CN107835517A - 具有QoS保障的长距离CSMA/CA协议 - Google Patents

具有QoS保障的长距离CSMA/CA协议 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种具有QoS保障的长距离CSMA/CA协议，通信信道中的节点执行以下步骤：(1)发送队列中上个数据包发送结束后，进入退避阶段；(2)根据现有发送队列中的数据包优先级情况，提取优先级最高的数据包排到发送队列的队头；(3)计算信道忙闲比值和发送队列队头的数据包所对应的优先级门限；(4)退避阶段结束后，检查当前信道忙闲比值，比较发送队列队头的数据包所对应的优先级门限与当前信道忙闲比值，若当前信道忙闲比低于数据包所对应的优先级门限，则该数据包接入信道进行发送，返回步骤(1)。本发明通过拖延低优先级数据包的接入来满足高优先级数据包的性能需求，同时以此减少碰撞概率提升吞吐量。

Description

具有QoS保障的长距离CSMA/CA协议
技术领域
本发明涉及无线通信技术领域，具体涉及一种基于QoS(Quality of Service，服务质量)保障的长距离CSMA/CA(Carrier Sense Multiple Access with CollisionAvoidance)协议。
背景技术
航空自组织网络中的物理地址MAC协议大多分为两种：基于分配类的MAC协议和基于竞争类的MAC协议。大部分成熟航空自组织MAC协议都是基于分配类的MAC协议，只有美军TTNT数据链中使用了基于竞争的MAC协议。
基于TDMA的航空自组织网络其特点在于系统性能较好，但现有的分析中默认全网时间同步，其在战争状态下由于卫星或管理节点极易被敌方重点打击所以较难实现。此外由于现有航空网络中的TDMA类协议对节点入网退网，网络快速组建等开销并无分析，所以在战时基于TDMA的协议由于大量额外开销可能会导致系统开销较大。基于竞争类MAC协议由于其抗毁性强、可靠性高、分布式等特点很好的弥补了基于分配类协议的缺点；基于竞争类的协议也有着其自身的缺点：随着网络负载的增加碰撞概率会呈指数增长，大量重传数据包会恶化网络性能。在航空自组织网络中环境中，长传输时延也会导致网络的碰撞概率增加，并且导致信道监听机制浪费过多的信道资源。
美军TTNT数据链中使用了基于统计优先级的多信道竞争类MAC协议：SPMA协议对基于竞争类的协议进行改进，通过信道忙闲程度参数控制节点的接入概率，在提供抗毁和可靠的系统同时，对高优先级业务提供严格的QoS保证。由于美军的军事技术封锁，现阶段对基于统计优先级的竞争类MAC协议研究在国内仍处于初级阶段，现有的研究大多分为两类：第一类为对SPMA(statistical priority-based multiple access)的原型协议进行研究，在此基础上进行简单改造，或把统计优先级的概念运用在基于分配类的协议中；第二部分为对基于统计优先级的竞争类协议进行数学建模，对协议性能进行分析验证，当前的数学模型都较为简单，对优先级业务有着严苛的假设要求、使用非归一化的统计优先级变量等问题都是急需要改进的地方。
发明内容
本发明的发明目的在于提供一种具有QoS保障的长距离CSMA/CA协议，对不同优先级业务提供不同的QoS支持。本发明设计了两种不同的动态的优先级门限的计算方案：直接映射函数(DFM)方案和差分趋势(DT)方案来解决固定门限导致的信道利用率损失问题。动态的优先级门限可以得到更好的信道利用率并提供更可靠的QoS支持。
本发明的发明目的通过以下技术方案实现：
一种具有QoS保障的长距离CSMA/CA协议，通信信道中的节点执行以下步骤：
(1)发送队列中上个数据包发送结束后，进入退避阶段；
(2)根据现有发送队列中的数据包优先级情况，提取优先级最高的数据包排到发送队列的队头；
(3)计算信道忙闲比值和发送队列队头的数据包所对应的优先级门限；
(4)退避阶段结束后，检查当前信道忙闲比值，比较发送队列队头的数据包所对应的优先级门限与当前信道忙闲比值，若当前信道忙闲比低于数据包所对应的优先级门限，则该数据包接入信道进行发送，返回步骤(1)；
其中，所述信道忙闲比值为：
其中，Rb为信道忙闲比值；ptr为某个时隙里至少有一个节点发生传输的概率；ps为在ptr的条件下，数据包发送成功的条件概率；TSlot表示时隙时长；TSuc为成功发送一次数据包所要经历的所有流程时间，TCol为发生一次数据包碰撞所要经历的所有流程时间；
所述优先级门限为：
其中，Bcsat为网络处于饱和状态时系统忙闲程度值，BτDFMmin为当系统处于饱和状态时为了让Bc下降到Bτobj所对应的信道忙闲比门限，BτDFMmax为网络处于最为空闲状态时，为了让Bc上升到Bτobj所对应的信道忙闲比门限；Bc为引入门限后的网络加权信道忙闲比；Bτobjx目标信道忙闲比；
或者为：
其中BτDTmax和BτDTmin系统信道忙闲比门限的上下限，θ为滑动参数。
进一步，所述步骤(4)中，若当前信道忙闲比值大于数据包所对应的优先级门限，执行以下步骤：
(5)判断数据包的发送次数是否达到上限，若发送次数达到上限，丢弃数据包，返回步骤(1)；若发送次数未达到上限，返回步骤(3)。
附图说明
图1.非饱和网络归一化负载与信道忙闲比之间的线性关系；
图2.低优先级数据包占比与信道忙闲比的关系(固定门限＝0.3、0.4、0.45/Bn＝0.5)
图3.低优先级数据包占比与信道忙闲比的关系(固定门限＝0.3、0.4、0.45/Bn＝0.426914)
图4.具有QoS保障的长距离CSMA/CA协议的流程示意图。
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。
具有QoS保障的长距离CSMA/CA协议，可以认为在传统窄带CSMA/CA的基础上针对不同优先级业务通过信道忙闲比来设置不同的控制参数，来控制不同等级业务流接入系统的概率。传统的CSMA/CA系统中信道的状态只有两种：空闲和繁忙，当数据包退避结束需要发送时，监听信道如此时信道空闲则允许发送，信道繁忙则进入退避阶段。信道忙闲比即在预先决定的一段时间内信道处于繁忙情况的程度，加入忙闲程度门限来控制不同优先级数据包接入系统的概率：不同的优先级数据包有着不同的信道忙闲比的门限，当此数据包完成退避阶段后比较当前系统信道忙闲比和其数据包优先级所预先设定的信道忙闲比门限。当前信道忙闲比大于门限时则不让其发送，以此来控制不同优先级数据包的接入概率。即拖延低优先级数据包的接入来满足高优先级数据包的性能需求，同时以此减少碰撞概率提升吞吐量。
如图4所示，一种具有QoS保障的长距离CSMA/CA协议，通信信道中的节点的MAC层执行以下步骤：
(1)发送队列中上个数据包发送结束后，进入退避阶段；如有其它节点发送数据包，则暂停退避。
(2)根据现有发送队列中的数据包优先级情况，提取优先级最高的数据包排到发送队列的队头；
(3)计算信道忙闲比值和发送队列队头的数据包所对应的优先级门限；
(4)退避阶段结束后，检查当前信道忙闲比值，比较发送队列队头的数据包所对应的优先级门限与当前信道忙闲比值，若当前信道忙闲比低于数据包所对应的优先级门限，即意味着当前信道较空闲，则该数据包接入信道进行发送，返回步骤(1)；若当前信道忙闲比值大于数据包所对应的优先级门限，即意味着当前信道较繁忙，需要发送的数据包其优先级不够高并不能给与发送授权，执行步骤(5)：
(5)判断数据包的发送次数是否达到上限，若发送次数达到上限，丢弃数据包，返回步骤(1)；若发送次数未达到上限，返回步骤(3)。
其中，所述信道忙闲比值为：
其中，Rb为信道忙闲比值；ptr为某个时隙里至少有一个节点发生传输的概率；ps为在ptr的条件下，数据包发送成功的条件概率；TSlot表示时隙时长；TSuc为成功发送一次数据包所要经历的所有流程时间，TCol为发生一次数据包碰撞所要经历的所有流程时间。
所述优先级门限可以采用直接映射函数(DFM)方案，即按照先验知识，根据目标信道忙闲比把当前信道忙闲比与信道忙闲比门限进行一一映射。DFM方案如下式所示：
其中，Bcsat为网络处于饱和状态时系统忙闲程度值，BτDFMmin为当系统处于饱和状态时为了让Bc下降到Bτobj所对应的信道忙闲比门限，BτDFMmax为网络处于最为空闲状态时，为了让Bc上升到Bτobj所对应的信道忙闲比门限。此方案需要BτDFMmin和BτDFMmax这两个先验参数，其需要通过事先测试进行设定。
所述优先级门限还可以采用DT方案(差分趋势设计优先级门限)，DT方案如下式所示
其中BτDTmax和BτDTmin系统信道忙闲比门限的上下限；θ为滑动参数，可以提前设定或是在系统运行状态下根据情况动态设置。
在本实施例中所使用的信道忙闲比值是通过以下理论推导出来的：
步骤A1：利用二维马尔可夫链来模拟节点的退避过程。通过联系节点在某个时刻发送数据包的概率τ和马尔可夫二维固定分布b0,0的关系得到条件碰撞概率p与发送数据包的概率τ之间的关系。在基于CSMA/CA的协议中，确定所有的性能参数(如：吞吐量、时延、信道忙闲比等)都与条件碰撞概率p有着直接的关系。
步骤A2：确定长传播时延场景下的数据包碰撞概率与网络吞吐量的关系。依据步骤A1得到的条件碰撞概率p与发送数据包的概率τ之间的关系，进一步推导得到长传播时延场景中的数据包碰撞概率会随着传输距离的增大或时隙时长TSlot的减小而显著增大。依据一个节点发生传输的概率ptr推导出网络吞吐量S的归一化表达式。
其中，ptr为某个时隙里至少有一个节点发生传输的概率，ps为在ptr的条件下，数据包发送成功的条件概率，TSuc为成功发送一次数据包所要经历的所有流程时间，TCol为发生一次数据包碰撞所要经历的所有流程时间，TDATA表示数据包传输时长。
步骤A3：确定长距离CSMA/CA的信道忙闲比值模型。信道忙闲比即在预先决定的一段时间内信道处于繁忙情况的程度，相比步骤A2中的归一化吞吐量S仅包含成功发送数据包所占用的信道时间。信道忙闲比Rb还包含信道中发送的数据包发生碰撞所占用的信道时间，其能更好的表示信道的繁忙状态。当处于饱和状态下，系统的信道忙闲比趋于稳定，其与负载呈单射关系，并且传输距离越远，信道的饱和忙闲比越小。信道忙闲比Rb的表达式为：
在(DFM)方案中使用到的Bc通过以方法获得：
步骤B1：确定信道忙闲比与接入负载的关系，首先需要研究基于饱和网络的CSMA/CA退避机制。之后，引入队列利用率来分析非饱和网络状态。最后，通过研究信道忙闲比与条件碰撞概率、节点的队列利用率的关系得到信道忙闲比与接入负载的联系，如图1所示。非饱和网络的条件碰撞概率和接入负载之间的关系：
其中，p为网络中数据包发生碰撞的条件概率，ρ为在非饱和网络情况下，每个节点的队列利用率，TSuc为成功发送一次数据包所要经历的所有流程时间，TCol为发生一次数据包碰撞所要经历的所有流程时间。
步骤B2：确定信道忙闲比统计量的分布状态，首先通过对信道忙闲比分布函数进行建模，得到信道忙闲比的分布函数。之后，通过对其进行近似拟合和仿真得到其在实际网络场景中近似服从正态分布。对应的表达式为
其中，pRb为信道中发生事件(称成功发送数据包或数据包发送碰撞或信道空闲退避一个时隙为一次事件)中为记录事件(称成功发送数据包或数据包发送碰撞为一次记录事件)的概率。发生r次记录事件，所需要的事件总次数Y其服从参数为(r，pRb)的负二项分布NB(r,pRb)。
步骤B3：建模分析得到加入优先级门限后的信道忙闲比的数学表达式，其与饱和信道忙闲比、未加入门限时的信道忙闲比和信道忙闲比门限有关系。此模型更具一般性的预测了加入优先级门限后的网络信道利用率，并以此得出加入固定优先级门限将会导致信道利用率有所损失的结论。运用信道忙闲比的分布函数对加入统计优先级门限后的网络性能进行了建模，得到了加入门限后网络信道占用率的数学表达式f(Bc)＝N(Bc,σc)。
其中，PL为网络中低优先级业务占比，Bn为未加入优先级门限时的网络信道忙闲比，Bsat为网络饱和所对应的信道忙闲比，Bc为引入门限后的网络加权信道忙闲比，Bτ为信道忙闲比门限。
在不同优先级门限的场景下，通过仿真得到不同优先级数据包占比PL,PH对加入优先级门限后的信道利用率的影响。在此取用的固定优先级门限即网络的目标信道忙闲比。
其中仿真参数，传输半径为节点间的最大传输距离其与节点的监听半径和干扰半径相同；仿真中的每个节点参数设置相同，每条业务流参数相同。其中，数据包到达间隔在时间上服从指数分布。
加入不同优先级门限后，所对应的信道忙闲比分别如图2和图3所示。由图可见，上节中理论分析结果和本节中的仿真结果相近，最大平均误差仅为8％。
根据图2和图3可得：
(1)加入优先级门限后的信道忙闲比，随着优先级门限的增大而相对应增大；
(2)高优先级数据包占比较大时，由于优先级门限不能限制高优先级数据包的接入，所以优先级门限对信道忙闲比的影响较小。
(3)加入优先级门限后的信道忙闲比距离目标信道忙闲比(优先级门限)还有一定的差距。
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 (2)

1.一种具有QoS保障的长距离CSMA/CA协议，通信信道中的节点执行以下步骤：
(1)发送队列中上个数据包发送结束后，进入退避阶段；
(2)根据现有发送队列中的数据包优先级情况，提取优先级最高的数据包排到发送队列的队头；
(3)计算信道忙闲比值和发送队列队头的数据包所对应的优先级门限；
(4)退避阶段结束后，检查当前信道忙闲比值，比较发送队列队头的数据包所对应的优先级门限与当前信道忙闲比值，若当前信道忙闲比低于数据包所对应的优先级门限，则该数据包接入信道进行发送，返回步骤(1)；
其中，所述信道忙闲比值为：
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其中，Rb为信道忙闲比值；ptr为某个时隙里至少有一个节点发生传输的概率；ps为在ptr的条件下，数据包发送成功的条件概率；TSlot表示时隙时长；TSuc为成功发送一次数据包所要经历的所有流程时间，TCol为发生一次数据包碰撞所要经历的所有流程时间；
所述优先级门限为：
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其中，Bcsat为网络处于饱和状态时系统忙闲程度值，BτDFMmin为当系统处于饱和状态时为了让Bc下降到Bτobj所对应的信道忙闲比门限，BτDFMmax为网络处于最为空闲状态时，为了让Bc上升到Bτobj所对应的信道忙闲比门限；Bc为引入门限后的网络加权信道忙闲比；Bτobj为目标信道忙闲比；
或者为：
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其中BτDTmax和BτDTmin系统信道忙闲比门限的上下限，θ为滑动参数。
2.根据权利要求1所述一种具有QoS保障的长距离CSMA/CA协议，其特征在于所述步骤(4)中，若当前信道忙闲比值大于数据包所对应的优先级门限，执行以下步骤：
(5)判断数据包的发送次数是否达到上限，若发送次数达到上限，丢弃数据包，返回步骤(1)；若发送次数未达到上限，返回步骤(3)。
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