CN112437498A - 一种基于信道状态判决及优先级的数据链协议退避算法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于信道状态判决及优先级的数据链协议退避算法。在该算法中，通过统计信道中数据链脉冲信号的数量来计算信道负载值；设置信道负载阈值，将所述信道负载值与所述信道负载阈值相比较；若小于所述信道负载阈值，则发生数据碰撞时数据链协议采用基于二进制的退避算法，否则，若大于或等于所述信道负载阈值，则采用基于优先级的退避算法。本发明所公开的技术方案，提高了信道拥堵时的数据链网络性能，保证了高优先级数据链信息发送的实时性。

Description

一种基于信道状态判决及优先级的数据链协议退避算法

技术领域

本发明涉及一种数据链协议退避算法，尤其涉及一种基于信道状态判决及优先级的数据链协议退避算法。

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。

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。此时，待发送数据的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，但该算法当信道状态拥堵时会导致性能下降。当某站点成功发送数据帧之后，它的窗口直接跳跃到最小状态。若网络状态处于拥堵的状态，这种拥堵的状态会更加严重。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节点在短时间内更容易发送，造成其它节点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，传输时把所有节点都公平看待，没有区分节点信息的优先级，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。

因此，如何设计退避算法，提高现有退避算法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信息发送的实时性，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基于信道状态判决及优先级的数据链协议退避算法，以提高退避算法信道拥堵时的数据链网络性能，使其能够与作战场景相应，保证高优先级数据链信息发送的实时性。

为了实现本发明的目的，本发明提供了一种基于信道状态判决及优先级的数据链协议退避算法。在该算法中，通过统计信道中数据链脉冲信号的数量来计算信道负载值；设置信道负载阈值，将所述信道负载值与所述信道负载阈值相比较，若小于所述信道负载阈值，则发生数据碰撞时数据链协议采用基于二进制的退避算法，否则，采用基于优先级的退避算法；所述基于优先级的退避算法，其退避窗口设置满足关系式：

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表示网内成员发送的数据链信息的优先级，C_k表示信道负载值。

进一步，在本发明所公开的技术方案中，所述采用基于优先级的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信息的优先级，设置退避窗口，其退避窗口CW满足关系式：

步骤二：以时隙为单位计算退避时间，并向所述节点的退避计时器设置退避时间，所述退避时间为：

其中，

表示上取整；slottime表示单位时隙大小；

步骤三：所述节点的退避计时器开始倒计时，当所述退避计时器为0时，所述节点再次竞争信道尝试发送数据；如果再次发生数据碰撞时，所述节点的碰撞次数计数器加1，并进入步骤四；如果数据信息发送成功，则所述节点读取缓冲器中的下一组数据启动发送过程；

步骤四：将所述节点的碰撞次数计数器当前数值与预先设置的最大碰撞次数进行比较；如果小于所述最大碰撞次数，则重复步骤一至步骤三的内容；如果所述节点碰撞次数计数器当前数值大于或等于所述最大碰撞次数，则丢弃当前待发送的数据信息，节点读取缓冲器中的下一组数据启动发送过程。

优选的，在本发明所公开的技术方案中，所述信道负载阈值为50％。

进一步，为了判断数据链信道状态，提高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，所述通过统计信道中数据链脉冲信号的数量来计算信道负载值的方法为：

数据链网络中的成员在统计时间窗内，通过统计信道中数据链脉冲信号的数量计算信道负载值C_k，所述信道负载C_k可表示为：

其中，f_i表示数据链的跳频频点，

表示本数据链端机在跳频频点f_i上统计接收到的其它成员发送的数据链脉冲个数，

表示统计本数据链端机在跳频频点f_i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，T_s表示统计时间窗长度。

进一步，在本发明所公开的技术方案中，所述统计时间窗为：根据数据链端机天线的感应信号启动和停止统计时间窗；当数据链端机天线感应接收到数据链脉冲信号时，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数据链脉冲信号时，停止所述统计时间窗计时，从而得到所述统计时间窗T_s的时间长度大小。

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T_s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)提高了数据链协议在信道拥堵时的性能

在本发明所公开的技术方案中，通过将信道负载值与信道负载阈值相比，以判断数据链信道状态，当大于或等于所述信道负载阈值，即判断当前信道状态为拥堵，发生数据碰撞时数据链协议采用基于优先级的退避算法，所述基于优先级的退避算法，退避窗口大小设置不仅与数据链信息优先等级相关，还与信道负载值相关，数据链信息优先等级越高，退避窗口越小，以提高高优先级信息竞争信道的能力，即使在数据链信道拥堵时，仍然能够保证高优先级数据链信息发送的实时性。

(2)能够与作战场景相应

在本发明所公开的技术方案中，将数据链信息按照传输实时要求划分优先等级，所述基于优先级的退避算法，其退避窗口与数据链信息的优先等级相关，且数据链信息优先等级越高，退避窗口越小，反之，数据链信息优先等级越低，退避窗口越大，从而使得在信道拥堵时，高优先等级的信息竞争信道的能力远大于低优先等级信息的竞争能力，从而使得高优先等级信息的信息传输实时性优于低优先等级信息，及时将紧急的战场信息实时发送出去，以提高战场适应能力。

(3)提高了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，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信息传输冲突概率。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二维马尔可夫状态转移流程图

图2是本发明实施例所公开的不同优先级数据链信息的吞吐量与信道负载值的对应关系图

图3是BEB退避算法与本发明实施例所公开的退避算法的吞吐量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不同优先级数据链信息的端到端时延与信道负载值的对应关系图

图5是BEB退避算法与本发明实施例所公开的退避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，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节点在短时间内更容易发送，造成其它节点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，传输时把所有节点都公平看待，没有区分节点信息的优先级，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基于信道状态判决及优先级的数据链协议退避算法。在该算法中，通过统计信道中数据链脉冲信号的数量来计算信道负载值；设置信道负载阈值，将所述信道负载值与所述信道负载阈值相比较，若小于所述信道负载阈值，则发生数据碰撞时数据链协议采用基于二进制的退避算法，否则，采用基于优先级的退避算法；所述基于优先级的退避算法，其退避窗口设置满足关系式：

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表示网内成员发送的数据链信息的优先级，C_k表示信道负载值。关于二进制退避算法(BEB算法)在现有技术中已比较成熟且充分公开，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，所述信道负载值与所述信道负载阈值相比较，若小于所述信道负载阈值，则发生数据碰撞时数据链协议采用基于二进制的退避算法，否则，若大于或等于所述信道负载阈值，则采用基于优先级的退避算法；所述采用基于优先级的退避算法的步骤包括：

步骤一：发生数据碰撞时节点进入退避阶段，获取当前信道负载值和待发送信息的优先级，设置退避窗口，其退避窗口CW满足关系式：

步骤二：以时隙为单位计算退避时间，并向所述节点的退避计时器设置退避时间，所述退避时间为：

其中，

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：所述节点的退避计时器开始倒计时，当所述退避计时器为0时，所述节点再次竞争信道尝试发送数据；如果再次发生数据碰撞时，所述节点的碰撞次数计数器加1，并进入步骤四；如果数据信息发送成功，则所述节点读取缓冲器中的下一组数据启动发送过程；

步骤四：将所述节点的碰撞次数计数器当前数值与预先设置的最大碰撞次数进行比较；如果小于所述最大碰撞次数，则重复步骤一至步骤三的内容；如果所述节点碰撞次数计数器当前数值大于或等于所述最大碰撞次数，则丢弃当前待发送的数据信息，节点读取缓冲器中的下一组数据启动发送过程。

在现有技术中，BEB退避算法不公平的竞争方式容易使其它节点处于饥饿状态。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。BEB算法虽然在实际信道负载高的时候性能不好，但是它在信道负载低或信道较为空闲时能够将站点退避窗口大小尽可能快的缩小至最小，同时更加节约信道资源，加快站点信息传输。因此，BEB退避算法在信道状态较为空闲时，其具有较好的数据链网络性能，但当信道状态较为拥堵时，其性能下降。

在本发明实施例所公开的技术方案中，对现有算法进行改进。在信道负载较小或较为空闲时，采用BEB退避算法，发挥BEB退避算法的优越性，当信道负载较大或信道拥堵时，采用基于优先级的退避算法，使退避窗口设置与数据链信息优先级相关，数据链信息优先等级越高，退避窗口越小，反之，数据链信息优先等级越低，退避窗口越大，从而使得在信道拥堵时，高优先等级的信息竞争信道的能力远大于低优先等级信息的竞争能力，从而使得高优先等级信息的信息传输实时性优于低优先等级信息，及时将紧急的战场信息实时发送出去。在设置数据链信息的优先等级时，与数据链信息的实时性要求、更新周期以及待发送信息的作战平台类型有关。例如，数据链信息的实时性要求越高，则优先等级越高，反之，越低；数据链信息的更新周期越短，则优先等级越高，反之，越低；当发送信息类型相同时，具有指挥控制能力的作战平台的优先等级高于非指挥控制的作战平台。在划分优先等级时，首先考虑待发送信息的实时性要求或更新周期，其次再考虑作战平台类型。数据链信息的优先级α按照从高至低的顺序依次为0、1、2、3、4…。

基于信道状态判决及优先级的数据链协议退避算法，其策略主要包括以下步骤：

第一，获取数据链信道状态。通过统计信道中数据链脉冲信号的数量来计算信道负载值；设置信道负载阈值，将所述信道负载值与所述信道负载阈值相比较，若小于所述信道负载阈值，则判定为信道状态空闲，否则，若大于或等于所述信道负载阈值，则判定为信道状态拥堵。典型的，所述信道负载阈值为50％。

第二，当数据链信道状态处于空闲时，则采用BEB退避算法，发挥其优势，节约信道资源。

第三，当数据链信道状态处于拥堵时，采用基于优先级的退避算法。获取信道负载值、数据链信息优先等级，设置退避窗口，使其不仅与数据链信息优先等级关联，还与信道负载值相关，从而保证高优先级信息发送的实时性。

在本发明实施例所公开的技术方案中，当信道状态判断为拥堵时，采用基于优先级的退避算法，退避窗口设置与待发送数据链信息的优先级α相关，待发送的数据链信息优先级越高，则退避窗口越小，反之，数据链信息优先级越低，则退避窗口越大；从而使的优先级高的数据链信息竞争信道的能力大于优先级低的数据链信息，以保证在信道拥堵时仍然优先传输优先级高的数据链信息。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，采用基于优先级的退避算法，退避窗口设置与信道负载值C_k有关，且与

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。

在本发明实施例所公开的技术方案中，准确统计数据链信道负载值，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链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数据链信道负载统计方法。所述通过统计信道中数据链脉冲信号的数量来计算信道负载值的方法为：

数据链网络中的成员在统计时间窗内，通过统计信道中数据链脉冲信号的数量计算信道负载值C_k，所述信道负载C_k可表示为：

其中，f_i表示数据链的跳频频点，

表示本数据链端机在跳频频点f_i上统计接收到的其它成员发送的数据链脉冲个数，

表示统计本数据链端机在跳频频点f_i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，T_s表示统计时间窗长度。

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。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。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。

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：根据数据链端机天线的感应信号启动和停止统计时间窗；当数据链端机天线感应接收到数据链脉冲信号时，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数据链脉冲信号时，停止所述统计时间窗计时，从而得到所述统计时间窗T_s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T_s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T_s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。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链脉冲信号，则将所述信道负载C_k赋值为0，即认为当前信道为空闲，则当发生数据碰撞时数据链协议采用二进制的退避算法。

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，通常采用跳频等抗干扰措施，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，发明人理论分析了性能指标。为了便于分析退避算法性能，采用马尔可夫分析整个状态转移过程，如图1所示。通过分析马尔可夫过程，以推导相应吞吐量和传输时延的理论性能。

如图1所示，在马尔可夫状态转移流程图中，纵轴箭头向下，表示碰撞次数依次增加，直至增加到最大退避次数m，p/w_i表示在第i阶退避时的状态转移概率，其中p表示碰撞概率；横轴表示网内成员的退避计时器状态，当退避计时器为0时，则发送数据。通过分析马尔可夫状态转移过程可知，单步状态转移概率方程可表示为：

其中，i表示碰撞阶数，k表示退避计时器状态，ρ表示状态转移概率；其中，单步状态转移概率的完整写法为：

ρ{i₁,k₁|i₀,k₀}＝ρ{s(t+1)＝i₁,b(t+1)＝k₁|s(t)＝i₀,b(t)＝k₀} (2)

通过分析马尔可夫状态转移过程可知，第i阶退避时站点退避计时器为k时的状态概率可表示为：

b_i,k＝lim_t→∞p{s(t)＝i,b(t)＝k}，i∈(0,m)，k∈(0,w_i-1) (3)

由碰撞状态转移过程可得：

b_i-1,0·p＝b_i,0，i∈(1,m-1) (4)

b_m,0·p+b_m-1,0·p＝b_m,0 (5)

经过迭代可得

b_i,0＝pⁱ·b_0,0，i∈(0,m-1) (6)

通过分析二维马尔科夫链状态转移过程，第i阶退避时站点退避计时器为0时的状态概率可表示为：

则发送概率τ可表示为：

由此可得：

b_0,0＝(1-p)τ (10)

由二维马尔科夫链状态转移过程可知：

由式(8)、式(11)联立推导可得：

由式(9)、式(12)联立推导可得：

由此可得：

由式(10)、式(14)联立推导可得成功发送概率τ为：

τ＝2/(w_i+1) (15)

当采用基于优先级的退避算法设置退避窗口时，发送概率τ可表示为：

在本发明实施例所公开的技术方案中，以IEEE 802.11为例分析其吞吐量和传输时延这两个最重要理论指标。

通过分析数据链网络协议传输机制，吞吐量S可表示为：

S＝E/(T_s-T_c+T_c/P_s+(δ(1-P_tr)/P_tr)/P_s) (17)

其中，E为待发送数据链信息数据均长，T_s为数据传输成功时占用信道时长，T_c为数据传输不成功时占用信道时长，P_s为单位时间内至少有一个站点能通信的条件下数据传输的成功概率，δ设定为系统的传输时延，P_tr为单位时间内至少有一个站点能进行数据传输的概率，满足P_tr＝τ；进一步，数据传输成功时占用信道时长T_s可表示为：

T_s＝T_RTS+3T_SIFS+4δ+T_CTS+H+E+T_ACK+T_DIFS (18)

数据传输不成功时占用信道时长T_c可表示为：

T_c＝T_RTS+T_DIFS+δ (19)

其中，T_RTS、T_CTS分别表示控制分组信息RTS、CTS的传输时长，T_SIFS、T_DIFS、T_ACK分别表示短帧间间隔SIFS、帧间间隔DIFS和延时确认分组ACK的时长，H表示物理层报头PHYheader与MAC报头MAC header传输占用信道时长之和。

通过分析数据链网络协议传输机制，端到端的传输时延可表示为：

T_D＝T_B+T_s+E_c(T₀+T_B+T_c) (20)

其中，T_B为平均退避时间，T₀为系统处理时间，E_c为数据信息每次成功传输需经历的平均碰撞次数。进一步，平均退避时间T_B可表示为：

其中，γ_i为碰撞次数为i时的概率，表示为：

γ_i＝(P_c)ⁱ.(P_s+(1-P_tr))(i＝0,1,…m-1) (22)

进一步，数据信息每次成功传输需经历的平均碰撞次数E_c可表示为：

进一步，为了分析本发明实施例所公开技术方案的有益效果，在上述理论推导的基础上进行了仿真分析，并对原有方法进行了对比分析。仿真参数如表1所示。

表1仿真参数

参数	量值
		MAC header	272bit
PHY header	128bit
		ACK	112bit+PHY header
RTS	160bit+PHY header
		CTS	112bit+PHY header
节点传输速率	1Mbit/s
		δ时延	1微秒(μs)
slottime单位时隙	20微秒(μs)
		T<sub>SIFS</sub>时长	10微秒(μs)
T<sub>DIFS</sub>时长	50微秒(μs)
		W<sub>0</sub>初始退避窗口	16
m最大退避次数	15
		α优先级	0～7(整数)

在上述仿真参数下，本发明实施例仿真分析了在数据链信息不同优先级条件下，数据链吞吐量与信道负载值的对应关系，如图2、图3所示。

通过分析图2、图3所示仿真结果可知，在本发明实施例所公开的基于优先级的退避算法中，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碰撞的增加，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信息的优先级有关，且数据链信息的优先级越高，吞吐量越大；这是由于高优先级的数据链信息的退避窗口小于低先级的数据链信息的退避窗口，从而可优先竞争信道资源。进一步，当信道负载值大于50％且逐渐增加时，即信道拥堵时，现有技术中的BEB退避算法，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数据链信息不同优先级条件下，端到端时延与信道负载值的对应关系，如图4、图5所示。

通过分析图4、图5所示仿真结果可知，在本发明实施例所公开的基于优先级的退避算法中，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碰撞的增加，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信息的优先级有关，且数据链信息的优先级越高，端到端时延越小；这是由于高优先级的数据链信息的退避窗口小于低先级的数据链信息的退避窗口，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，当信道负载值大于50％且逐渐增加时，即信道拥堵时，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退避算法，而在本发明实施例所公开的技术方案中，优先级为7的数据链信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，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。

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基于优先级的退避算法，在信道状态拥堵时，仍然能够保证高优先级的数据链信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 (9)

1.一种基于信道状态判决及优先级的数据链协议退避算法，其特征在于，通过统计信道中数据链脉冲信号的数量来计算信道负载值；设置信道负载阈值，将所述信道负载值与所述信道负载阈值相比较；若小于所述信道负载阈值，则发生数据碰撞时数据链协议采用基于二进制的退避算法，否则，若大于或等于所述信道负载阈值，则采用基于优先级的退避算法；所述基于优先级的退避算法，其退避窗口CW满足关系式：

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表示网内成员发送的数据链信息的优先级，C_k表示信道负载值。

2.根据权利要求1所述的基于信道状态判决及优先级的数据链协议退避算法，其特征在于，所述信道负载值与所述信道负载阈值相比较，若小于所述信道负载阈值，则发生数据碰撞时数据链协议采用基于二进制的退避算法，否则，若大于或等于所述信道负载阈值，则采用基于优先级的退避算法；所述采用基于优先级的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信息的优先级，设置退避窗口，其退避窗口CW满足关系式：

步骤二：以时隙为单位计算退避时间，并向所述节点的退避计时器设置退避时间，所述退避时间为：

其中，

表示上取整；slottime表示单位时隙大小；

步骤三：退避过程开始，所述节点的碰撞次数计数器加1；所述节点的退避计时器开始倒计时，当所述退避计时器为0时，所述节点再次竞争信道尝试发送数据；如果再次发生数据碰撞时，进入步骤四；如果数据信息发送成功，则所述节点读取缓冲器中的下一组数据启动发送过程，并将所述节点碰撞次数计数器重新置0；

步骤四：将所述节点的碰撞次数计数器当前数值与预先设置的最大碰撞次数进行比较；如果小于所述最大碰撞次数，则重复步骤一至步骤三的内容；如果所述节点碰撞次数计数器当前数值大于或等于所述最大碰撞次数，则丢弃当前待发送的数据信息，将所述节点碰撞次数计数器重新置0，节点读取缓冲器中的下一组数据启动发送过程。

3.根据权利要求1所述的基于信道状态判决及优先级的数据链协议退避算法，其特征在于，所述信道负载阈值为50％。

4.根据权利要求1所述的基于信道状态判决及优先级的数据链协议退避算法，其特征在于，所述通过统计信道中数据链脉冲信号的数量来计算信道负载值的方法为：

数据链网络中的成员在统计时间窗内，通过统计信道中数据链脉冲信号的数量计算信道负载值C_k，所述信道负载C_k可表示为：

其中，f_i表示数据链的跳频频点，

表示本数据链端机在跳频频点f_i上统计接收到的其它成员发送的数据链脉冲个数，

表示统计本数据链端机在跳频频点f_i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，T_s表示统计时间窗长度。

5.根据权利要求4所述的基于信道状态判决及优先级的数据链协议退避算法，其特征在于，所述统计时间窗为：根据数据链端机天线的感应信号启动和停止统计时间窗；当数据链端机天线感应接收到数据链脉冲信号时，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数据链脉冲信号时，停止所述统计时间窗计时，从而得到所述统计时间窗T_s的时间长度大小。

6.根据权利要求4所述的基于信道状态判决及优先级的数据链协议退避算法，其特征在于，所述数据链端机的跳频频点数M为51。

7.根据权利要求4所述的基于信道状态判决及优先级的数据链协议退避算法，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。

8.根据权利要求4所述的基于信道状态判决及优先级的数据链协议退避算法，其特征在于，所述统计时间窗T_s的值是可变的。

9.根据权利要求4所述的基于信道状态判决及优先级的数据链协议退避算法，其特征在于，所述一个时间单元长度为10ms。

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