CN113573419A - 一种考虑多优先级业务的多跳网络信道接入方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种考虑多优先级业务的多跳网络信道接入方法。该方法包括信道占用度统计模块、优先级业务接入阈值模块、低优先级退避算法模块；其中，信道占用度统计模块主要通过统计信道上数据包的数量以及信道传输时延计算得到信道占用度；各优先级数据包接入阈值模块，在保证最高优先级业务优先发包的条件下，设置其他各优先级数据包的接入阈值；低优先级退避算法模块通过不同信道的信道负载、不同优先级对应的负载调节因子以及不同优先级下的最大竞争窗口共同计算得到合理的退避窗口大小，执行退避。在退避时间到达时，对未过期的数据包寻找可用信道发送数据包，对过期的数据包，进行丢包处理。

Description

一种考虑多优先级业务的多跳网络信道接入方法
技术领域
本发明属于媒体接入层的协议算法，涉及一种考虑多优先级业务的多跳网络信道接入方法。
背景技术
随着无线通信技术的不断发展，无人机使用方式已逐步从单平台应用向多平台“集群”应用方向发展。无人机蜂群作战要求，无人机通信不完全依赖于地面控制站或卫星等基础通信设施，而是将无人机作为网络节点，采用动态组网、无线中继等技术实现无人机间的互连互通。
无人机自组网，存在大尺度稀疏分布、多业务并存、信道质量不稳定等问题。随着网络负载的增大，易使信道中产生大量拥塞和冲突，导致网络性能的下降，将无法保障控制指令等高优先级业务低时延、高可靠的服务质量。因此，需要网络协议来协调安排信道资源的使用，使各无人机可以通过有效的方式接入信道，高效、公平、合理地共享有限的带宽资源，实时传输作战信息。
在现有的数据链路层信道接入协议中，典型的退避算法是二进制退避算法。二进制退避算法能够解决信道冲突的问题，有利于原来竞争成功的业务在最快的时间内发送，但是在业务负载较大的情况下，容易造成其他业务无法获取信道的使用权。二进制退避算法无法适应真实的无人机作战场景，没有严格区分业务的优先级高低，容易造成紧急业务无法被立即处理的状况。针对BEB算法存在的缺陷，已涌现出多种方法模型来研究和改善退避算法，如MILD算法，FCR算法，DIDD算法，这些算法都在某一方面改进了二进制退避算法，但是不能很好地保证网络吞吐量，在竞争窗口剧烈变化时造成数据包接入信道公平性的问题，无法适应真实的作战场景。
因此，针对无人机自组网特性设计一个在多跳网路下多优先级业务的信道接入方法尤为重要。
发明内容
为解决上述问题，本发明提出了一种考虑多优先级业务的多跳网络信道接入方法，包括以下步骤：
S1，初始化阶段；
S2，发送数据包；
S3，根据各信道的信道负载求得各信道的信道占用度；
S4，根据不同优先级数据包的无法接入信道时的负载情况设置各优先级的接入阈值；
S5，判断是否为最高优先级数据包；
S51，是，则选择信道占用度最小的信道接入网络，S52，发送数据；
S53，否，则判断信道占用度小于数据包接入阈值，是，则执行S51；
S6，否，则根据信道负载、不同优先级对应的负载调节因子，以及不同优先级下的最大竞争窗口共同计算得到退避窗口大小，选择合理的退避窗口执行退避；
S7，判断是否数据包已过期；否，则返回S53；
S8，是，则超时丢包。
优选地，所述初始化阶段包括首先，设置无人机节点之间的通信距离，获取网络节点的基本配置信息；其次，无人机节点之间周期性的发送HELLO包来获取全网节点的位置信息；再次，通过Dijkstra算法，得到本节点到全网任意无人机节点的最短路径，每个无人机都生成一张各自需要维护的路由表。
优选地，所述发送数据包包括获取数据包的优先级并根据其优先级进行排队，然后将数据包放入各优先级所对应的缓存队列中。
优选地，所述根据各信道的信道负载求得各信道的信道占用度具体包括计算干扰范围内各信道前n个周期的负载情况，采用自回归模型来预估下一时刻的各信道负载，信道负载的计算公式为：
Xm(t)＝a1Xm(t-n)+a2Xm(t-n+1)+…+anXm(t-1) (1)
其中，m表示当前信道，Xm(t)表示t时刻的信道负载，Xm(t-n)表示前n时刻的信道负载，Xm(t-n+1)表示前n-1时刻的信道负载，以此类推，Xm(t-1)表示前1时刻的信道负载；a1,a2,…an表示前1,2,…,n时刻信道负载对当前时刻信道负载的影响因子；各节点利用式(2)，计算信道m的信道占用度
Figure BDA0003111286950000031
Figure BDA0003111286950000032
其中，γ表示信道传输时延。
优选地，所述根据不同优先级数据包的无法接入信道时的负载情况设置各优先级的接入阈值具体包括设置不同优先级数据包的接入阈值，阈值的设置需要保证不对最高优先级业务产生干扰，在t时隙，最高优先级i(i＝1)业务到达时，设置其接入阈值
Figure BDA0003111286950000033
，使最高优先级业务直接接入信道；在t时隙，其他优先级i(i≥2)业务接入阈值为
Figure BDA0003111286950000034
。不同优先级业务接入阈值
Figure BDA0003111286950000035
满足如下公式：
Figure BDA0003111286950000036
其中，M表示信道总个数，Xi表示当前时刻优先级i(i≥2)业务无法接入信道时，网络所对应的负载，k表示不同网络负载下接入阈值的系数。
优选地，所述判断是否为最高优先级数据包之后，对于最高级业务，S51，选择信道占用度最小的信道立即接入网络，S52，发送数据；对于其他优先级业务，S53，若信道m的信道占用度小于数据包所对应优先级i的接入阈值，则将该信道m加入可选信道列表，若可选信道列表长度大于1，则S51，优先级业务数据包选择一条信道占用度最小的信道接入网络；若所有信道的信道占用度都大于数据包接入阈值，该数据包不允许接入信道，需要执行S6。
优选地，所述S6包括根据式(5)产生退避窗口，执行退避机制，当优先级业务进入退避阶段时，统计该优先级i(i≥2)业务对应的信道m的忙闲程度值
Figure BDA0003111286950000041
其表达式为：
Figure BDA0003111286950000042
其中，M表示信道总个数，
Figure BDA0003111286950000043
为当前t时刻干扰范围内各信道上的总负载，αi表示优先级业务i的负载调节因子，Xm(t)表示当前t时刻信道m上的负载大小，
优先级业务i的竞争窗口表达式为
Figure BDA0003111286950000044
其中，
Figure BDA0003111286950000045
表示优先级i业务无法接入信道时执行第j次退避阶段的退避时间，其值为区间
Figure BDA0003111286950000046
内的随机数，RAND表示取随机数，
Figure BDA0003111286950000047
为不同优先级的最大竞争窗口。
优选地，所述判断是否数据包已过期具体为根据数据包的时延敏感度，定义包的生命周期T，每执行一次退避，都要判断此时该数据包是否已达到生命周期T，如果已过期，则S8丢弃该数据包。否则，返回执行S53，寻找可用信道。
本发明有益效果至少包括：
1)该方法计算干扰范围内各信道前n个周期的负载情况，利用自回归(AR)模型预估下一时刻的各信道负载情况，提高了评估的准确性。
2)该方法采用信道负载、由优先级决定的负载调节因子，以及不同优先级下的最大竞争窗口共同计算得到每次退避的窗口大小，并根据不同数据包的时延要求计算得到退避次数，设计退避算法。该方法能够自适应调整退避机制下竞争窗口和总体等待延时，合理的分配了信道资源，提高了信道利用率。
附图说明
图1为本发明实施例的考虑多优先级业务的多跳网络信道接入方法的网络节点示意图；
图2为本发明实施例的考虑多优先级业务的多跳网络信道接入方法的流程图；
图3为本发明实施例的考虑多优先级业务的多跳网络信道接入方法的网络负载与吞吐量对比仿真图。
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，以下结合附图及实施例，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。
相反，本发明涵盖任何由权利要求定义的在本发明的精髓和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。进一步，为了使公众对本发明有更好的了解，在下文对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本发明。
参见图1，本发明假定整个网络的拓扑如图1所示。考虑无人机之间通信是一个无线多跳网络，该网络包含100个无人机节点，节点的发包间隔服从均匀分布，节点间最大通信距离为300m，最大信道数为4，信道发送数据包速率3Mbit/s，每个数据包大小设置为10240bit。统计得到干扰范围内各信道在前三个统计周期内发送数据包数量，依照这些前期数据，估计出该示例下的AR模型为式(6)：
Figure BDA0003111286950000051
其中，Xm(t0)表示当前t0时刻信道m的信道负载；Xm(t0-Ts)表示前Ts时刻信道m的信道负载；Xm(t0-2Ts)表示前2Ts时刻信道m的信道负载；Xm(t0-3Ts)表示前3Ts时刻信道m的信道负载。
根据式(7)计算信道传输时延γ，其大小等于发包的比特长度与信道传输速率的比值，
Figure BDA0003111286950000061
其中，p表示发包的比特长度，v表示信道传输速率。
将(6)和(7)代入(2)式，得到信道m的信道占用度
Figure BDA0003111286950000062
对各个优先级业务设置接入阈值，其中最高优先级业务具有最高的接入特性。当最高优先级业务达到时，需要保证此优先级业务在信道m上成功发送概率pm大于99％，此时网络中所能容纳的最大的负载为Xmax，成功发送概率pm服从泊松分布。设接入网络的优先级业务比例为1,2,…,I＝k1:k2:…:kI，当优先级i(i≥2)业务达到且无法接入信道时，网络中对应的负载Xi需要满足式(8)：
Figure BDA0003111286950000063
其中，M表示信道总个数，γ为信道传输时延。
令pm＝99％，可以求解Xi的值，将Xi代入(3)式，求得当前时刻优先级i(i≥2)数据包到达时的接入阈值
Figure BDA0003111286950000064
，其中，
Figure BDA0003111286950000065
对于最高优先级业务具有最高的接入阈值，当最高优先级业务到达时，分配一个信道占用度最小的信道立即接入网络；当较低优先级业务到达时，若信道占用度小于数据包优先级接入阈值，将对应的信道加入可选信道列表。若可选信道列表存在至少一个信道，则数据包选择一条信道占用度最小的信道接入网络。当所有信道的占用度都大于数据包接入阈值时，该包不允许接入信道，需要执行退避机制。
信道接入失败时，数据包执行退避机制。当优先级业务进入退避阶段时，统计该优先级i(i≥2)业务对应的各信道m的忙闲程度值
Figure BDA0003111286950000066
，其表达式为：
Figure BDA0003111286950000071
式中，
Figure BDA0003111286950000072
为当前t时刻干扰范围内各信道m(m∈[1,M])上的总负载，αi表示优先级业务i的负载调节因子；Xm(t)表示当前t时刻信道m上的负载大小，其值越大，则意味着处于相同优先级业务的信道忙闲程度值
Figure BDA0003111286950000073
越大，接入当前信道m的数据包越多；反之，
Figure BDA0003111286950000074
越小。
其优先级业务i的竞争窗口表达式为
Figure BDA0003111286950000075
式中，
Figure BDA0003111286950000076
表示优先级i业务无法接入信道时执行第j次退避阶段的退避时间，其值为区间
Figure BDA0003111286950000077
内的随机数，RAND表示取随机数，
Figure BDA0003111286950000078
为不同优先级的最大竞争窗口。
根据数据包的时延敏感度，定义包的生命周期T，每执行一次退避，都要判断此时该数据包是否已达到生命周期T，如果已过期，则丢弃该数据包；否则，继续寻找可用信道。
参见图2，为本发明的步骤流程图，S1，初始化阶段；
S2，发送数据包；
S3，根据各信道的信道负载求得各信道的信道占用度；
S4，根据不同优先级数据包的无法接入信道时的负载情况设置各优先级的接入阈值；
S5，判断是否为最高优先级数据包；
S51，是，则选择信道占用度最小的信道接入网络，S52，发送数据；
S53，否，则判断信道占用度小于数据包接入阈值，是，则执行S51；
S6，否，则根据信道负载、不同优先级对应的负载调节因子，以及不同优先级下的最大竞争窗口共同计算得到退避窗口大小，选择合理的退避窗口执行退避；
S7，判断是否数据包已过期；否，则返回S53；
S8，是，则超时丢包。
S1，初始化阶段包括首先，设置无人机节点之间的通信距离，获取网络节点的基本配置信息，MAC(介质访问控制)层接收到要发送的数据包；其次，无人机节点之间周期性的发送HELLO包来获取全网节点的位置信息；再次，通过Dijkstra算法，得到本节点到全网任意无人机节点的最短路径，每个无人机都生成一张各自需要维护的路由表。
S2，发送数据包包括获取数据包的优先级并根据其优先级进行排队，然后将数据包放入各优先级所对应的缓存队列中。
S3，根据各信道的信道负载求得各信道的信道占用度具体包括计算干扰范围内各信道前n个周期的负载情况，采用自回归模型来预估下一时刻的各信道负载，信道负载的计算公式为：
Xm(t)＝a1Xm(t-n)+a2Xm(t-n+1)+…+anXm(t-1) (1)
其中，m表示当前信道，Xm(t)表示t时刻的信道负载，Xm(t-n)表示前n时刻的信道负载，Xm(t-n+1)表示前n-1时刻的信道负载，以此类推，Xm(t-1)表示前1时刻的信道负载；a1,a2,…an表示前1,2,…,n时刻信道负载对当前时刻信道负载的影响因子；各节点利用式(2)，计算信道m的信道占用度
Figure BDA0003111286950000081
Figure BDA0003111286950000082
其中，γ表示信道传输时延。
S4，根据不同优先级数据包的无法接入信道时的负载情况设置各优先级的接入阈值具体包括设置不同优先级数据包的接入阈值，阈值的设置需要保证不对最高优先级业务产生干扰，在t时隙，最高优先级i(i＝1)业务到达时，设置其接入阈值
Figure BDA0003111286950000083
，使最高优先级业务直接接入信道；在t时隙，其他优先级i(i≥2)业务接入阈值为
Figure BDA0003111286950000084
。不同优先级业务接入阈值
Figure BDA0003111286950000085
满足如下公式：
Figure BDA0003111286950000091
其中，M表示信道总个数，Xi表示当前时刻优先级i(i≥2)业务无法接入信道时，网络所对应的负载，k表示不同网络负载下接入阈值的系数。
S5判断是否为最高优先级数据包之后，对于最高级业务，S51，选择信道占用度最小的信道立即接入网络，S52，发送数据；对于其他优先级业务，S53，若信道m的信道占用度小于数据包所对应优先级i的接入阈值，则将该信道m加入可选信道列表，若可选信道列表长度大于1，则S51，优先级业务数据包选择一条信道占用度最小的信道接入网络；若所有信道的信道占用度都大于数据包接入阈值，该数据包不允许接入信道，需要执行S6。
S6包括根据式(5)产生退避窗口，执行退避机制，当优先级业务进入退避阶段时，统计该优先级i(i≥2)业务对应的信道m的忙闲程度值CWim，其表达式为：
Figure BDA0003111286950000092
其中，M表示信道总个数，
Figure BDA0003111286950000093
为当前t时刻干扰范围内各信道上的总负载，αi表示优先级业务i的负载调节因子，Xm(t)表示当前t时刻信道m上的负载大小，
优先级业务i的竞争窗口表达式为
Figure BDA0003111286950000094
其中，
Figure BDA0003111286950000095
表示优先级i业务无法接入信道时执行第j次退避阶段的退避时间，其值为区间
Figure BDA0003111286950000096
内的随机数，RAND表示取随机数，
Figure BDA0003111286950000097
为不同优先级的最大竞争窗口。
S7，判断是否数据包已过期具体为根据数据包的时延敏感度，定义包的生命周期T，每执行一次退避，都要判断此时该数据包是否已达到生命周期T，如果已过期，则S8丢弃该数据包；否，则返回执行S53，寻找可用信道。
仿真时间设置为10s，网络随机选取18个节点发送数据业务，随机产生目的节点，设置优先级个数为4，其中各优先级业务i(2≤i≤4)的负载调节因子和最大竞争窗口为，αi＝[0.0016,0.0032,0.0064]，
Figure BDA0003111286950000101
参见图3，仿真结果图，从结果中可以看出，当全网产生的媒体接入层的负载(MAC load)达到99Mbit/s时，能够保证全网的媒体接入层的吞吐量(MAC throughput)达到97Mbit/s且保持稳定的状态，保证网络中的数据包的丢包率控制在3％以下，提高了数据的接入成功率。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，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，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种考虑多优先级业务的多跳网络信道接入方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1，初始化阶段；
S2，发送数据包；
S3，根据各信道的信道负载求得各信道的信道占用度；
S4，根据不同优先级数据包无法接入信道时的负载情况设置各优先级的接入阈值；
S5，判断是否为最高优先级数据包；
S51，是，则选择信道占用度最小的信道接入网络，S52，发送数据；
S53，否，则判断信道占用度小于数据包接入阈值，是，则执行S51；
S6，否，则根据信道负载、不同优先级对应的负载调节因子，以及不同优先级下的最大竞争窗口共同计算得到退避窗口大小，选择合理的退避窗口执行退避；
S7，判断是否数据包已过期；否，则返回S53；
S8，是，则超时丢包。
2.根据权利要求1所述的考虑多优先级业务的多跳网络信道接入方法，其特征在于，所述初始化阶段包括首先，设置无人机节点之间的通信距离，获取网络节点的基本配置信息；其次，无人机节点之间周期性的发送HELLO包来获取全网节点的位置信息；再次，通过Dijkstra算法，得到本节点到全网任意无人机节点的最短路径，每个无人机都生成一张各自需要维护的路由表。
3.根据权利要求1所述的考虑多优先级业务的多跳网络信道接入方法，其特征在于，所述发送数据包包括获取数据包的优先级并根据其优先级进行排队，然后将数据包放入各优先级所对应的缓存队列中。
4.根据权利要求1所述的考虑多优先级业务的多跳网络信道接入方法，其特征在于，所述根据各信道的信道负载求得各信道的信道占用度具体包括计算干扰范围内各信道前n个周期的负载情况，采用自回归模型来预估下一时刻的各信道负载，信道负载的计算公式为：
Xm(t)＝a1Xm(t-n)+a2Xm(t-n+1)+…+anXm(t-1) (1)
其中，m表示当前信道，Xm(t)表示t时刻的信道负载，Xm(t-n)表示前n时刻的信道负载，Xm(t-n+1)表示前n-1时刻的信道负载，以此类推，Xm(t-1)表示前1时刻的信道负载；a1,a2,…an表示前1,2,…,n时刻信道负载对当前时刻信道负载的影响因子；各节点利用式(2)，计算信道m的信道占用度
Figure FDA0003111286940000021
Figure FDA0003111286940000022
其中，γ表示信道传输时延。
5.根据权利要求1所述的考虑多优先级业务的多跳网络信道接入方法，其特征在于，所述根据不同优先级数据包的无法接入信道时的负载情况设置各优先级的接入阈值具体包括设置不同优先级数据包的接入阈值，阈值的设置需要保证不对最高优先级业务产生干扰，在t时隙，最高优先级i(i＝1)业务到达时，设置其接入阈值
Figure FDA0003111286940000024
使最高优先级业务直接接入信道；在t时隙，其他优先级i(i≥2)业务接入阈值为
Figure FDA0003111286940000025
不同优先级业务接入阈值
Figure FDA0003111286940000026
满足如下公式：
Figure FDA0003111286940000023
其中，M表示信道总个数，Xi表示当前时刻优先级i(i≥2)业务无法接入信道时，网络所对应的负载，k表示不同网络负载下接入阈值的系数。
6.根据权利要求1所述的考虑多优先级业务的多跳网络信道接入方法，其特征在于，所述判断是否为最高优先级数据包之后，对于最高级业务，S51，选择信道占用度最小的信道立即接入网络，S52，发送数据；对于其他优先级业务，S53，若信道m的信道占用度小于数据包所对应优先级i的接入阈值，则将该信道m加入可选信道列表，若可选信道列表长度大于1，则S51，优先级业务数据包选择一条信道占用度最小的信道接入网络；若所有信道的信道占用度都大于数据包接入阈值，该数据包不允许接入信道，需要执行S6。
7.根据权利要求1所述的考虑多优先级业务的多跳网络信道接入方法，其特征在于，所述S6包括根据式(5)产生退避窗口，执行退避机制，当优先级业务进入退避阶段时，统计该优先级i(i≥2)业务对应的信道m的忙闲程度值
Figure FDA0003111286940000037
其表达式为：
Figure FDA0003111286940000031
其中，M表示信道总个数，
Figure FDA0003111286940000032
为当前t时刻干扰范围内各信道上的总负载，αi表示优先级业务i的负载调节因子，Xm(t)表示当前t时刻信道m上的负载大小；
优先级业务i的竞争窗口表达式为：
Figure FDA0003111286940000033
其中，
Figure FDA0003111286940000034
表示优先级i业务无法接入信道时执行第j次退避阶段的退避时间，其值为区间
Figure FDA0003111286940000035
内的随机数，RAND表示取随机数，
Figure FDA0003111286940000036
为不同优先级的最大竞争窗口。
8.根据权利要求1所述的考虑多优先级业务的多跳网络信道接入方法，其特征在于，所述判断是否数据包已过期具体为根据数据包的时延敏感度，定义包的生命周期T，每执行一次退避，都要判断此时该数据包是否已达到生命周期T，如果已过期，则S8丢弃该数据包；否则，返回执行S53，寻找可用信道。
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