刘瀚文， 姜春兰， 李明

(北京理工大学 机电学院，北京 100081)

适用于地面网络化弹药的混合型分簇MAC协议

刘瀚文， 姜春兰， 李明

(北京理工大学 机电学院，北京 100081)

为解决地面网络化弹药MAC协议对弹药网络的功耗和传输时延的重大影响. 提出了一种适用于地面网络化弹药的混合型分簇MAC协议. 结合基于竞争和分配的协议特点，根据传输时间估计和业务量选择不同的接入方式，避免了碰撞和信道浪费；通过时隙复用降低端到端时延；通过无关节点睡眠降低占空比和网络功耗. 仿真表明，与传统的基于竞争机制和基于TDMA机制的协议相比，该协议在吞吐量、端到端时延和功耗等方面均具有较好的性能.

地面网络化弹药；介质访问控制协议；混合型；分簇；低功耗；低时延

地面网络化弹药系统是通过无线通信，使传统弹药之间进行信息融合、协同攻击和远程监控的新型武器系统[1]. 弹药节点远程部署，要求能够自组网和自运行. 节点硬件资源和能源匮乏，因此要求弹药网络具有低复杂度和低功耗性能. 战场上目标移动速度快，要求弹药节点从探测目标到完成打击在很短时间内完成，网络需要在短时间内处理大量探测数据，因此网络应具有较低的传输时延和较高的吞吐能力. 综上，一个合理的地面网络化弹药MAC协议应该具备自组织、低功耗、低通信延时和较高的吞吐能力等特征.

目前无线网络MAC协议的研究主要针对降低功耗、降低时延或提高信道利用率等某一个方面进行. 竞争类协议[2-4]易造成节点冲突，带来较多的能源消耗. 分配类协议[5-6]需要较多的空间保存调度信息，文献[6]中的LMAC协议会产生信道资源的浪费和较高的时延. 异步类协议[2，7]依赖于对信道状态的精确估计或周期性的调度来降低功耗，但传输时延较高. 混合类协议[8]综合了竞争类和调度类协议的优点，对信道的动态变化具有较好的鲁棒性，但是协议设计比较复杂，实现难度大. 分簇类协议往往采用多信道的方式提高吞吐量[9-10]. 固定信道方式中网络的灵活性和适应性较差，动态信道方式提高了灵活性，但是每次通信前需要进行握手，增加了时延和复杂度. 以上MAC协议均不能兼顾地面网络化弹药低功耗、低时延的要求.

1 网络拓扑结构及特点

地面网络化弹药的节点分为探测节点和战斗节点. 探测节点具备探测和远距离通信能力，战斗节点具备打击和近距离通信能力. 基于此提出一种分簇的拓扑结构如图1所示.

探测节点作为簇首组成骨干网络，战斗节点作为簇成员加入各簇中，从而形成一个两层网络. 簇首和簇成员构成星型下层网络；簇首之间构成网状上层网络. 从簇首节点中选择一个汇聚节点，搜集各簇首节点的探测信息并进行攻击决策. 各簇首节点根据距汇聚节点的最小跳数划分等级. 汇聚节点为0级，最小跳数为1的节点为1级，最小跳数为2的节点为2级，以此类推. 除汇聚节点外，各节点在邻居节点中选择一个高等级的节点作为父节点.

网络中的数据可分为周期性数据和突发性数据. 周期性数据流量较小，包含拓扑维护等控制帧；突发性数据包含目标的探测信息和决策信息，其流量变化较大. 战场上目标出现和运动的方向无法预测，因此探测到目标的节点数量和探测数据量都具有较大的随机性.

2 混合型分簇MAC协议

本文提出的混合型分簇MAC协议使用两个异频收发器完成簇内和簇间通信. 协议为节点分配时隙，使之成为该时隙的拥有者，具有使用该时隙的最高优先级. 当拥有者放弃使用该时隙时，其他节点争用该时隙. 发送数据前，通过在Notice子时隙中广播相关信息使无关节点睡眠，降低功耗. 在低流量状态下网络以TDMA方式运行以降低功耗；高流量状态下节点以两种方式同时运行以降低时延，保证攻击指令等关键信息传输的实时性.

2.1 协议初始化

2.1.1 上层网络时隙和信道分配

时隙和信道分配过程由汇聚节点发起，为其两跳内的节点分配不同的时隙和信道，并以Distrubution帧广播. 其他簇首节点接收到该帧后进行处理和转发，过程如下：

步骤1 判断源节点是否为自己的父节点，若是执行步骤2，否则丢弃该帧；

步骤2 提取帧中数据，获得本节点两跳范围内的未分配节点、空闲时隙和空闲信道列表；

步骤3 依次为各未分配节点分配时隙和信道，分配原则为优先使用两跳范围外已使用的时隙和未使用过的信道；

步骤4 将分配结果封装入Distrubution帧中广播.

2.1.2 下层网络时隙分配

簇首节点完成信道分配后，其簇内收发器即开始以一种特殊的TDMA的方式运行. 此时时间帧中仅包含一个时隙，为自己拥有，即形成了一个单节点网络. 当接收到战斗节点的入网请求后，在时间帧中添加一个时隙分配给该节点，并广播告知所有簇内节点TDMA状态的变化. 同样，当簇内某节点退出网络时，簇首节点也相应地减少一个时隙.

这种动态地调整时间帧长度的方式比传统TDMA方式具有更好的拓展性和灵活性，降低了通信时延并提高了信道利用率.

2.2 时隙划分和访问

2.2.1 时隙划分

协议以TDMA时间帧为基础，为网络中的每个节点分配时隙. 一个时间帧的基础结构如图2所示.

如图2所示，一个时间帧包含1个Sync同步段和若干个时隙段. 同步段是时间帧的起始段. 该阶段用于时间同步和新节点入网. 时隙段中每个时隙分为两个子时隙：Notice和Data. Notice子时隙用于时隙拥有者广播时隙的使用情况；Data时隙用于数据传输.

2.2.2 时隙访问策略

Notice时隙中，拥有者的缓冲区中若有数据包等待发送，则计算出各包发送所需要的时间.

(1)

当前时隙的非拥有者在Notice时隙中无线模块均处于接收状态，监听Notice帧，检测当前时隙是否被放弃以及自己是否为本次数据传输的目的节点. 为提高信道利用率，Data时隙中拥有者完成TDMA传输后的剩余时段将被利用. 非拥有者将以CSMA的方式竞争信道，当节点有数据等待传输的情况下共有如下3种情况：

① 当前时隙被放弃. 此时节点在随后的Data时隙中将以带有握手机制的CSMA方式竞争信道使用权. 如图3所示，当前时隙拥有者节点A放弃时隙，节点B和节点C在Data时隙中竞争访问信道.

② 当前时隙未被放弃，自己不是目的节点. 此时节点将在Data时隙中进入休眠状态，并根据Notice帧中的TTrans来确定休眠的唤醒时间. 若节点缓冲区中由数据等待发送，则计算出各包发送所需要的时间为

(2)

式中LRTS和LCTS分别为RTS帧和CTS帧的长度. 若单个数据包所需的时间小于Data子时隙剩余的时间，则在唤醒后将以CSMA的方式竞争信道. 若节点没有数据要发送，或剩余时间不足以发送一个数据包，则进入接收状态侦听其他节点的竞争情况. 如图6所示，节点A为时隙拥有者，节点B为目的节点，节点C为非目的节点.

③ 当前时隙未被放弃，自己是目的节点. 此时节点在Data时隙中进入接收状态，TTrans时间结束后，如上一种情况一样进行处理. 访问策略如图4所示.

3 协议仿真与性能评估

3.1 环境参数和仿真方法

仿真采用OPNET软件分析协议的性能，并与基于竞争的IEEE802.15.4协议[3]和基于分配的LMAC协议[6]进行对比. 实验主要分析在相同的环境和条件下不同协议在吞吐量、数据包端到端时延和节点能耗等方面的性能. 仿真环境中令网络中节点分布在一个500 m×500 m的正方形区域内. 其他相关参数设置簇首节点数量为10；战斗节点数量为60；传输速率为250 kbit/s；最大数据长度(服从泊松分布)均值为1 024；时隙长度为10 ms；Notice长度为1.5 ms；探测数据到达时间间隔(服从指数分布)均值λ为(2.00，1.00，0.70，0.30，0.10，0.08，0.06，0.04，0.02，0.01).

仿真中将探测到目标的节点称为警戒节点，警戒节点要跟踪目标的位置并上报给汇聚节点，突发数据较多.

将本文协议与另外两种协议的吞吐量、端到端时延和功耗进行对比分析. 针对每一性能运行两组仿真. 一组将警戒节点数设置为7，探测数据到达时间间隔如表1所示. 另一组将数据到达时间间隔均值设置为0.20，探测到目标的簇首节点数从1逐渐增加到7.

3.2 吞吐量分析

网络吞吐量反映了网络的通信能力，仿真中通过改变探测数据的业务量，评估协议在不同条件下的吞吐量. 仿真结果如图5和图6所示.

仿真结果表明本文协议的吞吐量在各种条件下均优于另外两种协议. 图5中以λ取值为0.30为分界，低流量时本文协议比LMAC和802.15.4的吞吐量分别提高约32%和300%；高流量时高出32%和138%. 本文协议优先以TDMA的方式运行，当探测数据到达时间间隔较小时，复用时隙的剩余时段以竞争的方式传输数据. 这样既避免了802.15.4协议长时间的信道监听和频繁的冲突碰撞，又不像LMAC协议那样严格地只在自己的时隙中发送数据. 当有突发数据的节点越多时，各节点的剩余时隙将更充分地被邻居节点利用. 因此图6中随着警戒节点数增加，本文协议的优势逐渐增大.

3.3 平均端到端时延分析

平均端到端时延是各个节点中的有效数据包从产生到被目的节点成功接收和处理所用的平均时间. 仿真结果如图7和图8所示.

从图7可以看出，随着λ的减小，各协议的时延均有上升的趋势. 低流量时各协议的时延变化较小. LMAC协议节点只在节点自己的时隙中发送数据，因此时延较大. 802.15.4协议由于竞争和碰撞的加剧和大量的控制报文导致时延一直增长. 本文协议优先以TDMA执行，并可在时隙剩余时段以竞争的方式使用信道，因此时延的增长比较缓慢并处于较低的水平. 在网络不过饱和的状态下，本文协议能够使尽量多的时间都用在数据传输上，信道利用比LMAC更加充分，端到端延时的优势更加显著. 当λ减小到0.06时，时延增大的速度开始变快，类似指数增长. 此时网络逐渐接近饱和，一个时间周期内产生的数据量逐渐超出可发送的数据量，导致了网络性能的急剧下降.

图8中网络没有饱和，LMAC以TDMA的方式运行，时延与时间帧的长度正相关，因此时延基本不变仅在较小的范围内波动. 随着警戒节点的增多网络流量逐渐加大，802.15.4协议的碰撞更加剧烈，因此时延呈现逐渐上升的趋势. 本文协议利用TDMA发送部分数据，剩余数据在时隙的剩余时段竞争发送，既避免了频繁碰撞又提高了信道利用率，因此时延一直处于较低的水平.

3.4 节点平均能耗分析

这里的节点能耗只考虑网络运行过程中无线收发器消耗的电量，采用Chipcon公司的无线收发模块CC1101在不同工作状态下的电流来估计节点的能耗，发送状态电流为29.6 mA，接收模式为15.5 mA，空闲模式为1.7 mA，睡眠模式为400 nA. 仿真结果如图9和图10所示.

仿真结果表明，本文协议的能耗远小于802.15.4协议，略高于LMAC协议. 802.15.4协议采用竞争的方式，频繁的信道监听和冲突碰撞导致消耗的能量最高. LMAC协议采用TDMA机制，采用了传输无关节点睡眠的方式节省功耗，一个时隙中仅进行一次传输，大量节点处于睡眠状态，故能耗最低. 但是这样的代价是较高的端到端时延. 本文协议采用TDMA方式避免了冲突碰撞带来的能耗. 同时Notice时隙使节点明确自己是否是当前传输的目的节点，可以使部分节点进入睡眠状态，进一步节省功耗. 但是由于利用了时隙剩余时间进行传输，故能耗比LMAC协议略高.

图9中随着λ减小，各节点的能耗均有增加的趋势. 本文协议优先以TDMA方式运行，碰撞冲突较少，且通过少量的控制包即可完成时隙剩余时段的共用，因此能耗的增加比802.15.4协议平缓很多. 图10中本文协议及LMAC协议的能耗几乎没有增大，而802.15.4协议的增加非常明显. 这是由于当λ取0.2时，网络没有达到过饱和，本文协议的TDMA和少量的CSMA/CA方式足够保障数据的传输. 而801.15.4协议由于参与通信的节点增多，控制消息的数量和碰撞的概率均增大，由此带来能耗的提高.

4 结 论

本文针对地面网络化弹药低时延、低功耗和高吞吐能力的战术要求，提出了一种探测节点为骨干节点，战斗节点为普通节点的分簇型拓扑结构. 在此基础上设计了一种结合TDMA和CSMA的混合型分簇MAC协议. 协议采用了无关节点休眠的TDMA策略和考虑竞争程度的CSMA/CA策略，能够降低网络功耗，提高信道接入的公平性. 该协议复杂度低，通过分布式时隙和信道分配实现自组织；通过时隙复用和动态的时间帧结构降低时延；通过无关节点睡眠降低功耗；通过簇头选择促进能量均衡. 该协议的Notice和Data子时隙宽度可根据实际情况灵活设置，可将协议性能更倾向竞争类或TDMA类协议，以满足特殊性能需求的网络化弹药系统. 仿真表明本文协议在吞吐量和端到端时延方面比802.15.4和LMAC协议有较明显的优势. 在网络能耗方面，本文协议略高于LMAC协议，但远低于802.15.4协议. 比LMAC协议高出的能耗主要用于对时隙剩余时段的利用，相当于用略高的能耗换取了较低的通信时延. 该协议符合地面网络化弹药MAC协议高吞吐、低延时和低功耗的特点，对地面网络化弹药的研究和工程应用具有参考价值.

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(责任编辑：刘雨)

Cluster-Based Hybrid Medium Access Control Protocol Suitable for Land-Based Networked Munitions

LIU Han-wen， JIANG Chun-lan， LI Ming

(School of Mechatronical Engineering， Beijing Institute of Technology， Beijing 100081， China)

The MAC protocol plays an important role with power consumption and transmission delay in the networked munitions systems. A low power and low delay MAC protocol suitable for land-based networked munitions was presented. Features of competing and distributed based protocols were combined. Combining the features of competing and distributed based protocols, choosing different methods to access channels depend on transmission time and traffic, it could avoid collision and waste of the channel, and reduce the transmission delay with slot reuse. Sleeping unrelated nodes in transmission, it could reduce the power consumption. Simulation shows that this protocol has better performance on throughput, end-to-end delay and power consumption compared with traditional distribution and competing MAC.

land-based networked munitions; medium access control; hybrid; cluster-based; low power; low delay

2015-08-11

爆炸科学与技术国家重点实验室(北京理工大学)基金资助项目(YBKT12-07)

刘瀚文(1989—)，男，博士生，E-mail:liuhanwen_bit@163.com.

TP 417

A

1001-0645(2016)12-1309-06

10.15918/j.tbit1001-0645.2016.12.019