CN112866110B - 一种多链融合中消息转换与路由方法 - Google Patents

Abstract

本发明基于各数据链中各协议层的性能指标参数建立联合度量模型，并利用该联合度量模型对消息转换和路由进行实时评估，针对各协议层的性能指标参数的变化，能够动态调整消息转换和路由匹配方案，满足无人机各数据链消息转换和路由的QoS要求，从而提高数据链消息转发成功率，避免消息转换及路由队列拥塞发生，提升链路利用率，降低无人机机载数据链网关系统风险，实现各数据链间消息的互联、互通和互操作。

Description

一种多链融合中消息转换与路由方法

技术领域

本发明涉及无人机机载数据链网关多链融合技术领域，具体而言，涉及一种多链融合中面向QoS保障的跨层参数联合度量消息转换与路由方法。

背景技术

高空长航时大型无人机具有滞空时间长，载重量大，航程远等特点，可加装多种通信、侦察载荷，具备地空/空空组网通信、侦察监视、通信中继以及地空/空空任务协同等多种应用模式，大量应用于战场情报侦察、通信中继、协同攻击、森林消防监测、应急管理预警、气象灾害检测等军事、政府公共服务场景,是军事、民用信息化装备体系的重要组成部分。

当前军事、民用信息化装备体系也由过去的以平台为中心向以网络为中心过渡，通过多数据链融合协同组网，形成“陆、海、空、天”一体化综合态势感知、实时控制调度和任务协同能力。针对各个场景不同的应用需求，无人机加装多种技术体制和不同功能应用数据链，满足相关场景要求，多种类型数据链并存已成为常态化。

高空长航时大型无人机机载数据链网关典型应用场景如图1所示。

无人机搭载机载数据链网关融合各种类型数据链，消除异构数据链间的“信息壁垒”，对多数据链网络进行妥善控制与管理，综合调度和充分使用数据链资源，可实现机载视距数据链、超视距数据链、话音电台、任务协同数据链间消息转换和路由，实现各数据链间消息的互联、互通和互操作。

无人机机载数据链网关典型体系架构如图2所示。

无人机多数据链网络融合各类“烟囱状”数据链，具有传输数据链消息种类繁多、传输紧急程度不同、链路带宽资源差异大、物理层编码方式众多等特点。机载数据链网关通过链间数据转换与路由模块对数据链间消息进行转换和分发，链间数据转换与路由模块对数据链消息的路由转发判决规则都是基于消息优先级以及消息保活周期，机载数据链网关周期主动地对消息队列中的所有消息优先级和保活周期进行检查，采用弃尾算法对各数据链间消息的进行处理，进行消息转换和路由的过程中容易出现消息拥塞、吞吐量下降等问题，尤其在信息量大的链路向速率低、信息量小的链路进行转发时，如果消息转换和路由规则设计不合理，很容易使低速的链路饱和甚至失效，增加系统风险。

发明内容

本发明旨在提供一种多链融合中面向QoS保障的跨层参数联合度量消息转换与路由方法，以解决进行消息转换和路由的过程中容易出现消息拥塞、吞吐量下降等，并增加系统风险的问题。

本发明提供的一种多链融合中面向QoS保障的跨层参数联合度量消息转换与路由方法，包括如下步骤：

步骤S1，无人机机载数据链网关周期性地采集各数据链中各协议层的性能指标参数；

步骤S2，无人机机载数据链网关利用所述各数据链中各协议层的性能指标参数建立联合度量模型；

步骤S3，无人机机载数据链网关计算所述联合度量模型的匹配系数最优解；

步骤S4，各数据链基于所述匹配系数最优解进行消息转换与路由。

进一步的，步骤S1中采集的各数据链中各协议层的性能指标参数包括各数据链的消息层消息优先级、链路层转换队列积存和数据链带宽、以及物理层传输质量。

进一步的，步骤S2包括如下子步骤：

步骤S21，基于各数据链的链路层转换队列积存和数据链带宽、以及物理层传输质量，构建各数据链间消息转换和路由的匹配度函数；

步骤S22，基于各数据链的消息层消息优先级，构建各数据链间消息转换和路由的预留效用评价函数；

步骤S23，基于各数据链的消息层消息优先级、匹配度函数、以及预留效用评价函数，构建计算各数据链间消息转换和路由的效用评价函数；

步骤S24，基于各数据链间消息转换和路由的效用评价函数构建最终效用评价函数，该最终效用评价函数即为所述联合度量模型。

进一步的，步骤S21中构建的所述匹配度函数表示为：

式中：

M_i→j表示第i条数据链向第j条数据链进行消息转换和路由的匹配度；

α、β、γ为参数调整因子，α+β+γ＝1；

w_i、m_i、b_i分别表示第i条数据链的链路层转换队列积存和数据链带宽、以及物理层传输质量；

w_j、m_j、b_j分别表示第j条数据链的链路层转换队列积存和数据链带宽、以及物理层传输质量。

进一步的，步骤S22中构建的所述预留效用评价函数表示为：

式中：

U(X_min(i→j))表示第i条数据链向第j条数据链进行消息转换和路由的预留效用评价值；

p_i表示第i条数据链的消息层消息优先级；

X_min(i→j)表示第i条数据链向第j条数据链进行消息转换和路由的预留匹配系数；

X_max(i→j)表示第i条数据链向第j条数据链进行消息转换和路由的匹配系数最大值。

进一步的，步骤S23中构建的所述效用评价函数表示为：

式中：

X_(i→j)表示第i条数据链向第j条数据链进行消息转换和路由的匹配系数；并且，X_(i→j)、X_min(i→j)和X_max(i→j)有如下关系：

进一步的，步骤S24中构建的所述最终效用评价函数表示为：

进一步的，步骤S3中无人机机载数据链网关是采用粒子群优化算法计算所述联合度量模型的匹配系数最优解。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

本发明基于各数据链中各协议层的性能指标参数建立联合度量模型，并利用该联合度量模型对消息转换和路由进行实时评估，针对各协议层的性能指标参数的变化，能够动态调整消息转换和路由匹配方案，满足无人机各数据链消息转换和路由的QoS要求，从而提高数据链消息转发成功率，避免消息转换及路由队列拥塞发生，提升链路利用率，降低无人机机载数据链网关系统风险，实现各数据链间消息的互联、互通和互操作。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。

图1为高空长航时大型无人机机载数据链网关典型应用场景示意图。

图2为无人机机载数据链网关典型体系架构示意图。

图3为本发明实施例的多链融合中面向QoS保障的跨层参数联合度量消息转换与路由方法的示意图。

图4为本发明实施例的粒子群优化算法的流程图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。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。

实施例

如图3所示，本实施例提出一种多链融合中面向QoS保障的跨层参数联合度量消息转换与路由方法，包括如下步骤：

步骤S1，无人机机载数据链网关周期性地采集各数据链中各协议层的性能指标参数；参见图1，各数据链中各协议层包括消息层、链路层和物理层，该步骤S1中采集的各数据链中各协议层的性能指标参数包括各数据链的消息层消息优先级、链路层转换队列积存和数据链带宽、以及物理层传输质量。设无人机机载数据链网关中具有n条数据链，各协议层的性能指标参数表示如下：

p_i表示第i条数据链的消息层消息优先级，即无人机机载数据链网关的第i条数据链中转接消息的动态优先级，p_i越大则该业务的传输紧迫度越高；

w_i表示第i条数据链的链路层转换队列积存，即无人机机载数据链网关的第i条数据链中消息转接队列积存情况；

A(τ₀，τ)为τ₀至τ时刻平均到达的数据量大小，S(τ₀，τ)为τ₀至τ时刻为平均发送的数据量大小，w_i越大则表示该数据链链路中等待转接的消息越多，此时需要适当的调整两条数据链链路间的数据链消息转换系数，降低传输过程中的丢包率以及排队过程中的时延；

m_i表示第i条数据链的链路层数据链带宽，即无人机机载数据链网关的第i条数据链中的传输带宽，m_i越大则表示第i条数据链的传输带宽越大。

b_i表示第i条数据链的物理层传输质量，

其中，r_i表示编码增益，d_i表示调制阶数，ss_i表示扩频增益，fhss_i表示跳频增益，b_i越大则信道状态越好，效用值越高。

步骤S2，无人机机载数据链网关利用所述各数据链中各协议层的性能指标参数建立联合度量模型；

该步骤S2包括如下子步骤：

步骤S21，基于各数据链的链路层转换队列积存和数据链带宽、以及物理层传输质量，构建各数据链间消息转换和路由的匹配度函数；该步骤S21 构建的所述匹配度函数表示为：

式中：

M_i→j表示第i条数据链向第j条数据链进行消息转换和路由的匹配度；

α、β、γ为参数调整因子，α+β+γ＝1；

w_i、m_i、b_i分别表示第i条数据链的链路层转换队列积存和数据链带宽、以及物理层传输质量；

w_j、m_j、b_j分别表示第j条数据链的链路层转换队列积存和数据链带宽、以及物理层传输质量。

当第i条数据链与第j条数据链有消息转换和路由关系时，M_i→j≥1，并且M_i→j值越小，表明第i条数据链与第j条数据链间消息转接的匹配度越好， M_i→j值越大，表明第i条数据链与第j条数据链间消息转接的匹配度越差；如第i条数据链与第j条数据链无消息转换和路由关系，M_i→j值为∞。

步骤S22，基于各数据链的消息层消息优先级，构建各数据链间消息转换和路由的预留效用评价函数；该步骤S22中构建的所述预留效用评价函数表示为：

式中：

U(X_min(i→j))表示第i条数据链向第j条数据链进行消息转换和路由的预留效用评价值；

p_i表示第i条数据链的消息层消息优先级；

X_min(i→j)表示第i条数据链向第j条数据链进行消息转换和路由的预留匹配系数；

X_max(i→j)表示第i条数据链向第j条数据链进行消息转换和路由的匹配系数最大值。

步骤S23，基于各数据链的消息层消息优先级、匹配度函数、以及预留效用评价函数，构建计算各数据链间消息转换和路由的效用评价函数；该步骤S23中构建的所述效用评价函数表示为：

式中：

X_(i→j)表示第i条数据链向第j条数据链进行消息转换和路由的匹配系数；并且，X_(i→j)、X_min(i→j)和X_max(i→j)有如下关系：

步骤S24，基于各数据链间消息转换和路由的效用评价函数构建最终效用评价函数，该最终效用评价函数即为所述联合度量模型。该步骤S24中构建的所述最终效用评价函数表示为：

步骤S3，无人机机载数据链网关计算所述联合度量模型的匹配系数最优解；

通过前述步骤S2得到了所述联合度量模型，本实施例中无人机机载数据链网关采用粒子群优化算法计算所述联合度量模型的匹配系数最优解，即无人机机载数据链网关通过粒子群优化算法计算最终效用评价函数最大值，并找到最终效用评价函数最大值时的匹配系数最优解。参见图4，该粒子群优化算法的流程如下：

(1)初始化粒子群体(群体规模为n，即n条数据链)，包括随机位置和速度；

(2)根据适应度函数，对每个粒子的适应度进行评价；

(3)对每个粒子，将其当前的适应值与其个体历史最佳位置pbest对应的适应值作比较，如果当前的适应值更高，则将用当前的位置更新历史最佳位置pbest；

(4)对每个粒子，将其当前适应值与全局最佳位置gbest对应的适应值作比较，如果当前适应值更高，则将当前粒子的位置更新全局最佳位置gbest；

(5)根据粒子群优化算法更新每个粒子的速度和位置；

(6)如未满足结束条件，返回步骤(2)；达到最大迭代次数G_max或者最佳适应度值的增量小于某个给定得阈值时则停止粒子群优化算法；

(7)得到最终效用评价函数最大值时的匹配系数最优解即为每两条数据链消息转换和路由的匹配系数最优值。

步骤S4，各数据链基于所述匹配系数最优解进行消息转换与路由。无人机机载数据链网关依据每两条数据链消息转换和路由的匹配系数最优值来设置每两条数据链消息转换和路由的匹配系数，由此每两条数据链依据设置的匹配系数进行消息转换和路由。

以上通过步骤S1～S4基于各数据链中各协议层的性能指标参数建立联合度量模型，并利用该联合度量模型对消息转换和路由进行实时评估，针对各协议层的性能指标参数的变化，能够动态调整消息转换和路由匹配方案，满足无人机各数据链消息转换和路由的QoS要求，从而提高数据链消息转发成功率，避免消息转换及路由队列拥塞发生，提升链路利用率，降低无人机机载数据链网关系统风险，实现各数据链间消息的互联、互通和互操作。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种多链融合中面向QoS保障的跨层参数联合度量消息转换与路由方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤S1，无人机机载数据链网关周期性地采集各数据链中各协议层的性能指标参数；

步骤S2，无人机机载数据链网关利用所述各数据链中各协议层的性能指标参数建立联合度量模型；

步骤S3，无人机机载数据链网关计算所述联合度量模型的匹配系数最优解；

步骤S4，各数据链基于所述匹配系数最优解进行消息转换与路由；

步骤S1中采集的各数据链中各协议层的性能指标参数包括各数据链的消息层消息优先级、链路层转换队列积存和数据链带宽、以及物理层传输质量；

步骤S2包括如下子步骤：

步骤S21，基于各数据链的链路层转换队列积存和数据链带宽、以及物理层传输质量，构建各数据链间消息转换和路由的匹配度函数；

步骤S22，基于各数据链的消息层消息优先级，构建各数据链间消息转换和路由的预留效用评价函数；

步骤S23，基于各数据链的消息层消息优先级、匹配度函数、以及预留效用评价函数，构建计算各数据链间消息转换和路由的效用评价函数；

步骤S24，基于各数据链间消息转换和路由的效用评价函数构建最终效用评价函数，该最终效用评价函数即为所述联合度量模型；

步骤S21中构建的所述匹配度函数表示为：

式中：

M_i→j表示第i条数据链向第j条数据链进行消息转换和路由的匹配度；

α、β、γ为参数调整因子，α+β+γ＝1；

w_i、m_i、b_i分别表示第i条数据链的链路层转换队列积存和数据链带宽、以及物理层传输质量；

w_j、m_j、b_j分别表示第j条数据链的链路层转换队列积存和数据链带宽、以及物理层传输质量；

步骤S22中构建的所述预留效用评价函数表示为：

式中：

U(X_min(i→j))表示第i条数据链向第j条数据链进行消息转换和路由的预留效用评价值；

p_i表示第i条数据链的消息层消息优先级；

X_min(i→j)表示第i条数据链向第j条数据链进行消息转换和路由的预留匹配系数；

X_max(i→j)表示第i条数据链向第j条数据链进行消息转换和路由的匹配系数最大值；

步骤S23中构建的所述效用评价函数表示为：

式中：

X_(i→j)表示第i条数据链向第j条数据链进行消息转换和路由的匹配系数；并且，X_(i→j)、X_min(i→j)和X_max(i→j)有如下关系：

步骤S24中构建的所述最终效用评价函数表示为：

步骤S3中无人机机载数据链网关是采用粒子群优化算法计算所述联合度量模型的匹配系数最优解。

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