CN112867090B - 一种军事作战通信链路选择机制度量方法 - Google Patents

一种军事作战通信链路选择机制度量方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种军事作战通信链路选择机制度量方法，包括步骤1：计算直接链路中指挥中心成功接收信息的概率；步骤2：计算中继链路中中继无人机和指挥中心成功接收信息的概率；步骤3：分别计算直接链路和中继链路的平均信息年龄AoI；步骤4：估算并比较当前时刻的直接链路和中继链路的即时信息年龄，进而选择即时年龄较小的链路进行通信。本发明提出一种在军事作战中合理选择通信链路的技术方案，设计相应的信息传输时效性能度量方法，并定量刻画链路时效性能，实现充分、灵活的利用网络设施，保证端到端信息传输的时效性，及时有效地完成信息传输。

Description

一种军事作战通信链路选择机制度量方法
技术领域
本发明涉无线通信网络领域，尤其涉及一种军事作战通信链路选择机制度量方法。
背景技术
军用自组织无线网络可以为战术兵团和各种部队、分队作战指挥提供基本的通信保障，战场环境下军事通信中至关重要的组成部分，受到世界上许多国家的高度重视。例如，美军已经制定军用战术互联网的相关标准MIL-STD-188-220B。由于在作战环境中指挥中心与移动通信终端距离通常较远，还受到战场环境的遮挡和反射，通常需要布置通信无人机，利用中继转发为战术通信网络中的端到端通信提供可靠的通信链路。此外，军事作战自组网络通常对信息传输的实时性都有严格的要求，如何优化的选择信息的传输路径逐渐成为军事作战自组网络中亟待解决的技术。
发明内容
发明目的：本发明目的是提供一种军事作战自组网络中面向端到端通信的链路选择机制，以及相应的信息时效性度量方法，实现端到端信息传输的时效性。
技术方案：本发明提供一种军事作战通信链路选择机制度量方法，包括如下步骤：
步骤1：计算直接链路中指挥中心成功接收信息的概率；
步骤2：计算中继链路中中继无人机和指挥中心成功接收信息的概率；
步骤3：分别计算直接链路和中继链路的平均信息年龄AoI；
步骤4：估算并比较当前时刻的直接链路和中继链路的即时信息年龄，进而选择即时年龄较小的链路进行通信。
进一步地，步骤1中直接链路中指挥中心成功接收信息的概率表达式为：
Figure BDA0002897507600000011
其中，λ是信道衰落参数，σ2是信道噪声功率，g0是直连链路衰减增益，VT是设置的阈值。
进一步地，将式(1)中的信道参数g0替换为移动终端与无人机之间的信道参数g1和无人机与指挥中心之间的信道参数g2，计算出移动通信终端成功将数据包传输到中继无人机的概率μ和指挥中心成功解码来自无人机的信息的概率ν。
进一步地，步骤3中直连链路的平均信息年龄，即当前时刻减去最新成功接收数据包生成时间的差值的平均值，可按照如下公式计算：
Figure BDA0002897507600000021
其中，p是移动终端数据速率，q是直接链路中指挥中心成功接收信息的概率。
进一步地，步骤4中，将公式(1)中的信道衰落参数λ分别替换为直连链路和两跳中继链路的即时信道增益，计算直连链路和中继链路的即时信息年龄，记为δD和δR进而作为链路选择的准。
进一步地，步骤4具体包括：
如果δD<δR,移动终端直接与指挥中心通过直接链路发送数据；
如果δD>δR,首先判断中继无人机处是否成功接收移动通信终端发送过来的数据，如果中继无人机成功接收，则中继无人机试图发送数据到指挥中心直到成功发送；如果中继无人机没有成功接收，移动通信终端试图发送数据到中继无人机直到中继无人机成功接。
进一步地，步骤3中，如果某个时刻的直接链路的平均信息年龄AoI小于中继链路的平均信息年龄AoI，则选择直接链路与指挥中心通信。
有益效果：与现有技术相比，本发明具有如下显著的优点：通过设计信息传输时效性能度量方法，并定量刻画链路时效性能，充分、灵活的利用网络设施，保证端到端信息传输的时效性，实现在军事作战中合理选择通信链路。
附图说明
图1为本发明的军事自组织无线通信网络示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。如图1所示，为本发明的军事通信的自组织无线网络中的端到端通信，作战区域内的一个移动的通信终端，例如通信车，飞机，坦克等，直接与远端指挥中心进行通信，或者通过位于作战区边缘的通信无人机间接与远端指挥中心进行通信。其中，指挥中心与作战区域的移动通信终端之间的通信链路称之为“直接链路”，指挥中心经过通信无人机中继转发再与移动终端通信的端到端链路称为“中继链路”。
移动终端以速率p采集数据并存储在数据缓存区。在移动终端到中继无人机的数据数据传输成功时，无人机将开始尝试发送数据，直至指挥中心成功接收，即通过中继链路传输。另外，移动终端也可以尝试通过直连链路直接将数据发送到指挥中心，即通过直接链路传输。
本实施的用于军事通信的自组织网络选择链路传输信息的时效性度量方法具体如下：
1、假设信道是瑞利衰减信道，增益服从指数分布，设定某个阈值，当信噪比大于等于阈值时的概率就是成功接收的概率。
(1)分别计算出直接链路信噪比和中继链路中中继节点处和移动通信终端的信噪比；
Figure BDA0002897507600000031
其中，
Figure BDA0002897507600000032
γn是信道的衰落增益；g0是直接链路的信道增益；Ps是移动终端的发送功率；Pr是无人机的发送功率；d0 α是移动终端在路径衰落因子为α下到指挥中心的传输距离；d1 α是移动终端在路径衰落因子为α下到无人机的传输距离；d2 α是无人机在路径衰落因子为α下到指挥中心的传输距离；σ2是噪声功率。此处只给出直接链路信噪比，中继链路信噪比和直接链路类似，将式(3)中的信道增益g0替换为移动终端与无人机之间的信道增益g1和无人机与指挥中心之间的信道增益g2；
(2)根据瑞利信道增益的概率密度可得到指挥中心成功接收信息的概率；
Figure BDA0002897507600000033
λ是瑞利信道参数；g0是直接链路的信道增益；σ2是噪声功率。VT是设置的阈值；
(3)同理，可得到中继链路中中继节点的成功接收概率μ和指挥中心的成功接收概率υ：
Figure BDA0002897507600000041
λ是瑞利信道参数；σ2是噪声功率；g1是移动终端与无人机之间的信道增益；VT是设置的阈值。
Figure BDA0002897507600000042
λ是瑞利信道参数；g2是无人机与指挥中心之间的信道增益，σ2是噪声功率；VT是设置的阈值。
2、计算直接链路中的平均信息年龄。
(1)确定到达过程，以概率p在时隙上生成数据包，到达过程确定为Bernoulli过程，因此数据包n和数据包n+1之间的到达间隔服从几何分布，可以计算出到达时间间隔的数学期望为
Figure BDA0002897507600000043
其方差为
Figure BDA0002897507600000044
服务时间Sk为上一个数据包被指挥中心成功接收后，等待队列里一个数据包开始接受服务到被成功接收的时间，那么Sk是服从参数q的几何分布，得到服务时间的数学期望为
Figure BDA0002897507600000045
(2)由上述可知，到达间隔时间为几何分布，系统时间为几何分布，那么传输数据包的过程可以用Geom/Geom/1型离散时间排队来建模。根据田乃硕的离散时间排队论，系统时间T是等待时间和服务时间的独立和。系统时间也服从参数α的几何分布，
Figure BDA0002897507600000046
进而得到系统时间Tk的概率分布服从几何分布，即
Pr{TD＝k}＝(1-α)k-1α  (7)
(3)数据包n-1的系统时间Tn-1能够表示为Tn-1＝Wn-1+Sn-1。由于等待时间Wn-1与到达时间间隔Xn有关。为求XW的期望值，定义了一个辅助函：，
Figure BDA0002897507600000051
XW的平均值可以表示为：
Figure BDA0002897507600000052
结合上面得出的结果，直接链路中的平均信息年龄
Figure BDA0002897507600000053
的公式可以表示为：
Figure BDA0002897507600000054
3、计算中继链路中的平均信息年龄。
(1)确定到达过程，以概率p在时隙上生成数据包，到达过程确定为Bernoulli过程，因此数据包n和数据包n+1之间的到达间隔服从几何分布，可以计算出到达时间间隔的数学期望为
Figure BDA0002897507600000055
其方差为
Figure BDA0002897507600000056
(2)中继链路工作方式是半双工模式，即上一个数据包通过中继无人机成功传输到指挥中心时，下一个数据包才开始往中继无人机传输。移动通信终端到中继无人机传输过程中的服务时间SSR和中继无人机到指挥中心传输时数据包的服务时间SRD依然分别服从参数μ和v的几何分布，进而从移动通信终端到指挥中心成功发送数据过程的总服务时间为SR＝SSD+SRD,得到总服务时间SR的概率分布以及概率生成函数，即
Figure BDA0002897507600000057
Figure BDA0002897507600000058
可以计算出总服务时间的数学期望为
Figure BDA0002897507600000061
(3)在Geom/G/1型离散时间排队模型中,遵循FIFO排队规则下，可得到一个数据包等待时间的概率生成函数为：
Figure BDA0002897507600000062
(4)系统时间T是等待时间W和服务时间S的独立和，即T＝W+S。因此，系统时间T的概率生成函数为TR(z)＝WR(z).SR(z)
那么系统时间的数学期望为
Figure BDA0002897507600000063
(5)为求XW的期望值，此处定义和公式(8)类似的辅助函数，即可得到中继链路中XW的期望值为：
Figure BDA0002897507600000064
Figure BDA0002897507600000065
上面一系列计算出来的结果，中继链路中信息传输的平均信息年龄
Figure BDA0002897507600000066
的公式可以表示为：
Figure BDA0002897507600000067
4、基于通信选择链路机制的算法
本发明提出作战通信选择链路，相对于直接链路和中继链路,通信选择链路在很大程度上优于其他两个链路。如果某个时刻的直接链路的平均信息年龄AoI小于中继链路的平均信息年龄AoI，则选择直接链路与指挥中心通信
本发明提出面向端到端的通信选择链路机制根据链路短期AoI动态切换通信链路，基于通信链路选择算法如下：
(1)对于每个时隙n,根据即时信道增益代替瑞利信道参数，再根据公式(10)和公式(16)计算出直接链路和中继链路的即时信息年龄δD和δR；
(2)如果δD<δR,移动终端直接与指挥中心通过直接链路发送数据；
(3)如果δD>δR,首先判断中继无人机处是否成功接收移动通信终端发送过来的数据，如果中继无人机成功接收，则中继无人机试图发送数据到指挥中心直到成功发送；如果中继无人机没有成功接收，移动通信终端试图发送数据到中继无人机直到中继无人机成功接。
本发明的具体实施方式中凡未涉到的说明属于本领域的公知技术，可参考公知技术加以实施。

Claims (6)

1.一种军事作战通信链路选择机制度量方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：计算直接链路中指挥中心成功接收信息的概率；
步骤2：计算中继链路中中继无人机和指挥中心成功接收信息的概率；
步骤3：分别计算直接链路和中继链路的平均信息年龄AoI；
步骤4：估算并比较当前时刻的直接链路和中继链路的即时信息年龄，进而选择即时年龄较小的链路进行通信；
所述步骤3中直接链路的平均信息年龄，即当前时刻减去最新成功接收数据包生成时间的差值的平均值，可按照如下公式计算：
Figure FDA0004057468540000011
其中，p是移动终端数据速率，q是直接链路中指挥中心成功接收信息的概率；
中继链路中信息传输的平均信息年龄按照如下公式计算：
Figure FDA0004057468540000012
式中，
Figure FDA0004057468540000013
为中继链路的平均信息年龄AoI；μ为中继链路中中继节点的成功接收概率；ν为指挥中心的成功接收概率；E(SR)为总服务时间的数学期望；SR为总服务时间；具体的，对于每个时隙n，根据即时信道增益代替瑞利信道参数，再根据公式(2)和公式(3)计算出直接链路和中继链路的即时信息年龄。
2.根据权利要求1所述的军事作战通信链路选择机制度量方法，其特征在于，所述步骤1中直接链路中指挥中心成功接收信息的概率表达式为：
Figure FDA0004057468540000014
其中，λ是信道衰落参数，σ2是信道噪声功率，g0是直接链路衰减增益，VT是设置的阈值。
3.根据权利要求2所述的军事作战通信链路选择机制度量方法，其特征在于，将式(1)中的信道参数g0替换为移动终端与无人机之间的信道参数g1和无人机与指挥中心之间的信道参数g2，计算出移动通信终端成功将数据包传输到中继无人机的概率μ和指挥中心成功解码来自无人机的信息的概率ν。
4.根据权利要求2所述的军事作战通信链路选择机制度量方法，其特征在于，所述步骤4中，将公式(1)中的信道衰落参数λ分别替换为直接链路和两跳中继链路的即时信道增益，计算直接链路和中继链路的即时信息年龄，记为δD和δR进而作为链路选择的准则。
5.根据权利要求4所述的军事作战通信链路选择机制度量方法，其特征在于，
所述步骤4具体包括：
如果δD<δR,移动终端直接与指挥中心通过直接链路发送数据；
如果δD>δR,首先判断中继无人机处是否成功接收移动通信终端发送过来的数据，如果中继无人机成功接收，则中继无人机试图发送数据到指挥中心直到成功发送；如果中继无人机没有成功接收，移动通信终端试图发送数据到中继无人机直到中继无人机成功接。
6.根据权利要求1所述的军事作战通信链路选择机制度量方法，其特征在于，所述步骤3中，如果某个时刻的直接链路的平均信息年龄AoI小于中继链路的平均信息年龄AoI，则选择直接链路与指挥中心通信。
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