CN109640397A - 基于服务质量的长距离多信道通信随机接入方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及基于服务质量的长距离多信道通信随机接入方法，针对百公里级长距离通信，其主要包括：基于多级数据优先级门限的随机接入方式，以及针对百公里级长距离多信道通信的退避方法。本发明具有低通信碰撞概率、低通信时延和具有服务质量保证等优点。

Description

基于服务质量的长距离多信道通信随机接入方法

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域，具体涉及一种基于服务质量的长距离多信道通信随机接入方法。

背景技术

航空自组织网络采用的MAC协议一般分为两种：基于分配的MAC协议和基于竞争的MAC协议，其中基于竞争的MAC协议具有组网灵活性强、抗毁性强、入网时延低等优点。目前大部分成熟的航空自组织网络竞争类MAC协议均基于IEEE 802.11标准进行设计，但这类协议在航空自组织网络长距离通信应用中也有自身的缺点：

1)由于使用RTS/CTS/DATA/ACK四次握手机制而浪费了大量的信道资源，导致时延增加；

2)没有对服务质量进行支持；

3)由于使用单一的指数退避算法而导致随着网络负载的增加碰撞概率会呈指数增长，大量重传数据会恶化网络性能；

4)没有对多信道通信进行支持。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于服务质量的长距离多信道通信随机接入方法。本发明取消了RTS/CTS机制以节约信道资源并提供较低的接入时延，通过使用一组数据优先级门限实现对服务质量的支持，通过对不同优先级数据使用不同的退避算法降低碰撞概率并实现对服务质量的保障，并通过设计随机接入流程实现了对于多信道通信的支持。

本发明通过以下技术方案来实现：

一种基于服务质量的长距离多信道通信随机接入方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S1：任何通信节点在进行通信前都需要周期性的对全部L个信道进行监听，根据其监听所得前M次通信的情况，独立计算值，每个节点都维护N个待发送数据包队列，不同的队列对应不同的数据优先级，节点周期性的检查待发送数据包队列，根据数据优先级对其进行分类并按照先进先出的原则进行排序，其中，L、M、N都为大于等于1的正整数；

步骤S2：通信节点在发送数据前，根据当前待发送数据的最高优先级设置退避函数及其参数值，然后根据当前信道竞争情况执行退避操作；

步骤S3：当发送节点退避结束时，从L个信道中随机选取一个进行监听，若此信道空闲，且当前待发数据的优先级门限Th_n高于值，则直接发送数据包，设置ACK等待时间T_ACK，并执行步骤S4，否则返回步骤S2；

步骤S4：接收节点成功接收数据，在此数据包传输所使用的信道上回复ACK包；

步骤S5：发送节点在发送后的T_ACK时间内成功接收到ACK包，表示此数据包通信完成，执行步骤S6，否则执行步骤S2；

步骤六：返回到步骤S1。

上述技术方案中，所述L值在系统运行前需用户指定，M值视情况而调整，M值越大系统稳定性越强，M值越小系统灵敏性越强。

上述技术方案中，所述的值通过以下方法计算：

对于单信道而言，R_b的计算式如下：

其中，T_slot表示时隙长度；p_t表示某个时隙中至少存在一个尝试接入信道准备发送数据的节点的概率；p_s表示在p_t条件下成功发送数据的概率，其数值均根据监听所得前M通信的情况来估计得到；T_s表示成功发送一次数据所需时间；T_c表示产生一次碰撞所需时间，R_b在区间[0,0.5]上与信道忙闲程度成正变关系；

对于多信道而言，的计算式如下：

上述技术方案中，所述的N表示数据优先级的数量，数据优先级取1至N的整数，其值越小表示数据优先级越高，且每个数据优先级对应一个优先级门限Th_n。

上述技术方案中，所述的优先级门限Th_n值在区间[0,0.5]上随n的增大而减小，Th_n值越小，则该门限对应优先级的数据接入信道的概率越低，通过限制低优先级数据接入信道的概率而保证高优先级数据传输的性能，其中，Th_n值在系统运行前由用户指定，或者随系统运行而动态变化以适应不同通信环境与通信要求。

上述技术方案中，所述退避操作通过以下步骤实现：

步骤S201：发送不同优先级数据的节点采取不同的退避方式，设定优先级为1∽i的数据属于高优先级数据，其余为低优先级数据，其中i大于等于1而小于等于N；

步骤S202：发送高优先级数据的节点按照线性函数进行退避，以获得相对低的接入时延和相对稳定的时延性能，其退避数的计算式如下所示：

CW_h＝rand(a*(n-1)+b)

其中CW_h表示退避数；rand(a*(n-1)+b)表示[0,a*(n-1)+b]之间的随机数；a为退避系数，根据需要进行修改；b为最短退避窗长，根据需要进行修改；n与数据优先级对应；

步骤S203：发送低优先级数据的节点按照指数函数进行退避，以获得相对高的接入时延和相对抖动的时延性能，其退避窗长的计算式如下所示：

CW_l＝rand(2^k-1+(n-i)c)

其中CW_l表示退避数；rand(2^k-1+(n-i)c)表示[0,2^k-1+(n-i)c]之间的随机数；k为退避次数，1≦k≦B_max，k在每次发送失败时加1，每次发送成功时重置为1；B_max为最大重传次数，若k等于B_max则丢弃此数据包且重置k为1；c为最短退避窗长，根据需要进行修改；

步骤S204：若发送低优先级数据的节点在退避过程中获得高优先级数据的发送任务，则转为发送高优先级数据，计算CW_h，并取min{CW_h，CW_l}为最终退避数。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

本发明具有低通信碰撞概率、低通信时延和具有服务质量保证等优点。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1是本发明的基于服务质量的长距离多信道通信随机接入方法流程图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

图1是本发明的基于服务质量的长距离多信道通信随机接入方法流程图，如图1所示，本发明的一种基于服务质量的长距离多信道通信随机接入方法，包括以下步骤：

步骤S1：任何通信节点在进行通信前都需要周期性的对全部L个信道进行监听，根据其监听所得前M次通信的情况，独立计算值，每个节点都维护N个待发送数据包队列，不同的队列对应不同的数据优先级，节点周期性的检查待发送数据包队列，根据数据优先级对其进行分类并按照先进先出的原则进行排序，其中，L、M、N都为大于等于1的正整数；

步骤S2：通信节点在发送数据前，根据当前待发送数据的最高优先级设置退避函数及其参数值，然后根据当前信道竞争情况执行退避操作；

步骤S3：当发送节点退避结束时，从L个信道中随机选取一个进行监听，若此信道空闲，且当前待发数据的优先级门限Th_n高于值，则直接发送数据包，设置ACK等待时间T_ACK，并执行步骤S4，否则返回步骤S2；

步骤S4：接收节点成功接收数据，在此数据包传输所使用的信道上回复ACK包；

步骤S5：发送节点在发送后的T_ACK时间内成功接收到ACK包，表示此数据包通信完成，执行步骤S6，否则执行步骤S2；

步骤六：返回到步骤S1。

其中，本发明的L与M值均可变，L值在系统运行前需用户指定，M值视情况而调整，M值越大系统稳定性越强，M值越小系统灵敏性越强。

值通过以下方法计算：

对于单信道而言，R_b的计算式如下：

其中，T_slot表示时隙长度；p_t表示某个时隙中至少存在一个尝试接入信道准备发送数据的节点的概率；p_s表示在p_t条件下成功发送数据的概率，其数值均根据监听所得前M通信的情况来估计得到；T_s表示成功发送一次数据所需时间；T_c表示产生一次碰撞所需时间，R_b在区间[0,0.5]上与信道忙闲程度成正变关系；

对于多信道而言，的计算式如下：

N表示数据优先级的数量，数据优先级取1至N的整数，其值越小表示数据优先级越高，且每个数据优先级对应一个优先级门限Th_n。

优先级门限Th_n值在区间[0,0.5]上随n的增大而减小，Th_n值越小，则该门限对应优先级的数据接入信道的概率越低，通过限制低优先级数据接入信道的概率而保证高优先级数据传输的性能，其中，Th_n值在系统运行前由用户指定，或者随系统运行而动态变化以适应不同通信环境与通信要求。

步骤S2中的退避操作通过以下步骤实现：

步骤S201：发送不同优先级数据的节点采取不同的退避方式，设定优先级为1∽i的数据属于高优先级数据，其余为低优先级数据，其中i大于等于1而小于等于N；

步骤S202：发送高优先级数据的节点按照线性函数进行退避，以获得相对低的接入时延和相对稳定的时延性能，其退避数的计算式如下所示：

CW_h＝rand(a*(n-1)+b)

其中CW_h表示退避数；rand(a*(n-1)+b)表示[0,a*(n-1)+b]之间的随机数；a为退避系数，根据需要进行修改；b为最短退避窗长，根据需要进行修改；n与数据优先级对应；

步骤S203：发送低优先级数据的节点按照指数函数进行退避，以获得相对高的接入时延和相对抖动的时延性能，其退避窗长的计算式如下所示：

CW_l＝rand(2^k-1+(n-i)c)

其中CW_l表示退避数；rand(2^k-1+(n-i)c)表示[0,2^k-1+(n-i)c]之间的随机数；k为退避次数，1≦k≦B_max，k在每次发送失败时加1，每次发送成功时重置为1；B_max为最大重传次数，若k等于B_max则丢弃此数据包且重置k为1；c为最短退避窗长，根据需要进行修改；

步骤S204：若发送低优先级数据的节点在退避过程中获得高优先级数据的发送任务，则转为发送高优先级数据，计算CW_h，并取min{CW_h，CW_l}为最终退避数。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (6)

1.一种基于服务质量的长距离多信道通信随机接入方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S1：任何通信节点在进行通信前都需要周期性的对全部L个信道进行监听，根据其监听所得前M次通信的情况，独立计算值，每个节点都维护N个待发送数据包队列，不同的队列对应不同的数据优先级，节点周期性的检查待发送数据包队列，根据数据优先级对其进行分类并按照先进先出的原则进行排序，其中，L、M、N都为大于等于1的正整数；

步骤S2：通信节点在发送数据前，根据当前待发送数据的最高优先级设置退避函数及其参数值，然后根据当前信道竞争情况执行退避操作；

步骤S3：当发送节点退避结束时，从L个信道中随机选取一个进行监听，若此信道空闲，且当前待发数据的优先级门限Th_n高于值，则直接发送数据包，设置ACK等待时间T_ACK，并执行步骤S4，否则返回步骤S2；

步骤S4：接收节点成功接收数据，在此数据包传输所使用的信道上回复ACK包；

步骤S5：发送节点在发送后的T_ACK时间内成功接收到ACK包，表示此数据包通信完成，执行步骤S6，否则执行步骤S2；

步骤六：返回到步骤S1。

2.根据权利要求1所述的一种基于服务质量的长距离多信道通信随机接入方法，其特征在于，所述L值在系统运行前需用户指定，M值视情况而调整，M值越大系统稳定性越强，M值越小系统灵敏性越强。

3.根据权利要求1所述的一种基于服务质量的长距离多信道通信随机接入方法，其特征在于，所述的值通过以下方法计算：

对于单信道而言，R_b的计算式如下：

其中，T_slot表示时隙长度；p_t表示某个时隙中至少存在一个尝试接入信道准备发送数据的节点的概率；p_s表示在p_t条件下成功发送数据的概率，其数值均根据监听所得前M通信的情况来估计得到；T_s表示成功发送一次数据所需时间；T_c表示产生一次碰撞所需时间，R_b在区间[0,0.5]上与信道忙闲程度成正变关系；

对于多信道而言，的计算式如下：

4.根据权利要求1所述的一种基于服务质量的长距离多信道通信随机接入方法，其特征在于，所述的N表示数据优先级的数量，数据优先级取1至N的整数，其值越小表示数据优先级越高，且每个数据优先级对应一个优先级门限Th_n。

5.根据权利要求4所述的一种基于服务质量的长距离多信道通信随机接入方法，其特征在于，所述的优先级门限Th_n值在区间[0,0.5]上随n的增大而减小，Th_n值越小，则该门限对应优先级的数据接入信道的概率越低，通过限制低优先级数据接入信道的概率而保证高优先级数据传输的性能，其中，Th_n值在系统运行前由用户指定，或者随系统运行而动态变化以适应不同通信环境与通信要求。

6.根据权利要求5所述的一种基于服务质量的长距离多信道通信随机接入方法，其特征在于，所述退避操作通过以下步骤实现：

步骤S201：发送不同优先级数据的节点采取不同的退避方式，设定优先级为1∽i的数据属于高优先级数据，其余为低优先级数据，其中i大于等于1而小于等于N；

步骤S202：发送高优先级数据的节点按照线性函数进行退避，以获得相对低的接入时延和相对稳定的时延性能，其退避数的计算式如下所示：

CW_h＝rand(a*(n-1)+b)

其中CW_h表示退避数；rand(a*(n-1)+b)表示[0,a*(n-1)+b]之间的随机数；a为退避系数，根据需要进行修改；b为最短退避窗长，根据需要进行修改；n与数据优先级对应；

步骤S203：发送低优先级数据的节点按照指数函数进行退避，以获得相对高的接入时延和相对抖动的时延性能，其退避窗长的计算式如下所示：

CW_l＝rand(2^k-1+(n-i)c)

其中CW_l表示退避数；rand(2^k-1+(n-i)c)表示[0,2^k-1+(n-i)c]之间的随机数；k为退避次数，1≦k≦B_max，k在每次发送失败时加1，每次发送成功时重置为1；B_max为最大重传次数，若k等于B_max则丢弃此数据包且重置k为1；c为最短退避窗长，根据需要进行修改；

步骤S204：若发送低优先级数据的节点在退避过程中获得高优先级数据的发送任务，则转为发送高优先级数据，计算CW_h，并取min{CW_h，CW_l}为最终退避数。