CN105188149B - 基于定向天线实现航空自组网stdma协议的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于定向天线实现航空自组网STDMA协议的方法，采用定向天线模型，节点定向发送，定向接收，提高了空间复用度，同时采用固定时隙分配和动态时隙分配相结合的方法，即基于轮询策略实现固定时隙分配，结合ADS‑B系统实现动态时隙调度的优化，在有突发需求时，进行附加时隙的预约，一定程度上既能保证业务的时延，又能满足突发数据传输需求。本发明充分利用了时隙资源，提高了空间复用度和网络吞吐量。

Description

基于定向天线实现航空自组网STDMA协议的方法

技术领域

本发明涉及航空电子信息的无线自组织网络技术领域，具体涉及一种基于定向天线实现航空自组网STDMA协议的方法。

背景技术

在民航通信中，现在的航空电信网已经不能达到我们的要求，如飞机不能自由飞行，飞行与飞机不能通信、无法分发环境感知信息、体系结构较复杂、网络容量和通信速率受限等。现有航空网络通信容量受限，通信速率受限，特别是跨洋飞行时，卫星成本高，时延大，卫星通信的信道的带宽是一定的，当大量飞机接入时，可能会出现信道资源不能满足需求的问题，这样会使得航空业的发展受到一定的限制。为了满足民航乘客不断扩大的通信需求，航空自组网的概念由此被提出。

航空自组网也称空中自组网或机载自组网，是移动Ad Hoc网络(mobile Ad Hocnetwork,MANET)在航空通信领域的应用，其基本思想是：在一定区域内的飞机节点，它们通过彼此交换飞行状况、信息之类的数据，并且各飞机之间进行转发控制指令信息，进行自主的接入网络，最终建立起一个移动航空自组网。在这个建立起来的网络中，每个飞机不仅可以接收发送数据，还具有转发路由的功能，为了把数据发送给较远距离的飞机，航空自组网通常采用多跳的方式来实现。航空自组网一般都是采用动态组网和动态路由技术，这使得航空自组网可以自组织以及自修复，所以航空自组网能够达到民航通信中更高的的要求。

目前国内外已经有部分机构对航空自组网进行了研究。2000—2004年，美国加州大学洛杉矶分校启动了MINUTEMAN(multimedia intelligent network of unattendedmobile agent)项目的研究；2004年美国试验中心和项目评估投资机构启动了增强遥测综合网(integrated network enhanced telemetry，iNET)项目；2004年，德国、希腊、意大利和法国等国的研究机构联合开展了ATENAA(advanced technologies for networking inavionic application)项目；2006年，澳大利亚悉尼大学开展了AANET(aeronautical AdHoc network)项目以及2007年欧盟4国的7个机构联合开展了NEWSKY(networking the Skyfor aeronautical communication)项目。这些航空自组网项目的目标几乎都是将全球范围内的多种航空通信系统，如地面网络、卫星网络、机场通信系统以及飞机之间的MANET等，结合成一个整体，开发出一种全球范围内安全、无缝的航空异构通信网，为了满足未来业务需求量持续的增长。

近些年来，通过这些项目的研究，已经发现采用定向天线模型有很多优势，如可以减少通信间的干扰，同时提高空间资源利用率。然而,无线自组网属于没有中心节点的网络，若采用定向天线模型，那对于无线自组网MAC接入协议的设计的难度将会大大提高。现阶段已经提出的采用定向天线模型的航空自组网的MAC接入协议主要有以下几种。

第一种采用定向天线模型的无线自组网的MAC接入协议，在这个协议的设计中，每个节点具有一个邻居表，邻居表的内容包括本节点ID，邻居节点ID，本节点通信波束的ID，邻居节点通信波束的ID等信息。第二种采用了一个完全基于定向天线模型的无线自组网系统，又称UDAAN,这个系统包括定向功率控制MAC、对应波束的邻居发现、定向天线的链路特征描述、主动路由和转发。第三种阐述了一种使用智能天线的自适应MAC协议,其中发送数据以及数据确认时采用的是定向天线，接收数据和数据确认以及RTS/CTS交互过程采用的全向天线。在第四种中,一个节点同时具有定向天线和全向天线两种模型,使得节点可以进行定向发送和接收以及全向接收,但前提是所有节点必须同步时间。

发明内容

本申请通过提供一种基于定向天线实现航空自组网STDMA协议的方法，以解决由于航空自组网的节点具有高移动性，传播时延大，业务种类多等特点，传统无线自组网的MAC接入技术很难满足航空自组网的通信需求的技术问题。

为解决上述技术问题，本申请采用以下技术方案予以实现：

一种基于定向天线实现航空自组网STDMA协议的方法，包括以下阶段：

模块初始化阶段：激活航空自组网网络中的节点，并初始化参量；

网络初始化阶段：按照定向天线模型收发信息，通过ADS-B系统发现网络中的邻居节点，建立邻居表；

节点接入及时隙调度阶段：将节点接入网络中，并将时间划分为帧，将帧划分为时隙，每个时隙均为一个独立信道，对时隙进行调度；

数据传输阶段：已接入的节点在预约时隙进行收发包的通信。

每个飞机通过航空自组网的ADS-B系统(记载防撞系统)周期性的广播自己的方向、位置和速度等信息，通过一定的随机算法，保证飞机能够及时发现周围的其他飞机。每个飞机收到来自其它飞机节点的ADS-B信息后，通过处理后生成邻居表，即在确定MAC层数据包需要发送时，从ADS-B系统中读取邻居表，就能获得源节点与目的节点之间的位置信息，进一步地判断在源节点通信范围内的所有目的节点的波束方向范围。

定向天线模型是在一个特定的方向上来产生定向的波束，它具有一定的方向性，这样使得有用信号对准天线主瓣，干扰信号对准天线旁瓣。定向天线又通常分为自适应阵列天线模型和波束切换天线模型两种类型，在本发明中，定向天线采用波束切换天线模型，波束切换天线模型为在整个区域内通过天线阵列来发送固定的有限数目的波束，通过计算每个波束的功率的大小，使得输出功率最大的波束来作为定向接收或者发送波束，本发明中共有四个波束，每个波束覆盖区域为90°的扇形，通过切换波束方向来改变天线方向，当节点处于发送模式时，波束方向从正北方向开始，按照顺时针方向旋转，当节点处于接收模式时，波束方向从正南方向开始，按照顺时针方向旋转。本发明利用ADS-B系统来确定波束方向的，即从ADS-B系统中读取邻居表，获得源节点与目的节点之间的位置信息，进一步地判断在源节点通信范围内的所有目的节点的波束方向范围。

进一步地，时隙调度采用链路分配方式，且固定分配时隙与动态分配时隙相结合，即为每个波束分配两个固定时隙，剩余时隙为空闲时隙，当一个波束方向上的节点个数多于一个或者一个节点有大量数据需要发送时，需在空闲时隙表中选取时隙号最小的空闲时隙作为附加时隙进行预约。本方法同时具备固定时隙调度和动态时隙调度的能力，充分利用了时隙资源，提高了网络吞吐量。

进一步地，时隙调度具体包括如下步骤：

A：查询已建立的连接表，判断当前时隙是否有节点接入，如果有，则进入步骤B，否则，进入步骤E；

B：查询已建立的连接表，判断当前时隙是否需要回复，如果需要，则进入步骤C，否则，进入步骤D；

C：发送ACK缓存队列中的ACK包，跳转到步骤L；

D：调用发送函数，计数器加1，跳转到步骤L；

E：查询已建立的连接表，判断当前波束是否为节点在当前时隙已建立连接的波束，如果是，则进入步骤F，否则，跳转到步骤L；

F：查询已建立的连接表，判断当前时隙是否需要回复，如果需要，则进入步骤C，否则，进入步骤G；

G：查询已建立的连接表，判断当前时隙的节点个数是否为0，如果是，则进入步骤H，否则，进入步骤I；

H：将当前时隙放入空闲时隙表中，跳转到步骤L；

I：查询已建立的连接表，看当前时隙的节点个数是否为1，如果是，则进入步骤J，否则，进入步骤K；

J：设置控制的类型标识符type为1，调用发送函数，计数器加1，跳转至步骤L；

K：设置控制的类型标识符type为2，调用发送函数，计数器加1，跳转至步骤L；

L：等待下一个时隙。

进一步地，基于STDMA协议的发包过程包括如下步骤：

S1：判断发包缓存中是否有包，如果有，则进入步骤S2，否则，进入步骤S3；

S2：查询已建立的连接表，判断缓存中的包是否是发给当前时隙上已建立连接的目的节点，如果是，则进入步骤S4，否则，进入步骤S3；

S3：设置相关标志位，即表示发送控制包；

S4：判断信道是否空闲，如果是，则进入步骤S5，否则，继续执行步骤S4；

S5：组成MAC包；

S6：从MAC包的包头获取目的节点所在波束，将天线指向所在波束；

S7：设置MAC状态为发送状态；

S8：开启发送定时器，并发包；

S9：判断发送定时器是否超时，如果超时，则进入步骤S10，否则，继续执行步骤S9；

S10：清空发送缓存。

其中发送定时器是模拟发送一个包完成的时间，如果发送定时器超时，则说明这个包发送完毕，这时清空发送缓存。

进一步地，已建立的连接表包括时隙号、节点个数、接入状态、所在波束、目的节点、回复状态信息，其中一帧分为16个时隙，在“所在波束”信息中为每个波束方向分配两个固定时隙，剩余的后八个时隙根据接入节点ID的ADS-B信息得到相应波束方向，节点个数由ADS-B系统获得。接入状态Access_state为“0”表示未接入网络，“1”表示已经接入网络。

进一步地，基于STDMA协议的MAC包格式中包括帧控制部分Frame Control和一跳邻居时隙信息部分NSI，其中帧控制部分Frame Control中包括协议版本、数据包类型的内容，一跳邻居时隙信息部分NSI包括Sa：源节点ID，Da：目的节点ID，Beam：当前定向天线波束指向编号，SlotList：本节点时隙空闲表，SwithFlag：时隙切换标志，SwithSlot：切换的时隙号，Ack_Ctrl：控制包回复位，Ack_Data：数据包回复位，DataFlag：数据包标志位，MoreDataFlag：申请附加时隙标志，ExpectSlot：附加时隙号。

进一步地，基于STDMA协议的收包过程包括如下步骤：

a：判断接收到的包的方向是否是从上层到下层发送的，如果是，则进入步骤b，否则，进入步骤c；

b：此包为数据包，由本机向外发送，向下发给物理层；

c：判断当前MAC状态是否空闲，如果是，则进入步骤e，否则，进入步骤d；

d：将MAC状态置为冲突状态，丢弃正在接收的包；

e：设置MAC状态为接收状态，将接收到的包放入收包缓存中，进入步骤f；

f：开启接收定时器，并接收包；

g：判断定时器是否超时，如果超时，则进入步骤h，否则继续执行步骤g；

h：对已正确接收的包进行处理；

i：将收包缓存清空；

j：将MAC状态置为空闲状态

其中当节点收到一个包时，首先判断这个包的方向，如果包是从上层向下层发送的，则判断此包为数据包，由本机向外发送，向下发给物理层；接收定时器是模拟实际网络接口收到一个数据包的时间，当接收定时器超时是，说明已经完成了此包的接收。

与现有技术相比，本申请提供的技术方案，具有的技术效果或优点是：

基于定向天线实现航空自组网STDMA协议的方法，具备固定时隙调度和动态时隙调度的能力，充分利用时隙资源，提高了网络吞吐量，且定向天线具有增益高、传输距离远、干扰小、空间复用度高等优点。

附图说明

图1为本发明STDMA协议基本框架图；

图2为本发明的发送模式下天线波束示意图；

图3为本发明的接收模式下天线波束示意图；

图4为本发明的STDMA协议时隙调度流程图；

图5为本发明的STDMA协议发包流程图；

图6为本发明的STDMA协议收包流程图；

图7为本发明的仿真场景拓扑图；

图8为本发明的丢包率仿真图。

具体实施方式

本申请实施例通过提供一种基于定向天线实现航空自组网STDMA协议的方法，以解决由于航空自组网的节点具有高移动性，传播时延大，业务种类多等特点，传统无线自组网的MAC接入技术很难满足航空自组网的通信需求的技术问题。

为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式，对上述技术方案进行详细的说明。

实施例

一种基于定向天线实现航空自组网STDMA协议的方法，如图1所示，包括以下阶段：

模块初始化阶段：激活航空自组网网络中的节点，并初始化参量；

网络初始化阶段：按照定向天线模型收发信息，通过ADS-B系统发现网络中的邻居节点，建立邻居表；

节点接入及时隙调度阶段：将节点接入网络中，并将时间划分为帧，将帧划分为时隙，每个时隙均为一个独立信道，对时隙进行调度；

数据传输阶段：已接入的节点在预约时隙进行收发包的通信。

每个飞机通过航空自组网的ADS-B系统(记载防撞系统)周期性的广播自己的方向、位置和速度等信息，通过一定的随机算法，保证飞机能够及时发现周围的其他飞机。每个飞机收到来自其它飞机节点的ADS-B信息后，通过处理后生成邻居表，即在确定MAC层数据包需要发送时，从ADS-B系统中读取邻居表，就能获得源节点与目的节点之间的位置信息，进一步地判断在源节点通信范围内的所有目的节点的波束方向范围。

定向天线模型是在一个特定的方向上来产生定向的波束，它具有一定的方向性，这样使得有用信号对准天线主瓣，干扰信号对准天线旁瓣。定向天线又通常分为自适应阵列天线模型和波束切换天线模型两种类型，在本发明中，定向天线采用波束切换天线模型，波束切换天线模型为在整个区域内通过天线阵列来发送固定的有限数目的波束，通过计算每个波束的功率的大小，使得输出功率最大的波束来作为定向接收或者发送波束，本发明中共有四个波束，每个波束覆盖区域为90°的扇形，通过切换波束方向来改变天线方向，如图2所示，当节点处于发送模式时，波束方向从正北方向开始，按照顺时针方向旋转，如图3所示，当节点处于接收模式时，波束方向从正南方向开始，按照顺时针方向旋转。本发明利用ADS-B系统来确定波束方向的，即从ADS-B系统中读取邻居表，获得源节点与目的节点之间的位置信息，进一步地判断在源节点通信范围内的所有目的节点的波束方向范围。

进一步地，时隙调度采用链路分配方式，且固定分配时隙与动态分配时隙相结合，即为每个波束分配两个固定时隙，剩余时隙为空闲时隙，当一个波束方向上的节点个数多于一个或者一个节点有大量数据需要发送时，需在空闲时隙表中选取时隙号最小的空闲时隙作为附加时隙进行预约。本方法同时具备固定时隙调度和动态时隙调度的能力，充分利用了时隙资源，提高了网络吞吐量。

进一步地，如图4所示，时隙调度具体包括如下步骤：

A：查询已建立的连接表，判断当前时隙是否有节点接入，如果有，则进入步骤B，否则，进入步骤E；

B：查询已建立的连接表，判断当前时隙是否需要回复，如果需要，则进入步骤C，否则，进入步骤D；

C：发送ACK缓存队列中的ACK包，跳转到步骤L；

D：调用发送函数，计数器加1，跳转到步骤L；

E：查询已建立的连接表，判断当前波束是否为节点在当前时隙已建立连接的波束，如果是，则进入步骤F，否则，跳转到步骤L；

F：查询已建立的连接表，判断当前时隙是否需要回复，如果需要，则进入步骤C，否则，进入步骤G；

G：查询已建立的连接表，判断当前时隙的节点个数是否为0，如果是，则进入步骤H，否则，进入步骤I；

H：将当前时隙放入空闲时隙表中，跳转到步骤L；

I：查询已建立的连接表，看当前时隙的节点个数是否为1，如果是，则进入步骤J，否则，进入步骤K；

J：设置控制的类型标识符type为1，调用发送函数，计数器加1，跳转至步骤L；

K：设置控制的类型标识符type为2，调用发送函数，计数器加1，跳转至步骤L；

L：等待下一个时隙。

进一步地，如图5所示，基于STDMA协议的发包过程包括如下步骤：

S1：判断发包缓存中是否有包，如果有，则进入步骤S2，否则，进入步骤S3；

S2：查询已建立的连接表，判断缓存中的包是否是发给当前时隙上已建立连接的目的节点，如果是，则进入步骤S4，否则，进入步骤S3；

S3：设置相关标志位，即表示发送控制包；

S4：判断信道是否空闲，如果是，则进入步骤S5，否则，继续执行步骤S4；

S5：组成MAC包；

S6：从MAC包的包头获取目的节点所在波束，将天线指向所在波束；

S7：设置MAC状态为发送状态；

S8：开启发送定时器，并发包；

S9：判断发送定时器是否超时，如果超时，则进入步骤S10，否则，继续执行步骤S9；

S10：清空发送缓存。

其中发送定时器是模拟发送一个包完成的时间，如果发送定时器超时，则说明这个包发送完毕，这时清空发送缓存。

进一步地，已建立的连接表如表1所示，包括时隙号、节点个数、接入状态、所在波束、目的节点、回复状态信息，其中一帧分为16个时隙，在“所在波束”信息中为每个波束方向分配两个固定时隙，剩余的后八个时隙根据接入节点ID的ADS-B信息得到相应波束方向，节点个数由ADS-B系统获得。接入状态Access_state为“0”表示未接入网络，“1”表示已经接入网络。

表1已建立的连接表

进一步地，基于STDMA协议的MAC包格式中包括帧控制部分Frame Control和一跳邻居时隙信息部分NSI，其中如表2所示，帧控制部分Frame Control(FC)中包括协议版本、数据包类型的内容，Protocol_version表示协议版本号，是用来表示此帧的MAC版本的；Subtype则是为了说明控制帧后面的子类型；ype表示控制帧的类型标识符，在初始化定义时所有控制帧军使用此标识符，所以使用的帧的类型都是Type和Subtype来代表的。To_ds和From_ds用来指示帧的目的地是否为传输系统，一般为0；More_frag用来说明数据帧是加以分段的，大多数数据帧不会使用帧分段，一般为0；Retry表明是否需要重新帧，控制帧和数据帧需要在发送队列中等待下一帧到来，进行重新发送，所以Retry为0，而管理帧则与控制帧和数据帧不一样。Pwr_mgt用于指示完成当前的帧交换过程后，传送端的电源管理状态；Protected frame用来加密帧，控制帧不需要加密，所以Protected frame为0；Order则是表示帧与帧片段可以按照顺序一次发送，但是与此同时发送端与接收端的MAC需要付出更高的代价。如果按照顺序发送，则Order被置为1。More_data即表示更多数据，一般为0。

表2帧控制部分FC结构表

一跳邻居时隙信息部分NSI如表3所示包括Sa：源节点ID，Da：目的节点ID，Beam：当前定向天线波束指向编号，SlotList：本节点时隙空闲表，采用二进制位表示，如果时隙空闲，则表示为‘0’，如果时隙占用，则表示为‘1’。假设一帧有10个时隙，则用十位二进制数表示，相应的位数对应相应的时隙，比如0001010110，就表示1号，2号，4号，6号时隙在当前节点是占用的，空闲的时隙为0号，3号，5号，7号，8号，9号时隙。SwithFlag：时隙切换标志，源节点的当前波束范围中，有两个或多个节点的时候，在当前时隙上，源节点只能与一个节点进行握手，那么跟其他节点进行握手的话，在下一帧，就需要切换时隙，在别的时隙上通信，‘0’表示不需要切换时隙，‘1’表示需要切换时隙。SwithSlot即为切换的时隙号，源节点选择一个空闲的时隙作为切换时隙。Ack_Ctrl即控制包回复位，‘0’表示没有发送回复包，‘1’表示已经发送了回复包。Ack_Data即数据包回复位，‘0’表示没有发送回复包，‘1’表示已经发送了回复包。DataFlag即为数据包标志位，如果MAC包后面跟有数据包，则该位用‘1’表示，如果没有数据包仅有控制包交互信息的话，则该为用‘0’表示。MoreDataFlag即为申请附加时隙标志，数据通信时需要更多的时隙来发送数据时，就需要向目的节点申请时隙，即为需要申请附加时隙标志位，‘1’表示源节点有更多的数据传输，需要申请更多的时隙，‘0’表示不需要申请更多的时隙。ExpectSlot即为源节点与目的节点进行数据传输的附加时隙号。Extend即为扩展字段。

表3 NSI部分结构表

Sa

Da

Beam

SlotList

Applyflag

SwitchFlag

SwithSlot

Ack_Ctrl

Ack_Data

DataFlag

MoreDataFlag

ExpectSlot

Extend

当节点收到NSI包时，会对自身的邻居信息表NIT_table以及自身时隙占用表FI进行更新，NIT_table[波束方向][邻居节点id][所占用时隙号]＝__目的节点__，FI[波束方向][所占用时隙]＝__目的节点id__，节点自身邻居信息表NIT_table结构以及自身时隙占用表FI结构分别如表4和表5所示。

表4节点自身邻居信息表

表5自身时隙占用表

进一步地，如图6所示，基于STDMA协议的收包过程包括如下步骤：

a：判断接收到的包的方向是否是从上层到下层发送的，如果是，则进入步骤b，否则，进入步骤c；

b：此包为数据包，由本机向外发送，向下发给物理层；

c：判断当前MAC状态是否空闲，如果是，则进入步骤e，否则，进入步骤d；

d：将MAC状态置为冲突状态，丢弃正在接收的包；

e：设置MAC状态为接收状态，将接收到的包放入收包缓存中，进入步骤f；

f：开启接收定时器，并接收包；

g：判断定时器是否超时，如果超时，则进入步骤h，否则继续执行步骤g；

h：对已正确接收的包进行处理；

i：将收包缓存清空；

j：将MAC状态置为空闲状态

其中当节点收到一个包时，首先判断这个包的方向，如果包是从上层向下层发送的，则判断此包为数据包，由本机向外发送，向下发给物理层；接收定时器是模拟实际网络接口收到一个数据包的时间，当接收定时器超时是，说明已经完成了此包的接收。

为了进一步验证本发明的显著效果，本实施例对基于定向天线实现航空自组网STDMA协议进行仿真与性能分析。在仿真场景中，我们通过设置一个拓扑网络来验证本实施例的STDMA协议的优劣性，如图7所示。

在仿真环境中，对吞吐量、数据分组投递率两个参数指标仿真以评估STDMA协议的性能。

1)吞吐量(单位：bps)

吞吐量表示在单位时间内通过某个网络(或信道、接口)的数据量。吞吐量受网络的带宽或网络的额定速率的限制。

2)分组投递率

分组投递率表示节点接收的分组数目。分组投递率是在传输过程期间目的节点接收的分组数与源节点发出的数据分组总数的比值，该值越小，表示越多的数据包被成功投递，即该协议性能越好，相反，则说明数据包丢失较多，即协议性能较差。通过分组投递率还可以得到丢包率，丢包率＝1-分组投递率。

通过对上述两个性能指标的测定，与基于全向天线的航空自组网自组织TDMA协议的性能进行对比，来评估本实施的基于定向天线的航空自组网STDMA协议的优劣。作为对比对象的基于全向天线的航空自组网自组织TDMA协议，采用了全向天线模型，此模型中天线在水平所有方向上进行均匀辐射，即在水平方向上的增益均相同，而且全向天线MAC协议是基于节点分配的，采用固定时隙分配与动态时隙分配相结合的方式来分配时隙。

(1)吞吐量仿真

在吞吐量仿真中，分别仿真了航空自组网中基于定向天线的STDMA协议和基于全向天线的自组织TDMA协议随时间变化的吞吐量，其中网络参数如表6所示。

表6吞吐量网络参数

经过对基于定向天线的STDMA协议和基于全向天线的TDMA协议的吞吐量仿真得出，随时间增大，基于定向天线的STDMA协议的吞吐量明显大于基于全向天线的TDMA协议的吞吐量。这是由于定向天线模型可以预约多个附加时隙，而全向天线模型只能预约一个附加时隙，所以定向模型的吞吐量要高于全向天线模型的吞吐量。但是在仿真刚开始的时候，基于定向天线模型的网络吞吐量先是高于全向天线模型，然后又低于全向天线，这是由于在仿真刚开始时，均处于接入状态，而全向天线模型接入完成较快，吞吐量迅速增长，大于定向天线模型的网络吞吐量。

(2)分组投递率仿真

在分组投递率仿真中，分别仿真了航空自组网中基于定向天线的STDMA协议和基于全向天线的自组织TDMA协议随发包时间间隔变化的分组投递率，其中网络参数如表7所示。

表7分组投递率网络参数

基于定向天线的STDMA协议和基于全向天线的TDMA协议的丢包率仿真如图8所示。

从图8中可以看到，随着发包时间间隔的增加，采用基于定向天线的STDMA协议的丢包率和基于全向天线的自组织TDMA协议的丢包率均逐渐减小。这是由于当发包间隔较小的时候，业务层发送速率较快，而MAC的收包速率较慢，导致在缓存中的包被大量丢弃。当发包间隔逐渐变大时，这一情况得到了改善。但是从图8中可以看出，在发包间隔较小的时候，基于定向天线的STDMA协议的丢包率小于基于全向天线的自组织TDMA协议的丢包率，这是由于定向天线模型的发送距离较远，使得丢包的概率降低，而全向天线是以相同的功率在水平方向上发送，发送距离较小。这也导致了图8中基于定向天线的STDMA协议的分组投递率要大于基于全向天线的自组织TDMA协议的分组投递率。

通过对网络吞吐量、分组投递率等网络性能评估参数的仿真，可以看到基于定向天线的STDMA协议的两种性能均要好于基于全向天线的TDMA协议，即定向天线模型的网络吞吐量大于全向天线的网络吞吐量，定向天线模型的丢包率小于全向天线模型的丢包率。

本申请的上述实施例中，通过提供一种基于定向天线实现航空自组网STDMA协议的方法，采用定向天线模型，节点定向发送，定向接收，提高了空间复用度，同时采用固定时隙分配和动态时隙分配相结合的方法，即基于轮询策略实现固定时隙分配，结合ADS-B系统实现动态时隙调度的优化，在有突发需求时，进行附加时隙的预约，一定程度上既能保证业务的时延，又能满足突发数据传输需求。本发明充分利用了时隙资源，提高了空间复用度和网络吞吐量。

应当指出的是，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的普通技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改性、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种基于定向天线实现航空自组网STDMA协议的方法，其特征在于，包括以下阶段：

模块初始化阶段：激活航空自组网网络中的节点，并初始化参量；

网络初始化阶段：按照定向天线模型收发信息，通过ADS-B系统发现网络中的邻居节点，建立邻居表；

节点接入及时隙调度阶段：将节点接入网络中，并将时间划分为帧，将帧划分为时隙，每个时隙均为一个独立信道，对时隙进行调度；

数据传输阶段：已接入的节点在预约时隙进行收发包的通信；

所述定向天线采用波束切换天线模型，共四个波束，每个波束覆盖区域为90°的扇形，通过切换波束方向来改变天线方向，当节点处于发送模式时，波束方向从正北方向开始，按照顺时针方向旋转，当节点处于接收模式时，波束方向从正南方向开始，按照顺时针方向旋转；

所述时隙调度采用链路分配方式，且固定分配时隙与动态分配时隙相结合，即为每个波束分配两个固定时隙，剩余时隙为空闲时隙并根据接入节点ID的ADS-B信息得到相应波束方向，节点个数由ADS-B系统获得，当一个波束方向上的节点个数多于一个或者一个节点有大量数据需要发送时，需在空闲时隙表中选取时隙号最小的空闲时隙作为附加时隙进行预约。

2.根据权利要求1所述的基于定向天线实现航空自组网STDMA协议的方法，其特征在于，时隙调度具体包括如下步骤：

A：查询已建立的连接表，判断当前时隙是否有节点接入，如果有，则进入步骤B，否则，进入步骤E；

B：查询已建立的连接表，判断当前时隙是否需要回复，如果需要，则进入步骤C，否则，进入步骤D；

C：发送ACK缓存队列中的ACK包，跳转到步骤L；

D：调用发送函数，计数器加1，跳转到步骤L；

E：查询已建立的连接表，判断当前波束是否为节点在当前时隙已建立连接的波束，如果是，则进入步骤F，否则，跳转到步骤L；

F：查询已建立的连接表，判断当前时隙是否需要回复，如果需要，则进入步骤C，否则，进入步骤G；

G：查询已建立的连接表，判断当前时隙的节点个数是否为0，如果是，则进入步骤H，否则，进入步骤I；

H：将当前时隙放入空闲时隙表中，跳转到步骤L；

I：查询已建立的连接表，看当前时隙的节点个数是否为1，如果是，则进入步骤J，否则，进入步骤K；

J：设置控制的类型标识符type为1，调用发送函数，计数器加1，跳转至步骤L；

K：设置控制的类型标识符type为2，调用发送函数，计数器加1，跳转至步骤L；

L：等待下一个时隙。

3.根据权利要求1所述的基于定向天线实现航空自组网STDMA协议的方法，其特征在于，基于STDMA协议的发包过程包括如下步骤：

S1：判断发包缓存中是否有包，如果有，则进入步骤S2，否则，进入步骤S3；

S2：查询已建立的连接表，判断缓存中的包是否是发给当前时隙上已建立连接的目的节点，如果是，则进入步骤S4，否则，进入步骤S3；

S3：设置相关标志位，即表示发送控制包；

S4：判断信道是否空闲，如果是，则进入步骤S5，否则，继续执行步骤S4；

S5：组成MAC包；

S6：从MAC包的包头获取目的节点所在波束，将天线指向所在波束；

S7：设置MAC状态为发送状态；

S8：开启发送定时器，并发包；

S9：判断发送定时器是否超时，如果超时，则进入步骤S10，否则，继续执行步骤S9；

S10：清空缓存。

4.根据权利要求3的所述的基于定向天线实现航空自组网STDMA协议的方法，其特征在于，基于STDMA协议的MAC包格式中包括帧控制部分FrameControl和一跳邻居时隙信息部分NSI，其中帧控制部分Frame Control中包括协议版本、数据包类型的内容，一跳邻居时隙信息部分NSI包括Sa：源节点ID，Da：目的节点ID，Beam：当前定向天线波束指向编号，SlotList：本节点时隙空闲表，SwithFlag：时隙切换标志，SwithSlot：切换的时隙号，Ack_Ctrl：控制包回复位，Ack_Data：数据包回复位，DataFlag：数据包标志位，MoreDataFlag：申请附加时隙标志，ExpectSlot：附加时隙号。

5.根据权利要求1所述的基于定向天线实现航空自组网STDMA协议的方法，其特征在于，基于STDMA协议的收包过程包括如下步骤：

a：判断接收到的包的方向是否是从上层到下层发送的，如果是，则进入步骤b，否则，进入步骤c；

b：此包为数据包，由本机向外发送，向下发给物理层；

c：判断当前MAC状态是否空闲，如果是，则进入步骤e，否则，进入步骤d；

d：将MAC状态置为冲突状态，丢弃正在接收的包；

e：设置MAC状态为接收状态，将接收到的包放入收包缓存中，进入步骤f；

f：开启接收定时器，并收包；

g：判断定时器是否超时，如果超时，则进入步骤h，否则继续执行步骤g；

h：对已正确接收的包进行处理；

i：将收包缓存清空；

j：将MAC状态置为空闲状态。