文摘
指数增长的车辆的物联网技术应用和自动驾驶车辆的要求高,未来交通系统预计将在全球范围内被彻底改变了。这种新的景观需要一个稳定、灵活、亲商的连接,网络,和计算技术,无人机(uav)可以发挥重要作用。UAV-enabled智能交通系统(ITS)可以提供一个具有成本效益的通信解决方案,提高交通系统的安全性和效率,尤其是在非齐次和非平稳的数据流量。通常,无线是车辆之间的通信介质和无人机在其设置,基于IEEE802.11p MAC协议采用汽车制造。然而,IEEE 802.11便士的MAC协议修改专为全向天线,这限制了网络覆盖,延迟和吞吐量。相比之下,定向天线具有更大的网络覆盖,空间重用和带宽。此外,多路存取边缘计算(MEC)设施回程链接将提供超低延迟和高带宽服务,以满足日益增长的需求为那些对延迟敏感的汽车应用程序如车载视频数据分析、自动驾驶、智能导航。因此,本文旨在提出一种新颖的双模MAC协议,它可以工作在两个天线模式,即。、定向和全向。建模与仿真的目的,我们使用优化的网络工程工具同时采用OPNET)(和目的寻求一个评价对吞吐量、媒体访问延迟和传输的尝试。获得的结果证明了该方案的有效性。
1。介绍
技术进步在汽车市场正在成倍增长,与进步的重点转向无处不在的连通性和全自动车辆。当独立、自主车辆成为相互连接和Vehicle-to-Everything (V2X)通信,这种转变将会完全披露的潜力。基于共享计划从附近的车辆运动,V2X将创建一个集体对周围环境的理解和帮助车辆作出更明智的决定。为了实现这一点,连接和自动车辆需要连续获得感官数据的车辆可以进行先进的轨迹规划和更复杂的高速机动(1]。短期的车辆可以使用机载传感器信息轨迹决策,但长期决策,汽车需要从其他附近的车辆数据和信息。传感器数据的共享,因此,需要一个稳定的一个必不可少的因素之间的联系工具,受到严格的服务质量(QoS)指南(2,3]。这种新的范式的全自动连接车辆将为一个智能交通系统(ITS),将无人机的一个重要组成部分。将无人机集成到其为新的应用程序提供了巨大的机会和服务开发(4),因为他们提供即时通信设施符合成本效益的方式。此外,由于其机动性高,自主操作,三维(3 d)运动,和沟通/处理能力,无人机可以发挥关键作用的智能交通系统(ITS)。随着汽车数量的增长,现有的通信框架不满足数据传输的要求,尤其是当有热点(如路路口)高峰时期。UAV-enabled其传统运输系统有几个优点。首先,由于无人机能飞离车辆与固定基站相比,路径损耗将会低得多。其次,改变传输控制的无人机是多才多艺的取决于车辆的机动性。第三,UAV-to-Vehicle连接的性能通常优于地面由于视距(LoS)通信的链接。
整个自动化交通基础设施不能仅仅通过自动化公路车辆(5]。同样重要的是自动化的道路和其他组件的端到端传输基础设施,如现场支持单位、交通警察、道路调查,和救援队伍。图1说明了样本UAVs-enabled其网络体系结构。道路支持团队,例如,也许补充或支持的一套无人机飞行事故现场和提供基本的支持,或至少带回事故调查报告。此外,无人机可以飞过公路上的车辆跟踪和记录潜在的交通违规也可以代替或协助交通警察。一方面,UAV-enabled它可以提供一个有效的手段来实现交通规则,帮助现场交通警察只还提供高效的交通信息(即。、智能交通管理)道路使用者。另一方面,它遭受车载能量有限,计算能力的限制,带宽不足,其他问题排除无人机从流行网络的一部分。
IEEE 802.11便士是典型的无线MAC的标准,这是一个提高到802.11(的基础设备销售wi - fi)通过汽车制造商支持智能交通系统(ITS)[申请6]。默认情况下,IEEE 802.11便士标准已经优化了低延迟和small-bandwidth无线通信的应用程序。此外,IEEE 802.11便士的目的是使用全向天线设置。它假定所有的数据包,即。,RTS/CTS/DATA/ACK, are sent and received as omnidirectional signals. However, with an omnidirectional antenna, network coverage, delay, and throughput, etc., will remain limited. In comparison, directional antennas deliver several advantages over omnidirectional antennas, such as greater coverage, spatial reuse, and high bandwidth, due to the concentration of total RF energy in one direction. Nonetheless, these advantages pose some unique challenges for the MAC layer. The primary challenge with the directional antenna is the error in location estimation for high-speed UAVs and road vehicles [7,8]。出于这个原因,多种的组合导航系统是中央要求减少错误位置估计的实际解决方案。因此,无人机必须配备的基于gps的惯性测量单元(IMU)设备,以便其他无人机可以放置准确地在任何时间。IMU可以被GPS信号,因此可以提供位置和角度速度(9]。
1.1。作者的动机和贡献
设计一个适当的MAC协议UAV-enabled实现高吞吐量是非常必要的,低延迟,和更少的传输尝试,等,为有效的沟通。这个MAC协议的主要目标是克服数据包传输碰撞,提供降低信道访问延迟,并允许众多无人机共享一个公共媒介有效地提高数据传输速率和网络覆盖。因此,在本文中,我们提出基于IEEE 802.11 MAC协议p标准,由两种天线模式:定向和全向。在三维地形模型、网络密度、覆盖范围、路由协议和速度无人机和地面车辆被认为检查提出了协议的性能。的一些突出本文研究的贡献可以概括如下:(我)我们提出了一个双模介质访问控制(MAC)协议。协议是基于IEEE 802.11 p标准,由两种天线模式:定向和全向。(2)我们假设一个三维地形模型,每一个无人机飞在不同海拔地区为了实现现实的结果。(3)该方案使用优化的建模和实施网络工程工具同时采用OPNET)(和部署在智能交通系统(ITS)为例。(iv)我们比较建议的协议的吞吐量,媒体访问延迟、数据下降,和重传试图现有同行,即。全向antenna-based MAC协议。(v)研究结果的比较结果证明了该方案的优越性在传统的基于全向的MAC协议。
1.2。论文的组织
本文的其余部分的结构如下。节2我们处理相关工作。IEEE 802.11 p规范的概述中提供了部分3。节4拟议的MAC双模协议。部分5同时采用OPNET工具描述了模拟环境使用。部分6包括结果和分析后的结论部分7。
2。文献综述
在文献中,很少有研究发现定向天线集中在无人机领域的网络。2004年,Ulukan和Gurbuz [10)提出了一种MAC角协议(AN-MAC)与定向光束改善网络的性能。拟议中的协议允许站繁忙的部门分类与定位调度程序,防止网络上的碰撞和拥堵。作者打算检查AN-MAC不同拓扑的性能分析与每个节点的天线数量增加。在[11),作者介绍了一种自适应的介质访问控制(AMAC)协议两个定向天线和全向天线两个安装在每个无人机。它是观察到无人机的性能与定向天线的带宽,网络范围,延迟相对比全向天线。然而,这种方案可以进一步提高传输和接收数据包使用多个定向天线安装在无人机。Huba,谢诺伊(12]介绍了无人机的空中网络安装与定向天线。该方法结合了调度和集群和单个算法在MAC层,提供一个健壮的和可伸缩的解决方案。Temel和Bekmezci13)研究各种飞行场景和使用定向天线来演示的效果之间的距离操作无人机和主声束角度。然而,作者并没有专注于提高网络效率方面的数据率和延迟。
Biomo et al。14)研究当前路由协议的效率使用FANET定向天线。拟议的机制这一计划将导致改进性能的网络数据包的交货率(PDR)和延迟。作者进一步检查的定向天线提供了一个广泛的覆盖率与相同数量的节点。然而,作者只用一个流在2 d眼前。2019年,汗et al。15]定向antenna-based介质访问控制(MAC)协议使用多个FANETs定向天线。该方案同时采用OPNET Modeler建模和实现。它已经表明,可以进行重大改进的端到端延迟和传输尝试使用基于定向的MAC。然而,在该方案六个天线都是活跃的没有任何开关机制。最后,在2020年,作者介绍了一种双通道MAC协议基于定向天线的水声传感器网络(16]。然而,全方位定向之间的开关时间和定向天线模式被忽视,在真实的场景中,它不能被忽视。为此,在我们的工作,有前景的结果鼓舞了我们相同的扩展版本计划,(14,15无人机网络]采用类似的方法。
对其分析研究工作提供使用IEE 802.11 p [17)对MAC层和物理层层(18- - - - - -23]。竞技场et al。6]介绍了IEEE 802.11便士的概述,特别强调其采用的环境。他们研究了MAC层和物理层两层显式地在一个专用短程通信(DSRC)环境。
3所示。IEEE 802.11便士的概述
IEEE 802.11便士协议的一系列规范,允许连接在汽车环境中非常有用,例如,在发生突然变化的环境。的操作频率802.11便士的乐队,在短距离,5.850 - -5.925 GHz。IEEE 802.11便士使用物理(体育)层基于OFDM(正交频分复用)。在调制和编码策略数据率从3 - 27 Mbps, IEEE 802.11便士IEEE 802.11的标准是相同的。基本介质访问方法称为CSMA / CAA通常用于IEEE 802.11便士(与避碰载波监听多路访问)。在CSMA / CA,节点感知通道发送消息之前。节点不会在事件传输通道是被另一个节点。如果检测到信道空闲,节点只会启动他们的传输和推迟正在传播的传播,直到完成如果检测到信道忙。当信号的接收功率强度高于Clear Channel评估(CCA)阈值,收音机频道解释为忙。CCA阈值将大于接收机的灵敏度水平,即。的阈值感应能力。 After the channel is observed busy, the node waits for a backoff period to eliminate collisions during contention with other nodes that have already postponed their transmission. The time of the channel is separated into synchronization intervals of a fixed period of 100 ms. It consists of intervals of equal duration, which varies between the CCH (Control Channel) and the SCH (Signaling Channel). For safety-related messaging and device control data exchange, all nodes must tune in to the CCH frequency during the CCH interval. A guard time of 4 ms is set at the beginning of each interval so that the delay in radio switching and timing inaccuracies in the systems can be taken into account.
七10 MHz DSRC光谱通道排列,5 MHz的保护带,见图2。频道178年仅用于安全通信,被称为控制通道(CCH)。它有最重要的灯塔和警报。两个网络的边缘谱用于未来的使用和特定的就业,如自动碰撞预防和使用公共的保护。残留的应用程序和常规信件,剩下的通道服务渠道(原理图)。也可以对这些邻近通道合并到一个20 MHz通道。
见图3每一层实践中各种协议DSRC架构。IEEE standards1609.2, 1609.3和1609.4合并在上层的特殊服务,如安全服务(1609.2)、网络服务(1609.3),(1609.4)和通道切换。IEEE 802.11便士PHY和MAC层的部署。波短消息协议(WSMP)也作用于网络层,但也可以使用其他协议(如IPv6。
4所示。提出了双模MAC协议
默认情况下,同时采用OPNET仿真器的定向天线在任何节点上不可用。因此,我们需要设计自己的定向天线,它使用户能够定义的表示天线模式使用天线模式编辑器。天线模式可以与无线电发射机和/或接收方使用节点编辑器天线模块给定义的收益模式。我们实现了标准的802.11便士DCF MAC设计拟议中的协议。通常,IEEE 802.11 p协议使用10 MHz带宽。在5.9 GHz的频带范围从5.850到5.925 GHz和采用OFDM。它提供快速数据传输速度3 Mbps和27 Mbps之间。本协议使用CMSA / CA,无线局域网MAC层的重要技术与分布式协调功能(DCF)作为其性能随多种因素如高速、3 d运动,常规无人机和公路车辆之间的距离变化,链路质量的波动。因此,连接无人机之间的距离和车辆在该方案不会达到定向天线的传输极限。介质访问表的帮助下建立了RTS / CTS消息知道目的地位置信息和相邻的无人机。 More information on the proposed MAC protocol can be found below.
4.1。空间站模型
无人机站模型设计,以便每个无人机配备了四个方向和天线占地面积360。该模型还具有安装外部GPS, IMU,和高度计pod(雷达、激光雷达等)来跟踪和更新邻近无人机的位置,高度,和距离。标准的802.11便士使用RTS / CTS包书medium-to-exchange包。
4.2。地形模型
我们假设一个3 d地形模型,其中每个无人机飞在不同高度达到更真实的结果。实现所需的结果,每个无人机配备有高度计pod(包括雷达、激光雷达等)保持它高度相对于地形它飞。因此,很明显,区域的地理特征将影响无人机通信。
4.3。天线模型
该方案使用switched-beam定向天线N= 4单独的天线。四光束可以在总占地360°,如图4。每个天线的波束宽度是90°。因此,设计建议的机制如图5,四个独立的射频模块和一个MAC芯片是必需的。我们使用了Friis传输方程提出了天线系统参数。
在方程(2),P代表权力和G表示所得;分别下标t和r发送和接收。此外,λ是波长,R是确定的范围传播。
全向天线,同时采用OPNET仿真器中的参数设置如下将提供1000米的传播:公关= -95 dBm, Pt =−196 dBm,频率= 5.885 GHz和Gr = Gt = 0分贝:
在4-beam定向天线的情况下,使用相同的传输范围,即。,2000,我们将Pt≈200−dBm。
4.4。干扰模型
定向天线,一些权力仍然是辐射侧叶,虽然大部分的权力是中央波束指向。这种力量被认为是一个干扰中剩余的无人机。定向天线之间的干扰区域见图6。主瓣波束的最大传输范围R米,旁瓣的光束R年代,和警戒区是定义如下13]:
Pt,Pr,和G年代的发射功率、接收功率和旁瓣增益,分别如上所述在方程(4)。
无人机的间接干涉区(IIZ)将天线集中超越梁n的总量IIZ表达m3,是圆锥区域的总和与接收机天线和接收机的球体与旁瓣增益。概率分布函数(PDF)用于K的部署无人机的数量和他们的初始位置地形。球形的体积区域Vc和旁瓣球体V年代决定从方程(5)和(6)。此外,在方程(7)和(8),IIZ的总量、VIIZ DIZ的体积,VDIZ,决心。
总的干扰(我t)和先生所有的无人机可以测量从方程(9)和(10)如下:
无人机的最大数量而不影响正在进行的通信领域中可以表示为如下方程:
4.5。流动模型
UAV-enabled它,由于无人机的敏捷运动,需要选择适当的流动模型在仿真结果达到最大精度。有许多情况下,一群无人机的任务是反对一个共同的指向一个特定地区巡逻。因此,在该方案中,我们使用参考点集团流动性(RPGM) [24)的模拟无人机。在RPGM模型中,为了实现集体工作,无人机是围绕一个中心节点,称为集团负责人(骨干无人机)。参考点的运动模式描述了整个团队的运动,包括位置、高度、速度和方向。集团负责人遵循一个随机的观点(RWP)流动模型,和其他的无人机围绕中心的运动模式(见图7(一)和7 (b))[25]。有几种类型的流动模型,如列(CLMN) [25],游牧社区(NC) [25,钱包(PRS)。
(一)
(b)
4.6。协议操作
拟议的MAC协议包括两个天线模式,即定向和全向。在定向的操作模式,只有一个天线波束会主动一次。光束只能停用设置其增益−200 dB,结果在0线性增益。我们已经建立一个活跃的部门增益为7.8 dB。整个过程是在(14,26]。相比之下,在全向模式中,所有四个行业是活跃的0 dB的增益导致线性增加1。无人机将保持在这种模式下,如果没有RTS-CTS-Data-ACK交换。方案,最初,每个无人机使用RTS未决数据发送一个帧使用N梁向四面八方扩散。默认情况下,这些RTS消息被发送使用传统CSMA / CA算法。所有空闲的连接无人机或听到通道全向倒扣状态。预期的无人机接收RTS数据包时,禁用所有其他梁与最大功率,除了一个接收信号。CTS的无人机问题发送一个数据包通过最大信号强度梁。同样,发射无人机也选择光束接收CTS的最大功率。使用光束,它会发送数据在同一个方向。 Also, ACK packets are sent in a directional pattern. The flowchart of the proposed dual-mode MAC protocol is illustrated in Figure8。
5。模拟环境
建模与仿真方案的同时采用OPNET Modeler通过使用14.5 [27]。OPNET由天线方向性的天线模式编辑器建模和一个天线增益设置。我们做了IEEE 802.11标准的变化由于同时采用OPNET建模器不可用的IEEE 802.11便士,如图9。我们还修改了MANET节点模型根据提出的MAC协议可以实现定向和全向天线。如图所示的数据10和11,无人机和车辆节点模型包括三个主要部分:下部(物理层),中间部分(数据链路层),上部(上层)。发射机、接收机和天线模块是物理层的一部分。相关联的节点之间的无线连接这些模块的职责。中间部分,即。,the data link layer, consists of the MAC module using the IEEE 802.11p standard. By default, it is primarily designed to work with omnidirectional antennas. This module is designed to run collectively to support the proposed scheme. The TRAF SRC, UDP, MANET RTE MGR, DHCP, IP ENCAP, ARP, IP, and CPU modules are included in the upper layers, i.e., the top part.
定向天线节点模型提供了所有的强制设置接口,在每个天线处理四个单独的光束。在该模型中,每个无人机有一个60°波束宽度,使它们占地360°的帮助下四个定向天线。梁,无人机将意义上的信号强度和马克梁最大信号强度数据通信。无人机还可以阻止所有其他梁除最大信号强度。我们选择所有合适的参数。对于更详细的信息,进一步参数总结在表1。
无人机开始飞翔的时候,随着高度传感器、IMU, GPS单元,和其他嵌入式设备如飞行控制器,网络开始形成。我们认为,无人机深知带ID、位置,高度,和他们的邻居当开始创建网络速度。提出了MAC协议的性能评估的基础上吞吐量、媒体访问延迟,数据下降,并重新尝试。
6。结果与讨论
数据12- - - - - -14显示的性能提出了双模与默认的全向基于IEEE 802.11 MAC协议p协议的吞吐量,媒体访问延迟,分别和重传的尝试。图,轴指定模拟时间和轴规定比特的吞吐量,媒体访问延迟秒,数据下降,分别在包和重传的尝试。测试方案下的面积60节点组成的2000×2000。同时采用OPNET仿真器仿真使用执行了两个不同的场景,即。,proposed dual-mode MAC protocol with and default IEEE 802.11p, respectively, under the RPGM mobility model. We chose the RPGM model because, under the RPGM model, the movement of UAVs is controlled by a reference point, which is the group head in a particular zone. That way, the network stays fully connected all the time. The results of the simulation authenticate that the proposed dual-mode MAC protocol meets the desired QoS requirements. That is, the use of directional antenna in terms of throughput, media access delay, data dropped, and retransmission attempts provides better performance than that of the default MAC protocol using omnidirectional antennas. Using an omnidirectional antenna, the distance between the nodes increases and network performance deteriorates. For this purpose, each UAV in the same Basic Service Set (BSS) assumes that other UAVs will terminate communication before transmitting frames if the MAC protocol is based on the use of an omnidirectional antenna. Each UAV that is available in the same BSS must, therefore, wait until the other UAV completes its transmission by the same protocol. In comparison, the proposed dual-mode MAC protocol, which uses directional antennas, allows each UAV to concurrently use the same channel for transmitting data with other UAVs over the same BSS. Moreover, the proposed scheme would require retransmission of each UAV against any transmission that fails. They will continue to transmit until the receiving UAV sent an ACK frame or up to the maximum retransmission limit. Therefore, the results show that the proposed dual-mode MAC has a better performance than that of default IEEE 802.11p in all three evaluation metrics.
7所示。结论
在本文中,一个双模介质访问控制(MAC)协议,提出了基于IEEE 802.11标准。它由两个天线模式:定向和全向。拟议中的MAC机制集成天线的方向性和CSMA SDMA,允许每个无人机共享带宽的同时与其他无人机和公路车辆在同一BSS变得公平。此外,该方案克服了独特的挑战与MAC协议基于定向天线。该方案使用优化的建模和实施网络工程工具同时采用OPNET)(和部署在智能交通系统(ITS)为例。仿真结果的吞吐量、媒体访问延迟、数据下降,和重传的尝试证实该方案比默认的IEEE 802.11便士全方位antenna-based MAC协议。
数据可用性
期间产生的所有数据或分析本研究包含在这篇文章。
的利益冲突
作者宣称没有利益冲突的研究,本文的作者,和/或出版。