CN112689268A - 编队无人机、组网提高多路由数据传输效率的方法及系统 - Google Patents

编队无人机、组网提高多路由数据传输效率的方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明属于无人机控制技术领域，公开了一种编队无人机、组网提高多路由数据传输效率的方法及系统，编队无人机组网提高多路由数据传输效率的方法包括以下步骤：对路径参数进行检测，采用TCP‑Westwood带宽测量方法，根据检测的路径参数发送的统计信息来估值带宽；TCP‑Westwood带宽评估算法对不重合时间段累计发送分组的数据量采集估算路径带宽；根据TCP‑Westwood带宽估计结果，寻找有效路径带宽最大值，并对所有带宽进行归一化；多径可靠传输依据带宽估计结果，将分组数据调度到不同的路径上。本发明提供的TLCS方法对编队飞机输入数据进行分组调度来消除路径差异对多径传输带宽的影响，提高了编队飞机数据通信端到端多径的性能。

Description

编队无人机、组网提高多路由数据传输效率的方法及系统
技术领域
本发明属于无人机控制技术领域，尤其涉及一种编队无人机、组网提高多路由数据传输效率的方法及系统。
背景技术
目前，编队无人机中，地面站、无人机之间的通信，采用多模式多宿主终端可以提供端到端的多路通信，使用户可以通过多路径并行数据传输，从而有效的提高了系统的吞吐率和鲁棒性，但是端到端数据在多路径上进行传输，由于路径参数的不同，到达接收端的顺序可能与其进入网络的顺序不一致，导致数据乱序的发生。乱序的数据会导致地面站和无人机传输协议接收端缓存区阻塞，数据递交延时增大，引起不必要的重传等，降低了端到端多路径传输的性能。
伴随异构网络发展，通信双方存在多条IP路径，多路径的差异性也同时造成多路径传输协议设计的诸多问题。
多条路径在丢包率、时延、带宽等多个参数上都存在差异，在异构无线网络的端到端路径存在多条无线链路，这些无线链路对应不同类型接口，如WIFI、4G等，这些差异将加剧端到端路径参数的波动并导致路径不对称。
多路径的差异性带来诸多问题，如分组乱序造成的接收缓存阻塞、不合理多径分组造成吞吐率抑制、多径协同造成带宽未充分利用、多径异构造成网络资源分配不公平。
编队无人机中采用多模式多宿主终端会导致数据乱序的发生，导致地面站和无人机传输协议接收端缓存区阻塞，数据递交延时增大，引起不必要的重传等，降低了端到端多路径传输的性能。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种编队无人机、组网提高多路由数据传输效率的方法及系统。
本发明是这样实现的，一种编队无人机组网提高多路由数据传输效率的方法，包括以下步骤：
步骤一，对路径参数进行检测，采用TCP-Westwood带宽测量方法，根据检测的路径参数发送的统计信息来估值带宽；
TCP-Westwood增强了窗口控制和退避处理，TCPW发送端监控ACK报文的接收速率，进而估算当前连接可达到的数据发送速率(可用带宽)。当发送端检测到丢包时(超时或者3个重复ACK)，发送端根据估算的发送速率设置拥塞窗口大小和慢启动阈值。TCP-Westwood避免太过保守的减低窗口操作。
当接收到ACK报文时，首先需要确定其确认的报文数量，如果其值为1，表明接收到ACK，将此报文数量除以所经过的时间，即可得到当前带宽的一个评估值。如果其值为0，表明接收到重复ACK，当接收到重复ACK报文时，同样意味着对端接收到一个乱序的数据报文，也可用于带宽评估。如果其值为大于1，表明此ACK为延迟ACK，或者为发生报文重传之后的正常ACK，表明在接收到重复ACK时已经使用了这些报文，进行带宽估算，不应再次使用了。
在拥塞发生时，连接路径中的瓶颈点应是发生了饱和，其报文缓存已经填满，在此拥塞之前，发送端使用的带宽小于或者等于瓶颈处的可用带宽，所以，TCP-Westwood在调整窗口的时候，重新调整到可用带宽，而不是简单的将窗口减半。
TCP-Westwood通过发送方以30S为周期向活跃的路径发送心跳数据包对，根据心跳数据包的分组大小和数据包对确认的时间间隔δ来估算路径带宽，
Figure BDA0002848393140000021
代表路径i的第k次测量的带宽估值。
TCP-Westwood首先通过对不重合时间段累计发送分组的数据量来采集估算路径带宽，
Figure BDA0002848393140000031
实际的带宽估值通过滑动平均算法求得
Figure BDA0002848393140000032
其中RTT为往返时延，表示从发送端发送数据开始，到发送端收到来自接收端的确认，总共经历的时延。
Figure BDA0002848393140000033
代表路径i的第k次的实际带宽估值；
Figure BDA0002848393140000034
代表路径i的第k次的实际发送数据量；
Figure BDA0002848393140000035
代表路径i的第k次的往返时延；
Figure BDA0002848393140000036
代表路径i的第k次测量的带宽估值；
Figure BDA0002848393140000037
代表路径i的第k-1次测量的带宽估值；
P代表心跳数据包的分组大小；
δ代表数据包对确认的时间间隔。
步骤二，通过通过滑动平均算法对带宽值进行估计；
步骤三，根据带宽估计结果，寻找有效路径带宽最大值
Figure BDA0002848393140000038
并对所有带宽进行归一化；
步骤四，多径可靠传输依据带宽估计结果，将分组数据调度到不同的路径上。
进一步，步骤二中，所述路径带宽通过滑动平均算法求得，计算公式为：
Figure BDA0002848393140000039
进一步，步骤三中，所述对所有带宽进行归一化，计算公式为：
Figure BDA00028483931400000310
Figure BDA00028483931400000311
代表路径i的第k次测量的带宽估值；
P代表心跳数据包的分组大小；
δ代表数据包对确认的时间间隔；
Figure BDA0002848393140000041
代表有效路径带宽最大值。
进一步，步骤四中，所述将分组数据调度到不同的路径上，包括：采用输入数据三级缓存分组调度算法TLCS对输入端数据进行调度。
进一步，所述三级缓存分别为输入数据缓存、积压数据缓存、发送数据缓存。
进一步，所述采用输入数据三级缓存分组调度算法TLCS对输入端数据进行调度，包括：
以αi为权值，将每条传输路径的发送缓存设计成滑动窗口；αi的值越大表示此传输路径的带宽越大，αi越大的路径的发送缓存越大，并优先发送数据直到发送缓存全部占满，然后是αi次小的路径，依次直到所有路径轮询一次。
进一步，所述采用输入数据三级缓存分组调度算法TLCS对输入端数据进行调度，还包括：
输入层的数据被分组后放入输入缓存，然后根据αi按照先后次序分配数据到每条路径的发送数据缓存；
当某一路径的发送缓存中积压的数据小于传输路径带宽，从输入数据缓存中按序号调度数据到该路径的发送数据缓存，直到填满发送数据缓存；
当某路径超时或者路径中断时，从此路径的发送数据缓存中取出数据，并按序号将数据放入积压数据缓存，此时终止从发送数据缓存向输出数据缓存调度数据，改由从积压数据缓存向输出数据缓存按序号调度数据，直至积压数据缓存为空后重新启动输入数据缓存数据调度功能。
本发明的另一目的在于提供一种编队无人机组网提高多路由数据传输效率系统，所述编队无人机组网提高多路由数据传输效率系统包括：
路径参数检测模块，用于对路径参数进行检测；
路径带宽估算模块，用于采用带宽测量方法，根据所述路径参数的统计信息进行路径带宽估算；
采集模块，用于对不重合时间段累计发送分组的路径带宽数据量进行采集；
归一化模块，用于根据路径带宽估计结果，寻找有效路径带宽最大值，并对所有路径带宽进行归一化；
调度模块，用于依据归一化的带宽估计结果，将分组数据调度到不同的路径上。
本发明的另一目的在于提供一种编队无人机，所述编队无人机实施所述编队无人机组网提高多路由数据传输效率的方法。
本发明的另一目的在于提供一种计算机可读存储介质，储存有指令，当所述指令在计算机上运行时，使得计算机执行所述编队无人机组网提高多路由数据传输效率的方法。
本发明的另一目的在于提供一种信息数据处理终端，所述信息数据处理终端用于实现所述的编队无人机组网提高多路由数据传输效率的方法。
本发明提供的TLCS方法对编队飞机输入数据进行分组调度来消除路径差异对多径传输带宽的影响，提高了编队飞机数据通信端到端多径的性能。
相对于TCP，TLCS可以充分发挥多路径调度优势，在多路径下性能提升明显。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对本申请实施例中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的编队无人机组网提高多路由数据传输效率的方法流程图。
图2是本发明实施例提供的m、n、q路径的动态发送数据缓存设计示意图。
图3是本发明实施例提供的TLCS调度示意图。
图4是本发明实施例提供的对比效果图，相对于TCP，TLCS可以充分发挥多路径调度优势，在多路径下性能提升明显。
本发明TLCS可以充分发挥多路径调度优势，相比TCP，可以提供的三级缓存分别为输入数据缓存、积压数据缓存、发送数据缓存。
本发明实施例提供的采用输入数据三级缓存分组调度算法TLCS对输入端数据进行调度，包括：
以αi为权值，将每条传输路径的发送缓存设计成滑动窗口；αi的值越大表示此传输路径的带宽越大，αi越大的路径的发送缓存越大，并优先发送数据直到发送缓存全部占满，然后是αi次小的路径，依次直到所有路径轮询一次。
本发明实施例提供的采用输入数据三级缓存分组调度算法TLCS对输入端数据进行调度，还包括：
输入层的数据被分组后放入输入缓存，然后根据αi按照先后次序分配数据到每条路径的发送数据缓存；
当某一路径的发送缓存中积压的数据小于传输路径带宽，从输入数据缓存中按序号调度数据到该路径的发送数据缓存，直到填满发送数据缓存；
当某路径超时或者路径中断时，从此路径的发送数据缓存中取出数据，并按序号将数据放入积压数据缓存，此时终止从发送数据缓存向输出数据缓存调度数据，改由从积压数据缓存向输出数据缓存按序号调度数据，直至积压数据缓存为空后重新启动输入数据缓存数据调度功能。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种编队无人机组网提高多路由数据传输效率的方法，下面结合附图对本发明作详细的描述。
如图1所示，本发明实施例提供的编队无人机组网提高多路由数据传输效率的方法包括以下步骤：
S101，对路径参数进行检测，采用TCP-Westwood带宽测量方法，根据检测的路径参数发送的统计信息来估值带宽；
S102，TCP-Westwood带宽评估算法对不重合时间段累计发送分组的数据量采集估算路径带宽；
S103，根据TCP-Westwood带宽估计结果，寻找有效路径带宽最大值，并对所有带宽进行归一化；
S104，多径可靠传输依据带宽估计结果，将分组数据调度到不同的路径上。
步骤S102中，本发明实施例提供的路径带宽通过滑动平均算法求得，计算公式为：
Figure BDA0002848393140000071
步骤S103中，本发明实施例提供的对所有带宽进行归一化，计算公式为：
Figure BDA0002848393140000072
步骤S104中，本发明实施例提供的将分组数据调度到不同的路径上，包括：采用输入数据三级缓存分组调度算法TLCS对输入端数据进行调度。
本发明实施例提供的三级缓存分别为输入数据缓存、积压数据缓存、发送数据缓存。
本发明实施例提供的采用输入数据三级缓存分组调度算法TLCS对输入端数据进行调度，包括：
以αi为权值，将每条传输路径的发送缓存设计成滑动窗口；αi的值越大表示此传输路径的带宽越大，αi越大的路径的发送缓存越大，并优先发送数据直到发送缓存全部占满，然后是αi次小的路径，依次直到所有路径轮询一次。
本发明实施例提供的采用输入数据三级缓存分组调度算法TLCS对输入端数据进行调度，还包括：
输入层的数据被分组后放入输入缓存，然后根据αi按照先后次序分配数据到每条路径的发送数据缓存；
当某一路径的发送缓存中积压的数据小于传输路径带宽，从输入数据缓存中按序号调度数据到该路径的发送数据缓存，直到填满发送数据缓存；
当某路径超时或者路径中断时，从此路径的发送数据缓存中取出数据，并按序号将数据放入积压数据缓存，此时终止从发送数据缓存向输出数据缓存调度数据，改由从积压数据缓存向输出数据缓存按序号调度数据，直至积压数据缓存为空后重新启动输入数据缓存数据调度功能。
下面结合实施例对本发明作进一步描述。
实施例1：
当接收到ACK报文时，首先需要确定其确认的报文数量，如果其值为1，表明接收到ACK，将此报文数量除以所经过的时间，即可得到当前带宽的一个评估值。
如果其值为0，表明接收到重复ACK，当接收到重复ACK报文时，同样意味着对端接收到一个乱序的数据报文，也可用于带宽评估。
如果其值为大于1，表明此ACK为延迟ACK，或者为发生报文重传之后的正常ACK，表明在接收到重复ACK时已经使用了这些报文，进行带宽估算，不应再次使用了。
实施例2：
TCP-Westwood通过发送方以30S为周期向活跃的路径发送心跳数据包对，根据心跳数据包的分组大小和数据包对确认的时间间隔δ来估算路径带宽，
Figure BDA0002848393140000081
代表路径i的第k次测量的带宽估值。
实施例3：
为了有效利用多径的宽带资源，首先要对路径参数进行检测，本发明采用TCP-Westwood带宽测量方法，TCP-Westwood带宽评估算法属于被动测量，只需要根据数据发送的统计信息来估值带宽。TCP-Westwood带宽评估算法对不重合时间段累计发送分组的数据量采集估算路径带宽，
Figure BDA0002848393140000091
实际的带宽估值通过滑动平均算法求得
Figure BDA0002848393140000092
实施例4：
输入数据两级缓存调度TLCS(Three Levels of Cache Scheduling)
根据TCP-Westwood带宽估计结果，寻找有效路径带宽最大值
Figure BDA0002848393140000093
并对所有带宽进行归一化
Figure BDA0002848393140000094
多径可靠传输需要将分组数据调度到不同的路径上，所以本发明采用输入数据三级缓存分组调度算法TLCS对输入端数据进行调度。三级缓存分别为输入数据缓存、积压数据缓存、发送数据缓存。
从归一化结果αi可以看出，当αi的值越大表示此传输路径的带宽越大，本发明以αi为权值，将每条传输路径的发送缓存设计成滑动窗口。αi越大的路径的发送缓存越大，并优先发送数据直到发送缓存全部占满，然后是αi次小的路径，依次直到所有路径轮询一次。
例如αm＞αn＞αq，其m、n、q路径的动态发送数据缓存设计如图2所示。
如图3所示，输入层的数据被分组后放入输入缓存，然后根据αi按照先后次序分配数据到每条路径的发送数据缓存。
当某一路径的发送缓存中积压的数据小于空闲发送们显示，本发明从输入数据缓存中按序号调度数据到该路径的发送数据缓存，直到填满发送数据缓存。
当某路径超时或者路径中断时，本发明从此路径的发送数据缓存中取出数据，并按序号将数据放入积压数据缓存，此时终止从发送数据缓存向输出数据缓存调度数据，而是改由从积压数据缓存向输出数据缓存按序号调度数据，直至积压数据缓存为空后重新启动输入数据缓存数据调度功能。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种编队无人机组网提高多路由数据传输效率的方法，其特征在于，所述编队无人机组网提高多路由数据传输效率的方法包括：
对路径参数进行检测，采用TCP-Westwood带宽测量方法，根据检测的路径参数发送的统计信息来估值带宽；
对不重合时间段累计发送分组的路径带宽数据量进行采集；
根据路径带宽估计结果，寻找有效路径带宽最大值，并对所有路径带宽进行归一化；
依据归一化的带宽估计结果，将分组数据调度到不同的路径上。
2.如权利要求1所述编队无人机组网提高多路由数据传输效率的方法，其特征在于，所述TCP-Westwood增强了窗口控制和退避处理，发送端监控ACK报文的接收速率，进而估算当前连接可达到的数据发送速率；当发送端检测到丢包时，发送端根据估算的发送速率设置拥塞窗口大小和慢启动阈值；
当接收到ACK报文时，首先需要确定其确认的报文数量，如果其值为1，表明接收到ACK，将此报文数量除以所经过的时间，得到当前带宽的一个评估值；如果其值为0，表明接收到重复ACK，当接收到重复ACK报文时，同样意味着对端接收到一个乱序的数据报文；如果其值为大于1，表明此ACK为延迟ACK，或者为发生报文重传之后的正常ACK，表明在接收到重复ACK时已经使用了这些报文，进行带宽估算，不应再次使用了；
所述TCP-Westwood通过发送方以30S为周期向活跃的路径发送心跳数据包对，根据心跳数据包的分组大小和数据包对确认的时间间隔δ来估算路径带宽，
Figure FDA0002848393130000011
代表路径i的第k次测量的带宽估值；
所述TCP-Westwood首先通过对不重合时间段累计发送分组的数据量来采集估算路径带宽，
Figure FDA0002848393130000012
实际的带宽估值通过滑动平均算法求得
Figure FDA0002848393130000013
其中RTT为往返时延，表示从发送端发送数据开始，到发送端收到来自接收端的确认，总共经历的时延；
Figure FDA0002848393130000021
代表路径i的第k次的实际带宽估值；
Figure FDA0002848393130000022
代表路径i的第k次的实际发送数据量；
Figure FDA0002848393130000023
代表路径i的第k次的往返时延；
Figure FDA0002848393130000024
代表路径i的第k次测量的带宽估值；
Figure FDA0002848393130000025
代表路径i的第k-1次测量的带宽估值；
P代表心跳数据包的分组大小；
δ代表数据包对确认的时间间隔。
3.如权利要求1所述编队无人机组网提高多路由数据传输效率的方法，其特征在于，所述根据路径带宽估计结果，寻找有效路径带宽最大值为
Figure FDA0002848393130000026
所述对所有路径带宽进行归一化，计算公式为：
Figure FDA0002848393130000027
Figure FDA0002848393130000028
代表路径i的第k次测量的带宽估值；
P代表心跳数据包的分组大小；
δ代表数据包对确认的时间间隔；
Figure FDA0002848393130000029
代表有效路径带宽最大值。
4.如权利要求1所述编队无人机组网提高多路由数据传输效率的方法，其特征在于，所述将分组数据调度到不同的路径上，包括：采用输入数据三级缓存分组调度算法TLCS对输入端数据进行调度。
5.如权利要求4所述编队无人机组网提高多路由数据传输效率的方法，其特征在于，所述三级缓存分别为输入数据缓存、积压数据缓存、发送数据缓存；
所述采用输入数据三级缓存分组调度算法TLCS对输入端数据进行调度，包括：
以αi为权值，将每条传输路径的发送缓存设计成滑动窗口；αi的值越大表示此传输路径的带宽越大，αi越大的路径的发送缓存越大，并优先发送数据直到发送缓存全部占满，然后是αi次小的路径，依次直到所有路径轮询一次。
6.如权利要求4所述编队无人机组网提高多路由数据传输效率的方法，其特征在于，所述采用输入数据三级缓存分组调度算法TLCS对输入端数据进行调度，还包括：
输入层的数据被分组后放入输入缓存，然后根据αi按照先后次序分配数据到每条路径的发送数据缓存；
当某一路径的发送缓存中积压的数据小于空闲发送门显示，从输入数据缓存中按序号调度数据到该路径的发送数据缓存，直到填满发送数据缓存；
当某路径超时或者路径中断时，从此路径的发送数据缓存中取出数据，并按序号将数据放入积压数据缓存，此时终止从发送数据缓存向输出数据缓存调度数据，改由从积压数据缓存向输出数据缓存按序号调度数据，直至积压数据缓存为空后重新启动输入数据缓存数据调度。
7.一种编队无人机组网提高多路由数据传输效率系统，其特征在于，所述编队无人机组网提高多路由数据传输效率系统包括：
路径参数检测模块，用于对路径参数进行检测；
路径带宽估算模块，用于采用带宽测量方法，根据所述路径参数的统计信息进行路径带宽估算；
采集模块，用于对不重合时间段累计发送分组的路径带宽数据量进行采集；
归一化模块，用于根据路径带宽估计结果，寻找有效路径带宽最大值，并对所有路径带宽进行归一化；
调度模块，用于依据归一化的带宽估计结果，将分组数据调度到不同的路径上。
8.一种编队无人机，其特征在于，所述编队无人机实施如权利要求1-6任意一项所述编队无人机组网提高多路由数据传输效率的方法。
9.一种计算机可读存储介质，储存有指令，当所述指令在计算机上运行时，使得计算机执行如权利要求1-6任意一项所述编队无人机组网提高多路由数据传输效率的方法。
10.一种信息数据处理终端，其特征在于，所述信息数据处理终端用于实现权利要求1～6任意一项所述的编队无人机组网提高多路由数据传输效率的方法。
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