CN109889253B - 支持临近空间网络的自适应多信道媒介访问控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种临近空间网络的自适应多信道媒介访问控制方法，主要解决现有的固定时帧长度媒介访问控制方法的信道利用率和网络吞吐量过低，传输时延过大的问题。其实现方案是：将时域资源周期性地划分成控制时帧与数据时帧两部分；高速飞行器节点在控制时帧阶段实现面向临近空间平台的RTS/CTS交互，在数据时帧阶段按照分配的时隙完成非竞争数据传输；临近空间平台利用二维马尔可夫模型，根据高速飞行器节点数目、业务负载量计算最优时帧分配参数；在每个时帧周期结束时根据最优时帧分配参数调整控制时帧与数据时帧的长度。本发明提高了信道利用率和网络吞吐量，降低了传输时延，可用于临近空间网络中高速飞行器节点对临近空间平台的接入。

Description

支持临近空间网络的自适应多信道媒介访问控制方法

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，特别涉及一种自适应多信道媒介访问控制方法，可用于临近空间网络中高速飞行器节点对临近空间平台的接入。

背景技术

临近空间网络中的飞行器主要分为两种类型：一是与地面保持相对静止或者移动性低的临近空间飞行器，能持久稳定地运行在目标区域上空，如气球、飞艇等，我们将其称之为临近空间平台；二是飞行速度较高的临近空间飞行器，主要用于应急侦查，如空天飞机、高速无人机等，我们将其称之为高速飞行器节点。

在无线网络中，当多个用户同时访问同一无线资源时，就可能会产生信息碰撞，导致通信失败。在临近空间网络中，当多个高速飞行器节点对一个临近空间平台同时发送数据时，就可能会发生多个高速飞行器节点的数据帧在物理信道上相互碰撞，使得临近空间平台无法正确接收各高速飞行器节点数据。临近空间网络的媒介访问控制方法，即MAC协议是在临近空间网络中，使用某种机制来决定资源的使用权，解决多个用户如何高效共享信道资源的技术。此外由于临近空间网络中高速飞行器节点的高动态特性带来的接入节点数目、节点业务负载量变化快的特性，对媒介访问控制方法提出了更高的要求。

现有的临近空间网络的媒介访问控制方法包括随机预约/按需分配多址接入协议RA/DAMA以及混合自由按需分配多址接入协议CFDAMA等。这些协议虽然采用时隙分配方法，通过给高速飞行器节点分配独立时隙向临近空间平台发送信息，以避免高速飞行器节点间的数据碰撞，但其总数据时隙的长度一直保持固定，无法适应快速变化的网络环境，可能会导致业务数据包的丢失，降低信道利用率和网络吞吐量，同时带来过大的传输时延，影响临近空间网络的性能与通信质量。

发明内容

本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提出一种支持临近空间网络的自适应多信道媒介访问控制方法，提高信道利用率和网络吞吐量，降低传输时延。

本发明的技术思路是：通过将临近空间网络虚拟视为一个整体网络，将信道资源按照频域和时域联合划分出一个控制信道和若干个数据信道，提高信道利用率；通过建立马尔可夫模型，根据高速飞行器节点数目、业务负载量这些信息计算出最优的时帧分配参数，在每个时帧周期结束时自适应地调整控制时帧和数据时帧的长度。具体实现步骤包括如下：

(1)将临近空间网络的频段资源划分成若干个子频段，同时将临近空间网络的时域资源周期性地划分成控制时帧与数据时帧两部分；

(2)在控制时帧阶段，各高速飞行器节点向临近空间平台发送RTS帧；

(3)临近空间平台在接收到高速飞行器节点的RTS帧后向相应的高速飞行器节点返回CTS帧；

(4)在数据时帧阶段，高速飞行器节点根据接收到的CTS帧，在对应的时隙传输数据；

(5)临近空间平台接收数据，并根据高速飞行器节点数目和业务负载量信息，计算最优时帧分配参数β：

(5a)假定业务到达过程服从泊松分布，RTS/CTS交互过程参照CSMA/CA竞争机制，定义二维马尔可夫模型描述状态{s(t),b(t)}，其中s(t)代表退避阶数，b(t)代表退避计时器；

(5b)利用高速飞行器节点数目和业务负载量信息，确定如下参数：

碰撞概率：P_c＝1-(1-τ)^n-1，

信道忙概率：P_b＝1-(1-τ)ⁿ，

网络不饱和概率：

成功传输概率：P_s＝nτ(1-τ)^n-1，

退避窗口值：

其中n代表高速飞行器节点数目，τ代表任意时刻的传输概率，λ代表发送数据包的速率，W₀代表初始退避窗口值，m'对应最大退避窗口值2^m'W₀，m代表最大退避阶数，T_CS代表平均期望时间；

(5c)计算出二维马尔可夫模型状态{0,0}的稳态分布概率b_0,0：

(5d)计算出二维马尔可夫模型的传输概率τ、平均总服务时间T_e：

其中b_i,0代表状态{i,0}的稳态分布概率，b_i,0＝P_c ⁱb_0,0；

其中T_CS＝P_sT_s+(P_b-P_s)T_c+(1-P_b)σ，T_s代表成功传输时间，T_c代表碰撞时间，σ代表时隙长度；

(5e)当控制时帧成功接入的高速飞行器节点数目与数据时帧成功传输的高速飞行器节点的总数目相同时，时帧分配参数最优，计算出最优的时帧分配参数β：

其中T_k和T_f分别代表控制时帧和数据时帧的长度，N代表数据子频段的个数，T_d代表在数据子频段上传输一个数据包所需时间：T_d＝DIFS+HEADER+DATA+SIFS+ACK+2δ；DIFS＝50μs，SIFS＝10μs分别代表分布协调功能帧间间隔与短帧间间隔，δ代表单程传播时延，DATA代表数据包传输时间，HEADER和ACK分别代表头帧的开销与ACK帧的开销；

(6)每个时帧周期结束时，临近空间网络根据计算出的最优时帧分配参数β自适应地调整控制时帧与数据时帧的长度，并保持时间同步。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

对于临近空间网络中高速飞行器节点对临近空间平台的接入，本发明利用马尔可夫模型设计了一种自适应多信道媒介访问控制方法，能根据实时网络环境自适应地调整控制时帧和数据时帧的长度，针对临近空间网络中高速飞行器节点的高动态特性带来的接入节点数目、节点业务负载量变化快等特性，主要解决了现有的固定时帧长度媒介访问控制方法的信道利用率和网络吞吐量过低，传输时延过大的问题，在实现高速飞行器节点对临近空间平台资源共享的基础上，能够适应快速变化的网络环境，从而降低了传输时延，提高了信道利用率和网络吞吐量。

附图说明

图1是本发明使用的临近空间网络场景图；

图2是本发明的实现总流程图；

图3是本发明中的信道划分图；

图4是本发明中的二维马尔可夫模型图；

图5是本发明和现有的固定时帧长度媒介访问控制方法的控制时帧长度仿真结果图；

图6是本发明和现有的固定时帧长度媒介访问控制方法的传输时延仿真结果图；

图7是本发明和现有的固定时帧长度媒介访问控制方法的网络吞吐量仿真结果图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明实施方式和效果作进一步说明：

参照图1，本发明使用的临近空间网络包括高速飞行器节点和临近空间平台两种设备，其中高速飞行器节点与临近空间平台进行通信，临近空间平台间也可以相互通信，它们之间均采用无线Mesh连接，本发明研究高速飞行器节点对临近空间平台的接入。

参照图2，本实例的实现步骤如下：

步骤1，将临近空间网络的频段资源划分成若干个子频段，同时将临近空间网络的时域资源周期性地划分成控制时帧与数据时帧两部分。

参照图3，本步骤的具体实现如下：

(1a)将临近空间网络的频段资源划分为一个控制子频段和若干个数据子频段，且控制子频段上只利用控制时帧，数据子频段上只利用数据时帧，所有子频段的时间同步；

(1b)将临近空间网络的时域资源周期性地划分为多个时帧；

(1c)根据预先定义的控制时帧与数据时帧的长度，将每一个完整的时帧划分为控制时帧和数据时帧两部分；

(1d)将控制时帧定义为共享时帧，将数据时帧划分为连续的多个时隙，每个时隙对应一个数据包的大小。

步骤2，高速飞行器节点向临近空间平台发送RTS帧。

每个高速飞行器节点在控制时帧阶段，首先将自己的当前位置、待发送业务负载量这些信息写入请求发送RTS帧中；

每个高速飞行器节点再利用载波侦听多址接入/碰撞避免CSMA/CA竞争机制，将该RTS帧发送给临近空间平台。

步骤3，临近空间平台向高速飞行器节点返回CTS帧。

临近空间平台首先根据接收到的RTS帧，获得当前高速飞行器节点的信息；

临近空间平台再按照所获信息的先后顺序给高速飞行器节点分配数据时帧中的某些时隙，并将分配结果写入允许发送CTS帧并广播出去，由各高速飞行器节点根据自己的编号接收相应的CTS帧。

步骤4，高速飞行器节点向临近空间平台传输数据。

高速飞行器节点首先根据接收到的CTS帧，获得临近空间平台给自己分配的时隙编号；

高速飞行器节点在数据时帧阶段，等待相应的时隙，再传输数据给临近空间平台。

步骤5，临近空间平台接收数据，计算最优时帧分配参数β。

本步骤的具体实现如下：

(5a)假定业务到达过程服从泊松分布，RTS/CTS交互过程参照CSMA/CA竞争机制，参照图4，定义二维马尔可夫模型描述状态{s(t),b(t)}，其中s(t)代表退避阶数，b(t)代表退避计时器；

(5b)利用高速飞行器节点数目和业务负载量信息，确定如下参数：

碰撞概率：P_c＝1-(1-τ)^n-1，

信道忙概率：P_b＝1-(1-τ)ⁿ，

网络不饱和概率：

成功传输概率：P_s＝nτ(1-τ)^n-1，

退避窗口值：

其中n代表高速飞行器节点数目，τ代表任意时刻的传输概率，λ代表发送数据包的速率，W₀代表初始退避窗口值，m'对应最大退避窗口值2^m'W₀，m代表最大退避阶数，T_CS代表平均期望时间；

(5c)根据(5b)的参数，计算出二维马尔可夫模型状态{0,0}的稳态分布概率b_0,0：

(5d)根据(5b)和(5c)的参数计算出二维马尔可夫模型的传输概率τ、平均总服务时间T_e：

其中b_i,0代表状态{i,0}的稳态分布概率，b_i,0＝P_c ⁱb_0,0；

其中T_CS＝P_sT_s+(P_b-P_s)T_c+(1-P_b)σ，T_s代表成功传输时间，T_c代表碰撞时间，σ代表时隙长度；

(5e)当控制时帧成功接入的高速飞行器节点数目与数据时帧成功传输的高速飞行器节点的总数目相同时，时帧分配参数最优，根据(5d)的参数计算出最优的时帧分配参数β：

其中T_k和T_f分别代表控制时帧和数据时帧的长度，N代表数据子频段的个数，T_d代表在数据子频段上传输一个数据包所需时间：T_d＝DIFS+HEADER+DATA+SIFS+ACK+2δ；DIFS＝50μs，SIFS＝10μs分别代表分布协调功能帧间间隔与短帧间间隔，δ代表单程传播时延，DATA代表数据包传输时间，HEADER和ACK分别代表头帧的开销与ACK帧的开销。

步骤6，临近空间网络自适应调整控制时帧与数据时帧的长度。

临近空间平台在等待一个时帧周期结束后，首先根据(5e)计算出的最优时帧分配参数β,调整自己的控制时帧与数据时帧长度；

临近空间平台再将调整后的时帧信息广播给各高速飞行器节点；

高速飞行器节点再根据接收到的时帧信息，调整自己的控制时帧与数据时帧长度，完成时间同步。

本发明的效果可通过仿真进一步说明：

1.仿真条件

仿真使用MATLAB R2015b软件实现，设置临近空间网络的控制信道1个，数据信道4个，时帧周期100ms，高速飞行器节点数30个等参数。

2.仿真内容和结果

仿真1.在上述仿真条件下，对本发明和现有的固定时帧长度媒介访问控制方法的控制时帧长度进行仿真，结果如图5所示。

从图5可见，随着高速飞行器节点发送数据包的速率的增大，本发明的控制时帧长度也逐渐增大，但是仍远小于固定时帧长度媒介访问控制方法中的控制时帧长度。

仿真2.在上述仿真条件下，对本发明和现有的固定时帧长度媒介访问控制方法的传输时延进行仿真，结果如图6所示。

从图6可见，随着高速飞行器节点发送数据包的速率的增大，本发明和现有的固定时帧长度媒介访问控制方法的传输时延都在逐渐增大，由于本发明中的控制时帧和数据时帧的长度随着不断变化的网络环境在自适应地调整，与现有的固定时帧长度媒介访问控制方法相比其传输时延更小。

仿真3.在上述仿真条件下，对本发明和现有的固定时帧长度媒介访问控制方法的网络吞吐量进行仿真，结果如图7所示。

从图7可见，随着高速飞行器节点发送数据包的速率的增大，本发明和现有的固定时帧长度媒介访问控制方法的网络吞吐量不断变化，由于本发明中的控制时帧和数据时帧的长度随着不断变化的网络环境在自适应地调整，与现有的固定时帧长度媒介访问控制方法相比其网络吞吐量更高。

以上描述仅是本发明的一个具体实例，并不构成对本发明的任何限制。显然对于本领域的专业人员来说，在了解了本发明内容和原理后，都可能在不背离本发明原理、结构的情况下，进行形式和细节上的各种修正和改变，但是这些基于本发明思想的修正和改变仍在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (4)

1.一种支持临近空间网络的自适应多信道媒介访问控制方法，其特征在于，包括如下：

(1)将临近空间网络的频段资源划分成若干个子频段，同时将临近空间网络的时域资源周期性地划分成控制时帧与数据时帧两部分，其实现如下：

先将临近空间网络的时域资源周期性地划分为多个时帧；

再根据预先定义的控制时帧与数据时帧的长度，将每一个完整的时帧划分为控制时帧和数据时帧两部分；

然后将控制时帧定义为共享时帧，将数据时帧划分为连续的多个时隙，每个时隙对应一个数据包的大小；

(2)在控制时帧阶段，各高速飞行器节点向临近空间平台发送RTS帧；

(3)临近空间平台在接收到高速飞行器节点的RTS帧后向相应的高速飞行器节点返回CTS帧；

(4)在数据时帧阶段，高速飞行器节点根据接收到的CTS帧，在对应的时隙传输数据；

(5)临近空间平台接收数据，并根据高速飞行器节点数目和业务负载量信息，计算最优时帧分配参数β：

(5a)假定业务到达过程服从泊松分布，RTS/CTS交互过程参照CSMA/CA竞争机制，定义二维马尔可夫模型描述状态{s(t),b(t)}，其中s(t)代表退避阶数，b(t)代表退避计时器；

(5b)利用高速飞行器节点数目和业务负载量信息，确定如下参数：

碰撞概率：P_c＝1-(1-τ)^n-1，

信道忙概率：P_b＝1-(1-τ)ⁿ，

网络不饱和概率：

成功传输概率：P_s＝nτ(1-τ)^n-1，

退避窗口值：

其中n代表高速飞行器节点数目，τ代表任意时刻的传输概率，λ代表发送数据包的速率，W₀代表初始退避窗口值，m'对应最大退避窗口值2^m'W₀，m代表最大退避阶数，T_CS代表平均期望时间；

(5c)计算出二维马尔可夫模型状态{0,0}的稳态分布概率b_0,0：

(5d)计算出二维马尔可夫模型的传输概率τ、平均总服务时间T_e：

其中b_i,0代表状态{i,0}的稳态分布概率，b_i,0＝P_c ⁱb_0,0；

其中T_CS＝P_sT_s+(P_b-P_s)T_c+(1-P_b)σ，T_s代表成功传输时间，T_c代表碰撞时间，σ代表时隙长度；

(5e)当控制时帧成功接入的高速飞行器节点数目与数据时帧成功传输的高速飞行器节点的总数目相同时，时帧分配参数最优，计算出最优的时帧分配参数β：

其中T_k和T_f分别代表控制时帧和数据时帧的长度，N代表数据子频段的个数，T_d代表在数据子频段上传输一个数据包所需时间：T_d＝DIFS+HEADER+DATA+SIFS+ACK+2δ；DIFS＝50μs，SIFS＝10μs分别代表分布协调功能帧间间隔与短帧间间隔，δ代表单程传播时延，DATA代表数据包传输时间，HEADER和ACK分别代表头帧的开销与ACK帧的开销；

(6)每个时帧周期结束时，临近空间网络根据计算出的最优时帧分配参数β自适应地调整控制时帧与数据时帧的长度，并保持时间同步。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，(1)中将临近空间网络的频段资源划分成若干个子频段，其实现是将临近空间网络的频段资源划分为一个控制子频段和若干个数据子频段，且控制子频段上只利用控制时帧，数据子频段上只利用数据时帧，所有子频段的时间同步。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，(2)中在控制时帧阶段，各高速飞行器节点向临近空间平台发送RTS帧，是由每个高速飞行器节点先将当前位置、待发送业务负载量这些信息写入RTS帧中；再利用CSMA/CA竞争机制将RTS帧发送给临近空间平台。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，(3)中临近空间平台在接收到高速飞行器节点的RTS帧后向相应的高速飞行器节点返回CTS帧，是由临近空间平台先根据接收到的RTS帧，获得当前高速飞行器节点的信息；再按照所获信息的先后顺序给高速飞行器节点分配数据时帧中的某些时隙，并将分配结果写入CTS帧广播出去，由各高速飞行器节点接收相应的CTS帧。

Images