CN107454628B - 竞争多址中基于统计负载的分组调度方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种竞争多址中基于统计负载的分组调度方法，主要解决现有信道负载抖动，分组成功传输概率下降的技术问题。其实现步骤为：1)节点开机统计高优先级分组负载；2)根据中断周期判断节点是否进入计算调度时间间隔的中断，若是执行步骤3)，否则执行步骤5)；3)根据阈值和高优先级分组负载计算剩余带宽；4)根据低优先级分组业务量和剩余带宽计算低优先级分组调度时间间隔；5)根据发送中断条件判断节点是否进入发送中断，若是，执行步骤6)，否则，返回2)；6)节点根据调度时间间隔调度分组，并将这些分组接入信道。本发明减少了信道中的分组碰撞和负载抖动，有效提高了分组成功传输概率，可用于分组传输。

Description

竞争多址中基于统计负载的分组调度方法

技术领域

本发明属于通信技术领域，更进一步涉及一种分组调度方法，可用于分组传输。

背景技术

在统计负载的竞争多址协议中，低优先级分组调度的方法是影响网络吞吐量和分组时延的直接因素。在机载网络中，如何调度低优先级分组信道接入来避免冲突，同时兼顾让网络的吞吐量接近阈值是一个重要的问题。

在传统的统计负载竞争多址接入协议中低优先级分组调度的方法主要依据退避时间，当网络负载超过阈值时，各个节点的低优先级分组根据退避时间进行退避，降低网络中的负载，提高分组成功传输概率。常见的退避时间包括二进制指数退避、均匀分布随机数退避等。但是采用这种机制只是控制不同节点低优先级分组调度，没有考虑到控制单个节点低优先级分组调度，会造成短时间内低优先级分组大量接入到信道，整个网络的吞吐量无法到达阈值，分组成功传输概率无法达到99％，尤其是当每个节点低优先级负载量比较大的时候，这些问题更加明显。

传统二进制退避算法是最常见的退避方法，数据每次发送成功时节点退避时间减少最小，每次发送发生冲突时退避时间时间加倍。但是，该方法存在的不足是：节点只有在分组接入到信道时才会检测信道的状况，不能对当前信道负载和阈值之间的关系进行预判，增加分组接入的时间，降低分组成功传输概率和吞吐量，并且分组一旦成功接入信道，退避窗口就会重置为最小值，没有考虑到前后业务流的相关性。

北京理工大学在其发表的论文《基于多优先级的Ad Hoc网络MAC协议的研究与实现》中提出了一种均匀分布随机时间退避方法。该方法中在退避完成之后，并不立刻发送分组，而是重新将信道负载和门限阈值进行比较后，再决定是发送分组还是继续退避，其中低优先级分组退避时间为0到1之间的随机数。但是，该方法仍然存在不足之处，采用退避机制不能控制单个节点低优先级分组调度，会使信道在短时间内负载快速增加，超过阈值，分组成功传输概率和网络的吞吐量下降，且由于信道负载超过阈值，节点会不断在退避和接入这两个状态快速切换，造成信道负载出现抖动，整个网络不稳定的现象。

发明内容

本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提出一种竞争多址中基于统计负载的分组调度方法，以提高分组成功传输概率和网络的吞吐量，避免信道负载出现抖动，保证网络的稳定性。

本发明的技术思路是：根据网络剩余带宽调度低优先级分组信道接入的方式，通过引入根据剩余带宽调度低优先级分组机制，增加分组成功传输概率；通过引入根据剩余带宽计算每个节点低优先级分组信道接入量方法，增加网络的吞吐量，使其更加接近阈值。其实现方案包括如下：

(1)统计高优先级分组的负载L；

(2)根据计算低优先级分组调度时间的中断周期Q判断节点是否进入计算低优先级分组调度时间间隔t的中断，若是执行步骤(3)，否则执行步骤(5)；

(3)设置低优先级分组的阈值T，根据阈值T和高优先级分组负载L计算出信道中的剩余带宽B；

(4)获取到每个低优先级分组的业务量p，将其与剩余带宽B进行比较，计算出每个节点低优先级分组调度时间间隔t；

(5)根据发送中断条件判断节点是否进入到发送中断，若是执行步骤(6)，否则返回(2)

(6)每个节点根据调度时间间隔t调度队列中的低优先级分组，并将这些分组发送到信道中。

上述步骤(4)中将低优先级分组业务量p与剩余带宽B进行比较，计算出每个节点低优先级分组调度时间间隔t，按如下步骤进行：

(1)计算所有节点低优先级业务量p的总和S；

(2)判断低优先级业务量总和S是否小于剩余带宽B，若是，执行步骤(3)，否则，执行步骤(4)；

(3)计算所有节点低优先级分组调度时间间隔t：

(3.1)设置每个节点的低优先级分组接入量a为该节点低优先级分组业务量p；

(3.2)设置每个节点低优先级分组调度时间间隔t为每个节点低优先级分组接入量a的倒数，执行完之后结束；

(4)判断所有节点的低优先级分组调度时间间隔t是否全部计算，若是，结束，否则，执行步骤(5)；

(5)计算剩余带宽B的平均值V＝B/n，其中n为未计算分组调度时间间隔t的节点总个数；从所有未计算分组调度时间间隔t的节点中获取一个节点的低优先级业务量p；判断该节点的低优先级业务量p是否大于剩余带宽平均值V，若是，执行步骤(8)，否则，执行步骤(6)；

(6)计算该节点低优先级分组调度时间间隔t，即设置该节点的低优先级分组接入量a为该节点低优先级分组业务量p；将分组接入量a的倒数设置为该节点低优先级分组调度时间间隔t；

(7)将剩余带宽B减去该节点的低优先级分组接入量a；

(8)判断是否获取过所有未计算低优先级分组调度时间间隔t的节点的低优先级业务量p，若是，则执行步骤(9)，否则，返回步骤(5)；

(9)判断是否有新的节点计算低优先级分组调度时间间隔t，若是，返回步骤(4)，否则，执行步骤(10)；

(10)计算所有未计算的低优先级分组调度时间间隔t：即先设置每个未计算的节点的低优先级分组接入量a为平均剩余带宽V，然后设置每个未计算节点低优先级分组调度时间间隔t为该节点低优先级分组接入量a的倒数。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

第一，由于本发明采用了根据剩余带宽计算每个节点低优先级分组调度时间间隔，克服了现有技术中利用退避时间控制低优先级分组接入导致的信道负载抖动，在阈值附近波动的问题，使得本发明中所有节点接入信道的负载量更加接近阈值，不会出现信道负载抖动。

第二，由于本发明采用了根据每个节点低优先级分组调度时间从低优先级分组队列中调度分组，克服了现有技术中利用退避时间只避免了不同节点之间低优先级分组造成的冲突，而不能避免单个节点的低优先级分组对信道中的分组造成的冲突，使得本发明中每个节点的低优先级分组接入信道后减少对信道中的分组冲突，进而提高信道中所有分组的成功传输概率并且保持在99％以上，网络的吞吐量可以减少抖动并且更加逼近阈值。

附图说明

图1是本发明的实现流程图；

图2是本发明中对三种更新节点低优先级分组调度的时间间隔示意图；

图3是本发明中调度低优先级分组的模型图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明作进一步的详细描述。

参照图1，对本发明实施步骤描述如下：

步骤1.节点开机进入网络，每个节点启动负载统计机制。

1a)设置滑动统计窗口：统计容量为1s，统计的单位为包/秒；

1b)设置滑动统计步进窗口：统计容量为0.01s，统计的单位为包/秒；

1c)按照周期为0.01s进行一次负载统计，创建一个滑动统计步进窗口，将统计结果放入滑动统计步进窗口中；

1d)将该滑动统计步进窗口放入到滑动统计窗口中，获取高优先级分组负载L；

1e)判断滑动统计窗口容量是否达到容量为0.01s的上限：若是，则清除创建时间最早的滑动统计步进窗口中的统计结果后，再返回步骤1c)，同时执行步骤2，否则，直接返回步骤1c)，同时执步骤2。

步骤2.根据计算低优先级分组调度时间的中断周期Q判断节点是否进入计算分组调度时间间隔t的中断中，若是，则执行步骤3，否则，执行步骤13，其中中断周期Q为当前已知仿真环境情况下的中断周期。

步骤3.根据高优先级分组负载L和阈值T计算信道剩余带宽：B＝T-L，其中：

高优先级分组负载L通过步骤1d)中获取；

信道阈值T为当前已知仿真环境情况下分组成功传输概率为99％所对应信道负载值。

步骤4.获取网络中所有节点低优先级业务量的总和S，并将其与信道剩余带宽进行比较：

若S是否大于剩余带宽B，则执行步骤5，否则，执行步骤6。

步骤5.根据每个节点的低优先级分组接入量a计算所有节点的低优先级分组调度时间间隔t，执行完成之后跳转到步骤2。

将每个节点的低优先级分组接入量a设置为每个节点的低优先级分组业务量p；

将每个节点的低优先级分组调度时间间隔t设置为每个节点的低优先级分组接入量a的倒数；

如图2中的(a)所示，由于节点1到节点6的低优先级分组业务量总和S小于剩余带宽B，即节点1到节点6的低优先级分组业务量p均小于剩余带宽平均值V，故节点1到节点6每个节点的低优先级分组接入量a就是每个节点低优先级分组业务量p，每个节点的低优先级分组调度时间间隔t为每个节点低优先级分组接入量a的倒数。

步骤6.判断所有节点的低优先级分组调度时间间隔t是否全部计算过，若是，则返回步骤2，否则，执行步骤7。

步骤7.计算剩余带宽B的平均值V＝B/n；从所有节点中获取某一个节点的低优先级业务量p，判断该节点的低优先级业务量p是否大于剩余带宽平均值V，若是，则执行步骤10，否则，执行步骤8。其中：n为所有未计算低优先级分组调度时间间隔t的节点个数。

步骤8.根据该节点的低优先级分组接入量a计算该节点低优先级分组调度时间间隔t。

将该节点的低优先级分组接入量a设置该节点的低优先级分组业务量p；

将该节点的低优先级分组调度时间间隔t为该节点的低优先级分组接入量a的倒数；

如图2中的(b)所示，由于节点2、节点3、节点5和节点6的低优先级业务量p比剩余带宽平均值V要低，所以节点2、节点3、节点5和节点6的低优先级分组接入量a就是每个节点低优先级分组业务量p，这些节点的低优先级分组调度时间间隔t为这些节点低优先级分组接入量a的倒数。

步骤9.用原剩余带宽B减去该节点的低优先级分组接入量a，完成对剩余带宽B的更新。

步骤10.判断是否获取过所有节点的低优先级业务量p，若是，则执行步骤11，否则，返回步骤7。

步骤11.判断是否有新的节点计算低优先级分组调度时间间隔t，若是，返回步骤6，否则，执行步骤12。

步骤12.根据剩余带宽平均值V计算所有未计算节点的低优先级分组调度时间间隔t，即将这些节点的低优先级分组调度时间间隔t设置为剩余带宽平均值V的倒数，完成之后返回步骤3。

如图2中的(c)所示，此时由于网络中没有计算节点低优先级分组调度时间间隔t的节点只剩节点1和节点4，并且节点1和节点4低优先级分组业务量p都比剩余带宽平均值V高，所以将节点1和节点4的分组调度时间间隔t设置为剩余带宽平均值V的倒数。

步骤13.判断节点是否进入发送中断，若是，获取节点低优先级分组调度时间间隔t，执行步骤14，否则，返回步骤2，其中：发送中断的中断条件为低优先级队列中有分组到达。

步骤14.判断节点低优先级分组调度时间间隔t是否大于0，若是，执行步骤16，否则，返回步骤2。

步骤16.判断节点优先级分组队列是否为空，若是，返回步骤2，否则，执行步骤18。

步骤17.节点根据低优先级分组调度时间间隔t，从低优先级分组队列中调度低优先级分组，并将这些低优先级分组接入信道。

参照图3，节点调度器s根据该节点计算的低优先级分组调度时间间隔t，从低优先级分组队列中调度分组并且将这些分组注入到信道中，其中分组注入到信道的速率v＝1/t，低优先级分组注入信道的速率v和节点低优先级业务量速率1/p没有关系，仅与低优先级分组调度时间间隔t有关。

Claims (4)

1.一种竞争多址中基于统计负载的分组调度方法，包括：

(1)统计高优先级分组的负载L；

(2)根据计算低优先级分组调度时间的中断周期Q判断节点是否进入计算低优先级分组调度时间间隔t的中断，若是执行步骤(3)，否则执行步骤(5)；

(3)设置低优先级分组的阈值T，根据阈值T和高优先级分组负载L计算出信道中的剩余带宽B，通过下式计算：

B＝T-L

其中阈值T为当前已知仿真环境情况下分组成功传输概率为99％所对应信道负载值；

(4)获取到每个低优先级分组的业务量p，将其与剩余带宽B进行比较，计算出每个节点低优先级分组调度时间间隔t；按如下步骤进行：

(2.1)计算所有节点低优先级业务量p的总和S；

(2.2)判断低优先级业务量总和S是否小于剩余带宽B，若是，执行步骤(2.3)，否则，执行步骤(2.4)；

(2.3)计算所有节点低优先级分组调度时间间隔t：

(2.3.1)设置每个节点的低优先级分组接入量a为该节点低优先级分组业务量p；

(2.3.2)设置每个节点低优先级分组调度时间间隔t为每个节点低优先级分组接入量a的倒数，执行完之后结束；

(2.4)判断所有节点的低优先级分组调度时间间隔t是否全部计算，若是，结束，否则，执行步骤(2.5)；

(2.5)计算剩余带宽B的平均值V＝B/n，其中n为未计算分组调度时间间隔t的节点总个数；从所有未计算分组调度时间间隔t的节点中获取一个节点的低优先级业务量p；判断该节点的低优先级业务量p是否大于剩余带宽平均值V，若是，执行步骤(2.8)，否则，执行步骤(2.6)；

(2.6)计算该节点低优先级分组调度时间间隔t，即设置该节点的低优先级分组接入量a为该节点低优先级分组业务量p；将分组接入量a的倒数设置为该节点低优先级分组调度时间间隔t；

(2.7)将剩余带宽B减去该节点的低优先级分组接入量a，完成对剩余带宽B的更新；

(2.8)判断是否获取过所有未计算低优先级分组调度时间间隔t的节点的低优先级业务量p，若是，则执行步骤(2.9)，否则，返回步骤(2.5)；

(2.9)判断是否有新的节点计算低优先级分组调度时间间隔t，若是，返回步骤(2.4)，否则，执行步骤(2.10)；

(2.10)计算所有未计算的低优先级分组调度时间间隔t：即先设置每个未计算的节点的低优先级分组接入量a为平均剩余带宽V，然后设置每个未计算节点低优先级分组调度时间间隔t为该节点低优先级分组接入量a的倒数；

(5)根据发送中断条件判断节点是否进入到发送中断，若是执行步骤(6)，否则返回(2)；发送中断的中断条件为：低优先级队列中有分组到达；

(6)每个节点根据调度时间间隔t调度队列中的低优先级分组，并将这些分组发送到信道中。

2.根据权利要求1所述的方法，其中步骤(1)中统计高优先级分组的负载L，按照如下步骤进行：

(3.1)设置滑动统计窗口：统计容量为1s，统计的单位为包/秒；

(3.2)设置滑动统计步进窗口：统计容量为0.01s，统计的单位为包/秒；

(3.3)按照周期为0.01s进行一次负载统计，创建一个滑动统计步进窗口，将统计结果放入滑动统计步进窗口中；

(3.4)将该滑动统计步进窗口放入到滑动统计窗口中，获取高优先级分组负载L；

(3.5)判断滑动统计窗口容量是否达到上限：若是，则清除创建时间最早的滑动统计步进窗口中的统计结果后，再返回步骤(3.3)，否则，直接返回步骤(3.3)。

3.根据权利要求1所述的方法，其中步骤(6)中每个节点根据调度时间间隔t调度队列中的低优先级分组，并将这些分组发送到信道中，按如下步骤进行：

(5.1)获取节点低优先级分组调度时间间隔t；

(5.2)判断节点低优先级分组调度时间间隔t是否小于0，若是，不将分组接入信道，否则，执行步骤(5.3)；

(5.3)判断节点低优先级分组队列是否为空，若是，不将分组接入信道，否则，执行步骤(5.4)；

(5.4)每个节点根据低优先级分组调度时间间隔t，根据时间间隔t从低优先级分组队列中调度低优先级分组，并将这些低优先级分组接入信道。

4.根据权利要求1所述的方法，其中步骤(2)中根据计算低优先级分组调度时间的中断周期Q判断节点是否进入计算低优先级分组调度时间间隔t的中断周期Q为：当前已知仿真环境情况下中断周期。

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