CN112737741A - 一种基于战术互联网的mac层arq重传动态调整方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及通信技术领域，具体涉及一种基于战术互联网的MAC层ARQ重传动态调整方法，在战术数据链TTNT的应用层设置业务类型、制定业务类型的分组手法规则，并将应用层业务类型信息添加到包头字段中，供下层解析；在数据链路层传统的自动重传机制ARQ上引入应用层业务类型信息，用于判断当前重传业务属于哪种业务类型；数据链路层根据当前业务的类型动态调整重传次数。本发明采用在数据链路层传统的自动重传机制ARQ上引入应用层业务信息类型的方式，根据不同业务类型动态调整重传次数，有效降低了网络传输的时延。

Description

一种基于战术互联网的MAC层ARQ重传动态调整方法
技术领域
本发明涉及通信技术领域，具体涉及一种基于战术互联网的MAC层ARQ重传动态调整方法。
背景技术
电子信息技术的迅速发展催生了世界范围内的新军事变革，建设信息化军队和信息化武器装备成为这场新军事变革的核心内容。在信息化的过程中，作为一种在不同作战单元间传送战术数字信息的标准通信链路，战术数据链在现代化战场上起着至关重要的作用。
战术数据链是信息化战争发展的重要标志之一，对战术数据链的应用水平在很大意义上决定着信息化战争的水平和能力。数据链以通信网络为纽带，以信息处理为核心，对战场信息收集、分发、处理和共享，对提升现代战争的高度透明化、目标打击精确化、作战全球化具有重要意义。战术数据链通信协议体系是保证战场上各作战平台、各作战单元之间进行信息共享、实时监控战场态势、提高协同能力和整体作战效能的关键，一种高效、灵活、安全的通信协议对战场数据链效能的提升变得尤为重要。
战术数据链(Tactical Targeting Network Technology，TTNT)是一种基于IP的航空Ad hoc网络，是美军研制的新型先进武器协同级数据链，采用了大量先进的技术，其MAC层采用基于优先级概率统计的多址接入协议SPMA协议。该协议采用了多种优先级的QoS服务机制，保证高优先级有更大的概率接入信道。但是TTNT数据链对于不同业务的重传不进行区分，导致部分时敏业务经过多次重传后到达接收端失效，增加了整个网络的时延，浪费了部分信道资源。
发明内容
针对战术数据链TTNT对于所有业务重传次数不加区分，造成部分时敏业务在多次重传成功后失效的问题，本发明结合战术数据链的特点，提供一种基于战术互联网的MAC层ARQ重传动态调整方法。
一种基于战术互联网的MAC层ARQ重传动态调整方法，包括以下步骤：
S1、在战术数据链TTNT的应用层设置业务类型、制定业务类型的分组手法规则、进行业务划分和设置业务类型的优先级，并将应用层业务类型信息添加到包头字段中，供下层解析；
S2、在数据链路层传统的自动重传机制ARQ上引入应用层业务类型信息，用于数据链路层判断当前重传业务(应用层发送来的业务数据包)属于哪种业务类型；
S3、应用层产生的数据包到达数据链路层后，在发送过程中，如果发生重传，数据链路层根据当前业务的类型动态调整重传次数；所述业务的类型包括普通业务和时敏业务。
在一种优选实施方式中，步骤S3中，当上层数据分组传递到数据链路层时，首先根据包头字段判断当前业务类型，若当前业务类型为普通业务，则不改变重传次数，传输给接收端；若当前业务类型为时敏业务，则根据当前时敏业务的优先级动态减小时敏业务的最大重传次数，传输给接收端。
在一种优选实施方式中，业务类型的优先级判断：时敏业务的优先级大于普通业务的优先级；时敏业务之间根据时间敏感程度判断优先级，时间敏感程度越高，则优先级越高。
在一种优选实施方式中，根据当前时敏业务的优先级动态减小时敏业务的最大重传次数具体包括：若当前时敏业务包含多个，判断时敏业务的优先级，保持优先级最低的时敏业务的最大重传次数不变，其他时敏业务按照优先级程度依次升高的顺序将最大重传次数依次减小。
在一种优选实施方式中，步骤S3中，在数据链路层接收到应用层产生的数据包时，进行以下步骤：
步骤301：首先根据数据包的包头字段判断业务类型，再根据业务类型的优先级将数据包插入对应业务类型的优先级队列，判断高优先级队列中是否有数据包，若有，则将高优先级队列中的数据包设置为待发送状态；
步骤302：计算当前的信道占用率，将当前的信道占用率与待发送数据包的阈值进行比较，如果此时信道占用率低于阈值，则允许发送的数据包从队列中移除并发送；如果信道占用率高于阈值，节点将根据数据包的优先级与信道占用率的值设定退避时间进行回退等待，到达退避时间后，再次检测信道占用率，循环以上流程。
在一种优选实施方式中，在数据包退避时间内，如果有更低优先级的数据包到达，它将在队列中排队等待传输，直到更高优先级的数据包发送完毕；如果有更高优先级的数据包到达，则退避取消，并立即统计信道占用率，同时与该待发送数据包的阈值进行比较，以判断是否能够发送该数据包。
在一种优选实施方式中，信道占用率的计算包括：通过统计单位时间内一跳范围内节点数据链路层发送的分组数来作为信道占用率。
本发明方法的原理是：首先，将战术数据链TTNT的应用层业务类型信息添加到包头字段中，供下层解析；然后，在数据链路层传统的自动重传机制ARQ上引入应用层业务类型信息，用于判断当前重传业务属于哪种业务类型。例如可以根据对时间的敏感程度分为A、B、C、D四种类型，其对时间敏感程度依次增加；最后，根据当前业务的类型去动态调整重传次数，当数据链路层收到的业务类别为A类普通信息时，若发送方出现超时，则会将缓冲区保存的上一次发送的数据帧再次发出，若多次超时则丢弃该数据帧；当数据链路层收到的业务类别为D类时敏业务时，即在传输过程中对时延有较高要求的业务时，则通过减少重传次数，提高下一数据帧的传输时间，降低整个数据包的传输时延。
本发明的有益效果：
1.本发明采用在数据链路层传统的自动重传机制ARQ上引入应用层业务信息类型的方式，根据不同业务类型动态调整重传次数，当数据链路层接收到的是普通业务时，保持其最大重传次数不变，当数据链路层接收到的是时敏业务时，动态的减小其最大重传次数，降低了时敏业务在多次重传过程中造成的时延，保证了接收端收到的时敏业务不会失效，有效降低了网络传输的时延。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细的说明。
图1为本发明实施例提供的一种数据链路层ARQ重传动态调整方法策略；
图2为本发明实施例提供的一种TTNT数据链的系统仿真模型；
图3为本发明实施例提供的一种SPMA实现流程图；
图4为本发明实施例提供的一种战术数据链TTNT通信示意图；
图5为优化前后每种业务的系统吞吐量对比图；
图6为优化前后每种业务的系统时延对比图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本实施例综合考虑战术数据链TTNT的MAC层重传机制，提供一种基于战术互联网的MAC层ARQ重传动态调整方法，整体方案流程图如图1所示，在一种优选实施方式中，包括但不限于以下步骤：
S1、设置业务类型：在战术数据链TTNT的应用层设置业务类型、制定业务类型的分组手法规则、进行业务划分和设置业务类型的优先级，并将应用层业务类型信息添加到包头字段中，供下层解析；
S2、业务类型决策：在数据链路层传统的自动重传机制ARQ上引入应用层业务类型信息，用于数据链路层判断当前重传业务(应用层发送来的业务数据包)属于哪种业务类型；
S3、重传自适应调整：应用层产生数据包并发送给数据链路层，数据链路层根据当前业务的类型动态调整重传次数。所述业务的类型包括普通业务和时敏业务。
当数据链路层收到业务时，首先根据包头字段判断当前业务类型，若当前业务类型为普通业务，则不改变重传次数，传输给接收端；若当前业务类型为时敏业务，则判断业务的优先级，根据当前时敏业务的优先级动态减小时敏业务的最大重传次数，若当前时敏业务包含多个，判断时敏业务的优先级，由于时间敏感程度最低的时敏业务优先级最低，时间敏感程度越高的时敏业务优先级越高，保持优先级最低的时敏业务的最大重传次数不变，其他时敏业务按照优先级程度依次升高的顺序将最大重传次数依次减小，传输给接收端。
示例性的，应用层产生的业务信息包括控制信息、语音信息、图像信息、以及一般数据业务在内的多种业务类型，在步骤S1中预先设置这几类业务类型对时间的敏感程度，例如：控制信息、语音信息、图像信息、以及一般数据业务对时间的敏感程度设置为依次降低。
在一种优选实施方式中，不同业务类型的优先级判断包括：时敏业务的优先级大于普通业务的优先级；时敏业务之间根据时间敏感程度判断优先级，时间敏感程度越高，则优先级越高。
为了使本发明实施例更加清楚、完整，接下来从设置业务类型、业务类型决策、重传自适应调整这三方面对本方法进行进一步说明，三个部分具体操作如下：
设置业务类型：TTNT数据链作为美军新一代战术数据链系统，采用自组网络体系结构，组网方式灵活，可以广泛的链接各种平台应用，如图4所示，在战场环境中，TTNT数据链可以保证侦察机、预警机、战斗机、以及各种舰艇等之间的通信。可以传输包括控制信息、语音信息、图像信息、以及一般数据业务在内的多种业务类型。在应用层产生业务信息时，将不同类型的业务根据对时间敏感程度不同进行区分，并将记录业务类型的信息放置在包头字段中，以供下层解析。
本发明通过在NS3仿真平台下搭建TTNT网络模型来检测数据链路层ARQ重传动态调整效果。TTNT数据链的系统仿真模型如图2所示，TTNT网络模型的协议栈体系主要包括应用层、传输层、网络层、数据链路层、物理层，具体描述如下：
应用层：制定分组手法规则和调用套接字API两部分操作组成，使用Application类来描述，这些应用程序包含了一个client应用和一个server应用来发送和回应仿真网络中的数据包。
应用层用于产生业务信息(数据包)，在应用层产生业务信息时，会将不同类型的业务根据时间敏感程度的不同对不同业务类型进行区分，并将记录业务类型的信息放置在包头中供下层解析。
传输层：向应用层提供可靠的端到端服务，使上层与通信子网(下三层的细节)相隔离，并根据网络层的特性来高效地利用网络资源。传输层用GetTypeId函数用来得到typeID。
网络层：需要完成邻居发现、分组路由和网络互联功能。邻居发现用于收集网络拓扑信息。路由协议的作用是发现和维护去往目的节点的路由，将网络层分组从源节点发送到目的节点以实现节点之间的通信。本发明采用的路由协议是AODV协议。
数据链路层：战术数据链TTNT的数据链路层使用的是基于优先级概率统计的多址接入协议SPMA。SPMA协议的特点是采用了多种优先级的QoS服务机制，是TTNT数据链MAC层重要的协议，其在NS3平台中的实现流程如图3所示，
步骤301：当应用层产生的数据包经过网络层到达MAC层时，首先根据数据包的包头字段判断业务类型，再根据业务类型的优先级将数据包插入对应业务类型的优先级队列，判断高优先级队列中是否有数据包，若有，则将高优先级队列中的数据包设置为待发送状态；若高优先级队列中没有数据包，则判断下一优先级队列中是否有数据包，若有，则将该优先级队列中的数据包设置为待发送转态，以此类推。
步骤302：计算当前的信道占用率，将当前统计得到的信道占用率与待发送数据包的阈值进行比较，如果此时信道占用率低于阈值，则允许发送的数据包从队列中移除并发送；如果信道占用率高于阈值，节点将根据数据包的优先级与信道占用率的值设定退避时间进行回退等待，到达退避时间后，再次检测信道占用率，循环以上流程。
步骤303：在数据包退避时间内，如果有更低优先级的数据包到达，它将在队列中排队等待传输，直到更高优先级的数据包发送完毕；如果有更高优先级的数据包到达，则退避取消，并立即统计信道占用率，同时与该待发送数据包的阈值进行比较，以判断是否能够发送该数据包。
信道占用率为单位时间内信道上出现的分组数，在传统方法中，通常通过物理层单位脉冲计算信道占用率，但本发明的TTNT网络模型中不涉及物理层，因此，在本实施例中通过MAC层计算信道占用率。在一种优选实施方式中，信道占用率的计算方式包括：通过统计单位时间内一跳范围内节点数据链路层发送的分组数来作为信道占用率。
阈值的计算方式包括：假设有0到pri_max个优先级业务，每个优先级的业务比例为ri(0≤i≤pri_max)，各优先级对应门限为Thresholdi(0≤i≤pri_max)。假设优先级
Figure BDA0002864185160000073
的优先级门限为
Figure BDA0002864185160000072
当全网业务量traffic≤Thresholdpri_max时，所有优先级分组均不执行退避，可以随到随发，发送成功率保证在99％以上。然后，低于pri_max优先级的门限Thresholdi通过如下公式获得：
Figure BDA0002864185160000071
物理层：利用传输介质为数据链路层提供物理连接，实现比特流的透明传输。物理层优选采用YansWifiChannel信道，同时加入移动模型Mobility。
业务类型决策：业务类型决策是当应用层产生的业务信息数据包到达MAC层后，MAC层根据包头中的字段信息判断当前业务的业务类型，对于不同类型的业务信息，MAC层需要判断该业务对时间的敏感程度，当前业务对时间的敏感程度的具体判断方法包括：不同业务类型对时间的敏感程度是预先设定的，在TTNT数据链系统模型中，业务信息通常包括控制信息、语音信息、图像信息以及一般数据业务在内的多种业务类型，控制信息、语音信息、图像信息以及一般数据业务对时间的敏感程度依次降低。根据当前业务对时间的敏感程度划分时敏业务的优先级，通常来说，业务对时间的敏感程度越高，时敏业务的优先级越高。
重传自适应调整：MAC层收到应用层发送的新的数据包时，首先根据包头中的字段信息判断当前的业务类型，MAC层根据业务类型判断当前传输的业务对时间的敏感程度，根据当前业务对时间的敏感程度划分时敏业务的优先级。当MAC层判断收到的业务类别为普通信息时，发送方出现超时则会将缓冲区保存的上一次发送的数据帧再次发出，若多次超时则丢弃该数据帧；当收到的业务类别为时敏业务时，即在传输过程中对时延有较高要求的业务时，通过减少重传次数提高下一数据帧的传输时间，具体地，根据时敏业务的优先级动态调整ARQ重传次数，通常来说，业务对时间的敏感程度越高，时敏业务的优先级越高，最大重传次数设置的越小，即将时敏程度要求较高的业务优先传输，以此保证接收端接收到时敏业务时没有失效，降低数据包的传输时延，从而降低整个网络的时延。
上述过程完成了战术数据链TTNT业务类型设置、业务类型决策、重传自适应调整等一系列操作，通过将不同业务进行区分，MAC层传输之前对当前业务进行判断，分析是否为时敏业务，若当前业务为普通业务则不改变其最大重传次数；若当前业务为时敏业务，则根据业务类型判断当前业务对时间的敏感程度，根据时敏业务的时间敏感程度设置优先级，根据当前时敏业务的优先级动态减小时敏业务的最大重传次数。
其仿真结果如图5和图6所示。图5为优化前后每种业务的系统吞吐量对比图，其中包含四种业务类型，业务A、业务B、业务C、业务D对时间敏感程度依次升高，在仿真过程中，优化前保持四种业务的最大重传次数为默认值不变，优化后因为四种业务对于时间敏感程度不同，所以，当MAC层接收到上层数据包后，首先根据包头中的信息获取当前业务类型，然后动态调整ARQ重传次数，由于业务A对于时间敏感程度最低，因此保持业务A的最大重传次数不变，业务B、C、D对于时间敏感程度依次升高，最大重传次数依次减小。由图可知，优化后业务类型A的系统吞吐量增加15.6％，业务类型B的系统吞吐量下降0.189％，业务类型C的系统吞吐量下降0.11％，业务类型D的系统吞吐量下降0.542％，结合TTNT网络特性分析可知，业务类型A、B、C、D的优先级依次升高，当业务类型B、业务类型C和业务类型D中部分时敏业务因多次重传被丢弃后，业务类型B、业务类型C和业务类型D的系统吞吐量减小，同时空闲出来的信道资源被业务类型A所利用，所以业务类型A的系统吞吐量提升。
图6为优化前后每种业务的系统时延对比图，由图可知，优化后业务类型A的系统时延下降0.286％，业务类型B的系统时延下降3.988％，业务类型C的系统时延下降7.985％，业务类型D的系统时延下降16.153％。由于业务类型A、B、C、D对时间的敏感程度依次升高，因此业务类型A、B、C、D的最大重传次数依次减小，当数据链路层收到的业务类型A时，发送方出现超时则会将缓冲区保存的上一次发送的数据帧再次发出，若达到默认的最大重传次数时则丢弃该数据帧；当收到的业务类型为B、C、D时，通过动态减少重传次数，提高下一数据帧的传输时间，降低整个数据包的传输时延。
当介绍本申请的各种实施例时，冠词“一”、“一个”、“这个”和“所述”都意图表示有一个或多个元件。词语“包括”、“包含”和“具有”都是包括性的并意味着除了列出的元件之外，还可以有其它元件。
需要说明的是，本领域普通技术人员可以理解实现上述方法实施例中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法实施例的流程。其中，所述存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(Read-0nly Memory，ROM)或随机存储记忆体(RandomAccess Memory，RAM)等。
以上所述仅是本申请的具体实施方式，应当指出，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (7)

1.一种基于战术互联网的MAC层ARQ重传动态调整方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、在战术数据链TTNT的应用层设置业务类型、制定业务类型的分组手法规则、进行业务划分和设置业务类型的优先级，并将应用层业务类型信息添加到包头字段中，供下层解析；
S2、在数据链路层传统的自动重传机制ARQ上引入应用层业务类型信息，用于数据链路层判断当前重传业务属于哪种业务类型；
S3、应用层产生的数据包到达数据链路层后，在发送过程中，如果发生重传，数据链路层根据当前业务的类型动态调整重传次数；所述业务的类型包括普通业务和时敏业务。
2.根据权利要求1所述的一种基于战术互联网的MAC层ARQ重传动态调整方法，其特征在于，步骤S3中，当上层数据分组传递到数据链路层时，首先根据包头字段判断当前业务类型，若当前业务类型为普通业务，则不改变重传次数，传输给接收端；若当前业务类型为时敏业务，则根据当前时敏业务的优先级动态减小时敏业务的最大重传次数，传输给接收端。
3.根据权利要求2所述的一种基于战术互联网的MAC层ARQ重传动态调整方法，其特征在于，业务类型的优先级判断：时敏业务的优先级大于普通业务的优先级；时敏业务之间根据时间敏感程度判断优先级，时间敏感程度越高，则优先级越高。
4.根据权利要求2所述的一种基于战术互联网的MAC层ARQ重传动态调整方法，其特征在于，根据当前时敏业务的优先级动态减小时敏业务的最大重传次数具体包括：若当前时敏业务包含多个，判断时敏业务的优先级，保持优先级最低的时敏业务的最大重传次数不变，其他时敏业务按照优先级程度依次升高的顺序将最大重传次数依次减小。
5.根据权利要求1所述的一种基于战术互联网的MAC层ARQ重传动态调整方法，其特征在于，步骤S3中，在数据链路层接收到应用层产生的数据包时，进行以下步骤：
步骤301：首先根据数据包的包头字段判断业务类型，再根据业务类型的优先级将数据包插入对应业务类型的优先级队列，判断高优先级队列中是否有数据包，若有，则将高优先级队列中的数据包设置为待发送状态；
步骤302：计算当前的信道占用率，将当前的信道占用率与待发送数据包的阈值进行比较，如果此时信道占用率低于阈值，则允许发送的数据包从队列中移除并发送；如果信道占用率高于阈值，节点将根据数据包的优先级与信道占用率的值设定退避时间进行回退等待，到达退避时间后，再次检测信道占用率，循环以上流程。
6.根据权利要求5所述的一种基于战术互联网的MAC层ARQ重传动态调整方法，其特征在于，在数据包退避时间内，如果有更低优先级的数据包到达，它将在队列中排队等待传输，直到更高优先级的数据包发送完毕；如果有更高优先级的数据包到达，则退避取消，并立即统计信道占用率，同时与该待发送数据包的阈值进行比较，以判断是否能够发送该数据包。
7.根据权利要求5或6所述的一种基于战术互联网的MAC层ARQ重传动态调整方法，其特征在于，信道占用率的计算包括：通过统计单位时间内一跳范围内节点数据链路层发送的分组数来作为信道占用率。
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