摘要
对无人机自组织网络中的协作机制进行了研究，提出一种基于动态中继选择的无人机自组网协作时分信道接入协议。该协议在传输中继数据包时引入了双队列协作机制，在网络层数据包缓存队列之外引入了独立的媒体接入控制（Media access control，MAC）层中继数据包缓存队列，并且能够实现默认中继节点与辅助中继节点的动态选择，以满足大流量负载及网络拓扑快速变化的要求。仿真结果表明，通过中继节点动态选择机制，在网络业务流量负载较大、网络拓扑快速变化的情况下，所提出的协作时分信道接入协议可获得比传统时分多址（Time division multiple access， TDMA）协议与机会协作中继时分多址（Opportunistic cooperative relay time division multiple access， OCR⁃TDMA）协议更高的中继数据包投递率及更低的端到端时延。
无人机自组织网络（unmanned aerial vehicle ad‑hoc network，UANET
MAC协议可以分为3类：基于竞争的MAC协
为了提高节点的传输速率、扩大通信覆盖范围，在传统自组织网络MAC协议的基础上，引入了节点间协作通信的概念。协作通信需要网络中的多个节点以协作的方式工作，利用网络中的潜在资源提升网络性能。文献［
上述MAC协议主要针对单跳传输设计。然而，在网络拓扑中，一对源‑目的S‑D节点之间的通信距离往往大于单跳传输范围。因此，假设有一节点恰好位于一对单跳不可达的S‑D节点共同传输范围内，且该节点具备一定的数据传输能力，则该节点不仅可以发送来自自己应用层的数据包，还可以在S‑D节点对之间转发数据分组，这样的中间节点称为默认中继R节点。然而，在实际通信环境中，由于背景噪声干扰变化、节点高速移动和节点损坏等原因很容易导致默认中继节点性能降低，甚至丧失中继功能，因此对于中继选择与性能的研究非常重要。文献［
除此之外，使用辅助中继节点协作传输机制可以大幅提升源节点与目的节点间中继传输的性能。对于一对超出单跳通信范围的S‑D节点来说，可以将除了默认中继节点R之外同样具有中继功能的节点称为辅助中继节点H，辅助中继节点可以在默认中继节点R转发失败时进行协作转发，增加传输成功率，从而提高网络吞吐量。目前已有许多针对辅助中继节点转发机制的研究。文献［
虽然文献［
针对上述缺点，本文提出一种基于动态中继选择的无人机自组网协作时分信道接入协议（Dynamic cooperative TDMA， DC‑TDMA）。在每个时帧周期，该协议都会动态选择有效的默认中继与辅助中继节点以有效适应网络拓扑动态变化，同时采用双队列协作机制可有效避免大流量负载对缓存队列的影响，在提高中继数据包投递率的同时，也能够降低端到端时延。
在如
图1 辅助中继节点协作转发示意图
Fig.1 Schematic diagram of helper relay nodes’ cooperative forwarding
在本协议中，辅助中继节点Hk只有在自身MAC层中继缓存队列为空时才可以开始协作，并将成功接收的中继包存入中继缓存队列头部，否则不参与协作，如
图2 协作转发机制缓存队列示意图
Fig.2 Schematic diagram of cooperative forwarding mechanism’s cache queue
如果某一辅助中继节点在当前时帧接收到了一个中继数据包，那么它会侦听当前时帧中默认中继节点R的发送。如果默认中继节点成功发送当前时帧的数据包并收到了目的节点回复的ACK帧，则默认中继节点R和所有携带当前时帧中继数据包的辅助中继节点Hk都会从缓存队列中丢弃该中继数据包。
在辅助中继转发时隙到来时，如节点Hk携带了目的地址为D的中继数据包，则进行转发。源节点S可侦听节点Hk成功发送的数据包，随后检查并丢弃队列中相同数据包。如节点D回送ACK，所有中继节点会从队列中丢弃相同数据包。接下来将对DC‑TDMA协议的辅助中继节点协作转发性能进行分析。
默认中继节点R的缓存队列长度为L，所以对于R来说，将观察点设置在每个时帧传输时隙的末尾，则缓存队列共有L+1种状态，状态i表示缓存队列中有i个数据包。将系统建模为马尔科夫链，推导DC‑TDMA协议的协作转发的中继数据包投递率性能。在推导出马尔科夫链的一步概率转移矩阵后，可以求解出马尔科夫链的稳态分布，最终获得DC‑TDMA协议协作转发的中继数据包递交成功率。
将数据传输阶段之前的时隙（即广播时隙、请求时隙、转发请求时隙和分配时隙）统称为控制时隙阶段。中心节点在控制时隙阶段中收集全网节点的请求信息，并进行时隙分配。在控制时隙阶段的每个时隙，默认中继节点只可能以一定概率在非中继缓存队列中添加非中继包，所以中继缓存队列不会产生变化，即控制时隙阶段对中继缓存队列的状态没有影响。
因为数据传输阶段由K个相同结构的数据帧组成，所以可以先求解一个数据时帧内的状态转移矩阵B。将从状态i转移到状态j的转移概率表示为Pj，i。则状态转移矩阵可以表示为
| （1） |
式中，Bi为与i的初始状态对应的行向量。将默认中继节点R的缓存队列的初始长度分为3类：缓存队列为空，缓存队列已满，缓存队列非空且未
当默认中继节点R的初始缓存队列为空，假设该状态（即i=0）转移到状态j，也就是说缓存队列中增加了j个数据包。由于每个数据时帧中为源节点分配一个时隙，当一个数据时帧结束时，默认中继节点的中继缓存队列中至多增加一个中继数据包，因此，可以求出默认中继节点R的初始状态由状态i=0转移到状态j的概率Pj，0为
| （2） |
式中：Psucc，rs为默认中继节点R成功接收到源节点S发送的中继包的概率，Psucc，hs为辅助中继节点Hk成功接收到源节点S发送中继包的概率， Pidle为辅助中继节点缓存队列为空的概率，Perr，dr为目的节点D没有成功接收到默认中继节点R转发包的概率，nh为辅助中继节点的数量。当默认中继节点成功接收到源节点发送的数据包，但没有完成向目的节点的成功转发，同时辅助中继节点也没有转发成功时，源节点的中继数据包便会缓存在默认中继节点的缓存队列中，等待下一个数据时帧到来时重新发送。
当默认中继节点R的初始缓存队列已满，则无法再接收源节点的数据包。所以在默认中继节点R自身数据时隙到来之前，其缓存队列不会变化。在默认中继节点R的转发时隙，如果目的节点成功接收中继数据包，则节点R的缓存队列会丢弃这个数据包，否则继续保持不变。因此在中继时隙结束时，默认中继节点R缓存队列由状态L转移到状态j的概率可以表示为
| （3） |
式中Psucc为默认中继节点成功发送中继数据包的概率。
在上面两个小节中分别推导了默认中继节点缓存队列初始状态分别为i=0，i=L时的状态转移概率Pj，0，Pj，L，根据这两个初始状态的转移概率即可表达出B0，BL。在这一节中，将会继续推导默认中继节点R的初始缓存队列非空且未满时的转移概率Bi（1≤i≤L-1）。
当默认中继节点R的缓存队列初始非空且未满时，缓存队列的状态在源节点发送阶段、默认中继节点转发阶段、辅助结点协作阶段都可能产生变化，所以先分别求出这3个阶段的概率转移矩阵，再进行相乘，即可得到整个时帧的概率转移矩阵。考虑到默认中继节点接收源节点的数据包有成功和不成功这两种情况，所以Bi（1≤i≤L-1）可以表示为
| （4） |
式中，SY，RY，HY分别为默认中继节点成功接收了源节点发送的数据包情况下在源节点发送阶段、默认中继节点转发阶段、辅助中继节点协作阶段的转移概率矩阵，SN，RN，HN分别为默认中继节点未成功收到源节点发送数据包的情况下在源节点发送阶段、默认中继节点转发阶段、辅助中继节点协作阶段的转移概率矩阵。
当默认中继节点成功接收源节点发送的数据包的情况下，首先对SY进行推导。在源节点传输阶段，默认中继节点的缓存队列中会增加一个中继数据包。因为初始状态为i=0，i=L时的转移概率子矩阵已推导出，所以只考虑1≤i≤L-1，即有L-1种初始状态，所以SY是一个 （L-1）×（L+1）的矩阵，即［sj，i］ （L-1）×（L+1）。sj，i可以表示为
| （5） |
在默认中继节点的转发时隙，RY=［rj，i］ （L-1）×（L+1），由
| （6） |
在剩余的MR-1个时隙中，因为讨论的是默认中继节点缓存队列初始状态（1≤ i ≤ L-1）的情况，即默认中继节点成功接收源节点发送的数据包至少排在队列中第2个，所以该数据包在当前时帧的中继转发时隙不可能进行发送。如果至少有一个辅助中继节点成功接收并转发了源节点的数据包，则在其中一个辅助时隙中，默认中继节点会从缓存队列删除一个数据包。如果所有的辅助中继节点都没有成功接收源节点发送的数据包，则默认中继节点的缓存队列不会发生变化。将矩阵HY表达为HY=［hj，i］ （L+1）×（L+1），则hj，i可以表示为
| （7） |
在默认中继节点没有成功接收源节点发送的数据包的情况下，源节点传输阶段缓存队列中不会增加数据包，矩阵SN=［s_j，i］ （L+1）×（L+1），s_j，i可以表示为
| （8） |
在默认中继节点转发时隙，RN=［rj，i］ （L+1）×（L+1），经过源节点传输阶段后，中继节点缓存队列中至少有1个数据包，所以在中继节点转发时隙开始阶段，一定满足i ≥ 1。在这一时隙中，默认中继节点缓存队列有可能因为成功发送而从缓存队列中删除一个数据包，所以rj，i可以表示为
| （9） |
因为默认中继节点没有成功接收源节点的数据包，所以在剩余的MR -1个时隙中，中继节点缓存队列状态将不受辅助中继节点的影响，则
| （10） |
式中I为单位矩阵。随后将式（
令Πr=（πr0， πr1，···， πrL）为默认中继节点的缓存队列各种状态的的稳态分布，通过求解矩阵方程ΠrB=Πr即可得出稳态分布向量Πr。
接下来对协作的性能进行推导。中继数据包投递成功率可以用每个数据帧中成功转发中继数据包的数量来衡量，只有当默认中继节点和辅助中继节点均没有成功转发时，中继数据包的转发才不会成功，所以投递成功率Th可以表示为
| （11） |
式中Psucc，rs（1-πrL）Psucc为默认中继节点成功接受源节点数据包，同时中继缓存队列非空，并且成功转发给目的节点的概率，则1-Psucc，rs（1-πrL）Psucc为中继节点因队列满而没有成功转发的概率，为所有辅助节点均没有成功转发的概率，则Th表示中继数据包转发成功的概率。
DC‑TDMA协作策略基于动态时隙分配协议，分为同步过程、时隙请求过程、时隙分配过程以及数据传输过程。DC‑TDMA时帧结构如
图3 DC‑TDMA时帧结构图
Fig.3 DC‑TDMA time frame structure diagram
时隙请求阶段在网络时帧的请求时隙与转发请求时隙内完成，两种时隙的数量分别为N+1与N，N为网络中节点数。请求时隙的第1个时隙与最后1个时隙用于新加入网络的节点分别进行入网与发送请求帧，从第2个时隙开始的N-1个请求时隙用于网络中除中心节点外的其他与中心节点一跳可达的节点发送各自的数据时隙请求。如果节点收到了两跳节点的数据时隙请求帧，则确认自己具有中继功能，将自己标记为中继节点，随后在后N个转发请求时隙中将请求节点信息转发给中心节点，中心节点将各节点请求发送数据的信息进行存储。中心节点每收到一个数据时隙请求帧，就判断发送节点是否有数据要发送，如果有，则存储到本地记录中。时隙请求阶段结束后，中心节点通过遍历记录，即可获得当前网络时帧内需要发送数据分组的节点信息。在后N个转发请求时隙中，当中心节点收到转发请求帧时，即可知发送该帧的节点具有中继功能，将该节点添加到自身维护的中继节点信息表中。
时隙分配阶段在网络时帧的分配时隙内完成。时隙分配阶段分别由中心节点与中继节点广播时隙分配帧和转发时隙分配帧。在广播时隙分配帧阶段，中心节点根据请求时隙中存储的待发送节点信息将当前时帧数据发送阶段的时隙分配给有发送需求的节点。同时在每个时帧中动态为每个节点选择分配对应默认中继节点，并通过广播分配帧，将时隙分配信息和默认中继节点分配信息告知自己一跳通信范围内的各个节点。数据传输阶段由K个相同结构的数据帧组成，每个数据帧包含M个数据时隙，M的数量由中心节点决定后通过广播分配帧来让网络中其他节点知晓。每个数据帧由MS个源节点传输时隙与MR个中继节点传输时隙组成，即M=MS+MR。所有中继节点（包括默认中继节点与辅助中继节点）均在自己的转发分配时隙广播转发时隙分配帧，将时隙分配信息告知网络中的两跳节点，至此全网节点都掌握了无冲突的时隙分配信息。
数据发送阶段在数据时隙内完成。全网节点在自己的数据时隙到来时从网络层缓存队列中取出数据包发送。节点接收到数据时隙分配帧后，即可获知本节点在当前时帧内分配到的数据时隙编号。在自身数据时隙到来时，节点在一个时隙的时间内完成数据包的传输与应答。
当一跳范围内有新节点需要加入网络时，节点首先通过接收当前时帧的同步帧获知时间同步信息以及当前时帧中心节点ID等信息。随后待入网新节点在当前时帧请求阶段的首个请求时隙中向中心节点发送入网请求。同时，在首个请求时隙内，待入网新节点按概率发送入网请求帧以避免冲突。中心节点收到入网请求帧后，回复入网应答帧，同时将当前时帧中的网络节点数告知待入网新节点。
本节在EXata仿真平台下实现了该协议，并分别从中继数据包投递率和时延两个角度对该协议的性能进行评估分析。节点在仿真区域中按照设定的拓扑分布，每一时帧中数据帧重复数K的取值为10。仿真中网络层采用静态路由，网络中的仿真业务类型为恒定比特率（Constant bit rate，CBR）业务，仿真时长设为60 s，所有仿真结果均为多次仿真取平均后的结果，其他仿真参数如
首先考虑网络中除默认中继节点之外还有辅助中继节点存在的情况。设网络中源节点S与目的节点D位置固定，中继节点R、H1、H2初始位置均位于源节点与目的节点一跳范围内，且围绕初始位置盘旋，可近似看作位置固定。
中继节点R、H1、H2位置近似固定条件下的仿真拓扑示意图如
图4 固定仿真拓扑示意图
Fig.4 Schematic diagram of fixed simulation topology
图5 固定拓扑条件下中继包投递率随发包速率变化曲线
Fig.5 Curves of relay packet delivery rate changing with the packet sending rate under fixed topology
节点发包速率由慢到快逐渐增加，3种协议的端到端时延随发包速率的变化如
图6 固定拓扑条件下端到端时延随发包速率变化曲线
Fig.6 Curves of end‑to‑end delay changing with the packet sending rate under fixed topology
当网络拓扑变化时，本文所提出的协议相比TDMA与OCR‑TDMA更能适应网络拓扑动态变化。当中继节点动态运动并脱离目的节点视距通信范围时，将不再具有中继转发功能。拓扑变化图如
图7 运动仿真拓扑示意图
Fig.7 Motion simulation topology diagram
在初始网络拓扑中，源与目的节点位置固定且一跳不可达，节点R与节点H均位于源节点和目的节点一跳通信范围内，以100 m/s的速度朝源节点方向移动，节点R'位于源节点一跳范围内、目的节点一跳范围外，以100 m/s的速度向中继节点反方向移动。虚线区域表示源与目的节点一跳通信范围的交叉重叠部分。
在如上的拓扑动态变化情况下，随着节点发包速率的增加，3种协议的中继数据包投递率随发包速率的变化曲线如
图8 拓扑动态变化情况下中继数据包投递率随发包速率变化曲线
Fig.8 Curves of relay data packet delivery rate changing with the packet sending rate under the dynamic change of topology
随着节点发包速率的增加，3种协议的平均端到端时延随发包速率的变化如
图9 拓扑动态变化情况下端到端时延随发包速率变化曲线
Fig.9 Curves of end‑to‑end delay changing with the packet sending rate under the dynamic change of topology
当发包速率为2 000个/s时，3种协议随仿真时间统计的目的节点接收中继数据包数量如
图10 发包速率为2 000个/s时接收中继包数量随时间变化曲线
Fig.10 Curves of the number of received relay packets versus time when the packet sending rate is 2 000 per second
针对高速移动无人机自组织网络环境，提出了DC‑TDMA，采用中继节点动态选择机制，在每个时帧周期动态选择更新有效的默认中继节点与辅助中继节点，有效适应拓扑变化。采用双队列协作机制，可有效避免大流量负载对缓存队列影响，在提高中继数据包投递率的同时也能降低端到端时延。仿真表明该协议与TDMA协议及OCR‑TDMA协议相比，在网络流量负载较大、网络拓扑动态变化的情况下均能保持稳定的高数据包投递率与低平均端到端时延。在本文的研究基础上，未来可进一步考虑动态调整时隙分配方案中数据时帧的数量，从而在网络拓扑变化的情况下进一步提升网络性能。
参考文献
ZENG Y, ZHANG R, LIM T J. Wireless communications with unmanned aerial vehicles: Opportunities and challenges[J]. IEEE Communications Magazine, 2016, 54(5): 36‑42. [百度学术]
朱庆, 张衡阳, 毛玉泉. 航空自组网MAC协议综述[J]. 计算机应用与软件, 2016, 33(6): 7‑12. [百度学术]
ZHU Qing, ZHANG Hengyang, MAO Yuquan. Review on MAC protocols for aeronautical Ad Hoc networks[J]. Computer Applications and Software, 2016, 33(6): 7‑12. [百度学术]
宋佳, 门宇博, 雷丹丹, 等.无线自组织网络MAC协议研究综述[J]. 数字技术与应用, 2019, 37(6): 31‑33. [百度学术]
SONG Jia, MEN Yubo , LEI Dandan, et al. Review of MAC protocols in wireless Ad Hoc network[J].Digital Technology &Application, 2019, 37(6): 31‑33. [百度学术]
GANNAPATHY V R, CHUAN L K, SUBRAMANIAM S K, et al. A survey of contention based medium access control (MAC) protocols in wireless Lan[J]. International Journal of Research in Engineering and Technology, 2017, 6(11): 39‑45. [百度学术]
ALI R, KIM S W, KIM B S, et al. Design of MAC layer resource allocation schemes for IEEE 802.11ax: Future directions[J]. IETE Technical Review, 2018, 35(1): 28‑52. [百度学术]
SGORA A, VERGADOS D J, VERGADOS D D. A survey of TDMA scheduling schemes in wireless multihop networks[J]. ACM Computing Surveys (CSUR), 2015, 47(3): 1‑39. [百度学术]
JAYARAJ V, HEMANTH C, SANGEETHA R G. A survey on hybrid MAC protocols for vehicular ad‑hoc networks[J]. Vehicular Communications, 2016, 6: 29‑36. [百度学术]
孙鹏, 李光明, 汪付强, 等. 无线传感网混合类MAC协议研究综述[J]. 电讯技术, 2016,56(12): 1417‑1424. [百度学术]
SUN Peng, LI Guangming, WANG Fuqiang, et al. A survey of hybrid MAC protocols for wireless sensor networks[J]. Telecommunication Engineering, 2016, 56(12): 1417‑1424. [百度学术]
CHOI W Y . Hybrid MAC protocol for IEEE 802.11 wireless LANs with hidden node problem[J]. Elektrotechnicky Casopis/Journal of Electrical Engineering, 2018, 69(4): 323‑325. [百度学术]
LIU P, TAO Z, NARAYANAN S, et al. CoopMAC: A cooperative MAC for wireless LANs[J]. IEEE Journal on Selected Areas in Communications, 2007, 25(2): 340‑354. [百度学术]
GOKTURK M S, GURBUZ O. Cooperation in wireless sensor networks: Design and performance analysis of a MAC protocol[C]//Proceedings of 2008 IEEE International Conference on Communications.[S.l.]: IEEE, 2008: 4284‑4289. [百度学术]
GOKTURK M S, ERCETIN O, GURBUZ O. Throughput analysis of ALOHA with cooperative diversity[J]. IEEE Communications Letters, 2008, 12(6): 468‑470. [百度学术]
SHAN H, ZHUANG W, WANG Z. Distributed cooperative MAC for multihop wireless networks[J]. IEEE Communications magazine, 2009, 47(2): 126‑133. [百度学术]
ZHOU Y, LIU H, PAN Z, et al. Cooperative multicast with location aware distributed mobile relay selection: Performance analysis and optimized design[J]. IEEE Transactions on Vehicular Technology, 2017, 66(9):8291-8302. [百度学术]
XING C, MA Y, ZHOU Y, et al. Transceiver optimization for multi‑hop communications with Per‑antenna power constraints[J]. IEEE Transactions on Signal Processing, 2016, 64(6): 1519‑1534. [百度学术]
XING C, GAO F, ZHOU Y. A framework for transceiver designs for multi‑Hop communications with covariance shaping constraints[J]. IEEE Transactions on Signal Processing, 2015, 63(15): 3930‑3945. [百度学术]
YANG Z, YAO Y D, LI X, et al. A TDMA‑based MAC protocol with cooperative diversity[J]. IEEE Communications Letters, 2010, 14(6): 542‑544. [百度学术]
LEE J K, NOH H J, LIM J. TDMA‑based cooperative MAC protocol for multi‑hop relaying networks[J]. IEEE Communications Letters, 2014, 18(3): 435‑438. [百度学术]
LIU X, ZHOU Q, DENG D. Opportunistic cooperative TDMA scheme for FANETs[J]. Physical Communication, 2019, 36, 100745: 1‑10. [百度学术]
LIU X, CHEN C, HUANG A, et al. A new TDMA‑based cooperative MAC scheme[C]//Proceedings of 2015 22nd International Conference on Telecommunications (ICT).[S.l.]: IEEE, 2015: 48‑53. [百度学术]
