CN113099545A - 一种针对跨域网络的多址调度方法 - Google Patents

Abstract

针对天临空地海一体化跨域互联网络子网内具有网络异构、大时空尺度、高动态、业务多样、网络资源有限等特点，提供一种针对跨域网络的多址调度方法。该方法结合跨域网络组网通信需求，建立典型竞争机制、均分机制、预约机制等资源调度机制时延与资源效率模型，分析不同资源调度机制在不同子网内与子网间适用性，设计结合竞争与预约的混合资源调度机制以及结合竞争与均分的混合资源调度机制，进一步提升系统实时性、稳定性与有效性。

Description

一种针对跨域网络的多址调度方法

技术领域

本发明涉及一种针对跨域网络的多址调度方法。

背景技术

目前组网与资源调度机制包括竞争、非竞争与混合等。关于竞争类机制，《Amodified 802.11protocal applicated in spare wireless local area network》基于IEEE 802.11协议，改进设计了卫星编队网络中的MAC协议，并在不同的参数(包括时隙长度、最短帧间间隔、最小竞争窗口、帧长度、业务量)配置情况下，对网络吞吐量、信道利用率、时延、丢包率等性能进行了仿真分析，该协议在轻度和中度负载下都有效地降低了冲突概率，且时延较小。但当负载过大时，卫星编队网络的时延很大，且丢包率很高。美军战术目标瞄准网络技术(Tactical Targeting Network Technology，TTNT)采用基于优先级概率统计的多址接入(Statistic priority-based multiple access，SPMA)协议，根据当前信道负载统计信息对应的门限阈值来控制其是否接入网络，即根据信道负载的升高逐步减少低优先级分组的发送机会，从而合理地控制信道负载，减少发送碰撞概率。关于非竞争类机制，《小卫星星群自组网MAC协议研究》针对主从异构型空间通信面临的网络自组形成、主节点失效时的网络重构和介质访问的调度分配三个问题，提出了一种3D MAC协议，通过簇首可变机制、分轮选举机制和基于预约分时的随机访问机制，满足小卫星星群在主从异构型空间通信需求下的自组网功能特点。但是该协议有一个假设的前提要求任意两个节点在物理层上是可通的，因此这个改进的协议对应用场景有很高的约束，扩展性不强。

由此可以看出，现有技术对于建网、入网机制设计与优化的研究较少，且对于业务传输优化的研究所针对的通信场景过于理想化，并未结合跨域特征进行联合考虑。

因此，设计一种适应于立体栅格式跨域网络是快速组建网络并保证数据有效可靠传输的一个重要研究课题。目前尚没有合适的适用于立体栅格式跨域网络的多址调度机制。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了针对天临空地海一体化跨域互联网络子网内具有网络异构、大时空尺度、高动态、业务多样、网络资源有限等特点，提供一种针对跨域网络的多址调度方法。该方法结合跨域网络组网通信需求，建立典型竞争机制、均分机制、预约机制等资源调度机制时延与资源效率模型，分析不同资源调度机制在不同子网内与子网间适用性，设计结合竞争与预约的混合资源调度机制以及结合竞争与均分的混合资源调度机制，进一步提升系统实时性、稳定性与有效性。

本发明目的通过以下技术方案予以实现：

一种针对跨域网络的多址调度方法，将跨域网络分为多个子网；

子网内的调度包括如下步骤：

控制消息发送采用选举机制，某节点选举成功后，该节点进入退避状态，退避结束后继续参与选举竞争；退避结束后，根据该节点获得的邻居节点的调度信息确定合法的竞争集合，利用伪随机哈希混合函数与竞争节点展开选举，若选举失败，重新确定竞争集合再次执行选举，直到该节点选举成功；

数据消息发送采用预约机制，预约方式通过握手过程完成；

子网间的调度包括如下步骤：

相邻节点间的位置关系通过入网和网络维护过程已确定，彼此知道对应的波束号信息；发送节点首先通过全向天线广播请求消息，在请求消息中包括本次发送数据需要占用的资源、本地时隙表的可用时隙、接收节点号以及彼此所使用的波束信息；发送节点的邻居节点接收到该请求消息后，与自身维护的邻居列表进行对比，若该请求消息中携带的波束号与本节点与该发送节点所使用的波束相同，则认为不能空间复用，反之则可以进行空间复用，该邻居节点重复以上过程，发送请求消息继续进行资源请求；

授权节点接收到请求消息后，查询本地时隙表中的可用时隙，若有可用时隙，则授权节点根据请求节点请求的时隙数量分配可用时隙并添加到授权消息中，返回给请求节点；否则，返回的消息中授权时隙清零；同时返回的授权消息中还包含这条业务链路的两个节点所使用的波束号信息；授权节点的邻居节点通过接收该授权消息，进行第二次空间复用判断，保证了子网间资源分配的可靠性；

请求节点接收到授权消息后，解析授权可用时隙；如果不为零，将接收到的消息拷贝形成授权确认消息返回给授权节点，并准备在授权时隙中发送数据；如果请求节点解析到的授权可用时隙为零，则不回复授权确认消息。

上述的多址调度方法，子网内的调度过程中，某节点退避结束后，以退避结束后的第一个空闲时隙为本次的竞争目标。

上述的多址调度方法，子网内的调度过程中，某节点选举成功后，竞争获得的时隙便是下次发送控制消息的时机。

上述的多址调度方法，子网内的调度过程中，某节点选举成功后，该节点的调度信息被携带于所发送的控制消息中广播出去，以直接告知或转发告知给周围的邻居。

上述的多址调度方法，子网内的调度过程中，数据消息发送的预约方式通过三次握手过程完成。

上述的多址调度方法，子网内的调度过程中，数据消息发送的三次握手过程为：

首先，请求节点发送请求消息给授权节点，在请求消息中携带本次发送数据需要占用的资源和本地时隙表的可用时隙；其次，授权节点接收到该请求消息后，先查看所述本地时隙表中的可用时隙，如果有可授权时隙，则授权节点根据请求节点请求的时隙数量分配可用时隙并添加到授权消息中，返回给请求节点；否则，返回的消息中授权时隙清零；最后，请求节点接收到授权消息后，解析其中的授权可用时隙，如果不为零，将接收到的消息拷贝形成授权确认消息返回给授权节点，并准备在授权时隙中发送数据，如果请求节点解析到的授权可用时隙为零，则不回复授权确认消息。

本发明相比于现有技术具有如下有益效果：

(1)针对跨域网络中空间尺度大的特点，优化了预约和轮询等多址技术由于高时延造成的性能难以保证的问题。

(2)针对跨域网络中网络业务随机分布的特点，改进了基于优先级概率统计的多址接入协议SPMA(Statistic Priority-based Multiple Access)技术，该协议在负载加重时碰撞随之加剧，造成系统性能指标恶化的问题。

(3)针对跨域网络中节点随机移动，拓扑无序变化等特点，改善此场景下均分技术场景适用性差，随场景变化性能下降的问题。

附图说明

图1为高效鲁棒多址技术途径；

图2为多址机制单跳时延、单跳效率；图2(a)为此机制下节点个数与时延的关系，图2(b)为此机制下节点个数与网络开销的关系；

图3为多址机制两跳时延、两跳效率；图3(a)为此机制下节点个数与时延的关系，图3(b)为此机制下节点个数与网络开销的关系；

图4为高效鲁棒多址技术可行性分析；

图5为SPMA机制时延；

图6为控制消息选举流程；

图7为数据消息预约流程；

图8为均分流程；

图9为子网间结合选举与预约的混合资源调度流程。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的实施方式作进一步详细描述。

针对跨域网络的多址调度机制设计，具体实现过程如下：

(1)首先分析在竞争、选举、预约、均分等机制在不同网络参数(节点数量，流量、节点运动特性)下的适用性。

(2)结合竞争与预约的混合资源调度机制以及结合竞争与均分的混合资源调度机制，并结合不同场景需求进行机制关键参数优化。本部分技术途径如图1所示。

(3)建立竞争、竞争+预约与预约三种机制的时延和效率性能分析模型，如图2所示。

(4)分析几种机制的两跳时延和效率，如图3所示。

(5)综合考虑网络参数、信道和干扰参数、业务参数与协议关键参数等，设计结合竞争与预约的混合资源调度机制以及综合服务驱动的均分资源调度机制，并根据跨域互联网络需求进行资源调度机制核心参数优化。

更进一步的：

基于跨域网络需求分析SPMA、轮询、Beacon、选举、预约等多址机制在不同子网内与子网间适用性，面向预约和轮询等多址技术低时延性能难以保证等问题，设计结合选举与预约的混合多址机制以及综合服务驱动的均分多址机制，优化机制关键参数，进一步提升系统实时性、稳定性与有效性。

高效可靠多址是实现完全跨域互联组网与数据传输的基础。目前资源调度机制如图4所示。

SPMA采用结合异步跳频的随机竞争技术，不需要节点同步，但在负载加重时碰撞随之加剧，造成系统性能指标恶化；预约技术可以保证无碰传输，但信息交互开销较大且时延性能差；均分技术无需多次交互、可降低部分开销，但拓扑变化场景适用性差。针对跨域互联网络不同子网通信特征与业务需求，需设计混合资源调度机制，以满足不同场景需求。

首先分析竞争、选举、预约、均分等机制在不同网络参数下的适用性；其次，提出结合竞争与预约的混合资源调度机制以及结合竞争与均分的混合资源调度机制，并结合不同场景需求进行机制关键参数优化，技术途径如图1所示。

建立竞争、竞争+预约与预约三种机制的时延和效率性能分析模型，如图所示。从图2中可以看出，仅当邻居节点数不超过1时，竞争机制的时延较小，随着邻居节点数的增多，其时延急剧增加；当邻居节点数在2到5之间时，采用预约+竞争机制的时延和开销均低于预约机制；当邻居节点数大于6时，预约机制的时延和开销最低。

几种机制的两跳时延和效率如下图所示。从图3中可以看出，两跳场景下竞争机制的时延远高于其他两种机制；当邻居节点数不超过1时，竞争+预约机制的时延较小，但开销却是预约和竞争机制的5倍左右；当邻居节点数大于2时，预约机制的时延和开销均较小。

此外，本项目综合考虑网络参数、信道和干扰参数、业务参数与协议关键参数等，建立SPMA时延模型。在该机制下的接入成功概率与网络中竞争节点数、竞争窗口大小、频点数量、最大退避次数的关系可参考CSMA协议。

如图5所示，固定各优先级业务检测成功概率，改变网络节点数进行仿真。可以看出，随着邻居节点数的增多，低优先级业务逐渐开始退避，直至不能发送；高优先级业务可以一直保持较低的时延与较高的传输成功概率。

综合考虑网络参数、信道和干扰参数、业务参数与协议关键参数等，设计结合竞争与预约的混合资源调度机制以及综合服务驱动的均分资源调度机制，并根据跨域互联网络需求进行资源调度机制核心参数优化。提出了一种混合MAC协议，提出了一种混合MAC协议，该协议是结合选举与预约的混合多址机制以及综合服务驱动的均分多址机制，优化机制关键参数，进一步提升系统实时性、稳定性与有效性。实现了减小时延，提高吞吐量，降低丢包率的目的。

1.子网内混合资源调度流程

(1)结合选举与预约的混合资源调度流程

如图6所示，网络控制消息发送采用选举机制，利用退避和伪随机哈希函数保证节点接入的公平性、唯一性。

在一次选举成功后，节点立刻进入退避状态，退避结束后继续参与选举竞争。以退避结束后的第一个空闲时隙为本次的竞争目标，根据本节点掌握的邻居节点的调度信息确定合法的竞争集合。然后执行伪随机哈希混合函数与竞争节点展开选举，若选举失败，则将当前竞争时隙加1，重新确定竞争集合再次执行选举算法，直到本节点选举成功获得控制时隙为止。竞争获得的这个时隙便是下次发送控制消息的时机，转化为本节点的调度信息被携带于本次发送的控制消息中广播出去，以直接告知或转发告知给周围的邻居。

如图7所示，数据消息发送采用预约机制。当节点A向节点B发送数据，则发送数据的节点A为请求节点(Requester)，接收数据的节点为授权节点(Granter)，预约方式通过三次握手过程完成。

首先，请求节点发送请求消息(DSCH：Request)给授权节点，在请求消息中携带本次发送数据需要占用的资源(即时隙总数)和本地时隙表的可用时隙；其次，授权节点接收到该请求消息后，先查看本地时隙表中的可用时隙，如果有可授权时隙，则授权节点根据请求节点请求的数量分配可用时隙并添加到授权消息(DSCH：Grant)中，返回给请求节点；否则，返回的消息中授权时隙清零，表示没有可用的授权时隙。请求节点接收到授权消息后，解析其中的授权可用时隙。如果不为零，表示授权节点划分了可用的时隙资源，将接收到的消息拷贝形成授权确认消息(DSCH：Confirm)返回给授权节点，并准备在授权时隙中发送数据。如果请求节点解析到的授权可用时隙为零，则不回复授权确认消息，将申请要发送是数据包暂存到重传队列，或者直接丢弃。

(2)结合竞争与均分的混合资源调度流程

控制消息采用竞争机制，节点通过竞争方式发送控制消息。控制消息包括节点ID号、发送消息的帧号与时隙号、拓扑矩阵、邻居列表、节点总数、出入网标志位等。

数据时隙按节点ID号以及在网节点数平均分配，如图8所示。每个在网节点获得一帧中连续的数据时隙个数为一帧数据时隙总数/在网节点总数。

节点首先根据拓扑矩阵计算出此拓扑中的总节点数，并与接收到的节点总数进行对比。当调度周期内的对比结果均一致时，节点划分数据时隙并进入下一轮重新划分。

2.子网间混合资源调度流程

子网间混合资源调度的核心思想是改进的选举结合预约或竞争结合均分的混合资源调度机制，使用全向与定向控制消息联合确定是否进行空间复用。以改进的选举结合预约机制为例，控制消息采用竞争机制，节点通过竞争方式发送控制消息。控制消息包括节点ID号、发送消息的帧号与时隙号、拓扑矩阵、邻居列表、节点总数、出入网标志位等。数据时隙按节点ID号以及在网节点数平均分配，每个在网节点获得一帧中连续的数据时隙个数为一帧数据时隙总数/在网节点总数。如图9所示。

相邻节点间的位置关系通过入网和网络维护过程已确定，彼此知道对应的波束号信息。在进行资源请求的过程中，发送节点首先通过全向天线广播DSCH：Request请求消息，在请求消息中除了携带本次发送数据需要占用的资源和维护的本地时隙表的可用时隙外，还包括了接收节点号以及彼此所使用的波束信息。发送节点的邻居接收到该DSCH消息后，与自身维护的邻居列表进行对比，若DSCH消息中携带的波束号与本节点与该发送节点所使用的波束相同，则认为不能空间复用。反之，若波束号不重合，则可以进行空间复用，该邻居节点重复以上过程，发送DSCH消息继续进行资源请求。

授权节点接收到该请求消息后，查询本地时隙表中的可用时隙，若有可用时隙，则授权节点根据请求节点请求的数量分配可用时隙并添加到授权消息(DSCH：Grant)中，返回给请求节点。否则，返回的消息中授权时隙清零，表示没有可用的授权时隙。返回的授权消息中仍然包含这条业务链路的两个节点所使用的波束号信息。邻居节点通过接收该授权消息，进行第二次空间复用判断，有效的保证了子网间资源分配的可靠性。

请求节点接收到授权消息后，解析其中的授权可用时隙。如果不为零，表示授权节点划分了可用的时隙资源，将接收到的消息拷贝形成授权确认消息(DSCH：Confirm)返回给授权节点，并准备在授权时隙中发送数据。如果请求节点解析到的授权可用时隙为零，则不回复授权确认消息，将申请要发送是数据包暂存到重传队列，或者直接丢弃。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (6)

1.一种针对跨域网络的多址调度方法，其特征在于，将跨域网络分为多个子网；

子网内的调度包括如下步骤：

控制消息发送采用选举机制，某节点选举成功后，该节点进入退避状态，退避结束后继续参与选举竞争；退避结束后，根据该节点获得的邻居节点的调度信息确定合法的竞争集合，利用伪随机哈希混合函数与竞争节点展开选举，若选举失败，重新确定竞争集合再次执行选举，直到该节点选举成功；

数据消息发送采用预约机制，预约方式通过握手过程完成；

子网间的调度包括如下步骤：

相邻节点间的位置关系通过入网和网络维护过程已确定，彼此知道对应的波束号信息；发送节点首先通过全向天线广播请求消息，在请求消息中包括本次发送数据需要占用的资源、本地时隙表的可用时隙、接收节点号以及彼此所使用的波束信息；发送节点的邻居节点接收到该请求消息后，与自身维护的邻居列表进行对比，若该请求消息中携带的波束号与本节点与该发送节点所使用的波束相同，则认为不能空间复用，反之则可以进行空间复用，该邻居节点重复以上过程，发送请求消息继续进行资源请求；

授权节点接收到请求消息后，查询本地时隙表中的可用时隙，若有可用时隙，则授权节点根据请求节点请求的时隙数量分配可用时隙并添加到授权消息中，返回给请求节点；否则，返回的消息中授权时隙清零；同时返回的授权消息中还包含这条业务链路的两个节点所使用的波束号信息；授权节点的邻居节点通过接收该授权消息，进行第二次空间复用判断，保证了子网间资源分配的可靠性；

请求节点接收到授权消息后，解析授权可用时隙；如果不为零，将接收到的消息拷贝形成授权确认消息返回给授权节点，并准备在授权时隙中发送数据；如果请求节点解析到的授权可用时隙为零，则不回复授权确认消息。

2.根据权利要求1所述的多址调度方法，其特征在于，子网内的调度过程中，某节点退避结束后，以退避结束后的第一个空闲时隙为本次的竞争目标。

3.根据权利要求1所述的多址调度方法，其特征在于，子网内的调度过程中，某节点选举成功后，竞争获得的时隙便是下次发送控制消息的时机。

4.根据权利要求1所述的多址调度方法，其特征在于，子网内的调度过程中，某节点选举成功后，该节点的调度信息被携带于所发送的控制消息中广播出去，以直接告知或转发告知给周围的邻居。

5.根据权利要求1所述的多址调度方法，其特征在于，子网内的调度过程中，数据消息发送的预约方式通过三次握手过程完成。

6.根据权利要求5所述的多址调度方法，其特征在于，子网内的调度过程中，数据消息发送的三次握手过程为：

首先，请求节点发送请求消息给授权节点，在请求消息中携带本次发送数据需要占用的资源和本地时隙表的可用时隙；其次，授权节点接收到该请求消息后，先查看所述本地时隙表中的可用时隙，如果有可授权时隙，则授权节点根据请求节点请求的时隙数量分配可用时隙并添加到授权消息中，返回给请求节点；否则，返回的消息中授权时隙清零；最后，请求节点接收到授权消息后，解析其中的授权可用时隙，如果不为零，将接收到的消息拷贝形成授权确认消息返回给授权节点，并准备在授权时隙中发送数据，如果请求节点解析到的授权可用时隙为零，则不回复授权确认消息。

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