CN112423404B - 一种无人机随机接入组网协议方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种无人机随机接入组网协议算法。在该算法中，网内各成员采用随机接入方式竞争信道，网内各成员待发送的消息，按产生的时间顺序形成消息序列，对所述消息划分优先等级，并对不同优先级消息预先设置发送阈值；网内成员在统计时间窗内，通过统计信道中消息脉冲的数量来计算信道负载值；若所述发送阈值大于所述信道负载值，则将所述待发送消息送入信道进行传输；否则，按照退避算法进行退避。本发明所公开的技术方案，提高了无人机数据链网络信息传输的有效性以及在信道拥堵时的网络性能，使其能够与作战场景相应，保证了高优先级数据链消息发送的实时性。

Description

一种无人机随机接入组网协议方法
技术领域
本发明涉及一种数据链组网协议算法，尤其涉及一种用于无人机数据链的随机接入组网协议算法。
背景技术
由于无人机具有造价低、适应生存环境能力强等特点，无人机已大量应用于各种商业和军事领域中。在商业领域，无人机主要用于遥感、监测、搜索、救援等；在军事领域，无人机可用于收集和发送战场情报、监视和侦察等战术消息。尤其是，基于数据链的无人机网络在未来战场具有较好的军事应用前景。
在数据链网络中，信道带宽是稀缺的资源。由于所有网络用户共享同一信道，当多个用户同时接入信道传输数据时，数据将在信道上互相碰撞并影响接收，导致浪费宝贵的信道资源，降低通信性能。所以就需要网络协议来协调安排信道资源的使用，使各用户以有效的方式接入信道，高效、公平、合理地共享有效的带宽资源，实现用户之间的有效通信，实时传输作战信息。一个网络协议设计的好坏决定数据的成功传输概率、吞吐量、平均传输时延、公平性、稳定性等性能指标的优劣。
以TDMA(时分多址)为典型代表的固定接入协议，在网络启动前预先将时隙分配给网内各个成员，在满足时间同步的前提下，网内各个成员在分配的时隙内发送战术信息，不发送信息时，则接收其它成员的战术信息，从而实现战术信息共享。但由于时隙资源需要在网络启动前预先分配给网内各成员，使得组网灵活性较差。随机接入组网协议具有很强的组网灵活性，在该类协议中，网内成员按需竞争信道资源，发送完数据后再释放资源。但该类协议易产生数据碰撞，即当多个网内成员同时竞争信道资源时，多个成员发送的数据相互重叠干扰，产生冲突。以CSMA类协议为代表的随机接入协议，采用信道监听的方式，判断当前信道是否被占用，若监听到有载波信号，则认为当前信道忙，不发送数据链消息，否则，则认为当前信道空闲，发送数据链消息。在该类协议中，认为网内待发送的消息都是相同等级的，且信道只要有载波信号传输，则不允许网内其它成员传输数据链消息。事实上，这是与现有无人机数据链的应用场景是不相适应的。在数据链网络中，所发送的消息是具有不同优先等级的，且数据链端机多采用跳频的方式进行多网工作，既信道中允许多个成员同时发送数据链消息。因此，CSMA类协议无法满足无人机数据链的组网要求。
在现有随机接入类协议中，当发生消息碰撞时，网内成员退避延时一段时间后，再次竞争信道资源，典型的退避算法是二进制退避算法(BEB算法)。BEB算法在一定程度上解决了信道冲突的问题，但该算法在信道状态拥堵时会导致性能下降。当某个成员成功发送数据链消息后，它的窗口直接跳跃到最小状态。若信道状态处于拥堵，这种退避算法会导致拥堵程度更加严重。进一步，BEB算法易产生“饥饿效应”，BEB算法有利于原来竞争成功的成员在短时间内更容易发送，造成其它成员长时间无法获取信道使用权。进一步，BEB退避算法与作战场景不相适应，在BEB算法中，传输时把所有成员都公平看待，没有区分成员数据链消息的优先级，一旦BEB算法中低优先级的消息获取信道使用权，由于“饥饿效应”，将会造成高优先级的消息或者紧急的消息迟迟得不到发送，不仅加剧了信道拥堵，更重要的是贻误了战机。虽然MILD退避算法、EIED退避算法、SD退避算法在一定程度上缓解了BEB退避算法的“饥饿效应”，但当信道状态拥堵时性能较差，更不能与作战场景不相适应，无法保障高优先级信息发送的实时性。
因此，如何设计随机接入组网协议，提高现有无人机数据链的网络性能，尤其是在信道拥堵时使其能够与作战场景相应，保证高优先级数据链消息发送的实时性，是现有数据链协议需要解决的难点问题。
发明内容
本发明的目的是公开一种无人机随机接入组网协议算法，以提高无人机数据链网络数据链消息传输的有效性；
本发明的另一个目的是公开一种退避算法，以提高无人机数据链网络在信道拥堵时的网络性能，使其能够与作战场景相应，保证高优先级数据链消息发送的实时性。
为了实现本发明的目的，本发明提供了一种无人机随机接入组网协议算法。在该算法中，网内各成员采用随机接入方式竞争信道，网内各成员待发送的消息，按产生的时间顺序形成消息序列，对所述消息划分优先等级，并对不同优先级消息预先设置发送阈值；网内成员在统计时间窗内，通过统计信道中消息脉冲的数量来计算信道负载值；网内各成员将待发送的消息接入信道的过程包括：
步骤一：获取所述待发送消息的发送阈值；
步骤二：将所述待发送消息的发送阈值与当前信道负载值进行比较；
若所述发送阈值大于所述信道负载值，则将所述待发送消息送入信道进行传输；
若所述发送阈值小于或等于所述信道负载值，则按照退避算法进行退避处理；
步骤三：按所述消息序列的顺序读取下一组待发送的消息，并返回步骤一，重复上述过程。
进一步，在本发明所公开的技术方案中，为了判断数据链信道状态，提高数据链信道负载统计的准确性，所述网内成员在统计时间窗内，通过统计信道中消息脉冲的数量来计算信道负载值，所述信道负载Ck可表示为：
Figure GDA0003705153270000031
其中，fi表示网内成员端机的跳频频点，
Figure GDA0003705153270000032
表示本成员端机在跳频频点fi上统计接收到的其它成员发送的消息脉冲个数，
Figure GDA0003705153270000033
表示统计本端机在跳频频点fi上发送的消息脉冲个数，M表示网内成员端机的跳频频点数，τ表示消息脉冲持续时间长度，δ表示消息脉冲间隔时间长度，Ts表示统计时间窗长度。
进一步，为了提高无人机数据链网络在信道拥堵时的网络性能，在本发明所公开的技术方案中，若所述发送阈值小于或等于所述信道负载值，则按照退避算法进行退避，所述退避算法的退避窗口CW满足关系式：
Figure GDA0003705153270000034
其中，CW表示退避窗口大小，Random()表示取0到1之间的一个随机数，W0表示初始退避窗口大小，α表示网内成员待发送消息的优先级，Ck表示当前信道负载值。
进一步，在本发明所公开的技术方案中，所述退避算法的步骤包括：
步骤一：获取当前信道负载值和待发送消息的优先级，设置退避窗口，其退避窗口CW满足关系式：
Figure GDA0003705153270000035
其中，CW表示退避窗口大小，Random()表示取0到1之间的一个随机数，W0表示初始退避窗口大小，α表示网内成员待发送消息的优先级，Ck表示当前信道负载值；
步骤二：以时隙为单位计算退避时间，并向所述成员的退避计时器设置退避时间，所述退避时间为：
Figure GDA0003705153270000036
其中，
Figure GDA0003705153270000037
表示上取整；slottime表示单位时隙大小；
步骤三：退避过程开始，所述成员的退避次数计数器加1；所述成员的退避计时器开始倒计时，当所述退避计时器为0时，所述成员再获取当前信道的信道负载值，将所述待发送消息的发送阈值与当前信道负载值进行比较；
若所述发送阈值大于所述信道负载值，则将所述待发送消息送入信道进行传输，所述成员按照消息序列的顺序读取下一组待发送的消息，并将所述退避次数计数器重新置0；
若所述发送阈值小于或等于所述信道负载值，则进入步骤四；
步骤四：将所述成员的退避次数计数器当前值与预先设置的最大退避次数进行比较；如果小于所述最大退避次数，则重复步骤一至步骤三的内容；否则，则丢弃当前待发送的消息，将所述成员的退避次数计数器重新置0，所述成员按照消息序列的顺序读取下一组待发送的消息。
进一步，在本发明所公开的技术方案中，所述统计时间窗为：根据网内成员端机天线的感应信号启动和停止统计时间窗；当所述端机天线感应接收到消息脉冲信号时，启动所述统计时间窗计时；当连续一个时间单元长度没有感应接收到消息脉冲信号时，停止所述统计时间窗计时，从而得到所述统计时间窗Ts的时间长度大小。
进一步，在本发明所公开的技术方案中，对所述消息划分优先等级，所述优先等级由高至低的划分方法为：
按照消息类型、消息更新率和消息长度的顺序划分优先等级，首先比较所述消息的类型，战术类消息的优先级高于勤务类消息的优先级；然后再比较消息的更新率，高更新率消息的优先级高于低更新率消息的优先级；最后比较消息的数据长度，短消息的优先级高于长消息的优先级。
进一步，在本发明所公开的技术方案中，不同优先级消息具有不同的发送阈值，所述发送阈值的设置方法为：
Figure GDA0003705153270000041
其中，γi为数据链消息优先级为i的发送阈值，γN-1为数据链消息优先级为N-1的发送阈值，即最低优先级消息的发送阈值，优先级从高至低为0,1…,N-1，0为最高优先级，N-1为最低优先级，σj为优先级为j的数据链消息占所有优先级消息的比例，在ALOHA协议方式下，获得消息发送成功概率为99％时所对应的信道负载值，即为最低优先级N-1消息的发送阈值γN-1。
优选的，在本发明所公开的技术方案中，所述消息脉冲持续时间长度τ为6.4μs，所述消息脉冲间隔时间δ长度为6.6μs。
进一步，在本发明所公开的技术方案中，所述统计时间窗Ts的值是可变的。
优选的，在本发明所公开的技术方案中，所述一个时间单元长度为10ms。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
(1)在本发明所公开的技术方案中，为不同优先级的消息设置发送阈值，同时物理层统计一段时间内信道上出现的消息脉冲总数作为信道负载。在发送某一优先级消息时，该协议算法将信道负载与所述发送阈值进行比较，从而判定该优先级消息是否允许发送。当信道中有消息在发送时，该算法将通过退避低优先级消息，保证高优先级消息的实时传输，从而将信道负载控制在良好的状态，有效地解决了现有技术中随机竞争类协议在无人机数据链网络业务量较大时由于信道碰撞加剧导致网络性能严重恶化的问题。
(2)提高了无人机数据链在信道拥堵时的网络性能
在本发明所公开的技术方案中，通过将信道负载值与待发送消息的发送阈值相比，以判断是否发送，若所述发送阈值小于或等于所述信道负载值，则按照退避算法进行退避处理，所述退避算法的退避窗口大小设置不仅与数据链消息的优先等级相关，还与当前信道负载值相关，数据链消息优先等级越高，退避窗口越小，以提高高优先级消息竞争信道的能力，即使在数据链信道拥堵时，仍然能够保证高优先级数据链消息发送的实时性。
(3)所设计的无人机网络能够与作战场景相应
在本发明所公开的技术方案中，将数据链消息划分优先等级，所述退避算法的退避窗口与数据链消息的优先等级相关，且数据链消息优先等级越高，退避窗口越小，反之，数据链消息优先等级越低，退避窗口越大，从而使得在信道拥堵时，高优先等级的消息竞争信道的能力远大于低优先等级消息，从而使得高优先等级消息的传输实时性优于低优先等级消息，及时将紧急的战场消息实时发送出去，以提高战场适应能力。
(4)提高了无人机数据链信道状态判决的准确性
在本发明所公开的技术方案中，在统计时间窗内，通过统计信道中消息脉冲的数量来计算信道负载。在计算信道负载时，将脉冲间隔时间参数考虑在内，解决了现有技术中信道负载计算只考虑脉冲时长参数的不足，使所计算得到的信道负载更加准确，能够反应当前信道状态的真实情况，从而大幅降低网内成员数据链消息传输的冲突概率。进一步，在本发明所公开的技术方案中，所述统计时间窗的大小是变化的，根据端机天线感应脉冲信号的有无来启动或停止统计时间窗计时。与现有技术中的统计时间窗固定的方式相比，能够更好的反应信道状态，使得所统计的脉冲数据更加准确。
本发明的其它优点和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。
附图说明
图1是本发明实施例所公开的网络协议算法不同优先级数据链消息的吞吐量与信道负载值的对应关系图
图2是本发明实施例所公开的网络协议算法与BEB算法的吞吐量与信道负载值的对应关系图
图3是本发明实施例所公开的网络协议算法不同优先级数据链消息的端到端时延与信道负载值的对应关系图
图4是本发明实施例所公开的网络协议算法与BEB算法的端到端时延与信道负载值的对应关系图
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
在现有技术中，随机接入组网协议具有很强的灵活性，但易产生数据碰撞。以CSMA类协议为代表的随机接入协议，采用信道监听的方式，判断当前信道是否被占用，若监听到有载波信号，则认为当前信道忙，不发送数据链消息，否则，则认为当前信道空闲，发送数据链消息。在该类协议中，认为网内待发送的消息都是相同等级的，且信道只要有载波信号传输，则不允许网内其它成员传输数据链消息。事实上，这是与现有数据链的应用场景是不相适应的。在数据链网络中，所发送的消息是具有不同优先等级的，且数据链端机多采用跳频的方式进行多网工作，既信道中允许多个成员同时发送数据链消息。因此，现有随机接入协议无法满足无人机数据链的组网要求。
在现有随机接入类协议中，当发生消息碰撞时，网内成员退避延时一段时间后，再次竞争信道资源，典型的退避算法是二进制退避算法(BEB算法)。BEB退避算法在一定程度上解决了数据冲突的退避问题，但该算法当信道状态拥堵时会导致性能下降。进一步，BEB算法易产生“饥饿效应”，BEB算法有利于原来竞争成功的成员在短时间内更容易发送，造成其它成员长时间无法获取信道使用权。进一步，BEB退避算法与作战场景不相适应，在BEB算法中，传输时把所有成员都公平看待，没有区分成员信息的优先级，一旦BEB算法中低优先级的信息获取信道使用权，由于“饥饿效应”，将会造成高优先级的信息或者紧急信息迟迟得不到发送，不仅加剧了拥堵，更重要的是贻误了战机。虽然MILD退避算法、EIED退避算法、SD退避算法在一定程度上缓解了BEB退避算法的“饥饿效应”，但当信道状态拥堵时性能较差，更不能与作战场景不相适应，无法保障高优先级信息发送的实时性。
为了解决现有技术中存在的问题，本发明实施例公开了一种无人机随机接入组网协议算法。在该算法中，网内各成员采用随机接入方式竞争信道，网内各成员待发送的消息，按产生的时间顺序形成消息序列，对所述消息划分优先等级，并对不同优先级消息预先设置发送阈值；网内成员在统计时间窗内，通过统计信道中消息脉冲的数量来计算信道负载值；网内各成员将待发送的消息接入信道的过程包括：
步骤一：获取所述待发送消息的发送阈值；
步骤二：将所述待发送消息的发送阈值与当前信道负载值进行比较；
若所述发送阈值大于所述信道负载值，则将所述待发送消息送入信道进行传输；
若所述发送阈值小于或等于所述信道负载值，则按照退避算法进行退避处理。
网内成员设置有退避次数计数器，用于记录当前的退避次数，所述退避次数计数器初始值为0，并预先设置有最大退避次数。在退避完成后，所述退避次数计数器的退避次数加1，再次启动消息发送过程，获取当前信道负载值，将所述待发送消息的发送阈值与当前信道负载值进行比较；
若所述发送阈值小于或等于所述信道负载值，且当前退避次数小于预先设置的最大退避次数时，则继续执行退避；退避完成后，所述退避次数计数器的退避次数加1，再次启动消息发送过程，获取当前信道负载值，重复执行步骤二；当退避次数计数器的当前值大于或等于预先设置的最大退避次数，则丢弃当前待发送的消息，将所述退避次数计数器重新置0；
若所述发送阈值大于所述信道负载值，则将所述待发送的消息送入信道进行传输，将所述退避次数计数器重新置0。
步骤三：按所述消息序列的顺序读取下一组待发送的消息，并返回步骤一，重复上述过程。
在本发明实施例所公开的技术方案中，为不同优先级的消息设置不同的发送阈值，同时物理层统计一段时间内信道上出现的消息脉冲总数作为信道负载。在发送某一优先级消息时，该协议算法将信道负载与所述发送阈值进行比较，从而判定该优先级消息是否允许发送。当信道中有消息在发送时，该算法将通过退避低优先级消息，保证高优先级消息的实时传输，从而将信道负载控制在良好的状态，有效地解决了现有技术中随机竞争类协议在全网业务量较大时由于信道碰撞加剧导致网络性能严重恶化的问题。
在本发明实施例所公开的技术方案中，准确统计无人机数据链信道的负载值，是判断数据链信道状态的重要内容。在现有技术中，通过统计信道中数据脉冲信号的数量来计算信道负载值是常采用的技术手段。然而，在已公开的技术方案中，统计计算信道负载时并未将脉冲间隔时间参数考虑在内，这会使所计算的信道负载值减小，无法正确反映当前的信道状态，使所统计的信道负载值与真实值的误差较大，从而使数据链对信道状态判断错误，将数据链消息送入信道传输时，会造成网内用户数据链消息冲突，将大大降低数据链消息发送的成功概率。
为了解决现有技术中存在的问题，本发明实施例公开了一种数据链信道负载统计方法。所述网内成员在统计时间窗内，通过统计信道中消息脉冲的数量来计算信道负载值，所述信道负载Ck可表示为：
Figure GDA0003705153270000081
其中，fi表示网内成员端机的跳频频点，
Figure GDA0003705153270000082
表示本成员端机在跳频频点fi上统计接收到的其它成员发送的消息脉冲个数，
Figure GDA0003705153270000083
表示统计本端机在跳频频点fi上发送的消息脉冲个数，M表示网内成员端机的跳频频点数，τ表示消息脉冲持续时间长度，δ表示消息脉冲间隔时间长度，Ts表示统计时间窗长度。
在无人机数据链网络中，数据链消息的传输是通过载波调制实现的，将待传输的信息加载到载波上，并以脉冲的形式送往天线进行发射。在现有技术中，数据链消息通常是以脉冲的形式送往信道传输的，以提高数据链在信道传输过程中的可靠性。如美军的TTNT数据链、Link-16数据链，是通过MSK调制将待传输的消息加载到载波上，并以5bit为一组，进行调制，数据链端机所辐射的射频信号是成串的脉冲信号，每个脉冲的持续时间为6.4μs，脉冲之间的间隔是6.6μs。在数据链中，设置脉冲间隔时间的原因是进一步扩展数据链信号的频谱带宽，以降低数据链信号的功率谱密度，提高数据链信号的隐蔽性，以增加数据链信号在复杂电磁环境中的抗干扰能力，同时也具有较好的抗转发式干扰的能力。因此，在统计数据链信道负载时，不应仅考虑数据链脉冲信号的时长τ，还应考虑数据链脉冲信号的间隔时长δ。如果仅考虑数据链脉冲信号时长τ，将使所计算的信道负载值降低，错误的估计了信道状态。优选的，在本发明实施例所公开的技术方案中，所述数据链脉冲持续时间长度τ为6.4μs，所述数据链脉冲间隔时间δ长度为6.6μs。
在现有随机接入类协议中，当发生消息碰撞时，网内成员退避延时一段时间后，再次竞争信道资源，典型的退避算法是二进制退避算法(BEB算法)。在BEB算法中，传输时把所有成员都公平看待，没有区分成员信息的优先级，一旦BEB算法中低优先级的信息获取信道使用权，由于“饥饿效应”，将会造成高优先级的信息或者紧急信息迟迟得不到发送，不仅加剧了拥堵，更重要的是贻误了战机。
进一步，为了解决现有技术中退避算法存在的技术问题，在本发明实施例所公开的技术方案中，若所述发送阈值小于或等于所述信道负载值，则按照退避算法进行退避，所述退避算法的退避窗口CW满足关系式：
Figure GDA0003705153270000091
其中，CW表示退避窗口大小，Random()表示取0到1之间的一个随机数，W0表示初始退避窗口大小，α表示网内成员待发送消息的优先级，Ck表示当前信道负载值。
进一步，在本发明实施例所公开的技术方案中，所述退避算法的步骤包括：
步骤一：获取当前信道负载值和待发送消息的优先级，设置退避窗口，其退避窗口CW满足关系式：
Figure GDA0003705153270000092
其中，CW表示退避窗口大小，Random()表示取0到1之间的一个随机数，W0表示初始退避窗口大小，α表示网内成员待发送消息的优先级，Ck表示当前信道负载值；
步骤二：以时隙为单位计算退避时间，并向所述成员的退避计时器设置退避时间，所述退避时间为：
Figure GDA0003705153270000093
其中，
Figure GDA0003705153270000094
表示上取整；slottime表示单位时隙大小；优选的，所述slottime表示单位时隙大小为20微秒(μs)；
步骤三：(所述成员设置有退避次数计数器，用于记录退避次数，初始值置为0。)退避过程开始，所述成员的退避次数计数器加1；所述成员的退避计时器开始倒计时，当所述退避计时器为0时，结束退避，所述成员再获取当前信道的信道负载值，将所述待发送消息的发送阈值与当前信道负载值进行比较；
若所述发送阈值大于所述信道负载值，则将所述待发送消息送入信道进行传输，所述成员按照消息序列的顺序读取下一组待发送的消息，并将所述退避次数计数器重新置0；
若所述发送阈值小于或等于所述信道负载值，则进入步骤四；
步骤四：将所述成员的退避次数计数器当前值与预先设置的最大退避次数进行比较；如果小于所述最大退避次数，则重复步骤一至步骤三的内容；否则，则丢弃当前待发送的消息，将所述成员的退避次数计数器重新置0，所述成员按照消息序列的顺序读取下一组待发送的消息。
在现有技术中，BEB退避算法不公平的竞争方式容易使其它网内成员处于饥饿状态。当信道状态较为拥堵时，容易导致高优先级的信息或紧急信息无法实时发送。在本发明实施例所公开的技术方案中，对现有退避算法进行改进。采用基于优先级的退避算法，使退避窗口设置与数据链消息的优先级相关，数据链消息的优先等级越高，退避窗口越小，反之，避窗口越大，从而使得在信道拥堵时，高优先等级的消息竞争信道的能力远大于低优先等级消息，从而使得高优先等级消息的传输实时性优于低优先等级消息，及时将紧急的战场信息实时发送出去。
进一步，在本发明实施例所公开的技术方案中，所述消息划分优先等级，所述优先等级由高至低的划分方法为：
首先比较所述消息的类型，战术类消息的优先级高于勤务类消息的优先级；然后再比较消息的更新率，高更新率消息的优先级高于低更新率消息的优先级；最后比较消息的数据长度，短消息的优先级高于长消息的优先级。优选的，在无人机数据链网络中，数据链消息的优先级α按照从高至低的顺序依次为0、1、2、3、4…。
进一步，在本发明实施例所公开的技术方案中，不同优先级消息具有不同的发送阈值，所述发送阈值的设置方法为：
Figure GDA0003705153270000101
其中，γi为数据链消息优先级为i的发送阈值，γN-1为数据链消息优先级为N-1的发送阈值，即最低优先级消息的发送阈值，优先级从高至低为0,1…,N-1，0为最高优先级，N-1为最低优先级，σj为优先级为j的数据链消息占所有优先级消息的比例，在ALOHA协议方式下，获得消息发送成功概率为99％时所对应的信道负载值，即为最低优先级N-1消息的发送阈值γN-1。
典型的，通过ALOHA协议方式，所获得的消息发送成功概率99％时，此时的信道负载值为4％，即最低优先级消息的发送阈值为4％，即γN-1＝4％。
优选的，在本发明实施例所公开的技术方案中，数据链消息划分为8个优先级时，即0～7，优先级从低至高的数据业务占总业务数据的比例依次为：15％、15％、15％、15％、15％、10％、10％、5％。按照上式，可计算得到各优先级消息由高至低的发送阈值分别为：80％、26.7％、16％、10％、7.3％、5.7％、4.7％、4％。
在本发明实施例所公开的技术方案中，所述退避窗口设置与待发送数据链消息的优先级α相关，待发送的数据链消息优先级越高，则退避窗口越小，反之，数据链消息优先级越低，则退避窗口越大；从而使的优先级高的数据链消息竞争信道的能力大于优先级低的数据链消息，以保证在信道拥堵时仍然优先传输优先级高的数据链消息。进一步，当信道状态为拥堵时，为了降低网内成员接入信道的频度，减小冲突概率，在本发明实施例所公开的技术方案中，所述退避窗口设置还与信道负载值Ck有关，且与
Figure GDA0003705153270000111
呈正比关系。采用这种设计方案，使得退避窗口的大小随着信道负载值的增大而增大，当信道拥堵程度逐渐增大时，退避窗口大小也在增加，从而减少了网内成员竞争信道的次数，降低用户之间发送信息的碰撞概率。
进一步，在本发明实施例所公开的技术方案中，所述统计时间窗为：根据网内成员端机天线的感应信号启动和停止统计时间窗；当所述端机天线感应接收到消息脉冲信号时，启动所述统计时间窗计时；当连续一个时间单元长度没有感应接收到消息脉冲信号时，停止所述统计时间窗计时，从而得到所述统计时间窗Ts的时间长度大小。因此，在本发明实施例所公开的技术方案中，所述统计时间窗Ts的值是可变的。而在现有技术中，统计时间窗的大小固定设置为100ms，无论当前信道是拥堵还是空闲，统计时间窗大小不变。在本发明实施例所公开的技术方案中，统计时间窗Ts值的大小可根据信道的忙闲变化自动调整，相对于固定统计时间窗大小来统计数据脉冲数的方式来说，能够更好的反映当前的信道状况，有利于提高信道负载统计的准确性和灵活性。进一步，所述统计时间窗启动前，如果所述数据链端机天线连续3个时间单元长度时间未接收到数据脉冲信号，则将所述信道负载Ck赋值为0，即认为当前信道为空闲。
优选的，在本发明实施例所公开的技术方案中，所述一个时间单元长度的大小为10ms。
为了提高数据链消息的抗干扰能力，数据链端机通常采用跳频等抗干扰措施，并且可实现多网工作。如美军的TTNT数据链、Link-16数据链都采用了跳频技术。在采用跳频技术时，传输信息的载频是从微波L波段宽255MHz频段内共51个频点上伪随机选取。采用跳频技术，使其难以被跟踪捕获发射信号频率，降低检测概率，从而大大增强了抗干扰能力。
优选的，在本发明实施例所公开的技术方案中，所述数据链端机的跳频频点数M为51。
进一步，为了更好的分析本发明实施例所公开技术方案的创新性，发明人仿真分析了无人机数据链网络吞吐量和端到端时延两个重要性能指标。仿真参数为：成员传输速率为1Mbit/s，W0初始退避窗口为16，最大退避次数为15，α优先级为0～7(整数)，各优先级消息由高至低的发送阈值分别为：80％、26.7％、16％、10％、7.3％、5.7％、4.7％、4％。在上述仿真参数下，本发明实施例仿真分析了在不同优先级数据链消息条件下，数据链吞吐量与信道负载值的对应关系，如图1、图2所示。
通过分析图1、图2所示仿真结果可知，在本发明实施例所公开的组网协议算法中，其吞吐量随着信道负载值的增大而减小，这是由于信道负载值的增加会导致退避的增加，从而减少了吞吐量，这是与实际场景相适应的。进一步，数据链系统的吞吐量与数据链消息的优先级有关，且数据链消息的优先级越高，吞吐量越大；这是由于高优先级的数据链消息的退避窗口小于低优先级的退避窗口，从而可优先竞争信道资源。进一步，当信道拥堵时，在现有随机接入协议的BEB退避算法中，其系统吞吐量随着信道负载值的增加而迅速下降，且远小于本发明实施例所公开的技术方案。这表明当信道拥堵时，本发明实施例所公开的技术方案，仍然能够保证高优先级信息发送的实时性，解决了现有技术中存在的问题。
本发明实施例仿真分析了在不同优先级数据链消息条件下，端到端时延与信道负载值的对应关系，如图3、图4所示。
通过分析图3、图4所示仿真结果可知，在本发明实施例所公开的随机接入组网协议算法中，其端到端时延随着信道负载值的增大而增大，这是由于信道负载值的增加会导致退避的增加，从而增加了端到端时延，这是与实际场景相适应的。进一步，端到端时延与数据链消息的优先级有关，且数据链消息的优先级越高，端到端时延越小；这是由于高优先级的数据链消息的退避窗口小于低优先级的退避窗口，从而可优先竞争信道资源，以较短的时间送入信道传输。
进一步，当信道拥堵时，现有技术中的BEB退避算法，其端到端时延随着信道负载值的提高而迅速增加，且远高于本发明实施例所公开的组网协议算法，而在本发明实施例所公开的技术方案中，优先级为7的数据链消息其端到端时延随着信道负载值的提高略有增加。这表明当信道拥堵时，在本发明实施例所公开的技术方案中，即使优先级为7的数据链消息，信息发送的实时性仍优于BEB退避算法，解决了现有技术中存在的问题。
综上所述，通过分析上述仿真结果可知，无论是在系统吞吐量还是在端到端时延方面，本发明实施例所公开的随机接入组网协议算法，在信道状态拥堵时，仍然能够保证高优先级的数据链消息优先竞争信道进行发送，其性能明显优于现有技术，解决了现有技术中存在的问题。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列的运用方式。它完全可以被适用于各种适合本发明的领域。对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改。因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (8)

1.一种无人机随机接入组网协议方法，网内各成员采用随机接入方式竞争信道，其特征在于，网内各成员待发送的消息，按产生的时间顺序形成消息序列，对所述消息划分优先等级，并对不同优先级消息预先设置发送阈值；网内成员在统计时间窗内，通过统计信道中消息脉冲的数量来计算信道负载值；网内各成员将待发送的消息接入信道的过程包括：
步骤一：获取所述待发送消息的发送阈值；
步骤二：将所述待发送消息的发送阈值与当前信道负载值进行比较；
若所述发送阈值大于所述信道负载值，则将所述待发送消息送入信道进行传输；
若所述发送阈值小于或等于所述信道负载值，则按照退避算法进行退避处理；所述退避算法的步骤包括：
步骤2.1：获取当前信道负载值和待发送消息的优先级，设置退避窗口，其退避窗口CW满足关系式：
Figure FDA0003705153260000011
其中，CW表示退避窗口大小，Random()表示取0到1之间的一个随机数，W0表示初始退避窗口大小，α表示网内成员待发送消息的优先级，Ck表示当前信道负载值；
步骤2.2：以时隙为单位计算退避时间，并向所述成员的退避计时器设置退避时间，所述退避时间为：
Figure FDA0003705153260000012
其中，
Figure FDA0003705153260000013
表示上取整；slottime表示单位时隙大小；
步骤2.3：退避过程开始，所述成员的退避次数计数器加1；所述成员的退避计时器开始倒计时，当所述退避计时器为0时，所述成员再获取当前信道的信道负载值，将所述待发送消息的发送阈值与当前信道负载值进行比较；
若所述发送阈值大于所述信道负载值，则将所述待发送消息送入信道进行传输，所述成员按照消息序列的顺序读取下一组待发送的消息，并将所述退避次数计数器重新置0；
若所述发送阈值小于或等于所述信道负载值，则进入步骤2.4；
步骤2.4：将所述成员的退避次数计数器当前值与预先设置的最大退避次数进行比较；如果小于所述最大退避次数，则重复步骤2.1至步骤2.3的内容；否则，则丢弃当前待发送的消息，将所述成员的退避次数计数器重新置0，所述成员按照消息序列的顺序读取下一组待发送的消息；
步骤三：按所述消息序列的顺序读取下一组待发送的消息，并返回步骤一，重复上述过程。
2.根据权利要求1所述的无人机随机接入组网协议方法，其特征在于，
所述网内成员在统计时间窗内，通过统计信道中消息脉冲的数量来计算信道负载值，所述信道负载Ck可表示为：
Figure FDA0003705153260000021
其中，fi表示网内成员端机的跳频频点，
Figure FDA0003705153260000022
表示本成员端机在跳频频点fi上统计接收到的其它成员发送的消息脉冲个数，
Figure FDA0003705153260000023
表示统计本端机在跳频频点fi上发送的消息脉冲个数，M表示网内成员端机的跳频频点数，τ表示消息脉冲持续时间长度，δ表示消息脉冲间隔时间长度，Ts表示统计时间窗长度。
3.根据权利要求2所述的无人机随机接入组网协议方法，其特征在于，所述统计时间窗为：根据网内成员端机天线的感应信号启动和停止统计时间窗；当所述端机天线感应接收到消息脉冲信号时，启动所述统计时间窗计时；当连续一个时间单元长度没有感应接收到消息脉冲信号时，停止所述统计时间窗计时，从而得到所述统计时间窗Ts的时间长度大小。
4.根据权利要求2所述的无人机随机接入组网协议方法，其特征在于，对所述消息划分优先等级，所述优先等级由高至低的划分方法为：
按照消息类型、消息更新率和消息长度的顺序划分优先等级，首先比较所述消息的类型，战术类消息的优先级高于勤务类消息的优先级；然后再比较消息的更新率，高更新率消息的优先级高于低更新率消息的优先级；最后比较消息的数据长度，短消息的优先级高于长消息的优先级。
5.根据权利要求2所述的无人机随机接入组网协议方法，其特征在于，不同优先级消息具有不同的发送阈值，所述发送阈值的设置方法为：
Figure FDA0003705153260000024
其中，γi为数据链消息优先级为i的发送阈值，γN-1为数据链消息优先级为N-1的发送阈值，即最低优先级消息的发送阈值，优先级从高至低为0,1…,N-1，0为最高优先级，N-1为最低优先级，σj为优先级为j的数据链消息占所有优先级消息的比例，在ALOHA协议方式下，获得消息发送成功概率为99％时所对应的信道负载值，即为最低优先级N-1消息的发送阈值γN-1。
6.根据权利要求2所述的无人机随机接入组网协议方法，其特征在于，所述消息脉冲持续时间长度τ为6.4μs，所述消息脉冲间隔时间δ长度为6.6μs。
7.根据权利要求2所述的无人机随机接入组网协议方法，其特征在于，所述统计时间窗Ts的值是可变的。
8.根据权利要求3所述的无人机随机接入组网协议方法，其特征在于，所述一个时间单元长度为10ms。
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Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115209166A (zh) * 2021-04-12 2022-10-18 北京字节跳动网络技术有限公司 一种消息发送方法、装置、设备和存储介质
CN114051006A (zh) * 2021-11-05 2022-02-15 深圳市唯特视科技有限公司 数据发送方法、装置、计算机设备以及存储介质

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2002054671A2 (en) * 2001-01-02 2002-07-11 At & T Corp. Random medium access methods with backoff adaptation to traffic
CN103442392A (zh) * 2013-08-05 2013-12-11 中南大学 一种802.11e无线网络中竞争窗口自适应调整方法
CN107040948A (zh) * 2017-06-13 2017-08-11 河北工业大学 一种基于优先级的csma/ca优化方法
CN111585843A (zh) * 2020-05-08 2020-08-25 西安电子科技大学 一种链路有效的高动态网络媒体接入方法

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8509210B2 (en) * 2009-09-07 2013-08-13 TTSL IITB Center for Excellence in Telecom (TICET) Differentiating wireless uplink bandwidth request by connection priority
WO2015092124A1 (en) * 2013-12-20 2015-06-25 Comptel Oyj System, method and service product for content delivery
CN107454628B (zh) * 2017-07-18 2020-09-08 西安电子科技大学 竞争多址中基于统计负载的分组调度方法
CN109803294B (zh) * 2019-01-16 2021-09-10 南京航空航天大学 一种面向高时敏业务的统计优先级多址接入方法
CN111556528B (zh) * 2020-05-09 2023-02-28 哈尔滨工业大学 一种自组织网络下基于跳频跳时图案的信道状态判断方法

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2002054671A2 (en) * 2001-01-02 2002-07-11 At & T Corp. Random medium access methods with backoff adaptation to traffic
CN103442392A (zh) * 2013-08-05 2013-12-11 中南大学 一种802.11e无线网络中竞争窗口自适应调整方法
CN107040948A (zh) * 2017-06-13 2017-08-11 河北工业大学 一种基于优先级的csma/ca优化方法
CN111585843A (zh) * 2020-05-08 2020-08-25 西安电子科技大学 一种链路有效的高动态网络媒体接入方法

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