基于双频通信的空间飞行器自组网动态时隙分配*

宋兆涵，曾贵明，梁 君

(中国运载火箭技术研究院，北京 100076)

0 引 言

随着航天技术领域的发展，空间自组网通信模式已经逐步成为了新的研究热点。由多类空间飞行器组成的自组织网络需要具备极强的自组织、自配置和管理能力，以适应通信任务的变化[1]，增强网络灵活性，因此有必要设计高效的时隙分配算法对其进行有效的规划和管理。空间飞行器具有拓扑范围大、节点数目少、可靠性要求高、时延敏感性强等特点[2]，基于信道访问机制的不同，现有MAC协议主要分为竞争类、调度类和混合类三类[3]。以CSMA/CA为代表的竞争类MAC协议被广泛应用于无线局域网，但由于其退避机制和握手机制，在长距离传输中性能急剧下降[4]。调度类MAC协议大多基于时分多址(Time Division Multiple Access,TDMA)方式，可以确保时延的边界值，能实现无冲突的分组传输[5]，但固定分配的方式造成了信道资源的极大浪费，因此时隙动态分配的TDMA成为长距离自组网通信的研究热点[6]。

文献[7]提出了一种面向报文流的混合时隙分配算法，该算法基于报文通过将固定时隙分配与动态时隙分配相结合来提高网络效率，然而算法复杂度较高，且无法对固定分配时隙进行调整，在网络发生变化时会造成固定时隙的浪费。文献[8]提出了一种改进的动态时隙分配算法，通过调整节点等级确定节点占用固定时隙或竞争时隙，然而算法的帧结构固定，不够灵活，随着节点等级的提升只能通过降低高等级节点的等级来平衡节点数量，降低了高等级节点信息传输的实效性。文献[9]对混合粒子群算法进行优化，提出了一种新的数据链时隙分配方法，有效降低了数据链网络的调度抖动，不足之处在于求得全局最优解需要较长时间和占用较大计算机内存。

本文基于网络通过两个频点建立双层通信链路，设计了一种新的动态时隙分配策略，为在网工作的节点动态分配时隙，维持节点存储的网络拓扑稳定更新，且利用节点的位置信息周期性的对时隙分配进行优化，时帧结构灵活可变，避免了时隙资源的浪费；同时，对拓扑范围较大的网络完成空间复用，提高了空间资源的利用率。本文采用无冲突的时隙分配算法，相较于竞争接入类协议避免了碰撞的发生，提升了网络性能。

1 时帧结构设计

考虑一般空间飞行器的通信包括协同控制和数据传输等多种业务类型，采用传统TDMA时隙分配(图1)，节点业务传输时隙分配固定，导致各节点存储的拓扑信息不能及时更新，业务传输端到端时延较大;同时，随着网络负载的增加，TDMA协议的吞吐量很快达到饱和。本文根据业务类型不同将飞行器通信业务分为低速和高速两种，改进后的动态时隙分配方案按通信频率分为上下两层，如图2所示，低速业务占用频点f1，作为一层网络，传输飞行器协同控制等交互信息；高速业务占用频点f2，作为二层网络，传输点对点高速数据通信业务，同时预留竞争时隙，方便节点入网和退网进程。

图1 TDMA时帧结构

图2 改进的动态时帧结构

本文的时隙分配研究建立在网络已完成前期初始化工作的基础上，通过网络节点发现和初始建立链路等工作，节点会对网络初始拓扑结构存在粗略掌握。在此基础上，如何在稳定通信过程中建立高可靠性和高实效性的时隙分配策略，是本文研究的主要内容。本文采用动态时隙分配的网络工作流程如图3所示，在时帧周期的起始时隙，各节点根据自身掌握的网络拓扑信息自发性选举中心节点，由中心节点完成双层网络独立的时隙分配表，并通过低速业务广播告知所有节点，节点在各自分配的时隙和频段完成低速业务广播和高速业务定向传输。

图3 动态时隙分配方案

在低频层信息交互过程中，各节点在相应时隙无冲突地完成拓扑信息和时隙分配信息的存储、更新和发送，从而保证所有节点均可实时更新网络拓扑结构，并作为反馈信息辅助完成下一个时帧周期开始时中心节点的选举和时隙分配结构的动态更新。

同时，在高频层信息交互过程中，各节点无冲突发送、转发和接收高速数据信息，根据预先收到的高频层时隙分配表，节点可掌握高速数据转发过程中出现的丢包现象，并作为反馈信息影响中心节点对高速业务队列处理和业务优先级判定。

2 动态时隙分配策略

2.1 低速广播业务嵌套型时隙分配策略

由于飞行器节点的高速移动带来网络拓扑变化，在一层网络低速业务传输过程中节点需实时交换网络拓扑信息，根据一层网络中心节点选取策略，中心节点周期性变化，优先选取网络中心区域节点。为避免中心节点选举冲突，因此中心区域节点对低速交互信息的实时性要求更高，需保证中心区域节点存储的拓扑信息和业务信息具有更小的更新时延。同时，为保证高速数据定向传输路径规划的准确性和链路稳定性，节点需实时掌握网络拓扑信息，而随机的时隙分配方式会产生不均匀的信息更新时延。以图4所示拓扑为例，9个飞行器节点离散分布于网络中，互相位于通信范围内的节点以实线连接，节点以时帧为周期依次广播低速交互信息。图5为网络拓扑嵌套划分例图。

图4 网络拓扑例图

图5 网络拓扑嵌套划分例图

2.1.1 随机TDMA时隙分配方式信息延迟

采用随机TDMA时隙分配方式时，时隙分配结构以图6中随机TDMA时隙分配方式为例。

图6 时隙分配方式比较

单个时隙长度为ts，节点6位于时帧周期末尾，因此节点6在本周期内最新交互信息只能广播给节点6的一跳邻节点(即节点9)，在下一个时帧周期，节点9将存储的交互信息广播给一跳邻节点，节点4和节点8收到节点6的交互信息延迟8 ts，约为一个时帧周期。以此类推，节点1收到节点6的交互信息存在的延迟为38 ts。构造交互信息延迟矩阵(Information Delay Matrix,IDM)，IDM(i,j)表示节点i存储的节点j交互信息存在以T为单位的延迟数。随机TDMA时隙分配方式信息延迟如上所述，则矩阵IDM_rand元素最大值为

IDM_rand(i,j)MAX=38 ts 。

(1)

根据此种时隙分配，节点6于时隙ts9广播当前最新交互信息INF，中心节点5最早于一个周期后的时隙ts7收到节点8存储的节点6交互信息INF，因此中心节点5所存储的节点交互信息延迟最大值为16 ts，约为2T。

IDM_rand(5,j)MAX=IDM_rand(5,6)，

(2)

IDM_rand(5,6)=16 ts 。

(3)

2.1.2 动态嵌套型时隙分配方式信息延迟

本文设计嵌套型时隙分配策略，重新划分时帧周期。嵌套型时隙分配策略将网络拓扑按照图5所示划分，以节点到中心节点的跳数为依据，跳数相同的节点加入同一层次集合，以虚线连接。图中三跳节点节点1和节点6为最外层，一跳节点3、4、7、8位于嵌套结构最里层，节点由最外层向最里层依次占用微时隙进行广播，在微时隙ts9时刻，所有节点当前时帧周期内的交互信息均到达中心节点，之后以中心节点为嵌套结构的中心，节点从内向外依次占用微时隙广播，中心节点将存储的交互信息告知所有节点，完成如图6所示时隙分配。整个时帧周期内，节点1最早于ts1时刻广播当前交互信息，经过多跳传输于ts14时刻由节点9广播告知节点6，同理节点6于ts2时刻广播交互信息，于ts14时刻由节点2广播告知节点1，因此嵌套式时隙分配信息延迟矩阵IDM_nest元素最大值为

IDM_nest(i,j)MAX=13 ts 。

(4)

根据此种时隙分配，节点1于时隙ts1广播当前最新交互信息INF，中心节点5最早于时隙ts7收到节点7存储的节点1交互信息INF，因此中心节点5所存储的节点交互信息延迟最大值为6 ts。

IDM_nest(5,j)MAX=IDM_nest(5,1)，

(5)

IDM_nest(5,1)=6 ts 。

(6)

与2.1.1节计算结果相比，信息延迟是随机时隙分配的1/3～2/5，因此嵌套型时隙分配方式满足节点间实时信息延迟小于一个时帧周期。为保证信息充分交换，取中心节点占用的时隙为时帧周期实际起始时刻。根据嵌套型时隙分配原则，非中心节点被分配占用的时隙必定在收到广播信息之后到来，因此不会出现时隙分配表更新不及时导致的漏播。

2.2 高速定向业务无冲突时隙分配策略

基于低频网络的低时延信息交互，中心节点实时更新各节点待发送的高速业务队列信息表，根据高速业务优先级选取优先级较高的K个业务为其分配时隙，并将时隙分配写入低速交互信息告知所有节点。

高频网络的时隙分配过程即为所有转发链路完成无冲突时隙分配的过程。节点于高频网络采用方向图可变的相控阵天线进行业务传输，根据天线性能和链路信干比判断通信链路之间是否会发生干扰。

定义节点j与节点k的最大干扰距离为ρ，若dk,j>ρ，则节点j不能接收到节点k发射的干扰信号。定义节点i、j间的通信链路link(i,j)的信干比(Signal-to-Interference Ratio,SIR)为[10]

(7)

式中：θij为节点j相对于节点i的方位角，Gij为节点i向节点j发射信号时所采用的天线的定向增益，dij为节点之间的距离，a是路径衰减指数(一般定义a=2)，

(8)

对于分配于同一时隙的通信链路，需满足各链路的信干比大于一个限定的通信门限值γ0，即同一时隙传输的所有链路link(i,j)均需满足Γij>γ0才能保证各链路无冲突传输。

2.3 时隙分配算法

本小节在低速业务嵌套型时隙分配和高速业务无冲突时隙分配研究的基础上总结时隙分配算法。

低速业务广播传输时隙分配算法以嵌套性时隙分配为基础，以时隙矩阵的形式完成时隙分配，矩阵列数即为每周期时隙总数。将网络节点以至中心节点的跳数为依据进行划分，按照节点跳数由大到小再由小到大依次写入矩阵，同时基于空间复用加入时隙重用机制[10]，跳数相同且无广播冲突的节点可占用同一时隙，即写入矩阵中的同一列，直至分配完成。

高速业务传输过程为多跳节点转发的过程，节点在各自时隙与高频网络层完成高速业务传输、接收和转发，独立于低频网络层，完成多个高速业务的并行传输。高速业务时隙分配算法以Dijkstra算法为基础，由中心节点采用优化后的Dijkstra算法为每个业务计算最优传输路径，形成有向路径图，为路径图中跳数序号相同的链路依次无冲突分配时隙，同样基于空间复用加入时隙重用机制，以时隙矩阵的形式完成时隙分配(因篇幅所限，具体时隙分配算法略，可扫描本文OSID码查看)。

3 仿真验证

3.1 仿真环境

本文采用OPNET仿真平台搭建网络模型。双层网络通信过程中，选取S频段和Ka频段分别进行扩频传输，保证信号传输质量。仿真参数设置如表1所示。

表1 仿真参数设置

取低频网络物理层传输速率为2 Mb/s，高频层物理层传输速率为20 Mb/s。仿真模型中，低速广播业务广播帧长度为256 B，则理想传输时间为1.024 ms；高速业务数据帧长度为9 182 B，理想传输时间为3.7 ms，考虑实际节点数据处理时间，因此取时隙长度为5 ms。系统模型分别使用DF-DTDMA和TDMA两种时隙分配策略正常运行。

3.2 高速业务丢包率分析

飞行器自组网拓扑变化快，拓扑信息更新不及时是造成定向业务丢包的主要原因。

假设飞行器节点j相对于节点i以速度v快速移动，d为通信链路link(i,j)中节点i、j的相对距离，t为节点i所存储的节点j的拓扑信息更新时延，则节点i已分配时隙到来时，节点j的位置相对于节点i发生偏移的角度为

(9)

若节点j偏移角度Δθ大于发射节点i的1/2天线波束宽度，或节点j位置变化导致链路信干比Γij<γ0，则认为会发生拓扑变化带来的丢包。

取节点数目为9，根据2.2节对两种时隙分配方式的信息延迟分析，TDMA协议拓扑更新时延

t

(10)

DF-DTDMA策略拓扑更新时延

tmax=13 ts 。

(11)

实际算法中加入空间复用，因此

t

(12)

根据仿真场景设置，节点间相对距离约为100 km，取天线波束宽度θ为1°左右，飞行器相对移动速度v取5 km/s，则对于通信链路link(i,j)，由于拓扑更新时延导致节点j的位置相对于节点i发生偏移的最大角度理论值Δθmax为

Δθmax-DF-DTDMA=0.14°，

(13)

Δθmax-DTDMA=0.56° 。

(14)

可以得出， 采用DF-DTDMA策略不会发生由于拓扑变化快使接收节点实际位置偏离发射节点波束范围导致的丢包;TDMA策略拓扑更新时延较大，最大偏移角度已超过波束宽度的1/2，易发生丢包。

在仿真过程中，高速业务丢包率随仿真时间变化如图7所示，DF-DTDMA协议由于网络拓扑变化产生的丢包率约为0.1%，趋近于0；TDMA协议由于网络交互信息延迟较大，高速业务队列信息和拓扑信息未能及时更新，导致高速业务传输丢包率约为5%。

图7 高速业务丢包率分析

3.3 网络吞吐量分析

仿真场景中，网络拓扑变化相同，网络负载逐渐增大，仿真得到的结果如图8所示。随着网络负载的增加，DF-DTDMA协议网络吞吐量为TDMA协议吞吐量的1.5～1.8倍，与理论值相近；TDMA协议的吞吐量相比于DF-DTDMA更早达到饱和。仿真结果说明DF-DTDMA策略提高了信道利用率，降低了TDMA协议中实时信息交互带来的信令开销对数据传输的影响，提高了网络的吞吐量。

图8 网络吞吐量

但算法同样存在一定的局限性。由于本文研究的算法是在TDMA协议的基础上将信道资源以时隙为单位进行划分，因此随信道负载的增加，网络吞吐量会达到饱和。另外，由于算法需要在低速广播业务中交换节点位置信息和高速业务队列信息，在信道带宽一定的情况下，随着网络规模的增加，算法可容纳的节点数目存在上限，约为50个节点。因此，算法适用的网络规模具有一定局限性。后续可通过优化算法，改进占用带宽，使其适用于大型飞行器网络。

3.4 业务平均时延分析

本文动态时隙分配策略采用时隙矩阵形式，完成时隙分配空间复用，提高了时隙利用率。本文将时帧中已被节点占用的非空闲时隙称为有效时隙，计算一个时帧周期内传输低速业务或高速业务的有效时隙的总时长与有效时隙内成功传输(由源节点到目的节点)的低速或高速业务数目的比值作为业务平均时延，此指标用于体现不同时隙分配方案对有效时隙的利用率。业务平均时延越小，时隙利用率越高。

从图9和图10可以看出，DF-DTDMA低速广播业务平均时延低于3.7 ms，高速业务平均时延低于9 ms，传统TDMA时隙分配策略产生的I类业务平均时延约5 ms，II类业务平均时延大于11 ms，因此DF-DTDMA策略相比于传统TDMA时隙分配策略有效时隙利用率提高了20%以上。

图9 低速业务平均时延

图10 高速业务平均时延

4 结 论

本文针对分布式空间飞行器自组网使用传统时分多址时隙分配方式时网络时延大、传输效率不高的问题，提出了一种适用于飞行器自组网的动态时隙分配方案(DF-DTDMA)。该策略基于改进的动态时隙分配的TDMA方式：在低频网络层，DF-DTDMA方案提出了嵌套型时隙分配策略，保证网络拓扑信息更新的及时性，降低了动态变化的飞行器网络中业务传输丢包率，在传统TDMA分配方式产生丢包率达到5%情况下，DF-DTDMA策略产生丢包率趋近于0；在高频网络层提出高速业务无冲突时隙分配策略，降低信息碰撞概率。同时，采用双频时帧结构设计并在算法中加入基于位置信息的空间复用，提高了网络吞吐量和时隙利用率。仿真结果表明，本文提出的动态时隙分配方案DF-DTDMA相比较传统TDMA协议有效提高了网络性能，具有高可靠性和灵活性，适用于高动态的中小型飞行器自组织网络，经优化后可满足更高性能空间飞行器自组网通信需求。