CN112436908A - 一种基于距离加权的数据链信道负载统计方法 - Google Patents

一种基于距离加权的数据链信道负载统计方法 Download PDF

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CN112436908A CN202011243962.1A CN202011243962A CN112436908A CN 112436908 A CN112436908 A CN 112436908A CN 202011243962 A CN202011243962 A CN 202011243962A CN 112436908 A CN112436908 A CN 112436908A
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Abstract

本发明公开了一种基于距离加权的数据链信道负载统计方法。在该方法中，数据链网络中的各成员分别在统计时间窗内，通过统计信道中数据链脉冲信号的数量计算节点信道负载；数据链网络内各成员通过信道负载广播消息，将所计算的节点信道负载周期性的向网内成员广播发送；在单跳范围内，数据链网络成员通过接收其它成员所发送的所述信道负载广播消息，并按距离加权的方式计算综合信道负载。本发明所公开的技术方案，通过准确设置信道负载统计参数，采用广播分发、距离加权的方式计算综合信道负载，解决了现有技术中信道负载统计参数不准确的问题，避免了单个平台物理特性对信道负载统计值影响较大，提高了数据链信道状态统计的准确性。

Description

一种基于距离加权的数据链信道负载统计方法
技术领域
本发明涉及一种数据链信道负载统计方法，尤其涉及一种基于距离加权的数据链信道负载统计方法。
背景技术
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。所以研究网络协议对数据链组网具有重要意义。
随机接入组网协议具有很强的灵活性。在现代局部战争中，战场态势瞬息万变，各种突发情况难以预料，使用随机接入组网协议进行数据链的组网可以提高数据链系统的灵活性和实时指挥作战能力，使各作战单元实时有效迅速地共享战场态势信息。美军TTNT数据链就是采用随机接入组网协议的典型代表。TTNT数据链采用的是SPMA(statisticalpriority based media access)协议。SPMA不需事先为节点分配时隙或预约时隙，只需根据信道忙闲程度决定分组是否接入信道，时效性得到保证。同时，SPMA协议是基于Ad Hoc网络所设计的，具有无中心、自组织、抗毁伤、自愈合等特性，能够实现网络单元快速加入或退出网络的功能。SPMA协议采用统计优先级方式进行信道接入控制，可以有效地满足高速率、低时延、大容量等要求。在发送某一优先级分组时，SPMA协议将信道占用统计值与对应优先级阈值进行比较，从而判定该优先级分组是否允许发送。当全网业务量较大时，SPMA协议算法将会退避低优先级分组，保证高优先级分组传输的可靠性，从而将信道占用控制在良好的状态，有效地解决了随机竞争类MAC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。由此可知，数据链信道占用统计是SPMA协议控制数据链脉冲信号发送的关键。
在现有技术中，进行数据链信道负载统计时，是在物理层统计一段时间内信道上出现的脉冲总数作为信道负载。如文献(基于信道占用及优先级的MAC协议退避算法[J].郑文庆,金虎,郭建蓬等,计算机工程与应用,2019,55(11),80-84)给出了一种信道负载统计方法。然而在该方法中，所述信道负载的计算仅仅考虑了数据链脉冲时长参数，并未考虑脉冲时间间隔参数。在TTNT数据链中，所发送的数据是以脉冲形式发送的，且相邻脉冲之间具有脉冲时间间隔，然而在现有技术中，信道负载的计算公式并未将其考虑在内，这会使所计算的信道负载值减小，无法正确反应当前的信道状态；从而使TTNT数据链判断错误，将数据链信息送入信道传输时，会造成网内用户数据链信息冲突，将大大降低数据链信息发送的成功概率，无法及时将战场重要信息成功发送出去，导致贻误战场，带来严重的后果。
进一步，在现有数据链信道负载统计方法中，所述信道负载的统计都是由待发送数据链信息的成员计算得到的，即由单个成员独立完成的，这使得信道负载统计值完全依赖于某个单一成员。然而，数据链网络中各成员的物理特性差异性是较大的，如数据链端机天线接收灵敏度差异较大，这会导致对信道中传输的数据链脉冲统计数量存在较大差异，从而使在相同信道状态下不同成员得到不同的信道负载值。进一步，在复杂电磁环境下，由于电磁干扰的来向和强度分布的不同，数据链网络中各成员受电磁干扰的程度也可能存在较大差别，从而使得不同成员对当前数据链信道状态的统计也存在较大差异；进一步，由于各成员物理层器件老化程度差异性不同、服役年限的不同，其抗干扰能力也会存在较大差别。这些因素，都会导致数据链网络中各成员对当前信道负载状态的认知存在较大偏差，甚至严重偏离信道的真实状态。因此，在现有技术中，由单个成员独立完成信道负载统计的方法，会造成对信道负载统计值与真实值偏差较大，当其用于控制数据链信息发送时，会造成网内用户数据链信息冲突，将大大降低数据链信息发送的成功概率，无法将战场信息实时共享交互。
因此，如何统计数据链信道负载，提高信道负载统计的准确性，克服数据链信道负载统计对单一平台的依赖性，是现有数据链信道负载统计方法需要解决的难点问题。
发明内容
本发明的目的是公开一种数据链信道负载统计方法，准确设置信道负载统计参数，避免单个平台物理特性对信道负载统计值影响较大，以提高数据链信道状态统计的准确性。
为了实现本发明的目的，本发明提供了一种基于距离加权的数据链信道负载统计方法，数据链网络中的各成员分别在统计时间窗内，通过统计信道中数据链脉冲信号的数量计算节点信道负载
Figure BDA0002769327950000021
所述某个成员的节点信道负载
Figure BDA0002769327950000022
可表示为：
Figure BDA0002769327950000031
其中，fi表示数据链的跳频频点，
Figure BDA0002769327950000034
表示本数据链端机在跳频频点fi上统计接收到的其它成员发送的数据链脉冲个数，
Figure BDA0002769327950000035
表示统计本数据链端机在跳频频点fi上发送的数据链脉冲个数，M表示数据链端机的跳频频点数，τ表示数据链脉冲持续时间长度，δ表示数据链脉冲间隔时间长度，Ts表示统计时间窗长度。
进一步，为了克服数据链信道负载统计对单一平台的依赖性，在本发明所公开的技术方案中，数据链网络内的各成员通过信道负载广播消息，将所计算的节点信道负载
Figure BDA0002769327950000036
周期性的向网内成员广播发送；
在单跳范围内，数据链网络成员通过接收其它成员所发送的所述信道负载广播消息，提取解读所述节点信道负载
Figure BDA0002769327950000037
并按距离加权的方式计算综合信道负载CZ，所述综合信道负载CZ可表示为：
Figure BDA0002769327950000032
其中，
Figure BDA0002769327950000038
表示在单跳范围内所接收到的网内其它成员的节点信道负载，
Figure BDA00027693279500000310
表示当前成员(待发送数据链信息的成员)所计算的节点信道负载，其计算方法与
Figure BDA00027693279500000311
相同，ρj表示与网内其它成员节点信道负载
Figure BDA0002769327950000039
相对应的距离加权系数，N表示单跳范围内的成员数。
进一步，在本发明所公开的技术方案中，所述距离加权系数ρj可表示为：
Figure BDA0002769327950000033
其中，Dj表示当前成员与单跳范围内的其它成员的距离，N表示单跳范围内的成员数。
进一步，在本发明所公开的技术方案中，所述统计时间窗为：当网内成员数据链端机天线接收到脉冲信号时，启动计时，即统计时间窗开始；当网内成员数据链端机连续一个时隙长度没有接收到脉冲信号时，停止计时，即统计时间窗结束。
优选的，在本发明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。
优选的，在本发明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。
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，所述一个时隙长度为7.8125ms。
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，在统计时间窗内，通过统计信道中数据链脉冲信号的数量来计算信道负载。在计算信道负载时，不仅将脉冲时长参数考虑在内，还将脉冲间隔时间参数计入信道负载统计值的计算公式内，使其与数据链信息传输场景更加匹配，解决了现有技术中信道负载计算只考虑脉冲时长的不足，使所计算得到的信道负载更加准确，能够反应当前信道的真实情况，从而大幅降低网内成员信息传输冲突概率。
2.进一步，在本发明所公开的技术方案中，所述信道负载的计算不再单独依赖于某一个成员，而是单跳范围内的所有成员都进行信道负载统计，在此基础上再进行距离加权，获得信道负载统计值，使其避免了单个成员平台的物理特性对信道负载统计值影响较大，解决了现有技术中信道负载统计依赖于某个单一平台的问题，使所统计的信道负载能够更准确的反映信道真实状态。
3.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，根据数据链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信道负载广播消息报文格式示意图
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。
准确统计数据链信道负载，是降低数据链信号产生冲突的重要技术措施。在现有技术中，统计信道负载的时间参数时，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。进一步，在现有技术中，所述信道负载的统计都是由待发送数据链信息的成员计算得到的，即由单个成员独立完成的，这使得信道负载统计值完全依赖于某个成员，从而使单个成员的平台物理特性对所统计的信道负载值产生决定性影响，无法正确反映真实的信道状态。这种方式，易使数据链对信道状态判断错误，将数据链信息送入信道传输时，会造成网内用户数据链信息冲突，将大大降低数据链信息发送的成功概率。
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基于距离加权的数据链信道负载统计方法。在该方法中，数据链网络中的各成员分别在统计时间窗内，通过统计信道中数据链脉冲信号的数量计算节点信道负载
Figure BDA0002769327950000052
所述某个成员的节点信道负载
Figure BDA0002769327950000053
可表示为：
Figure BDA0002769327950000051
其中，fi表示数据链的跳频频点，
Figure BDA0002769327950000054
表示本数据链端机在跳频频点fi上统计接收到的其它成员发送的数据链脉冲个数，
Figure BDA0002769327950000055
表示统计本数据链端机在跳频频点fi上发送的数据链脉冲个数，M表示数据链端机的跳频频点数，τ表示数据链脉冲持续时间长度，δ表示数据链脉冲间隔时间长度，Ts表示统计时间窗长度。
数据链信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。如美军的TTNT数据链、Link-16数据链，是通过MSK调制将待传输的信息加载到载波上进行调制，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，以降低数据链的功率谱密度，提高数据链信号的隐蔽性，以增强数据链信号在复杂电磁环境中的抗干扰能力。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参数τ，还应考虑数据链脉冲信号的间隔时长参数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。而在现有技术中，在统计信道负载时并未将脉冲间隔时间参数δ考虑在内，这会使所计算的信道负载值减小，无法正确反应当前的信道状态。从而使数据链系统判断错误，将数据链信息送入信道传输，会造成网内用户数据链信息冲突，将大大降低数据链信息发送的成功概率。
为了解决现有技术中存在的问题，在本发明实施例所公开的技术方案中，数据链网络内各成员通过统计信道中数据链脉冲信号的数量分别计算节点信道负载
Figure BDA0002769327950000057
所述节点信道负载
Figure BDA0002769327950000056
不仅与脉冲时间参数τ有关，还与数据链脉冲间隔时间参数δ有关。
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。
在现有技术中，信道负载的统计都是由待发送数据链信息的成员计算得到的，即由单个成员独立完成的，这使得信道负载统计值完全依赖于某个成员，使信道负载统计值与数据链网内某个成员的平台物理特性关联性较大，即某个成员的物理特性、平台状态、技术性能、所处环境等因素都会对信道负载统计产生较大影响，从而造成相同信道状态下不同平台的信道负载统计结果各不相同，使所统计的信道负载难以准确反映数据链信道的真实状态。
为了解决现有技术中存在的技术问题，避免信道负载统计完全依赖于某个成员，在本发明实施例所公开的技术方案中，信道负载统计不再完全依赖于某个成员的物理特性，而是由单跳范围内各成员所统计的信道负载进行距离加权计算得到。
进一步，为了克服数据链信道负载统计对单一平台的依赖性，在本发明实施例所公开的技术方案中，数据链网络内的各成员通过信道负载广播消息，将所计算的节点信道负载
Figure BDA0002769327950000062
周期性的向网内成员广播发送；
在单跳范围内，数据链网络成员通过接收其它成员所发送的所述信道负载广播消息，提取解读所述节点信道负载
Figure BDA0002769327950000063
并按距离加权的方式计算综合信道负载CZ，所述综合信道负载CZ可表示为：
Figure BDA0002769327950000061
其中，
Figure BDA0002769327950000064
表示在单跳范围内所接收到的网内其它成员的节点信道负载，
Figure BDA0002769327950000069
表示当前成员(待发送数据链信息的成员)所计算的节点信道负载，其计算方法与
Figure BDA00027693279500000610
相同，ρj表示与网内其它成员节点信道负载
Figure BDA0002769327950000065
相对应的距离加权系数，N表示单跳范围内的成员数。所述综合信道负载CZ输出至数据链MAC层，控制数据链信息的发送。
进一步，在本发明实施例所公开的技术方案中，数据链网络中的各成员分别在统计时间窗内，通过统计信道中数据链脉冲信号的数量分别计算节点信道负载
Figure BDA0002769327950000068
数据链网络内的各成员通过信道负载广播消息，将所计算的节点信道负载
Figure BDA0002769327950000067
周期性的向网内成员广播发送。在单跳范围内，数据链网络成员通过接收其它成员所发送的所述信道负载广播消息，提取解读所述节点信道负载
Figure BDA0002769327950000066
并按距离加权的方式计算综合信道负载CZ，所述综合信道负载CZ作为当前信道负载的统计值。
进一步，在本发明实施例所公开的技术方案中，所述信道负载广播消息在固定的广播周期内向单跳范围内的所有成员进行广播。所述信道负载广播消息的报文格式如图1所示。所述信道负载广播消息包括三个数据段：消息格式，终端源航迹号和节点信道负载统计值。典型的，所述信道负载广播消息共24bit。其中，消息格式占用1bit，数字状态为0时表示为信道负载广播消息，用于广播本成员的节点信道负载
Figure BDA00027693279500000611
数字状态为1时表示非法值；终端源航迹号占用15bit，用于表示发送节点信道负载
Figure BDA00027693279500000612
的成员编号，即表示当前所广播的节点信道负载
Figure BDA00027693279500000613
是网内哪个成员发送的，数字状态的取值范围为000000000000000～111111111111111，用不同的数字状态表示不同的成员编号，亦可参考数据链终端源航迹号的编码方法，在现有技术中是成熟技术，这里不再赘述。所述节点信道负载统计值占用8bit，用于表示节点信道负载
Figure BDA0002769327950000073
的数值大小，其编码方法为：数字状态的取值范围为00000000～11111111，所对应的十进制数的范围为0～255，当数字状态所对应的十进制数为0时，表示
Figure BDA0002769327950000074
的值为0，当数字状态所对应的十进制数的取值范围为1～250时，按步长0.004递进，表示
Figure BDA0002769327950000075
的取值范围为0.004～1，当数字状态所对应的十进制数的取值范围为251～255时，为非法值。优选的，所述信道负载广播消息的广播周期时间长度典型值为100ms。
进一步，在本发明实施例所公开的技术方案中，在单跳范围内，数据链网络成员通过接收其它成员所发送的所述信道负载广播消息，提取解读所述节点信道负载
Figure BDA00027693279500000710
并按距离加权的方式计算综合信道负载CZ，所述综合信道负载CZ可表示为：
Figure BDA0002769327950000071
其中，
Figure BDA0002769327950000076
表示在单跳范围内所接收到的网内其它成员的节点信道负载统计值，ρj表示与网内其它成员节点信道负载
Figure BDA0002769327950000077
相对应的距离加权系数，N表示单跳范围内的成员数；
Figure BDA00027693279500000711
表示当前成员(待发送数据链信息的成员)所计算的节点信道负载统计值，其计算方法与
Figure BDA00027693279500000712
相同，即
Figure BDA0002769327950000072
其中，
Figure BDA0002769327950000078
表示当前成员(待发送数据链信息的成员)数据链端机在跳频频点fi上统计接收到的其它成员发送的数据链脉冲个数，
Figure BDA0002769327950000079
表示统计当前成员(待发送数据链信息的成员)数据链端机在跳频频点fi上发送的数据链脉冲个数；M表示数据链端机的跳频频点数，τ表示数据链脉冲持续时间长度，δ表示数据链脉冲间隔时间长度，Ts表示统计时间窗长度。
进一步，在本发明实施例所公开的技术方案中，所述信道负载的计算不再单独依赖于某一个成员，而是单跳范围内的所有成员都进行信道负载统计，在此基础上再进行距离加权，获得信道负载统计值，使其避免了信道负载统计值与数据链网内某个成员的平台物理特性关联性较大的问题出现，解决了现有技术中信道负载统计依赖于某个单一平台的问题，使所统计的信道负载能够更准确的反映信道真实状态。
进一步，在本发明实施例所公开的技术方案中，所述距离加权系数ρj可表示为：
Figure BDA0002769327950000081
其中，Dj表示当前成员与单跳范围内的其它成员的距离，N表示单跳范围内的成员数。
在现有技术中，数据链网络中的各成员能够获得与单跳范围内其它成员的距离信息，典型的如TTNT数据链、Link-16数据链，可通过接收PPLI(参与定位与识别)消息，获得本成员与网内其它成员的距离信息，亦可通过TOA(到达时间)测量获得本成员与网内其它成员的距离信息，这已经是非常成熟的距离测量技术，这里不再赘述。
进一步，在本发明实施例所公开的技术方案中，所述统计时间窗的确定方法为：当网内成员数据链端机天线接收到脉冲信号时，启动计时，即统计时间窗开始；当网内成员数据链端机连续一个时隙长度没有接收到脉冲信号时，停止计时，即统计时间窗结束；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链脉冲数的方式来说，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。
优选的，在本发明实施例所公开的技术方案中，所述一个时隙长度的大小为7.8125ms。
为了提高数据链消息的抗干扰能力，通常采用跳频等抗干扰措施，如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。
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)

1.一种基于距离加权的数据链信道负载统计方法，其特征在于，数据链网络中的各成员分别在统计时间窗内，通过统计信道中数据链脉冲信号的数量计算节点信道负载
Figure FDA0002769327940000011
所述某个成员的节点信道负载
Figure FDA0002769327940000012
可表示为：
Figure FDA0002769327940000013
其中，fi表示数据链的跳频频点，
Figure FDA0002769327940000014
表示本数据链端机在跳频频点fi上统计接收到的其它成员发送的数据链脉冲个数，
Figure FDA0002769327940000015
表示统计本数据链端机在跳频频点fi上发送的数据链脉冲个数，M表示数据链端机的跳频频点数，τ表示数据链脉冲持续时间长度，δ表示数据链脉冲间隔时间长度，Ts表示统计时间窗长度。
2.根据权利要求1所述的基于距离加权的数据链信道负载统计方法，其特征在于，
数据链网络内的各成员通过信道负载广播消息，将所计算的所述节点信道负载
Figure FDA0002769327940000016
周期性的向网内成员广播发送；
在单跳范围内，数据链网络成员通过接收其它成员所发送的所述信道负载广播消息，提取解读所述节点信道负载
Figure FDA0002769327940000017
并按距离加权的方式计算综合信道负载CZ，所述综合信道负载CZ可表示为：
Figure FDA0002769327940000018
其中，
Figure FDA0002769327940000019
表示在单跳范围内所接收到的网内其它成员的节点信道负载，
Figure FDA00027693279400000110
表示当前成员所计算的节点信道负载，ρj表示与网内其它成员节点信道负载
Figure FDA00027693279400000111
相对应的距离加权系数，N表示单跳范围内的成员数。
3.根据权利要求2所述的基于距离加权的数据链信道负载统计方法，其特征在于，所述距离加权系数ρj可表示为：
Figure FDA00027693279400000112
其中，Dj表示当前成员与单跳范围内的其它成员的距离，N表示单跳范围内的成员数。
4.根据权利要求3所述的基于距离加权的数据链信道负载统计方法，其特征在于，所述统计时间窗为：当网内成员数据链端机天线接收到脉冲信号时，启动计时，即统计时间窗开始；当网内成员数据链端机连续一个时隙长度没有接收到脉冲信号时，停止计时，即统计时间窗结束。
5.根据权利要求3所述的基于距离加权的数据链信道负载统计方法，其特征在于，所述数据链端机的跳频频点数M为51。
6.根据权利要求3所述的基于距离加权的数据链信道负载统计方法，其特征在于，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。
7.根据权利要求3所述的基于距离加权的数据链信道负载统计方法，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4所述的基于距离加权的数据链信道负载统计方法，其特征在于，所述一个时隙长度为7.8125ms。
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