CN111585843A - 一种链路有效的高动态网络媒体接入方法 - Google Patents

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韩沁
李文刚
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Abstract

本发明公开了一种链路有效的高动态网络媒体接入方法，主要用于解决现有技术由于节点快速移动及密度快速动态变化，导致碰撞加剧，分组传输时延高，投递率低的问题，其实现方案是：1)对分组的下一跳链路的有效性进行预测，获得发送节点的分组有效时间；2)根据该分组有效时间，划分分组的优先级，设计业务差分策略；3)发送节点根据当前分组发送时所处的状态，获取相应的竞争窗口大小及当前退避时间，执行退避过程；4)计算链路负载因子，通过比较该因子与预设阈值的大小，结合分组优先级，设计退避算法来更新竞争窗口。本发明由于考虑了节点间的链路状态，为高动态网络中节点的有效接入提供了保障，可用于提高无人机、船舶等的数据传输效率。

Description

一种链路有效的高动态网络媒体接入方法
技术领域
本发明属于通信技术领域，特别涉及一种高动态网络媒体接入方法，可用于提高无人机、船舶等的数据传输效率。
背景技术
随着无人机、船舶等移动通信设备的普及和应用，动态自组网技术越来越引起人们关注。高动态网络中的移动节点具有相对较高的移动速度，移动节点会频繁的加入或退出网络，导致网络拓扑与通信链路动态变化频繁，且移动节点的通信范围有限，处于通信状态的移动节点高速移动时，极易移出节点的通信范围，造成链路中断，导致传输失败，因此需要节点间快速建立链接并进行分组高效传输。
现有的自组织网络MAC协议多采用载波侦听多址接入/碰撞避免CSMA/CA协议。在分布式协调功能DCF机制中，发送节点依据二进制指数退避BEB方法选择退避时间，退避策略简单，实现方便，虽然可以减少碰撞，但在节点数量或负载较大时，无法选取合理的竞争窗口，碰撞加剧，投递率下降，时延变大。
目前，有不少改进方法被提出，如自适应竞争窗口更新因子方法，通过改进竞争窗口更新方法，以竞争信道的节点数量作为竞争窗口更新因子，使其随着网络状态而动态调整，从而自适应的更新窗口大小，提高信道利用率。公开号为CN105101451B，名称为“无线分布式网络中MAC层的自适应确定性退避方法及系统”的发明专利，其提出了一种自适应确定性退避方法，根据网络中各节点成功传输分组产生的反馈信息来进行退避，成功传输次数的不同对应各节点退避窗口的大小不同，从而提高传输效率，改善吞吐量。然而这种退避方法在节点快速移动及密度快速动态变化过程中，会导致碰撞加剧，投递率下降，进而造成时延变大和资源浪费。
发明内容
本发明的目的在于克服上述技术存在的缺陷，提出了一种链路有效的高动态媒体接入方法，以避免高动态网络中节点快速移动及密度快速动态变化造成的碰撞加剧，减小时延，提高投递率和资源利用率。
本发明的技术思路是：通过对分组的下一跳链路的有效性进行预测，获得分组的有效时间，以反映分组传输的紧迫性。基于分组有效时间划分分组的优先级，实行差分策略的退避机制，以保证下一跳链路有效时间较短的分组具有相对较短的平均接入时延，提高网络中分组传输效率，降低平均时延；根据链路繁忙程度，引入链路负载因子，通过比较该因子与预设阈值的大小，结合分组优先级，设计退避方法来调节竞争窗口的大小，从而使得各节点具有比较均等的接入共享信道的机会，提高节点接入的公平性，提升分组投递率。
根据上述思路，本发明的实现步骤包括如下：
(1)利用网络中发送节点和下一跳节点的初始位置、移动速度和移动方向信息，预测两点之间有效链路的持续时间，从而获得发送节点的分组有效时间；
(2)根据发送节点的分组有效时间，设计差分策略：
(2a)根据分组有效时间进行分组优先级的划分，不同优先级反映分组传输的紧迫性的不同，其发送节点的分组优先级划分为三种状态：紧急，中等和悠闲；
(2b)对不同优先级的分组进行差分设计，即根据不同的应用场景情况，为紧急状态的分组、中等状态的分组和悠闲状态的分组分别初始化不同的最大竞争窗口CWmax和最小竞争窗口CWmin；
(3)发送节点根据当前分组进行发送时所处的状态，获取相应的竞争窗口大小，并执行退避过程：
若节点成功发送该分组或超过重传次数，则执行(4)；
若节点接入信道发生碰撞，则执行(5)；
(4)在节点成功发送分组后或超过重传次数时，更新竞争窗口：
(4a)在节点成功发送分组后或超过重传次数时，计算链路负载l的数值，将计算得到的l与设定的阈值l0进行比较，从而更新竞争窗口大小：
若l＞l0，则运用退避算法增大竞争窗口；
若l≤l0，则运用退避算法减小竞争窗口；
(4b)更新竞争窗口大小后，返回(1)；
(5)当节点接入信道发生碰撞时，则运用退避算法增大竞争窗口，继续退避过程。
本发明与现有技术相比，具有以下优点：
1.本发明在为高动态自组织网络中所有节点确定接入方案时，通过考虑下一跳链路有效性和分组发送紧急度，根据分组有效时间设计业务多差分策略，以缓解节点高速运动带来的分组失效问题，能够优先传输紧急分组，降低高优先级节点的时延，有效降低高动态网络的平均时延，提高数据传输的可靠性；
2.本发明结合网络中的链路繁忙程度，引入链路负载因子，设计一种基于链路有效的退避方法，保证了各个节点能够公平接入共享信道，提升了分组投递率。
附图说明
图1为本发明的实现流程框图；
图2为本发明链路的有效性示意图。
具体实施方式
以下结合附图和实施例，对本发明的实施例作进一步详细描述：
参照图1，本实施例的实现步骤如下：
步骤1，根据节点状态信息，对链路有效性进行预测。
参照图2，对链路的有效性进行说明。
当发送分组中第一节点1的分组到达MAC层缓冲区时，该第一节点1与下一跳节点2存在通信链路，即下一跳节点2在该第一节点1的通信范围内，但可能随着节点高速运动，在分组还未发送成功前，即下一跳节点2还未成功接收分组时，其已经不在发送分组的第一节点1的通信范围内，导致通信链路中断。只有在发送分组中的第一节点1分组到达缓冲区直到下一跳节点2移出该第一节点1的通信范围之间的时间段内，这两个节点之间的通信链路才是有效的。
当分组到达时，利用发送节点和下一跳节点的一些状态信息，例如位置信息，速度和移动方向，预测两点之间的链路有效的持续时间，从而获得发送节点的分组有效时间t,具体实现如下：
1.1)利用网络中发送节点的初始位置、移动速度和方向信息，计算该节点在t时间段后所处的位置坐标，计算公式如下：
Figure BDA0002482227120000031
其中，(xs0,ys0)表示发送节点在将要发送分组时所处的位置坐标，vs表示发送节点的移动速度，
Figure BDA0002482227120000041
表示发送节点的方向矢量，(xst,yst)表示在时间t时发送节点所处的位置坐标；
1.2)利用网络中下一跳节点的初始位置、移动速度和方向信息，计算该节点在t时间段后所处的位置坐标，计算公式如下：
Figure BDA0002482227120000042
其中，(xd0,yd0)表示下一跳节点在发送节点将要发送分组时所处的位置坐标，vd表示下一跳节点的移动速度，
Figure BDA0002482227120000043
表示下一跳节点的方向矢量，(xdt,ydt)表示在时间t时下一跳节点所处的位置坐标；
1.3)根据1.1)与1.2)得到的节点位置信息，发送节点在分组的有效时间t时，其与下一跳节点的欧氏距离为：
Figure BDA0002482227120000044
其中，R表示的是网络中节点的通信范围；
步骤2，根据发送节点的分组有效时间的相对大小，划分分组优先级，设计业务多差分策略。
2.1)设置紧急状态时间阈值TH1和悠闲状态时间阈值TH2，根据发送节点的分组有效时间t与预设的紧急状态时间阈值TH1和悠闲状态时间阈值TH2的大小关系，将数据分组分为三种状态,以分别反映数据分组传输的紧迫性：
若t＜TH1，则将该分组状态划分为紧急状态；
若TH1≤t＜TH2，则将该分组状态划分为中等状态；
若t≥TH2，则将该分组状态划分为悠闲状态；
其中，TH1＜TH2；
2.2)根据当前分组的状态信息，对不同优先级的分组进行差分设计，即根据不同的应用场景情况，为紧急状态的分组、中等状态的分组和悠闲状态的分组分别初始化不同的最大竞争窗口CWmax和最小竞争窗口CWmin。
本实例应用海面高动态场景，将处于紧急状态的分组竞争窗口设置为CWmin＝16，CWmax＝128，使得分组能够优先接入信道；对处于中等状态的分组，分配的竞争窗口大小为紧急状态分组的4倍；对处于悠闲状态的分组，分配的竞争窗口大小为紧急状态分组的8倍，本实例不限于该场景，不同场景初始化的竞争窗口大小不同。
步骤3，根据业务差分策略，获取发送节点的当前退避时间，执行退避过程。
3.1)节点中不同状态分组进行退避处理时对应不同的竞争窗口，根据当前节点的分组状态，计算该状态下节点的退避时间，计算公式如下：
BT＝Randow(0,CWc-1)*S
其中，BT表示的是当前节点的退避时间，Randow(·)表示的是随机选择函数，CWc表示的是当前节点竞争窗口大小，S表示的是时隙时间；
3.2)根据获取的退避时间，执行退避过程：
若节点成功发送该分组或超过重传次数，则执行步骤4；
若节点接入信道发生碰撞，则执行步骤5；
步骤4，在节点成功发送分组后或超过重传次数时，计算链路负载，根据网络繁忙程度更新竞争窗口。
4.1)节点每次成功发送分组后或超过重传次数时，需要先判断网络的拥塞情况，再确定是扩大竞争窗口还是减小竞争窗口，从而使得个节点具有比较均等的接入共享信道的机会，提高节点接入的公平性，在节点成功发送分组后或超过重传次数时，计算链路负载因子l的值，计算公式如下：
Figure BDA0002482227120000051
其中，tc表示一次成功传送分组所经历的碰撞时长，tf表示空闲时长；
4.2)设定链路负载阈值l0，将计算得到的l与设定链路负载阈值l0进行比较，更新竞争窗口大小：
若l＞l0，则执行4.3)，增大竞争窗口；
若l≤l0，则执行4.4)，减小竞争窗口；
4.3)根据退避算法增大竞争窗口，公式如下：
Figure BDA0002482227120000061
其中，CWc表示的是当前节点的竞争窗口大小，CWl表示的是上一次分组传输时退避的竞争窗口大小，Fc表示的是当前分组传输时对应的退避因子，Fl表示上一次分组传输时对应的退避因子，a为设定的竞争窗口的增大量，CWmax为当前节点分组状态所对应的竞争窗口的最大值；
4.4)根据退避算法减小竞争窗口，公式如下：
Figure BDA0002482227120000062
其中，b为设定的竞争窗口的减小量，CWmin为当前节点分组状态所对应的竞争窗口的最小值；
4.5)更新竞争窗口大小后，返回步骤1；
步骤5，当节点接入信道发生碰撞时，则运用退避算法增大竞争窗口，返回步骤3，继续退避过程。
以上描述仅是本发明的一个具体实例，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)

1.一种链路有效的高动态网络媒体接入方法，其特征在于，包括如下：
(1)利用网络中发送节点和下一跳节点的初始位置、移动速度和移动方向信息，预测两点之间有效链路的持续时间，从而获得发送节点的分组有效时间；
(2)根据发送节点的分组有效时间，设计差分策略：
(2a)根据分组有效时间进行分组优先级的划分，不同优先级反映分组传输的紧迫性的不同，其发送节点的分组优先级划分为三种状态：紧急，中等和悠闲；
(2b)对不同优先级的分组进行差分设计，即根据不同的应用场景情况，为紧急状态的分组、中等状态的分组和悠闲状态的分组分别初始化不同的最大竞争窗口CWmax和最小竞争窗口CWmin；
(3)发送节点根据当前分组进行发送时所处的状态，获取相应的竞争窗口大小，并执行退避过程：
若节点成功发送该分组或超过重传次数，则执行(4)；
若节点接入信道发生碰撞，则执行(5)；
(4)在节点成功发送分组后或超过重传次数时，更新竞争窗口：
(4a)在节点成功发送分组后或超过重传次数时，计算链路负载l的数值，将计算得到的l与设定的阈值l0进行比较，从而更新竞争窗口大小：
若l＞l0，则运用退避算法增大竞争窗口；
若l≤l0，则运用退避算法减小竞争窗口；
(4b)更新竞争窗口大小后，返回(1)；
(5)当节点接入信道发生碰撞时，则运用退避算法增大竞争窗口，继续退避过程。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(4a)中计算链路负载l的数值，计算公式如下：
Figure FDA0002482227110000021
其中，tc表示一次成功传送分组所经历的碰撞时长，tf表示空闲时长。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(4a)中运用退避算法增大竞争窗口，公式如下：
Figure FDA0002482227110000022
其中，CWl表示的是上一次分组传输时退避的竞争窗口大小，Fc表示的是当前分组传输时对应的退避因子，Fl表示上一次分组传输时对应的退避因子，a为设定的竞争窗口的增大量，CWmax为当前节点分组状态所对应的竞争窗口的最大值。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(4a)中运用退避算法减小竞争窗口，公式如下：
Figure FDA0002482227110000023
其中，b为设定的竞争窗口的减小量，CWmin为当前节点分组状态所对应的竞争窗口的最小值,Fc表示的是当前分组传输时对应的退避因子，Fl表示上一次分组传输时对应的退避因子。
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