Nm,则立即将该分组接入信道;如果已占用信道数大于或等于Nm,则将该分组执行退避算法.

图4 分组准入控制机制流程图

这里采用一种分组到达率估计算法(Packets Arrival Rate Estimation Algorithm)来对网络中各优先级分组到达率进行实时估计.为了估计分组到达率,需要观察各优先级最近n+1 个到达分组.这里令表示优先级p=m分组中第i-1 个和第i个到达分组之间的时间间隔.因此,每个优先级分组取n个值来计算两个相邻到达分组之间的平均时间间隔,如图5所示.其中,表示该优先级分组中最近到达的分组.

图5 优先级p=m分组中分组到达率估计

在优先级p=m分组中,最近n+1 个到达分组中两个相邻到达分组之间的平均时间间隔可表示为

其中,Δtm为真值,这表明为无偏估计.

根据最近n+1 个到达分组,优先级p=m分组的平均分组到达率可表示为

通过最近n+1 个到达分组来获取网络实时流量状况,当一个新的分组到达后,该优先级分组到达率的估计值就得到了更新.式(13)表明,分组可用信道数是依赖于该优先级分组到达率、N和Γ 而动态变化的.

2.5 自适应退避机制

提出了一种基于多信道负载状态的自适应退避机制.为了有效减少信道上分组的冲突,提升网络性能,将网络中的有分组需要发送的节点定义为活跃节点,通过估计网络中的活跃节点数量,动态调整各节点每次退避阶段的竞争窗口大小,增加重负载情况下分组的竞争窗口取值,并在网络负载变化时能够快速收敛到最佳竞争窗口.

令网络中各节点分组的到达服从参数为λ 的Poisson 分布,R为单个分组的占空比,网络中的节点数量为N,信道数量为C.则网络中活跃节点的数量可表示为

根据算法的基本思想,构造竞争窗口表达式如下

其中,竞争窗口退避时线性增加直到最大值Wmax.

3 仿真与分析

利用OMNeT++ 网络仿真平台对MPMC 协议的性能进行仿真验证.仿真基于以下假设条件:

1)所有节点的初始位置在仿真场景内随机分布,在仿真时以300 m/s 的速率匀速直线运动,运动方向随机选择,所有节点构成一个全连通的MANET.

2)每个节点有1 个发射通道和与信道数相等的接收通道,发送分组时接收通道不阻塞.

3)各节点地位对等,源端产生4 种优先级分组,所有分组具有相同的长度和传输速率,同一优先级分组具有相同的分组到达率,分组到达服从Poisson分布.

4)分组接入信道时,在其优先级所有可用信道中随机选择信道.

在仿真中,将MPMC 协议的性能与非优先级区分策略、固定保护信道策略的性能进行对比分析.非优先级区分策略(Non-Priority Scheme)是指对所有分组不设置优先级,按同一优先级对待;固定保护信道策略(Fixed Guard Channel Scheme)是指各优先级业务可用的信道数是固定的,为优先级p=1,2,3,4业务指定的可用信道数分别为20、18、16、14.具体仿真参数见表1.

图6所示为3 种策略下不同优先级业务的分组退避概率和信道利用率的比较.由图6 可知,MPMC协议能够有效降低高优先级业务的分组退避概率,但低优先级业务的分组退避概率较大,因为该协议是通过限制低优先级业务占用信道资源来保证高优先级业务传输的.在MPMC 协议中,当高优先级业务的分组到达率远小于低优先级业务的分组到达率时,只为高优先级业务预留了少量的信道资源,从而保证了较高的信道利用率.固定保护信道策略也能够降低高优先级业务的分组退避概率,但同时明显降低了信道利用率.对于非优先级区分策略,当网络流量增加时,分组退避概率也很快增大,该策略无法保证分组较快接入信道.因此,综合衡量3 种MAC机制,MPMC 协议既能保证高优先级分组快速接入信道,又能保证高信道利用率.

表1 仿真参数设置

图6 3 种策略的信道利用率比较

当λ1取值不断增大,λ2=0.1 calls/s、λ3=0.2 calls/s、λ4=0.4 calls/s 时,MPMC 协议各优先级分组的可用信道数变化情况如图7所示.由图7 可得,为了保证网络中高优先级分组的低退避概率和高信道利用率,各优先级分组的可用信道数是随分组到达率的变化而变化的.当最高优先级分组到达率不断增大时,最高优先级分组的可用信道数保持不变,而其他优先级分组的可用信道数不断减少.这是因为,当网络流量增大、系统资源不足时,MPMC协议只是限制了一些低优先级分组,使其经历了一定的退避阶段才能接入信道,却保证了高优先级分组退避概率几乎没有增大,而且信道利用率没有明显降低.

图7 MPMC 协议各优先级的可用信道数比较

4 结论

本文为机载战术网络提出了一种基于信道状态感知的多优先级多信道分布式随机竞争MAC协议,主要包括多优先级多队列调度机制、分组准入控制机制、自适应退避算法和多信道动态分配模型等4部分.该协议能够根据实时信道占用情况为机载战术网络中不同优先级业务提供区分服务,为各类信息传输提供有效的QoS 保障,并充分高效利用网络带宽资源.下一步研究工作要解决的问题是进一步改进和优化该协议,使其在保证高优先级分组传输QoS 的同时,尽量提高低优先级分组的吞吐量.