CN107770875B - 航空自组网混合mac协议的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种航空自组网混合MAC协议的方法，对中级优先级业务数据和低级优先级业务数据进行时隙的预分配和对高级优先级业务数据随机立即接入，以满足业务时效性和可靠性需求，保证稳定的全网吞吐量，且无需全网精同步。

Description

航空自组网混合MAC协议的方法
技术领域
本发明属于航空电子信息的无线自组织网络技术，是一种针对高负载航空数据链组网环境基于发送时隙预分配和随机立即接入结合的混合媒体接入控制协议(Pre-allocation and Immediate Hybrid Media Access Control,PIH_MAC)的实现方法，应用于航空无线数据链组网领域。
背景技术
作为航空协同数据链未来的发展方向，航空自组网(Aeronautical Ad HocNetwork,AANET)创造性地将移动自组网应用于航空飞行器之间，使其能够互相分发地面指控信息和空中感知信息。航空自组网网内所有节点地位平等，共享同一个无线传输信道。网络分层中MAC层的作用为控制多个节点合理高效地使用有限的无线信道资源。MAC协议的好坏直接影响到网络吞吐量、时延等系统性能指标的优劣，在航空自组网的研究中具有重要地位。
为适应未来战场快速、高效、抗毁性强的空天地一体化作战信息平台需求，国家在航空无线数据链组网领域进行了大力的投入，发展具有自主知识产权的无线数据链组网领域中的各项技术成为目前和未来数年中国内各相关研究机构的重要任务。在无线数据链组网领域中，结合航空无线网络环境和网络业务传输需求的MAC协议设计是关键一环，航空自组网混合MAC协议基于突发业务网络容量仿真分析，为高级优先级业务预留信道立即接入能力，为中级、低级优先级业务设计时隙预分配策略和网络接入权限，在保证高级优先级业务时敏性需求的同时，尽量保证中级、低级优先级业务的可靠传输，对于确保无线通信数据链组网的可靠性及有效性起到重要作用。
为适应实际应用需求，接入时延和传输吞吐量是行业内对于MAC协议设计的两个核心要求，前者需重点分析本技术所采用的核心处理流程中待处理业务传输中协议处理时间以及接入等待时间对组网通信效能产生的影响。后者主要考量接入协议设计能否高效利用有限的传输带宽，维持较高的网络吞吐量。目前，国内针对航空无线通信数据链组网的MAC协议设计领域的研究和应用还远未成熟。而国外相关领域的研究和应用目前主要集中在基于时分体制或基于多业务优先级统计接入协议的相关设计上。时分体制接入协议时隙大小设置需考虑最大传播时延和时延抖动影响，对网络同步指标要求较高，无法满足时敏业务的低传输时延要求。基于多业务优先级统计接入协议信道忙闲程度统计模式单一，回退算法设计及业务接入判决条件单一，在业务高负载、节点高密度网络环境下，会导致网络迅速拥塞恶化。
近年来国家在发展航空数据链组网的大力投入与目前我国在该领域很多技术还相对落后，是国内相关研究机构迫切需要解决的矛盾之一。而如何打破国外在该领域技术上的垄断，通过自主创新，提升我国在航空无线组网关键技术领域的综合实力，是促使我们进行研究的主要激励。
发明内容
本发明的发明目的在于提供一种航空自组网混合MAC协议的方法，以解决航空无线组网MAC协议设计面临的多类业务信道竞争能力差异化需求、接入时延指标要求高、业务高负载时碰撞概率高等问题
本发明的发明目的通过以下技术方案实现：
一种航空自组网混合MAC协议的方法，包含以下步骤：
步骤一、在本业务帧预分配周期中，根据时隙的分配节点从缓存中读取中级优先级业务数据或低级优先级业务数据进行发送；
步骤二、当节点有高级优先级业务数据到来时，若当前时隙已分配给中级优先级业务数据或低级优先级业务数据时，则将该中级优先级业务数据或低级优先级业务数据缓存至下一业务帧预分配周期，在当前时隙发送高级优先级业务数据；若当前时隙空闲，则直接发送高级优先级业务数据；
步骤三、在本业务帧预分配周期结束时，统计在本业务帧预分配周期中中级优先级业务数据和低级优先级业务数据发送的数据量及时隙的位置，并根据统计的结果对下一业务帧预分配周期中的时隙进行分配：
对于一个节点，若本业务帧预分配周期有中级优先级业务数据和低级优先级业务数据要发送，且发送成功，那么在下一业务帧预分配周期中，如果的节点的中级优先级业务数据和低级优先级业务数据的业务量不减时，则下一业务帧预分配周期沿用本业务帧预分配周期的分配；否则计算下一业务帧预分配周期中可分配的时隙数量、将时隙分配给中级优先级业务数据和低级优先级业务数据以及分配的时隙位置。
优选地，下一业务帧预分配周期中可分配的时隙数量N为：
Figure GDA0003053717770000031
α为业务时隙分配比例因子，F1 为下一业务帧预分配周期全网待分配的中级优先级业务数据总量，F2 为下一业务帧预分配周期全网待分配的低级优先级业务数据总量，L为本业务帧预分配周期中未被占满的时隙数，F0 为本业务帧预分配周期中成功发送的中级优先级业务数据和低级优先级业务数据的总数， A1 为本节点下一业务帧预分配周期中待分配的中级优先级业务数据总量，A2 为本节点下一业务帧预分配周期中待分配的低级优先级业务数据总量。
优选地，将时隙分配给中级优先级业务数据和低级优先级业务数据的规则为：
若全网待分配的中级优先级业务数据总量不低于下一业务帧预分配周期时隙分配门限时，本节点的中级优先级业务数据根据总待分配的中级优先级业务数据占比分配时隙数量，低级优先级业务数据不分配；
若全网待分配的中级优先级业务数量低于下一业务帧预分配周期时隙分配门限时，本节点的中级优先级业务数据、低级优先级业务数据依全网总待分配的业务数据占比及业务时隙分配比例因子α分配时隙数量。
优选地，业务时隙分配比例因子α的取值依据一次接入成功率门限配置。
优选地，分配的时隙位置P分配依据本业务帧预分配周期中在空闲的时隙上加上权重后随机选择，其中，权重的取值为M-1-K，其中K为本业务帧预分配周期中该空闲时隙的业务帧数，M为针对节点全连通网络场景，每个发送时隙最多容纳的业务分组上限。
本发明的有益效果在于：
(1)针对航空通信网络的高优先级时敏业务量小，中、低优先级非时敏业务量稳定且对时延指标要求不高的特点，设计发送时隙预分配和随机立即接入相结合MAC协议，满足业务时效性和可靠性需求，保证稳定的全网吞吐量，且无需全网精同步。
(2)基于均匀分布于一定场景全连通多节点满负荷有效发送业务提出业务容量理论值，采用高优先级业务信道预留机制，确保高优先级业务立即接入。在保证高优先级业务时敏性要求的同时，保证了整体信道的接入成功率。
(3)基于时隙预分配策略保证中、低优先级业务高效接入。在适应中低优先级业务量缓变特性的同时，有效提高整体信道利用率。
为支持在不同规模及业务类型网络系统中的应用，本发明中业务帧预分配周期、单业务帧突发数、码片速率、跳频频点数、突发占空比、节点分布范围、节点数等均可依实际情况配置。
附图说明
图1为帧结构示意图
图2为航空自组网混合MAC协议的方法的流程示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。
本发明针对跳频跳时突发体制业务网络通信，帧结构示意如图1所示。图1 所示业务帧预分配周期为100个业务帧长度，单业务帧由12个突发组成，具体应用可依实际情况配置。
本发明实施方案流程如图2所示，航空自组网混合MAC协议的方法是一种基于信道状态感知的分布式混合MAC协议的方法，主要包括高优先级业务接入机制、中低优先级业务时隙预分配策略，以及时隙分配比例因子配置模型等3 部分。实施航空自组网混合MAC协议时，节点本地维护信道时隙忙闲状态表，每业务帧预分配周期完成的同时完成状态表更新。中、低级优先级业务缓存至下一业务帧预分配周期，根据信道忙、闲状态表完成可发送的时隙数量及位置增量更新，进而确定中、低级优先级业务的发送或是继续缓存。
流程中高优先级业务为突发业务，不具记忆特性，在产生的下一发送时隙须立即接入。高优先级业务接入机制如下：
本节点有高级优先级业务数据需占用当前时隙时，若本节点已分配在该时隙发送中、低级优先级业务数据，则本时隙中待发送的中、低级优先级业务缓存至下一预分配周期，若无则按新增业务处理。
航空自组网混合MAC协议的方法对网络同步无特殊要求，节点时隙均以本地时间为基准划分，时隙长度为单业务帧长度。对于中、低优先级时隙预分配策略如下：
(a)对于本业务帧预分配周期本节点成功发送中、低级优先级业务数据的时隙，在本节点的中、低级优先级业务数据总量不减时，在下一业务帧预分配周期中继续作为本节点的可发送中、低级优先级业务数据的时隙；
(b)若本业务帧预分配周期中，本节点的中、低级优先级业务数据因碰撞未成功发送或业务量更新则需分配新的可发送中、低级优先级业务数据的时隙，需依据下一业务帧预分配周期中全网待分配的中级优先级业务数据总量F1 、低级优先级业务数据总量F2 及本业务帧预分配周期未被占满时隙数L和有效中、低级优先级业务数据总数F0 ，完成可发送的时隙数量N和时隙位置P的分配。
定义本节点下一预分配周期中待分配的中级优先级业务数据总量为A1 、下一预分配周期中待分配的低级优先级业务数据总量为A2 ，设计的时隙数量N分配规则为：
Figure GDA0003053717770000061
这里α为业务时隙分配比例因子。
(c)若全网待分配的中级优先级业务数据总量F1 不低于业务帧预分配周期时隙分配门限时，本节点的中级优先级业务数据根据总待分配的中级优先级业务占比分配可发送的时隙数量，低级优先级业务数据不允许接入。
(d)若全网待分配的中级优先级业务数据总量F1 低于业务帧预分配周期时隙分配门限时，本节点的中、低级优先级业务依总待分配的业务数量总量占比及业务时隙分配比例因子α分配可发送的时隙数量。
(e)中、低级优先级业务的时隙位置P分配依据本业务帧预分配周期中时隙忙闲分布，在空闲时隙中加权随机选择。空闲时隙的权重为该时隙的空闲度，取值为M-1-K，其中K为本业务帧预分配周期该空闲时隙业务帧数，M为针对节点全连通网络场景，每个可发送的时隙最多容纳的业务分组上限(基于均匀分布于一定场景，每个节点发送业务均占满整个预分配周期)，且M-R个分组为预分配上限，R个分组为高优先级余量。同时基于信道实际承载能力，中、低优先级业务分配至M分组时数据有效，但下个预分配周期该时隙需重新分配。
业务时隙分配比例因子α原则计算如下：
针对任一未满时隙x，假设时隙总数为Q，时隙i空闲度为ei，i∈[1,Q]；节点k下一业务帧待新分配业务包数为ak(包含中低两优先级业务)， k∈[1,Num]，Num为节点总数。定义节点k第l业务包分配到时隙x的概率为pl，l∈[1,ak]，则有：
Figure GDA0003053717770000071
Figure GDA0003053717770000072
同理可得当ak>2时：
Figure GDA0003053717770000073
其中
Figure GDA0003053717770000081
则节点k有中低优先级业务分配至时隙x的总概率为
Figure GDA0003053717770000082
时隙x的空闲度为ex，则经预分配后时隙x业务有效概率即为分配至时隙x 的网内节点个数不超过ex+1的概率。节点k是否有业务分配至时隙x可表示为：
Figure GDA0003053717770000083
其中，zk＝1时Pk_x表示节点k有业务分配至时隙x的概率，zk＝0时 Pk_x表示节点k未有业务分配至时隙x的概率。则经预分配后时隙x业务有效概率为：
Figure GDA0003053717770000084
仿真可得不同时隙空闲度ex对应时隙分配成功率与时隙分配比例因子α关系，α取值依据一次接入成功率门限配置。
航空自组网混合MAC协议的方法的实施流程为：
步骤一、在本业务帧预分配周期中，根据时隙的分配节点从缓存中读取中级优先级业务数据或低级优先级业务数据进行发送；
步骤二、当节点有高级优先级业务数据到来时，若当前时隙已分配给中级优先级业务数据或低级优先级业务数据时，则将该中级优先级业务数据或低级优先级业务数据缓存至下一业务帧预分配周期，在当前时隙发送高级优先级业务数据；若当前时隙空闲，则直接发送高级优先级业务数据；
步骤三、在本业务帧预分配周期结束时，统计在本业务帧预分配周期中中级优先级业务数据和低级优先级业务数据发送的数据量及时隙的位置，并根据统计的结果对下一业务帧预分配周期中的时隙进行分配：
对于一个节点，若本业务帧预分配周期有中级优先级业务数据和低级优先级业务数据要发送，且发送成功，那么在下一业务帧预分配周期中，如果的节点的中级优先级业务数据和低级优先级业务数据的业务量不减时，则下一业务帧预分配周期沿用本业务帧预分配周期的分配；否则计算下一业务帧预分配周期中可分配的时隙数量、将时隙分配给中级优先级业务数据和低级优先级业务数据以及分配的时隙位置。
本发明提出了一种航空自组网混合MAC协议的方法实现方法，该方法采用发送时隙预分配和随机立即接入结合，基于业务容量理论值高优先级业务信道预留以及基于时隙预分配策略中、低优先级业务接入机制，在保证高优先级业务时敏性要求的同时，保证了整体信道的接入成功率。本发明作为航空无线Ad Hoc自组网MAC协议的实现方法，具有多优先级业务QoS(Quality of Service) 保证能力，也可应用于其他多优先级业务并存传输，且对高优先级业务实时性和可靠性要求很高的无线通信网络中。
可以理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，而所有这些改变或替换都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (5)

1.一种航空自组网混合MAC协议的方法，包含以下步骤：
步骤一、在本业务帧预分配周期中，根据时隙的分配节点从缓存中读取中级优先级业务数据或低级优先级业务数据进行发送；
步骤二、当节点有高级优先级业务数据到来时，若当前时隙已分配给中级优先级业务数据或低级优先级业务数据时，则将该中级优先级业务数据或低级优先级业务数据缓存至下一业务帧预分配周期，在当前时隙发送高级优先级业务数据；若当前时隙空闲，则直接发送高级优先级业务数据；
步骤三、在本业务帧预分配周期结束时，统计在本业务帧预分配周期中中级优先级业务数据和低级优先级业务数据发送的数据量及时隙的位置，并根据统计的结果对下一业务帧预分配周期中的时隙进行分配：
对于一个节点，若本业务帧预分配周期有中级优先级业务数据和低级优先级业务数据要发送，且发送成功，那么在下一业务帧预分配周期中，如果节点的中级优先级业务数据和低级优先级业务数据的业务量不减时，则下一业务帧预分配周期沿用本业务帧预分配周期的分配；否则计算下一业务帧预分配周期中可分配的时隙数量、给中级优先级业务数据和低级优先级业务数据分配时隙和时隙位置。
2.根据权利要求1所述的一种航空自组网混合MAC协议的方法，其特征在于下一业务帧预分配周期中可分配的时隙数量N为：
Figure FDA0003053717760000011
α为业务时隙分配比例因子，F1 为下一业务帧预分配周期全网待分配的中级优先级业务数据总量，F2 为下一业务帧预分配周期全网待分配的低级优先级业务数据总量，L为本业务帧预分配周期中未被占满的时隙数，F0 为本业务帧预分配周期中成功发送的中级优先级业务数据和低级优先级业务数据的总数，A1 为本节点下一业务帧预分配周期中待分配的中级优先级业务数据总量，A2 为本节点下一业务帧预分配周期中待分配的低级优先级业务数据总量，M为针对节点全连通网络场景，每个发送时隙最多容纳的业务分组上限。
3.根据权利要求1所述的一种航空自组网混合MAC协议的方法，其特征在于将时隙分配给中级优先级业务数据和低级优先级业务数据的规则为：
若全网待分配的中级优先级业务数据总量不低于下一业务帧预分配周期时隙分配门限时，本节点的中级优先级业务数据根据总待分配的中级优先级业务数据占比分配时隙数量，低级优先级业务数据不分配；
若全网待分配的中级优先级业务数量低于下一业务帧预分配周期时隙分配门限时，本节点的中级优先级业务数据、低级优先级业务数据依全网总待分配的业务数据占比及业务时隙分配比例因子α分配时隙数量。
4.根据权利要求2或3所述的一种航空自组网混合MAC协议的方法，其特征在于业务时隙分配比例因子α的取值依据一次接入成功率门限配置。
5.根据权利要求1所述的一种航空自组网混合MAC协议的方法，其特征在于分配的时隙位置P分配依据本业务帧预分配周期中在空闲的时隙上加上权重后随机选择，其中，权重的取值为M-1-K，其中K为本业务帧预分配周期中该空闲时隙的业务帧数，M为针对节点全连通网络场景，每个发送时隙最多容纳的业务分组上限。
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