CN110336603A - 一种适用于星间网络的动态时隙分配算法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于星间网络的动态时隙分配算法，属于星间通信技术领域。首先构建包括主星和若干辅星组成的低轨小卫星星群，确定DTI周期的接入机制；然后初始化总时隙个数为M，分配给CSMA/CA接入机制的时隙比例为k，平均时延为D；计算当前时隙比例k下系统总的吞吐量和总的平均时延。若当前时隙比例k下系统总的平均时延满足E[D]≤D_max，则系统总的平均时延没有超过系统时延阈值，将当前时隙比例k步长加1，增大分配给CSMA/CA的时隙个数，再次计算系统对应的吞吐量和平均时延，直到E[D]＞D_max为止。记录每个时隙比例k下系统的总吞吐量，并按从大到小进行排序，吞吐量最大时对应的k值，为最优时隙分配比例。本发明有效提高系统性能，实现高吞吐量低时延，提高信道资源的利用。

Description

一种适用于星间网络的动态时隙分配算法

技术领域

本发明属于星间通信技术领域，具体是一种适用于星间网络的动态时隙分配算法。

背景技术

星间通信技术中的接入协议主要解决：在卫星组网中如何对所有卫星节点分配信道资源，来达到高效利用稀缺的星间信道资源的目的。MAC(Media Access Control)协议的选择主要取决于小卫星系统的任务目标和节点数量，当前备受关注的星间网络MAC层接入协议主要是结合了基于竞争类协议(如Aloha、CSMA/CA)和非竞争类协议(如TDMA、FDMA)的特征的混合多址接入协议。如何为混合多址接入协议中的不同接入机制分配信道资源成为了研究的关注热点。

在卫星通信系统混合接入方式的信道资源分配方案中，主要的分配方案分为静态分配和动态分配，静态分配将系统中可用的信道资源固定地分配给各个接入机制，使得信道资源在低负载时无法得到高效利用。动态分配根据系统负载等情况调整分配给各个接入机制的信道资源，从而优化系统性能，提高信道资源利用率。

尤其在节点数量多、网络动态变化的场景下，充分利用稀缺的网络资源、实现有限信道资源的动态分配显得尤为重要。

发明内容

本发明针对在大规模的星间网络中如何高效地进行动态信道资源分配的问题，提出了一种适用于星间网络的动态时隙分配算法，用于解决低轨卫星星间网络通信场景中，混合多址接入方式的动态时隙分配问题。

所述的动态时隙分配算法具体步骤如下：

步骤一、构建包括主星和若干辅星组成的低轨小卫星星群，确定DTI周期的接入机制；

主星作为接入节点负责网络中各个辅星节点的通信，通过周期性的信标帧生成时间调度信息并发送给辅星节点，各辅星节点根据调度内容按规则在调度周期内进行接入，完成信道接入和数据的收发；

整个传输信道的时间被划分为多个信标间隔，每个信标间隔内又划分为BHI周期和DTI周期，在DTI周期中，包括基于CSMA/CA接入机制的CBAP周期和基于TDMA接入机制的SP周期；CBAP周期和SP周期的个数和时间长度通过主星节点发送信标帧或声明帧来确定。

步骤二、针对星间网络的DTI周期，初始化总时隙个数为M，分配给CSMA/CA接入机制的时隙比例为k，平均时延为D；

0≤k≤1，初始化k取值为0，即所有时隙分配给TDMA接入方式；

D≤D_max；D_max为系统可允许的最大传输时延阈值；

步骤三、计算当前时隙比例k下系统总的吞吐量和总的平均时延；

系统总的吞吐量为：

H_csma/ca为CSMA/CA接入机制下的吞吐量；H_tdma为TDMA接入机制下的吞吐量。

G(i)为第i个时隙的当前负载；λ_i为第i个时隙中数据包的到达率，n为当前请求接入卫星节点的个数；

P_sc(i)为CSMA/CA接入机制中，当数据包到达率为λ_i时卫星节点成功传输的概率；

P_st为TDMA接入机制中卫星节点成功传输的概率。

系统总的平均时延是指数据包从发送到被对端MAC层成功接收的总时间，计算公式为：

E[D_csma/ca]为CSMA/CA接入机制下的平均时延；

E[D_csma/ca]＝E[X]·E[slot]

E[X]为一次成功传输中卫星节点所要等待的平均系统时隙数；E[slot]是一个时隙的平均长度；

E[D_tdma]为TDMA接入机制下的平均时延；

α为传输时延，即一个时隙的时间长度；N[H_tdma]为TDMA接入机制的归一化吞吐量；R为传播时延，表示接入点到网络覆盖最远端间距离的往返时间。

步骤四、判断当前时隙比例k下系统总的平均时延是否满足E[D]≤D_max，如果是，进入步骤五；否则，进入步骤六；

步骤五、系统总的平均时延没有超过系统时延阈值，将当前时隙比例k步长加1，增大分配给CSMA/CA的时隙个数，返回步骤三再次计算系统对应的吞吐量和平均时延，直到E[D]＞D_max为止。

步骤六、记录每个时隙比例k下系统的总吞吐量，并按从大到小进行排序，吞吐量最大时对应的k值，即为所求的最优时隙分配比例。

本发明的优点在于：

1)、一种适用于星间网络的动态时隙分配算法，可以有效提高系统性能，实现高吞吐量低时延，提高信道资源的利用。

2)、一种适用于星间网络的动态时隙分配算法，可以根据当前的系统负载调整时隙分配，使系统性能在吞吐量和接入时延两方面达到动态平衡。

附图说明

图1为本发明传输信道中单个信标间隔划分BHI周期和DTI周期的示意图；

图2为本发明一种适用于星间网络的动态时隙分配算法流程图；

图3为本发明动态时隙分配算法与静态时隙分配方案的系统吞吐量性能对比示意图；

图4为本发明动态时隙分配算法与静态时隙分配方案的系统平均时延性能对比示意图。

具体实施方式

下面结合实施例和附图，对本发明的实施方式做详细、清楚的描述。

星间网络信道接入规则划分如图1所示，整个传输信道的时间被划分为多个信标间隔(beacon-interval)，信标间隔内又划分为一个又一个的子部分，称为接入周期，不同的接入周期有着不同的接入规则。每个接入周期内又划分为BHI周期和DTI(Data TransferInterval)周期，在DTI周期中，包括基于CSMA/CA接入机制的CBAP周期和基于TDMA接入机制的SP周期；CBAP周期和SP周期的个数和时间长度通过主星节点发送信标帧或声明帧来确定。

在星间网络中，合适的接入机制能使系统在吞吐量和接入时延两方面达到动态平衡。通常情况下，随着业务负载的增大，系统的平均时延也会增大，因此可将系统的时延限定在一个门限值以下，此时的研究目标转化为：结合两种接入机制的优势，从资源分配的角度研究如何分配DTI周期中的CSMA/CA与TDMA中时隙的个数比例，并求出相应的系统吞吐量和平均时延，使得系统的吞吐量最大，而整体时延控制在上限值以下。

所述的动态时隙分配算法首先，系统根据资源情况设置时隙比例k的步长并初始化为0；当系统负载饱和时，CSMA/CA由于竞争和退避机制的存在造成时间上的大量开支，而TDMA接入机制在各种负载情况下的时延都比CSMA/CA小很多。因此当所有时隙都分配给TDMA时，此时系统的吞吐量能保证最小。然后计算并记录当前k值对应的系统吞吐量H和平均时延E[D]。判断平均时延E[D]是否大于D_max，如果D≤D_max，则表示当前平均时延还没有超过系统时延阈值，说明性能还有优化的空间，此时将时隙比例k的步长加1，适当增大分配给CSMA/CA的时隙个数，并计算系统对应的吞吐量H和平均时延E[D]，直到E[D]大于D_max为止。对每次记录的系统吞吐量进行排序，吞吐量最大时对应的k值，即为所求的最优时隙分配比例。

如图2所示，具体步骤如下：

步骤一、构建包括主星和若干辅星组成的低轨小卫星星群，确定DTI周期的接入机制；

本发明考虑的场景是低轨小卫星星群，每个星群由一颗主星和若干颗辅星组成，主星作为接入点负责网络中各个辅星节点的通信，主星通过周期性的信标帧生成时间调度信息并发送给它覆盖范围内的辅星节点，各辅星节点接收到调度信息后，根据调度信息的内容，按规则在调度周期内进行接入，完成信道接入和数据的收发；

步骤二、针对星间网络的DTI周期，初始化总时隙个数为M，分配给CSMA/CA接入机制的时隙比例为k，平均时延为D；

系统约束条件如下：

0≤k≤1 (1)

初始化k取值为0，即所有时隙分配给TDMA接入方式；

D≤D_max (2)

D_max为系统可允许的最大传输时延阈值；

步骤三、计算当前时隙比例k下系统总的吞吐量和总的平均时延；

系统总的吞吐量为：

设第i个时隙中数据包的到达率为λ_i，总时隙数为M，则第i个时隙的当前负载(包/时隙)为：

n为当前请求接入卫星节点的个数；

CSMA/CA接入机制中，当数据包到达率为λ_i时卫星节点成功传输的概率P_sc为：

TDMA接入机制中，卫星节点成功传输的概率P_st最大可达到1。

因此系统总的吞吐量(包/时隙)为：

H_csma/ca为CSMA/CA接入机制下的吞吐量；H_tdma为TDMA接入机制下的吞吐量。

系统总的平均时延是指数据包从发送到被对端MAC层成功接收的总时间。

CSMA/CA机制下的平均时延E[D_csma/ca]为：

E[D_csma/ca]＝E[X]·E[slot] (6)

其中E[slot]是一个时隙的平均长度，表示为：

E[slot]＝(1-P_tr)τ+P_scP_trT_sc+P_tr(1-P_sc)T_c (7)

P_tr指在一个时隙中至少有一个卫星节点准备发送的概率；τ是卫星节点发送数据的概率；T_c为碰撞一次所花费的总时间；T_sc为数据包成功传输需要的总时间，在RTS/CTS模式下：

T_sc＝T_RTS+SIFS+δ+T_CTS+SIFS+δ+H+E[P]+SIFS+δ+T_ACK+DIFS+δ (8)

其中T_RTS表示RTS帧的传输时间；SIFS是短帧间的间隔；δ为电磁波传播延迟；T_CTS表示CTS帧的传输时间；E[P]代表数据包传输时间的均值，为了方便，假设所有节点的数据包大小是一个定值。T_ACK表示ACK帧的传输时间，DIFS是分布式帧间间隔。

E[X]为一次成功传输中节点所要等待的平均系统时隙数，表示为：

其中p是发生碰撞的概率，W是最小竞争窗口长度，r是最大的退避阶数。

TDMA机制采用M/G/1排队模型，其平均时延包括接入时延、排队时延、传输时延和传播时延，其中后两者与网络的传输速率和传输距离有关。

TDMA接入机制下的平均时延E[D_tdma]表示为：

其中α为传输时延，即一个时隙的时间长度。N[H_tdma]为TDMA的归一化吞吐量，R为传薄时延，表示接入点到网络覆盖最远端间距离的往返时间。

因此系统总时延为：

步骤四、判断当前时隙比例k下系统总的平均时延是否满足E[D]≤D_max，如果是，进入步骤五；否则，进入步骤六；

目标函数和约束条件如下：

步骤五、系统总的平均时延没有超过系统时延阈值，将当前时隙比例k步长加1，增大分配给CSMA/CA的时隙个数，返回步骤三再次计算系统对应的吞吐量和平均时延，直到E[D]＞D_max为止。

步骤六、记录每个时隙比例k下系统的总吞吐量，并按从大到小进行排序，吞吐量最大时对应的k值，即为所求的最优时隙分配比例。

本发明动态时隙分配方案通过与静态时隙分配方案对比，所提出的动态时隙分配算法(DTSA-ISN Scheme)，可有效提高系统性能，获取高吞吐量低时延。性能分析如图3所示：由吞吐量性能可知，当传输负载低于0.4包/时隙时，所有分配算法的吞吐量均随着负载增大而增加。对于静态时隙分配算法，当所有时隙均分配给CSMA/CA或TDMA接入机制时，系统性能表现与纯CSMA/CA或TDMA接入机制一致。当40％、60％的时隙分配给CSMA/CA接入机制时，随着CSMA/CA接入机制的比例增加，吞吐量得到提高，但系统负载增大到一定程度后，吞吐量随之下降。对于本发明提出的动态时隙分配算法，随着系统负载的增加，系统吞吐量增加并趋于平稳，平稳原因是当系统负载增大到一定程度时，系统处于饱和状态，系统有限的时隙数量使任何时隙分配算法都没有意义。

如图4所示，平均时延性能随着系统负载的增加，所有分配算法的系统平均时延均增大。对于静态时隙分配算法，与纯CSMA/CA接入机制相比，纯TDMA机制的时延很小，且随着时隙分配给CSMA/CA机制的比例增加，系统平均时延也增加。对于本发明提出的动态时隙分配算法，系统平均时延比其余静态时隙分配算法低，且整体控制在时延阈值下。

Claims (4)

1.一种适用于星间网络的动态时隙分配算法，其特征在于，具体步骤如下：

步骤一、构建包括主星和若干辅星组成的低轨小卫星星群，确定DTI周期的接入机制；

整个传输信道的时间被划分为多个信标间隔，每个信标间隔内又划分为BHI周期和DTI周期，在DTI周期中，包括基于CSMA/CA接入机制的CBAP周期和基于TDMA接入机制的SP周期；CBAP周期和SP周期的个数和时间长度通过主星节点发送信标帧或声明帧来确定；

步骤二、针对星间网络的DTI周期，初始化总时隙个数为M，分配给CSMA/CA接入机制的时隙比例为k，平均时延为D；

0≤k≤1，初始化k取值为0，即所有时隙分配给TDMA接入方式；

D≤D_max；D_max为系统可允许的最大传输时延阈值；

步骤三、计算当前时隙比例k下系统总的吞吐量和总的平均时延；

步骤四、判断当前时隙比例k下系统总的平均时延是否满足E[D]≤D_max，如果是，进入步骤五；否则，进入步骤六；

步骤五、系统总的平均时延没有超过系统时延阈值，将当前时隙比例k步长加1，增大分配给CSMA/CA的时隙个数，返回步骤三再次计算系统对应的吞吐量和平均时延，直到E[D]＞D_max为止；

步骤六、记录每个时隙比例k下系统的总吞吐量，并按从大到小进行排序，吞吐量最大时对应的k值，即为所求的最优时隙分配比例。

2.如权利要求1所述的一种适用于星间网络的动态时隙分配算法，其特征在于，步骤一中所述的低轨小卫星星群中，主星作为接入节点负责网络中各个辅星节点的通信，通过周期性的信标帧生成时间调度信息并发送给辅星节点，各辅星节点根据调度内容按规则在调度周期内进行接入，完成信道接入和数据的收发。

3.如权利要求1所述的一种适用于星间网络的动态时隙分配算法，其特征在于，步骤三中所述的系统总的吞吐量为：

H_csma/ca为CSMA/CA接入机制下的吞吐量；H_tdma为TDMA接入机制下的吞吐量；

G(i)为第i个时隙的当前负载；λ_i为第i个时隙中数据包的到达率，n为当前请求接入卫星节点的个数；

P_sc(i)为CSMA/CA接入机制中，当数据包到达率为λ_i时卫星节点成功传输的概率；

P_st为TDMA接入机制中卫星节点成功传输的概率。

4.如权利要求1所述的一种适用于星间网络的动态时隙分配算法，其特征在于，步骤三中所述的系统总的平均时延是指数据包从发送到被对端MAC层成功接收的总时间，计算公式为：

E[D_csma/ca]为CSMA/CA接入机制下的平均时延；

E[D_csma/ca]＝E[X]·E[slot]

E[X]为一次成功传输中卫星节点所要等待的平均系统时隙数；E[slot]是一个时隙的平均长度；

E[D_tdma]为TDMA接入机制下的平均时延；

α为传输时延，即一个时隙的时间长度；N[H_tdma]为TDMA接入机制的归一化吞吐量；R为传播时延，表示接入点到网络覆盖最远端间距离的往返时间。