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微小型无人机通信中继动态带宽分配方法及实验
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摘要：微小型无人机MUAV(Micro-Unmanned Aerial Vehicle)具有机动性好、部署迅速、体积小、易于操控并具有较强战场适应能力[1-2],其在战术通信的中继平台构建无线战术局域网中起着至关重要的作用
微小型无人机MUAV(Micro-Unmanned Aerial Vehicle)具有机动性好、部署迅速、体积小、易于操控并具有较强战场适应能力[1-2],其在战术通信的中继平台构建无线战术局域网中起着至关重要的作用。但是,战场环境变化莫测、信息量大、等级分明,导致MUAV通信中继网络对系统传输质量的要求各异[3]。例如,信息量较大且对时效性要求较高的视频监控信息传输;有些信息量较小但对时效性要求较高,如:指挥命令的传输;还有些信息量大但对时效性要求不高,如:战场图像的传输。因此,为确保MUAV通信中继网络中信息分配合理、网络通畅、传输及时、吞吐量达标等,就要在传输过程中对业务类型先细致区分后再进行传输。总而言之,随着技术的进步,研究出能够符合战术环境要求,部署快,针对性强的通信中继动态带宽分配系统成为MUAV通信中继研究的重要内容。
本文针对战场中的实际应用场景对MUAV战术通信中继系统进行分析,对战场中存在的各种不同的业务类型有针对性的采用优先级转换策略及流量聚合机制进行动态带宽分配,优先级转换策略是通过对CPE用户端设备(Customer Premise Equipment)进行识别并将信息进行分类然后动态赋予优先级,这种方法不仅节省了系统开销并且有利于提高通信中继网络的传输效率。
1 MUAV通信中继网络的数据传输需求
图1为传统战术局域网及MUAV通信中继网络的对比图。传统战术局域网较MUAV战术通信中继平台的网络拓扑结构有较大区别。MUAV通信中继网络利用分时多址TDMA(Time Dicision Multiple Address)访问机制仅需改变时隙分配即可表现出灵活的组网能力、良好的抗截获和抗干扰性能[4]。战术局域网一般存在多个用户节点和一个接入节点,也称接入控制器AC(Access Controller),本地局域网与战术互联网通过AC节点进行互联。
图1 传统战术局域网及MUAV通信中继网络图
由于战场环境千变万化,微小型无人机的中继网络转发数据的业务类型因此也会不断发生改变。微小型无人机中继网络中MUAV作为接入点AP(Access Point),承担CPE的轮询和时隙调度工作。所连客户端承载战场视频、音频、图像、文字等一系列战术信息。
假设某一时刻,C0节点承载的信息量较大,如:视频监控信息,对时效性要求较高且所需带宽相对较大。在传统轮询算法中,每轮询一次,节点C0就会产生一定长度的信息,且在传统轮询算法中,一个节点只能在一个轮询周期内被轮询一次,所以当一个周期的轮询结束后,将会积累一定的数据需要等待下次轮询才能完成传输。然而,积累的数据在等待进行下一次轮询前,又会产生新的待发数据。最终,此节点的缓冲区队长会逐渐增大,使数据丧失时效性。因此,当CPE用户端承载信息量较大、时效性要求较高时,传统的轮询算法将不能达到及时传输要求,并会导致效率低下、信息大量堆积、传输不及时等严重问题。
再次假设,某一时刻,C1节点承载的信息量较小,如:指挥命令,但对时效性要求较高,需在发布命令的第一时间进行传输。然而传统先进先出FIFO(First In First Out)存储器的服务机制将按照先进先传输的原则进行传输,传输过程中不存在任何的“插队”请求。因此,该传统的传输机制将会导致重要的信息也必须按次序等待轮询,使重要数据无法及时传输,这对战场情况将造成较为严重的影响。
正是因为战场这种等级分明关系的关系存在,而战场环境又千变万化。因此,对战场中存在的各种不同的业务类型必须有针对性的进行调节并进行动态带宽分配。
2 业务类型区分的动态带宽分配
802.11协议组是国际电工电子工程学会(IEEE)为无线局域网络制定的标准,IEEE 802.11标准协议市委室内静止环境而设计的通信标准,具有较小的时延扩展和满是变的信道特性,本文以IEEE 802.11p分类标准作为参考[5]。IEEE 802.11p服务类型建议以0-7进行8级分类,DSCP差分服务代码点(Differentiated Services Code Point),是IETF于1998年12月发布的Diff-Serv的QoS分类标准,DSCP值的范围为0～63(0的优先级最低,63的优先级最高)[6]。
IEEE 802.11p标准的业务类型一般分为8种,因而存在8个优先级,优先级可用3位二进制码表示,分别为C位(Command,控制位)、D位(Delay,时延位)以及B位(Bandwidth,带宽位)。当其中任何一位的数值为1时,都拥有优先权,可优先进行传输。其优先级赋予流程图如图2所示,当信息传输到无人机中转设备时,AP按照信息头部的DSCP值赋予其C、D、B表示位,位置在DSCP与DATA数据之间。
图2 优先级赋予流程图
通信中继网络信息传输过程中,将按照CPE的优先级高低进行传输,优先级越高的在与其他信息竞争时越能够获得优先传输的权利,并获得更多的通信时间。
文章来源：《计算机产品与流通》 网址: http://www.jsjcpylt.cn/qikandaodu/2020/1017/566.html
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