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摘 要： 描述了面向无人机（UAV）自组织网络的组网技术和接入技术，提出了针对时延的改进接入技术，以增加一部分低优先级消息的时延为代价，降低另一部分高优先级的消息的时延.选择基于C++和Python语言的网络模拟仿真软件NS3作为开发平台，编程实现UAV自组织网络的接入和组网技术仿真.
关键词： 无人机; 自组网; 接入技术; NS3; 时延
中图分类号： TN 929.5文献标志码： A文章编号： 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
相比于长期演进（LTE）通信模式，自组网并不需要类似于基站的外部设施即可通信，因此自组网在构建小型无人机群组的通信网络中，具有重要地位.接入技术是将通信设备接入网络，实现通信设备间有效通信的技术.目前应用最为广泛的接入技术分为时分多址（TDMA）、频分多址（FDMA）、空分多址（SDMA）和码分多址（CDMA）等.其中，TDMA接入技术将时间划分为周期性的超帧，再将超帧划分为若干时隙，分配给各用户传输.TDMA接入技术具有通信质量高、保密好、系统容量大等优点，但需要对其进行精确的定时和同步，才能保证其时隙分配的正确性.自组网技术具有良好的同步机制，并且可以获取在线用户数量，适用TDMA接入技术.
PATIBANDLA等[1]通过统计在衰落信道环境下，网络负载非饱和时单跳无人机（UAV）自组网的时延数据，分析了采用经典IEEE 802.11 分布式接入协议模型的MAC协议系统时延性能.CAI等[2]提出了一种采用令牌环（token）方式的接入MAC协议，通过仿真验证了协议的有效性.韩海艳等[3]提出了在固定TDMA協议中加入竞争机制并考虑优先级，使协议性能有一定程度的提高.
本文作者基于网络仿真软件NS3，编程实现了无人机自组网的组网过程和传输过程，仿真过程中采用的接入技术是在文献[3]所提出方法的基础上进行改进的，将改进方案的时延性能与原方案进行对比，结果表明：改进方案的时延性能更优.
1 自组网网络架构
自组网是由独立通信终端相互通信并自行建立连接的网络[4].自组网中各个终端都具有主机和路由器的功能.路由器功能执行路由协议，进行路由转发和路由维护的工作;主机的功能是运行面向用户的各种应用程序.自组网路由协议应具备快速、准确且高效的特点，需尽量在最短的时间内查找到准确的路由信息，同时由于自组网终端一般是可移动的，路由协议需要适应网络拓扑的快速变化.
在自组网建网过程中，由于各终端实现的功能较多，需要考虑其硬件的计算能力、电源容量和存储空间等因素的限制，应选择合适的接入策略和路由协议，以尽可能降低网络开销[5].一方面，由于自组网中没有类似基站的中转设施，各节点的时间无法校准，为实现节点同步，需要选出其中一个节点作为簇头，其余节点以它为标准进行同步;另一方面，在自组网中节点的传输距离有限，一般需要通过多跳转发，才能将数据包发送到目的节点，随着网络规模增大，数据包的转发次数随之增加，所占用的资源会随之增加，构建及维护路由的开销也会随之增大，导致无线网络的稳定性下降.
综上所述，为了解决自组织网络的可扩展问题，提出分层树状结构的跳频自组网通信网络架构.树状分层网络中，同时存在中心控制结构和分布式控制结构，每一层中有多个簇，每一簇中含有一个簇头节点和若干成员节点.同一簇内的节点可以直接或间接进行通信，而同一层中不同簇的成员节点根据相应簇头节点进行转发.
2 系统设计
无人机自组网是自组网中的一种特殊形式，除了一般自组网的多跳、无中心等特点，还具备一些独有的特点.
（1） 高速移动模型.无人机具有很高的移动速度，这种高速移动将造成网络拓扑频繁变化，进而对网络结构稳定性和协议性能带来冲击.
（2） 低密度分布.由于空域广泛，无人机活动范围极广，节点在空中分散分布，彼此间距离以公里计算，这种低密度的分布将对网络连通性带来冲击.此外，在现实中，无人机还需要与地面控制台、卫星、有人驾驶飞机等不同的平台建立通信连接，在这些情况下，节点之间存在不确定性，会导致网络的异构性.
（3） 节点能量强及网络临时性明显.无人机上的通信设备由飞机提供空间和能量，这使得无人机自组网不需额外考虑节点计算能力和能量耗费问题.无人机一般用于执行特殊任务，运动规律性不强，飞行不确定性大，网络临时性非常明显. （4） 独特的网络目标.传统自组网的连接目标是对等的，无人机自组网也是如此，此外网络中还需要部分担任数据收集的中心节点，因此需要支持流量汇聚.网内可能存在多种传感器，传输的业务包括图像、音频、视频等，具有时延敏感性高、数据业务量大、数据类型多元化等特点，需要保证相应的通信质量.
基于上述特点，进行无人机自组网的仿真系统设计，具体实现主要包括网络参数设计、组网过程、接入技术及路由过程4个方面.其中，网络参数设计基于具体场景要求，路由过程已经有具体实例可以参考，因此，程序设计主要分为组网过程和接入技术2个部分.
2.1 组网技术仿真设计
分簇组网流程包括4个阶段：1） 簇头节点向第一跳节点发送时间同步消息，第一跳节点收到消息后，将本地时间与簇头节点时间进行校准;2） 各跳节点向下一跳节点发送tod同步消息，发送方案与1相同;3） 从最大跳数处开始广播路由信息，并在簇头节点汇聚子网内所有节点的在线情况，本阶段的路由信息只针对一个节点所知的所有在线节点，不包括节点之间的连接关系;4） 簇头在线广播全部节点的信息，节点根据收到的数据包更新本地其余在线节点的信息.本系统中采用自同步方进行前两个阶段的网络同步，后两个阶段实现各节点通信，以获取网络信息与网络结构.
2.2 接入技术仿真设计
采用竞争性TDMA接入技术，将时间分割成周期性的帧，每一帧中分成若干个时隙，各通信设备只能在特定的时隙进行收发通信，在时间轴上不会相互冲突.竞争TDMA时隙分配方法在遇到传输消息不平衡的情况时，可以调节时隙分配情况，节省时间资源.
竞争TDMA时隙分配方法的帧结构如图2所示.
3 仿真及结果分析
本系统总体设计概念图如图4所示.
图4中，构建网络场景主要包括：设置节点数，安装网卡及协议栈，设置信道类型，设置移动模型，安装应用层协议，设计网络的拓扑结构，并且依据信道衰减模型，计算相应节点间的距离.当网络仿真的各项模块添加完成后，启动仿真，下达组网指令，所有节点开始组网.组网完成后，开始传输过程，将数据包的目的地址传到路由层，路由层返回数据包下一跳的目的地址，完成交互.
3.1 组网仿真结果
下达组网指令后，5个节点由于开机时间不同，其时间未获得同步，如图7所示.
3.2 基于TDMA的竞争时隙技术仿真
传输过程的网络仿真结果如图12所示.
图12中，一个TDMA超帧开始后，1号节点有8个消息包需要发送.在声明过程中，1号节点广播RTS分组，2号节点收到RTS消息;在应答过程中，2号节点广播CTS分组，1号节点收到CTS消息.此时1号节点2跳范围内的节点已经获知了发送消息的需求，在传输阶段，1号节点除了在本时隙发送5个数据包外，还可以占用2号节点的时隙发送剩余的3个数据包.
在仿真实验中，将高优先级业务插入到队头，并通过增加低优先级业务的时延，达到降低高优先级业务的时延.设计高、低优先级消息的数量比为1∶4，不同网络负载下仿真结果图如图13所示.
4 结 论
研究了面向UAV自组织网络的接入与组网技术仿真，并且在NS3网络仿真软件上实现了面向UAV自组织网络的通信系统，提出了一种针对时延的改进接入技术，通过仿真分析了改进前后的系統性能，结果表明：本研究的改进系统较原系统，具备更优的性能.但当前系统仍然存在着一些问题，如在接入技术方面，对于相同优先级之间的排队问题欠缺考虑.在未来的工作中，仍需进一步改进.
参考文献：
[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] 韩海艳，马林华，田雨，等.无人机编队中的自主定位与动态TDMA协议应用 [J].电光与控制，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] 郑伟明.OLSR路由协议研究及仿真 [D].成都：电子科技大学，2011.
（责任编辑：包震宇，顾浩然）
关键词： 无人机; 自组网; 接入技术; NS3; 时延
中图分类号： TN 929.5文献标志码： A文章编号： 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
相比于长期演进（LTE）通信模式，自组网并不需要类似于基站的外部设施即可通信，因此自组网在构建小型无人机群组的通信网络中，具有重要地位.接入技术是将通信设备接入网络，实现通信设备间有效通信的技术.目前应用最为广泛的接入技术分为时分多址（TDMA）、频分多址（FDMA）、空分多址（SDMA）和码分多址（CDMA）等.其中，TDMA接入技术将时间划分为周期性的超帧，再将超帧划分为若干时隙，分配给各用户传输.TDMA接入技术具有通信质量高、保密好、系统容量大等优点，但需要对其进行精确的定时和同步，才能保证其时隙分配的正确性.自组网技术具有良好的同步机制，并且可以获取在线用户数量，适用TDMA接入技术.
PATIBANDLA等[1]通过统计在衰落信道环境下，网络负载非饱和时单跳无人机（UAV）自组网的时延数据，分析了采用经典IEEE 802.11 分布式接入协议模型的MAC协议系统时延性能.CAI等[2]提出了一种采用令牌环（token）方式的接入MAC协议，通过仿真验证了协议的有效性.韩海艳等[3]提出了在固定TDMA協议中加入竞争机制并考虑优先级，使协议性能有一定程度的提高.
本文作者基于网络仿真软件NS3，编程实现了无人机自组网的组网过程和传输过程，仿真过程中采用的接入技术是在文献[3]所提出方法的基础上进行改进的，将改进方案的时延性能与原方案进行对比，结果表明：改进方案的时延性能更优.
1 自组网网络架构
自组网是由独立通信终端相互通信并自行建立连接的网络[4].自组网中各个终端都具有主机和路由器的功能.路由器功能执行路由协议，进行路由转发和路由维护的工作;主机的功能是运行面向用户的各种应用程序.自组网路由协议应具备快速、准确且高效的特点，需尽量在最短的时间内查找到准确的路由信息，同时由于自组网终端一般是可移动的，路由协议需要适应网络拓扑的快速变化.
在自组网建网过程中，由于各终端实现的功能较多，需要考虑其硬件的计算能力、电源容量和存储空间等因素的限制，应选择合适的接入策略和路由协议，以尽可能降低网络开销[5].一方面，由于自组网中没有类似基站的中转设施，各节点的时间无法校准，为实现节点同步，需要选出其中一个节点作为簇头，其余节点以它为标准进行同步;另一方面，在自组网中节点的传输距离有限，一般需要通过多跳转发，才能将数据包发送到目的节点，随着网络规模增大，数据包的转发次数随之增加，所占用的资源会随之增加，构建及维护路由的开销也会随之增大，导致无线网络的稳定性下降.
综上所述，为了解决自组织网络的可扩展问题，提出分层树状结构的跳频自组网通信网络架构.树状分层网络中，同时存在中心控制结构和分布式控制结构，每一层中有多个簇，每一簇中含有一个簇头节点和若干成员节点.同一簇内的节点可以直接或间接进行通信，而同一层中不同簇的成员节点根据相应簇头节点进行转发.
2 系统设计
无人机自组网是自组网中的一种特殊形式，除了一般自组网的多跳、无中心等特点，还具备一些独有的特点.
（1） 高速移动模型.无人机具有很高的移动速度，这种高速移动将造成网络拓扑频繁变化，进而对网络结构稳定性和协议性能带来冲击.
（2） 低密度分布.由于空域广泛，无人机活动范围极广，节点在空中分散分布，彼此间距离以公里计算，这种低密度的分布将对网络连通性带来冲击.此外，在现实中，无人机还需要与地面控制台、卫星、有人驾驶飞机等不同的平台建立通信连接，在这些情况下，节点之间存在不确定性，会导致网络的异构性.
（3） 节点能量强及网络临时性明显.无人机上的通信设备由飞机提供空间和能量，这使得无人机自组网不需额外考虑节点计算能力和能量耗费问题.无人机一般用于执行特殊任务，运动规律性不强，飞行不确定性大，网络临时性非常明显. （4） 独特的网络目标.传统自组网的连接目标是对等的，无人机自组网也是如此，此外网络中还需要部分担任数据收集的中心节点，因此需要支持流量汇聚.网内可能存在多种传感器，传输的业务包括图像、音频、视频等，具有时延敏感性高、数据业务量大、数据类型多元化等特点，需要保证相应的通信质量.
基于上述特点，进行无人机自组网的仿真系统设计，具体实现主要包括网络参数设计、组网过程、接入技术及路由过程4个方面.其中，网络参数设计基于具体场景要求，路由过程已经有具体实例可以参考，因此，程序设计主要分为组网过程和接入技术2个部分.
2.1 组网技术仿真设计
分簇组网流程包括4个阶段：1） 簇头节点向第一跳节点发送时间同步消息，第一跳节点收到消息后，将本地时间与簇头节点时间进行校准;2） 各跳节点向下一跳节点发送tod同步消息，发送方案与1相同;3） 从最大跳数处开始广播路由信息，并在簇头节点汇聚子网内所有节点的在线情况，本阶段的路由信息只针对一个节点所知的所有在线节点，不包括节点之间的连接关系;4） 簇头在线广播全部节点的信息，节点根据收到的数据包更新本地其余在线节点的信息.本系统中采用自同步方进行前两个阶段的网络同步，后两个阶段实现各节点通信，以获取网络信息与网络结构.
2.2 接入技术仿真设计
采用竞争性TDMA接入技术，将时间分割成周期性的帧，每一帧中分成若干个时隙，各通信设备只能在特定的时隙进行收发通信，在时间轴上不会相互冲突.竞争TDMA时隙分配方法在遇到传输消息不平衡的情况时，可以调节时隙分配情况，节省时间资源.
竞争TDMA时隙分配方法的帧结构如图2所示.
3 仿真及结果分析
本系统总体设计概念图如图4所示.
图4中，构建网络场景主要包括：设置节点数，安装网卡及协议栈，设置信道类型，设置移动模型，安装应用层协议，设计网络的拓扑结构，并且依据信道衰减模型，计算相应节点间的距离.当网络仿真的各项模块添加完成后，启动仿真，下达组网指令，所有节点开始组网.组网完成后，开始传输过程，将数据包的目的地址传到路由层，路由层返回数据包下一跳的目的地址，完成交互.
3.1 组网仿真结果
下达组网指令后，5个节点由于开机时间不同，其时间未获得同步，如图7所示.
3.2 基于TDMA的竞争时隙技术仿真
传输过程的网络仿真结果如图12所示.
图12中，一个TDMA超帧开始后，1号节点有8个消息包需要发送.在声明过程中，1号节点广播RTS分组，2号节点收到RTS消息;在应答过程中，2号节点广播CTS分组，1号节点收到CTS消息.此时1号节点2跳范围内的节点已经获知了发送消息的需求，在传输阶段，1号节点除了在本时隙发送5个数据包外，还可以占用2号节点的时隙发送剩余的3个数据包.
在仿真实验中，将高优先级业务插入到队头，并通过增加低优先级业务的时延，达到降低高优先级业务的时延.设计高、低优先级消息的数量比为1∶4，不同网络负载下仿真结果图如图13所示.
4 结 论
研究了面向UAV自组织网络的接入与组网技术仿真，并且在NS3网络仿真软件上实现了面向UAV自组织网络的通信系统，提出了一种针对时延的改进接入技术，通过仿真分析了改进前后的系統性能，结果表明：本研究的改进系统较原系统，具备更优的性能.但当前系统仍然存在着一些问题，如在接入技术方面，对于相同优先级之间的排队问题欠缺考虑.在未来的工作中，仍需进一步改进.
参考文献：
[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] 韩海艳，马林华，田雨，等.无人机编队中的自主定位与动态TDMA协议应用 [J].电光与控制，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] 郑伟明.OLSR路由协议研究及仿真 [D].成都：电子科技大学，2011.
（责任编辑：包震宇，顾浩然）