无人机自组网多跳TDMA接入协议研究

• 作 者: 李其超
• 机 构: 重庆邮电大学
• 出 处: 重庆邮电大学
• 发表日期: 2020年02期
• 关键词: 无人机

无人机自组网是一种将无人机作为网络节点而建立起的多跳自组织网络，其具有比单架无人机更好的自适应和扩展能力，广泛应用在各种军用和民用场景。TDMA接入协议作为节点信道接入的方式被广泛地应用于航空自组网中，其通过清晰的时隙划分使得分组冲突、时延和带宽占用变得可控，在保证节点的数据传输时延、分组成功率和接入效率方面起到了至关重要的作用。
　　本文在现有多跳TDMA协议基础上，结合无人机自组网特点，提出了两种改进的无人机自组网多跳TDMA协议，主要研究内容如下：
　　1.针对节点广播时隙分配消息时带来的冗余控制开销、节点时隙请求消息存在重复转发、节点时隙请求消息发送失败影响时隙申请以及节点时隙请求数和拓扑关系未及时更新问题，提出了一种高效低时延的无人机自组网多跳TDMA协议(EfficientandLowDelayMulti-hopTDMAProtocolforUnmannedAerialVehicleAdHocNetwork,ELDM-TDMA)。ELDM-TDMA协议包含四个改进机制：首先，采用基于拓扑精简时隙分配消息机制精简不必要节点的时隙分配信息，从而缩短控制帧长度，减少控制开销。其次，采用负载均衡的时隙请求信息高效上传机制，选择负载较小的节点中继转发其时隙请求信息以及相互通信的节点删除重复节点的时隙请求信息，减少节点时隙请求信息的转发次数。然后，采用一跳节点二次分配数据时隙机制，为未成功发送时隙请求信息的邻居节点分配无冲突的数据时隙。最后，通过实时更新节点时隙请求信息机制，及时更新节点时隙请求数和拓扑关系，提高数据传输的可靠性。理论分析了ELDM-TDMA协议的有效性，仿真结果表明，该协议在数据传输成功率、数据平均时延、控制开销和网络吞吐量方面有了一定改善。
　　2.针对现有多跳TDMA协议帧结构不够灵活、时隙调度策略过于单一且存在不公平性以及数据时隙利用不充分问题，提出了基于时隙优化的无人机自组网多跳TDMA协议(Time-slotOptimizationbasedMulti-hopTDMAProtocolforUnmannedAerialVehicleAdHocNetwork,TO-TDMA)。TO-TDMA协议包含三个改进机制：首先，通过自适应调整协议帧长度机制动态缩短协议帧长度，可在网络负载较重时降低数据时延。然后，采用多维度调度节点时隙分配顺序机制，有效地结合多维度量确定节点时隙调度顺序，提高时隙调度的公平性和稳定性。最后，采用动态使用冗余数据时隙机制，该机制可使节点充分利用冗余的数据时隙协作发送数据帧，提高时隙利用率。仿真结果表明，TO-TDMA协议能有效地改善网络相关性能。
　　最后，对全文研究工作进行总结，并对无人机自组网TDMA协议未来的研究方向进行简要阐述。