无人机辅助通信的密集无线网络MAC协议.docx
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2022-11-28
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随着无线通信技术的飞速发展以及用户数量的急剧上升,无人机辅助的通
信网络成为了重点研究和发展的方向之一。无人机具有高灵活性、高机动性、
低成本、易于部署和增减的特性
[1]
,并且具备更高的概率与通信节点之间形成视
距传播路径
[2]
。这些优点使得无人机辅助通信可以广泛应用于一些地面固定基
站难以提供高效通信服务的特殊场景,例如在短时间内有大量通信需求的密集
无线网络,或自然灾害发生地的应急通信等
[3]
。
传统的地面无线网络基站部署一般是根据长期的通信行为而规划的,因此
无法在任何时候都保证网络容量与通信需求的高度匹配
[4]
。为了弥补现有基于
固定基站的无线网络这一劣势,可利用多个无人机基站将一个大型网络分为多
个子网络,减轻每个基站的流量负载压力,从而为网络中所有的通信节点提供更
高的服务质量。通常情况下,会选用具有更高续航时间的固定翼无人机用于数
据采集 或空中基站,然而,因各种无人机工作 特性 及环境条件限制,以无人机为
基站提供通信服务仍面临着各种技术挑战。首先,由于无人机的动态特性,难以
进行通信系统的建模。因此要求无人机在不悬停的情况下连续飞行,从而使得
通信节点和无人机之间的信道是时变的。在此情况下,当节点退出无人机的通
信覆盖 范围时,上行通信链路将中断,这导致 在一 定时间范围内,每个节点的可
通信时间是受限的。此外,无人机通常配备定向天线,从而在地面形成圆形信号
覆盖
[5]
,这可能导致位于不同位置的设备可与无人机通信的时长不同,使其覆盖
范围内出现节点的异构通信。这种情况下极易导致网络节点访问的不公平性—
—可通信时间较长的设备有更多机会传输信息,可通信时间较短的设备未能在
有限的可通信时间内访问上行信道并进行数据上传。因此,研究并设计合适的
上行信道媒体访问控制(Medium Access Control,MAC)协议不但可以解决异构
性问题,还可以大幅提升网络节点访问接入的公平性。
无人机辅助的通信网络的 MAC 协议研究建立在无线自组织网络 MAC 协
议研究的基础之上。现有的无线自组织网络 MAC 协议主要包括固定分配、随
机竞争和混合协议
[6]
:① 固定信道分配类 MAC 协议。如时分多址协议、频分多
址协议等。但在有大量通信节点的密集网络中,时分多址协议的适用性较低—
—由于需要给每个节点都分配时隙,易造成单个节点的发送时延过长,通信时间
短,且不能解决通信的异构型问题。② 随机竞争类 MAC 协议。如 ALOHA 协
议 、 载 波 侦 听 多 路 访 问 / 冲 突 避 免 (Carrier Sense Multiple Access/Collision
Avoidance,CSMA/CA)协议及以其为基础进行改进的各类协议等。文献[7]中提
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