CN111586763B - 基于统计优先多址接入的阈值自适应调整方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于统计优先多址接入的阈值自适应调整方法，主要解决现有技术无法应对未知业务比例或突发业务情况，信道利用率低及高优先级业务传输可靠性差的问题。其方案为：1)设置各优先级队列发送阈值上界T；2)节点统计帧的收发信息，并将其周期广播给邻居节点；3)节点根据收到的邻居节点统计信息，计算帧成功传输概率P；4)根据当前信道有无最高优先级业务传输情况，设置不同的稳定区间Ω；5)比较Ω与P的值，根据比较结果，调整优先级阈值，返回步骤2)重复此过程。本发明可适用于突发业务和未知业务比例情况，并使得各业务能更好地接入信道，有效提高了信道利用率，保障了业务服务质量。

Description

基于统计优先多址接入的阈值自适应调整方法

技术领域

本发明属于通信技术领域，特别涉及一种阈值自适应调整方法,可用于链路层协议或MAC层协议。

背景技术

基于统计优先级的多址接入协议是对传统竞争多址协议的突破性改进。在该协议中，信道不再仅有“忙”或“闲”两种状态，而是根据检测到的信道负载情况将信道划分为多种状态。如图1所示，根据负载占用统计值和各优先级阈值的比较结果来决定各优先级业务是否能够接入信道：节点的数据依据优先级进入到不同的优先级数据队列A之后，系统依据优先级从高到低选择第一个有数据的优先级队列，比较信道占用统计C和该优先级的阈值B，如果C<B，则允许该优先级发生数据；如果C>B，则该优先级数据进行退避，退避时间为该优先级的退避时间窗口大小。在退避的过程中，如果有更高优先级的数据包到达，则停止退避，重新从高优先级到低优先级队列依次检测是否有数据准备发送。如果数据超时，则丢弃该数据，重新依据优先级从高到低依次检测队列是否有数据准备发送。

在统计优先级的竞争多址协议中，各优先级业务队列的阈值设置方法是影响信道利用率和优先级业务服务质量保障的重要因素。如果设置不正确，信道接入的判断标准将会出现偏差，系统性能将会受到影响：若各优先级阈值偏大，信道接入量会超过限制，则突发碰撞机率将会增大，帧成功传输概率下降，吞吐量也会下降；若各优先级阈值偏小，则信道接入量将会减小，吞吐量无法达到系统阈值门限，信道利用率偏低。

周赛在西安电子科技大学硕士论文“TTNT数据链的多址接入协议研究”中提出了一种根据各优先级业务比例预先固定设置阈值的方法。该方法在给定理论吞吐量的情况下，设置各优先级阈值为各级业务发送强度的比例。然而系统吞吐量上限一方面不可能达到理论上限，另一方面系统吞吐量上限受各种因素影响，同一网络在不同环境下也不一样，按此方法设置的阈值，无法有效保障优先级业务的服务质量需求。

弭宝辰在“航空自组网低接入时延MAC协议的研究”中借鉴TCP流量控制的慢启动、拥塞避免和加速递减方式调整并获取当前系统吞吐量上限，将最高优先级阈值设置为当前系统吞吐量上限，提出了一种根据最高优先级阈值和各优先级业务比例不断调整各优先级阈值的阈值设置方法。该方法虽然弥补了系统容量变化存在的问题，但仍需要已知各优先级业务强度比例，若业务发生变化或出现突发业务情况，该方法则无法有效保障各业务接入信道。

综上，这些现有方法只适用于已知业务比例的网络场景中，当业务比例未知或者发生变化时，按业务比例预先设置的各优先级阈值将无法准确的对各优先级业务接入情况作出判决，可能导致接入负载超过系统吞吐量上限产生更多的碰撞，或者信道利用率低。

发明内容

本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提出一种基于统计优先多址接入的阈值自适应调整方法，使得各优先级业务更好地接入信道，提升网络的吞吐量和信道利用率，保障各优先级业务服务质量。

本发明的技术思路是：各节点周期统计信道帧成功传输概率，根据每次统计得到的帧成功传输概率，按优先级顺序调整各优先级阈值，来控制接入信道中的负载，保障最高优先级业务传输可靠性的要求，满足各优先级业务尽可能地接入信道，提升信道利用率。其实现步骤包括如下：

(1)各节点建立K个不同优先级的发送调度队列，并初始化各优先级队列的发送阈值上界为T，设置时间间隔周期Δt，K为大于1且小于10的整数；

(2)各节点统计Δt时间内本节点发送的帧数s和接收的帧数r，并将该统计信息每隔Δt广播给相邻的节点；

(3)各节点通过(2)获取邻居节点j的发送帧数s_j和接收帧数r_j，计算得到所有邻居节点的总发送帧数S＝Σs_j和总接收帧数R＝Σr_j，根据R和S计算当前帧成功传传输概率P；

(4)设置阈值调整灵敏度δ，并侦听信道中是否存在最高优先级帧传输：

若存在，则根据最高优先级业务传输可靠性要求P_H，设置帧成功传输概率稳定区间Ω＝(P_H-δ，P_H+δ)；

否则，根据普通优先级业务传输可靠性要求P_L，设置帧成功传输概率稳定区间Ω＝(P_L-δ，P_L+δ)；

(5)根据优先级队列发送阈值上界T，帧成功传输概率P和稳定区间Ω，每隔Δt调整一次优先级队列阈值：

(5a)设置阈值调整的上临界值H和下临界值L；

(5b)获取当前设置的帧成功传输概率稳定区间Ω＝(P_a,P_b)和帧成功传输概率P，其中P_a、P_b代表Ω区间的左界和右界，(P_a,P_b)根据当前优先级业务传输可靠性要求表示为(P_a,P_b)＝(P_H-δ，P_H+δ)或者(P_a,P_b)＝(P_L-δ，P_L+δ)；

(5c)比较帧成功传输概率P和稳定区间Ω，若P<P_a，则执行(5d)，若P>P_b，执行(5e)，若P∈(P_a,P_b)，则不调整优先级阈值；

(5d)按优先级顺序从低到高减小低优先级阈值：

(5d1)按优先级从低到高找到当前阈值大于0的优先级k₁和阈值T_k1；

(5d2)设置当前优先级为k₁的阈值

若此时T_k1'小于下临界值L时，则T_k1'＝0，并返回(2)，否则直接返回(2)；

(5e)按优先级顺序从高到低增加高优先级阈值：

(5e1)按优先级从高到低找到当前阈值小于初始值T的优先级k₂和阈值T_k2；

(5e2)设置当前优先级为k₂的阈值

若此时T_k2'大于上临界值H时令T_k2'＝T，并返回(2)，否则直接返回(2)。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1)本发明根据帧成功传输概率来自适应调整本地节点阈值，由于业务阈值的设置不会受到业务比例变动的影响，而是跟当前信道的帧成功传输概率有关，因此克服了现有技术中当业务发生变化或业务比例未知情况下，不能准确设置各优先级实际可接入信道的阈值情况导致信道利用率低或冲突严重的问题。

2)本发明每个节点动态地调整自身各优先级业务阈值，每个优先级业务根据自身阈值的变化可部分接入信道，使得网络在保障最高优先级业务传输可靠性的同时，其他业务能更多的接入信道，减缓了发送判决过程中可能带来的信道负载抖动，提高了信道利用率。

附图说明

图1是各优先级数据发送判决示意图；

图2是本发明的实现流程图；

图3是本发明中阈值自适应调整示意图；

图4是本发明中阈值调整具体实施例；

图5是本发明设置的各优先级业务发送占比示意图；

图6是本发明和现有方法中最高优先级帧成功传输概率随网络业务量的变化曲线；

图7是本发明和现有方法中网络吞吐量随网络业务量变化曲线。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的实施例作进一步的详细描述。

参照图2，本实例的实现步骤如下：

步骤1.建立K个不同优先级的发送调度队列，设置各优先级发送阈值上界T。

1.1)建立K个不同优先级的发送调度队列，设置时间间隔周期Δt，其中K为大于1且小于10的整数，本实例取但不限于K＝8；

1.2)假设整个网络吞吐量上界为X，脉冲长度为L，滑动统计窗口大小为N，窗口步进长度为Δt，则设置各优先级发送阈值上界T为：

T的单位是脉冲数/窗口总长度。

步骤2.各节点通过交互统计信息获取邻居节点的总发送帧数S和总接收帧数R。

2.1)各节点统计Δt时间内本节点发送的帧数s和接收的帧数r，并将该统计信息每隔Δt广播给相邻的节点；

2.2)各节点通过(2.1)获取邻居节点j的发送帧数s_j和接收帧数r_j，计算得到所有邻居节点的总发送帧数S＝Σs_j和总接收帧数R＝Σr_j。

步骤3.各节点根据总发送帧数S和总接收帧数R，计算当前帧成功传传输概率P。

(3a)创建一个滑动统计窗口，并设置滑动窗口统计大小N_s和步进长度t_s；

(3b)每隔周期t_s将计算得到的总接收帧数R和总发送帧数S加入到滑动统计窗口中，给滑动统计窗口长度m加1；

(3c)获取滑动窗口内第i个位置缓存的总接收帧数R_i和总发送帧数S_i以及当前滑动窗口长度m，计算帧成功传输概率P：

(3d)判断滑动统计窗口长度m是否超过滑动窗口统计大小N_s：

若是，则清除加入时间最早的数据，返回步骤(3b)，

否则，直接返回步骤(3b)。

步骤4.设置帧成功传输概率稳定区间Ω。

根据优先级业务传输可靠性保障要求，设置阈值调整灵敏度δ，并侦听信道中是否存在最高优先级帧传输：

若存在，则根据最高优先级业务传输可靠性要求P_H，设置帧成功传输概率稳定区间为：Ω＝(P_H-δ，P_H+δ)；

否则，根据普通优先级业务传输可靠性要求P_L，设置帧成功传输概率稳定区间为：Ω＝(P_L-δ，P_L+δ)。

步骤5.根据优先级队列发送阈值上界T，帧成功传输概率P和稳定区间Ω，每隔Δt调整一次优先级队列阈值。

5a)设置阈值调整的上临界值H和下临界值L；

5b)获取当前设置的帧成功传输概率稳定区间Ω＝(P_a,P_b)和帧成功传输概率P，其中P_a、P_b代表Ω区间的左界和右界，(P_a,P_b)根据当前优先级业务传输可靠性要求设为(P_a,P_b)＝(P_H-δ，P_H+δ)或者(P_a,P_b)＝(P_L-δ，P_L+δ)；

(5c)将帧成功传输概率P和稳定区间Ω进行比较：

若P<P_a，则执行(5d)，

若P>P_b，则执行(5e)，

若P∈(P_a,P_b)，则不调整优先级阈值，直接返回步骤2；

5d)按优先级顺序减小低优先级阈值：

(5d1)按优先级从低到高找到当前阈值大于0的优先级k₁和阈值T_k1；

(5d2)设置当前优先级为k₁的阈值

并将该阈值与下临界值L进行比较：

若此时T_k1'小于下临界值L时，则T_k1'＝0，并返回步骤2，

否则，直接返回步骤2；

本实例中由于节点每次进行调整时均检测到帧成功传输概率P小于P_a，所以当前优先级k₁的阈值T_k1'按照

不断降低，直到低于下临界值L后，变为0，如图3(a)所示；

5e)按优先级顺序增加高优先级阈值：

(5e1)按优先级从高到低找到当前阈值小于初始值T的优先级k₂和阈值T_k2；

(5e2)设置当前优先级为k₂的阈值

并将该阈值与上临界值H进行比较：

若此时T_k2'大于上临界值H时，则T_k2'＝T，并返回步骤2，

否则，直接返回步骤2；

在本实例中由于节点每次进行调整时均检测到帧成功传输概率P大于P_b，所以当前优先级k₂的阈值T_k2'按照

增加，直到增加到超过上临界值H后，变为T,如图3(b)所示。

参照图4，以下给出在三种典型阈值调整场景下进行阈值调整的三个实施例：

实施例1，在图4(a)所示的调整场景下进行阈值调整。

图4(a)是某一优先级经过多次阈值调整的场景，其调整过程如下：

首先，节点检测到帧成功传输概率P小于P_a后，按照步骤(5d)找到阈值大于0的某个优先级k，将其阈值调整为

T_k是优先级k调整前的阈值；

接着，观查经过Δt时间后P的值，发现Δt时间后P仍小于P_a，此时再次调整阈值为

接着，再经过时间Δt后，观查到P大于P_b，则按照步骤(5e)找到阈值小于T的优先级，该优先级将仍然是k优先级，调整该阈值

最后，经过多次调整后，最终使得P∈(P_a,P_b)，整个过程达到稳定。

实施例2，在图4(b)所示的调整场景下进行阈值调整。

图4(b)是在帧成功传输概率P始终小于P_a情况下2个优先级进行阈值调整的场景，其调整过程如下：

首先，节点检测到帧成功传输概率P小于P_a后，按照步骤(5d)找到阈值大于0的优先级k-1，调整

其中T_k-1是优先级k-1调整前的阈值大小；

接着，每经过Δt时间后观查P的值，发现P均小于P_a，则按照步骤(5d)不断下调优先级k-1的阈值，直到T_k-1 ⁿ＝0，其中T_k-1 ⁿ是k-1优先级经过n次调整后的阈值；

然后，再经过时间Δt后，发现P仍小于P_a，由于当前k-1优先级的阈值已经下调为0，因此按照步骤(5d)，将顺次往上找到优先级k，继续调整该阈值

其中优先级k高于k-1，T_k为优先级k调整前的阈值大小；

最后，经过多次调整后，最终使得P∈(P_a,P_b)，整个过程达到稳定。

实施例3，在图4(c)所示的调整场景下进行阈值调整。

图4(c)是在帧成功传输概率P始终大于P_b情况下2个优先级进行阈值调整的场景，其调整过程如下：

首先，节点检测到帧成功传输概率P大于P_b后，按照步骤(5e)找到阈值小于T的优先级k，调整

其中T_k是优先级k调整前的阈值大小；

接着，每经过Δt时间后观查P的值，发现P均大于P_b，此时按照步骤(5e)不断上调优先级k的阈值，直到T_k ⁿ＝T，其中T_k ⁿ是k优先级经过n次调整后的阈值。

然后，再经过时间Δt后，发现P仍大于P_b，由于当前k优先级阈值已经为T，因此按照步骤(5d)，将顺次往下找到优先级k-1，继续调整该阈值

其中优先级k高于k-1，T_k-1为优先级k-1调整前的阈值大小

最后，经过多次调整后，最终使得P∈(P_a,P_b)，整个过程达到稳定。

本发明的效果同通过以下仿真进一步说明：

一、仿真条件

本发明采用OPNET仿真工具进行仿真来对比现有方法和本发明方法的系统性能。

仿真场景中有30个节点分布10km*10km的区域中静止不动，且节点间均是单跳可达的，信道传输速率2Mbps，网络吞吐量上界10Mbps左右。

业务分为优先级7到优先级0共8个优先级，序号越大优先级越高，设置业务I和业务II2种不同的业务强度，具体设置如图5所示。每种优先级业务到达间隔均服从泊松分布，每帧中有效载荷长度为1024bit，目的地址选取为随机发送地址。

设置最高优先级成功传输可靠性要求99％可靠传输，普通优先级传输可靠性要求为95％，现有方法按业务I的强度设置固定阈值，本发明中根据优先级业务可靠性要求，设置稳定区间为(98.8％，99.2％)或者(94.8％，95.2％)，发送阈值上界T设置为4000，上下临界值(L，H)设置为(500，3500)。

二、仿真内容

仿真1，分别对本发明与现有方法在不同业务模式最高优先级业务帧成功传输概率随业务量变化情况进行仿真，结果如图6所示。

从图6可见，现有方法中当网络业务量超过8Mbps时，业务模式I和业务模式II的最高优先级业务帧成功传输概率均急剧下降，已不能保障99％的可靠。而本发明方法中随着网络业务量增加，业务I和业务II均能在网络业务量为0～15Mbps时保障最高优先级业务99％可靠要求。

仿真2，分别对本发明与现有方法在不同业务模式下网络吞吐量随业务量变化情况进行仿真，结果如图7所示。

从图7可见，在现有方法中，当网络业务量为7Mbps-10Mbps时，业务模式II的网络吞吐量将出现在大幅度的下降。这是由于在现有方法中，业务模式II仍采用的是以业务模式I预先设置的固定阈值，从而导致在业务模式II中错误地限制了低优先级业务的接入，使得吞吐量出现下降，并造成信道资源的浪费。而在本发明中，不论是业务模式I还是业务模式II，其网络吞吐量增长曲线基本一致，几乎不受业务模式变化的影响，最终网络吞吐量随着网络业务量的不断增加也能稳定在9Mbps，能够更加有效利用信道资源。

Claims (3)

1.一种基于统计优先多址接入的阈值自适应调整方法，包括：

(1)各节点建立K个不同优先级的发送调度队列，并初始化各优先级队列的发送阈值上界为T，设置时间间隔周期Δt，K为大于1且小于10的整数；

(2)各节点统计Δt时间内本节点发送的帧数s和接收的帧数r，并将该统计信息每隔Δt广播给相邻的节点；

(3)各节点通过(2)获取邻居节点j的发送帧数s_j和接收帧数r_j，计算得到所有邻居节点的总发送帧数S＝∑s_j和总接收帧数R＝∑r_j，根据R和S计算当前帧成功传输概率P；

(4)设置阈值调整灵敏度δ，并侦听信道中是否存在最高优先级帧传输：

若存在，则根据最高优先级业务传输可靠性要求P_H，设置帧成功传输概率稳定区间Ω＝(P_H-δ，P_H+δ)；

否则，根据普通优先级业务传输可靠性要求P_L，设置帧成功传输概率稳定区间Ω＝(P_L-δ，P_L+δ)；

(5)根据优先级队列发送阈值上界T，帧成功传输概率P和稳定区间Ω，每隔Δt调整一次优先级队列阈值：

(5a)设置阈值调整的上临界值H和下临界值L；

(5b)获取当前设置的帧成功传输概率稳定区间Ω＝(P_a,P_b)和帧成功传输概率P，其中P_a、P_b代表Ω区间的左界和右界，(P_a,P_b)根据当前优先级业务传输可靠性要求表示为(P_a,P_b)＝(P_H-δ，P_H+δ)或者(P_a,P_b)＝(P_L-δ，P_L+δ)；

(5c)比较帧成功传输概率P和稳定区间Ω，若P<P_a，则执行(5d)，若P>P_b，执行(5e)，若P∈(P_a,P_b)，则不调整优先级阈值；

(5d)按优先级顺序从低到高减小低优先级阈值：

(5d1)按优先级从低到高找到当前阈值大于0的优先级k₁和阈值T_k1；

(5d2)设置当前优先级为k₁的阈值

若此时T_k1'小于下临界值L时，则T_k1'＝0，并返回(2)，否则直接返回(2)；

(5e)按优先级顺序从高到低增加高优先级阈值：

(5e1)按优先级从高到低找到当前阈值小于初始值T的优先级k₂和阈值T_k2；

(5e2)设置当前优先级为k₂的阈值

若此时T_k2'大于上临界值H时令T_k2'＝T，并返回(2)，否则直接返回(2)。

2.根据权利要求1所述的方法，其中(3)中根据总接收帧数R和总发送帧数S计算当前帧成功传输概率P，按如下步骤进行：

(3a)创建一个滑动统计窗口，并设置滑动窗口统计大小N_s和步进长度t_s；

(3b)每隔周期t_s将计算得到的总接收帧数R和总发送帧数S加入滑动统计窗口中，滑动统计窗口长度m加1；

(3c)获取滑动窗口内第i个位置缓存的总接收帧数R_i和总发送帧数S_i以及当前滑动窗口长度m，计算帧成功传输概率P：

(3d)判断滑动统计窗口长度m是否超过滑动窗口统计大小N_s：

若是，清除加入时间最早的数据,返回步骤(3b)；

否则，直接返回步骤(3b)。

3.根据权利要求1所述的方法，其中(1)中初始化各优先级队列的发送阈值上界为T，通过下式进行：

其中，X是网络吞吐量上界，单位为Mbps；L为数据脉冲长度，单位bits；滑动统计窗口大小N，窗口步进长度Δt，单位为s。

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