论文笔记-高速无人机网络MAC协议

参考文献： 常扬, 陈建民, 马鹏飞. 高速无人机网络MAC协议设计与性能分析[J]. 无线电工程, 2011(03):27-30.
注意： 文中双引号斜体部分为引用论文原文

论文背景

需要一套快速展开、高效稳定、多点覆盖、协同工作的高速运动条件下的无线通信网络
因此采用Ad Hoc网络通信系统
就此提出了一种新型的Ad Hoc网络信道接入协议，命名为高速空基网络接入控制协议

移动Ad Hoc网络原理

“Ad Hoc网络是一种特殊的对等式网络，使用无线通信技术，若干个带有收发信机的节点构成的一个无中心、多跳的、自组织的网络，采用分布式控制，网中的节点同时具有主机和路由器的功能，可以不依赖预先存在的网络基础设施而快速展开，自适应组网，各节点可在不进行通知的情况下自由进入网络和脱离网络且不会导致整个网络陷入瘫痪。”

若干个带有收发信机的节点构成的一个无中心、多跳的、自组织的网络
采用分布式控制
自适应组网
各节点可自由进入和脱离网络
平面结构：所有节点的地位平等，又称为对等式结构
分级结构：网络被划分为簇，簇头形成了高一级的网络，进一步划分，直至最高级

高速空基网络接入控制协议

（High Speed Airborne，HSA）

设计目标：

在高速运动、拓扑变化迅速条件下保持较高吞吐量，对速率变化敏感度低
具有较好的时延特性，媒体接入层时延可控
普通情况下也具有较好性能

设计思路

基于时分多址
基于时隙的帧结构
“只有基于时隙的信道接入协议具备时延上限保证的可能性”

基本时隙

发送策略

实时短消息端到端时延要求（ ≤6ms\le 6ms≤6ms ）
若采用轮转或预约的时隙结构，某个结点需发送短消息时，需要等待属于该结点时隙到达才能发送
基于此，设计了HSA系统帧结构
无人机网络中，控制信息基本上是由主控结点发出，其他结点响应并返回结果，因此针对主控结点进行优化
【时隙1】为主控结点留有专门的实时短消息快速发送通道，其他结点仅起到迅速转发的作用。
【时隙2，4，6】其他结点待发的数据在专门留出的微时隙中发送（包括主控结点待发非实时短消息）。
【时隙3，5】在控制通道中预先留出了控制信息转发区。

性能仿真

仿真设置

采用NS2进行仿真
网络覆盖范围：100km∗100km100km * 100km100km∗100km
节点覆盖范围：25km25km25km
节点运动情况：31个发送节点，1个接收节点
节点运动方式：以最大速度100kmph100kmph100kmph、500kmph500kmph500kmph、1000kmph1000kmph1000kmph的随机速度运动到随机坐标
应用层：采用固定比特率（CBR）流量产生器模拟多媒体数据
传输层：采用用户数据报协议（UDP）
网络层：采用按需矢量距离路由协议（AODV）
数据链路层：采用传统时分多址（TDMA）与HSA两种信道接入协议
物理层：采用直扩方式，带宽2M2M2M
仿真时间：200s200s200s
数据链接情况：传输时间5s5s5s，数据速率1.0Mbps1.0Mbps1.0Mbps

仿真结果

采用HSA信道接入协议仿真端到端时延特性

移动速度从100～1000kmph100～1000kmph100～1000kmph的变化并未对端到端时延造成很大影响
端到端时延基本保持在1～3ms1～3ms1～3ms
说明HSA协议下，速度不是决定端到端时延的主要因素
采用HSA信道接入协议仿真网络吞吐量特性

无论何种运动速度，UDP吞吐量稳定在1M1M1M水平，属正常范围
HSA协议下，可保持较高网络吞吐量，吞吐量对速率变化敏感度低
采用TDMA信道接入协议仿真端到端时延特性

端到端时延基本保持在10ms10ms10ms以下
当网络拓扑变化剧烈时，如1000kmph1000kmph1000kmph的3545s35~45s35 45s，端到端时延陡增到300ms300ms300ms
端到端时延陡增与网络拓扑变化相关，且这种陡增比HSA信道接入协议下大得多
采用TDMA信道接入协议仿真网络吞吐量特性

无论何种运动速度，UDP吞吐量均无法稳定在1M1M1M以上
TDMA协议下，在设定的仿真环境下，吞吐量对速率变化敏感，且性能并不理想

结论

节点高速运动、拓扑迅速变化条件下，HSA协议吞吐量保持较高，对速率变化、拓扑变化不敏感
节点高速运动、拓扑迅速变化条件下，TDMA协议吞吐量下降较大，对速率变化、拓扑变化敏感
对于端到端时延特性，HSA协议基本可控，TDMA协议部分拓扑条件下不可控
满足特定场景需求的情况下, HSA协议比TDMA协议具有更优性能

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