CN113727347B - 一种基于arq的自适应阻继网络优化方法 - Google Patents

一种基于arq的自适应阻继网络优化方法 Download PDF

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Abstract

本发明提出了一种基于ARQ的自适应阻继网络优化方法，包括受拦截区域的建立、数据传输与自动重传、受拦截区域重建和受拦截区域取消；在数据传输阶段，在阻继网络中加入自动重传请求协议，通过使用确认和超时两个机制使源节点可以决定是否重传数据。在阻继网络受控拦截区域重建，利用重传的统计数据对受控拦截区域的大小和持续周期进行优化，是一种不依赖于网络拓扑结构而路由的移动自组织网络协议，本发明提供了受控拦截区域自适应调整方法，提高了网络可靠性的同时节约了网络开销。

Description

一种基于ARQ的自适应阻继网络优化方法
技术领域
本发明涉及无线通信技术领域，具体是一种基于ARQ的自适应阻继网络优化方法。
背景技术
现代战争场景对无线通信系统提出了新的要求，主要包括通信质量可靠安全、不依赖于基站、协议可拓展性强、通信设备功耗低等要求。战场通信环境通常具有节点位置频繁改变、节点脆弱、网络拓扑结构频繁变化等特点。面对复杂的战场环境，移动自组织网络通过节点间相互协作完成信息传输，可以有效提高战场环境下的通信效率，提升网络传输性能。阻继网络(Barrage Relay Network，BRN)是一种应用于陆军下层网络的移动自组织网络[4]，主要服务于单兵及较小规模无线电用户，主要任务是实现区域内的信息共享，包括上级向下级传达作战指令、同级设备间战术交流等，具有接入时间短、可拓展性强、可靠性和稳定性高的特点。
阻继网络的主要原理是利用部分节点的抑制转发功能将网络划分成若干个相互独立的通信区域，在独立区域内通过泛洪算法实现有效的数据传输。阻继网络主要通过三个步骤来实现点对点的通信：首先是建立受控拦截区(Controlled-Barrage Regions，CBR)，即通过在源节点广播中控消息，并由中间节点记录其到源和目的节点的跳数距离来确定自己的功能身份(中继转发节点或信息阻拦节点(Buffer Node))后，构建出一个源到目的之间的数据流传输区域。在整个网络中可以构建多个这样相互独立的传输区域，使得多个单播流能够在网络中同时传输。随后，受控拦截区域内的节点通过同步时分多址(TDMA)调度和多节点协作通信将数据由发送节点广播至目的节点，所有节点时隙同步后，源节点在固定时隙周期发送一次消息，收到消息的节点在下一时隙通过协作通信转发此消息。在此过程中，阻继网络通过防碰撞机制实现空间复用。最后，在通信结束后取消受控拦截区域。
受控拦截区域的大小和传输速率成为影响阻继网络的传输效率的重要因素。受控拦截区域过大会影响业务建立时间和消息路由的时间，增加端到端通信延迟和网络开销；受控拦截区域过小又会使网络变得脆弱，在网络拓扑改变或部分节点失效时使得端到端阻继区域中断。针对此问题，Talarico等提出考虑相邻受控拦截区域之间的信道干扰和传输中断概率，优化受控拦截区域的最佳传输速率，但是该方案没有考虑受控拦截区域大小优化。
在战场环境中，节点移动和失效的情况频繁发生，会导致报文整体丢失。传统阻继网络采用固定周期重建受控拦截区域，不能在网络的状态发生改变时适时作出调整。
针对上述问题，本发明提出了一种基于ARQ的自适应阻继网络协议，用以解决现有技术存在的不足。。
发明内容
本发明的目的是为了克服上述问题，提出一种基于ARQ的自适应阻继网络优化方法，通过在阻继网络中加入自动重传请求协议以提高传输的可靠性，同时利用重传的统计数据对受控拦截区域的大小和持续周期进行优化以节约网络开销。
技术方案：为达到上述目的，本发明所述的一种基于ARQ的自适应阻继网络优化方法，包括受拦截区域的建立、数据传输与自动重传、受拦截区域重建和受拦截区域取消；具体包括以下步骤：具体包括以下步骤：
S1、源节点发送RTS包，通过泛洪至目的节点；
S2、中间节点接收并转发RTS包，并通过步骤S1中的数据获得距离源节点的跳数；
S3、目的节点接收RTS，获得源节点到目的节点的跳数；
S4、目的节点分别广播数据清除数据包和CTS包，通过泛洪至源节点，CTS包中包含跳数计数器；
S5、中间节点接收并转发CTS包，并通过步骤S4中的数据获得距离目的节点的跳数；；
S6、源节点接收CTS包，并获得源节点距离目的节点的跳数；
S7、节点根据接收到的RTS包和CTS包判决自己的身份，包括转发节点和缓存节点，转发节点在数据传输中负责转发数据，缓存节点在数据传输中不转发数据；
S8源节点开始传输数据，传输数据过程中转发节点转发数据包，通过泛洪传输至目的节点，缓存节点不转发数据包，将泛洪区域限制在一定范围内，避免泛洪风暴，数据传输过程加入自动重传请求方法；
S9、目的节点正确接收数据包后反馈数据包对应的ACK；
S10、源节点根据目的节点的反馈决定是否重传数据包，若超时未收到目的节点的ACK则重传数据包，传输过程采用窗口缓存控制机制；
S11、数据传输过程中，源节点S记录近K次发送数据包中重传数据包的比例p，设定重传频率的上下限分别为C1、C2，若p≤C1，则N--，并触发中断信号，重建受控拦截区域，进入步骤S1；若p≥C2，则N++，并重建受控拦截区域，进入步骤S1；若C1≤p≤C2，则维持当前受控拦截区域不变；
S12、数据传输完成后，源节点广播取消受控拦截区域指令，节点取消自己的身份判决。
进一步地，步骤S2中，未收到RTS包的节点为缓存节点，不参与数据转发。
进一步地，步骤S5中，未收到RTS包的节点为缓存节点，不参与数据转发。
进一步地，步骤S7中中间节点根据从RTS包和CTS包获得的距离源节点的跳数a(v)和距离目的节点的跳数b(v)，若满足判决公式：
a(v)+b(v)≤6+N
则是转发节点，转发接收到的数据，否则为缓存节点，不参与数据转发。进一步地，数据传输方法为：未参与步骤S1至步骤S7环节的节点，
不参与数据传输。
进一步地，步骤S8中，自动重传请求方法为源节点每发送一个数据包则启动一个定时器，若超时未收到ACK则重新传输对应的数据包。
进一步地，步骤S9中，ACK反馈方法为目的节点正确接收数据包后通过ACK反馈该数据包对应编号。
进一步地，步骤S10中，自动重传请求的缓存控制机制如下：源节点采用滑动窗口的方式确定待发送数据包，在固定长度的窗口中，若窗口有空闲位置，则发送数据包并将数据包编号填入窗口中，若收到ACK则在窗口中删除对应的数据包编号以空出窗口位置。若窗口中所有数据包都未收到ACK，则窗口进入等待状态，待收到新的ACK再传输新的数据包。
上述技术方案可以看出，本发明的有益效果为：
(1)本发明所述的一种基于ARQ的自适应阻继网络优化方法，在阻继网络中加入自动重传请求协议以进一步提高网络的可靠性，同时利用重传的统计数据对阻继网络的受控拦截区域的大小和周期进行优化，在提高网络可靠性的同时节约网络开销自动重传请求方法的加入提高了分组投递率。
(2)本发明所述的一种基于ARQ的自适应阻继网络优化方法，提出的自动重传请求方案，中间节点不参与ACK确认，保留了阻继网络原有的网络性能。
附图说明
图1为本发明的流程图
图2为受控拦截区域建立的流程图；
图2(a)源节点发送RTS包示意图；
图2(b)目的节点发送CTS包示意图；
图2(c)中间节点进行身份判决示意图；
图3为源节点数据传输的算法流程图；
图4为目的节点返回ACK的算法流程图；
图5为源节点处理ACK的算法流程图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。
如图1所示的一种基于ARQ的自适应阻继网络优化方法，包括受拦截区域的建立、数据传输与自动重传、受拦截区域重建和受拦截区域取消；具体包括以下步骤：
S1、源节点发送RTS包，通过泛洪至目的节点；
S2、中间节点接收并转发RTS包，并通过步骤S1中的数据获得距离源节点的跳数；
S3、目的节点接收RTS，获得源节点到目的节点的跳数；
S4、目的节点分别广播数据清除数据包和CTS包，通过泛洪至源节点，CTS包中包含跳数计数器；
S5、中间节点接收并转发CTS包，并通过步骤S4中的数据获得距离目的节点的跳数；；
S6、源节点接收CTS包，并获得源节点距离目的节点的跳数；
S7、节点根据接收到的RTS包和CTS包判决自己的身份，包括转发节点和缓存节点，转发节点在数据传输中负责转发数据，缓存节点在数据传输中不转发数据；
S8源节点开始传输数据，传输数据过程中转发节点转发数据包，通过泛洪传输至目的节点，缓存节点不转发数据包，将泛洪区域限制在一定范围内，避免泛洪风暴，数据传输过程加入自动重传请求方法；
S9、目的节点正确接收数据包后反馈数据包对应的ACK；
S10、源节点根据目的节点的反馈决定是否重传数据包，若超时未收到目的节点的ACK则重传数据包，传输过程采用窗口缓存控制机制；
S11、数据传输过程中，源节点S记录近K次发送数据包中重传数据包的比例p，设定重传频率的上下限分别为C1、C2，若p≤C1，则N--，并触发中断信号，重建受控拦截区域，进入步骤S1；若p≥C2，则N++，并重建受控拦截区域，进入步骤S1；若C1≤p≤C2，则维持当前受控拦截区域不变；
S12、数据传输完成后，源节点广播取消受控拦截区域指令，节点取消自己的身份判决。
其中，步骤S2中，未收到RTS包的节点为缓存节点，不参与数据转发。步骤S5中，未收到RTS包的节点为缓存节点，不参与数据转发。步骤S7中中间节点根据从RTS包和CTS包获得的距离源节点的跳数a(v)和距离目的节点的跳数b(v)，若满足判决公式：
a(v)+b(v)≤δ+N
则是转发节点，转发接收到的数据，否则为缓存节点，不参与数据转发。
本实施例中数据传输方法为：未参与步骤S1至步骤S7环节的节点，不参与数据传输。
本实施例中步骤S8中，自动重传请求方法为源节点每发送一个数据包则启动一个定时器，若超时未收到ACK则重新传输对应的数据包。
本实施例中步骤S9中，ACK反馈方法为目的节点正确接收数据包后通过ACK反馈该数据包对应编号。
本实施例中步骤S10中，自动重传请求的缓存控制机制如下：源节点采用滑动窗口的方式确定待发送数据包，在固定长度的窗口中，若窗口有空闲位置，则发送数据包并将数据包编号填入窗口中，若收到ACK则在窗口中删除对应的数据包编号以空出窗口位置。若窗口中所有数据包都未收到ACK，则窗口进入等待状态，待收到新的ACK再传输新的数据包。
本实施例中基于ARQ的自适应阻继网络优化方法的详细过程如下：
一、阻继网络模型的符号定义
本发明采用标准随机网络模型，标记网络拓扑为G＝(V,E)，拓扑的顶点v∈V表示无线网络的节点，边线e表示网络可靠的对称链路。对于不同的节点u,v∈V，(u,v)∈E表示节点u与节点v之间的无线连接。对于任意的G\U表示仅包含于G而不包含于U的G的子图。对于不相同的节点u,v,w∈V，d(u,v)定义为连接节点u和节点v的最短路径长度，d(u,v；w)定义为连接节点u和节点v但不经过节点w的最短路径长度。设两个节点之间的传播速度为Wuv，设定受控拦截区域的宽度参数为非负整数N。
二、受控拦截区域的建立
在受控拦截区域建立阶段，本发明提出的网络优化方法与传统的阻继网络建立过程一致。CBR建立过程需要依赖基于TDMA的时隙调度策略与自主协同技术。受控拦截区域建立主要需要经过源节点广播、目的节点广播、中间节点身份判决三个步骤，图2展示了CBR的建立过程。
首先由源节点发送RTS包，通过泛洪至目的节点。
RTS包的参数主要包括S_ID，D_ID，d(S,v)，其中d(S,v)为跳数计数参数，记录该RTS包传输经过的跳数，起始值为0，每转发一次，则跳数加一。泛洪过程中，接收到RTS的中间节点解码RTS包获取本节点离源节点S的最短跳数a(v)＝d(s,v；D)，并将d(S,v)加1后转发至下一跳。
由源节点S向目的节点D广播CTS的过程如图2(a)所示，图中S为源节点，D为目的节点，V为中间节点，图中节点V获取的跳数为2，实线箭头表示V等2跳节点收到RTS包时已经进行泛洪传输的路径，即距离源节点跳数小于等于2的路径，虚线箭头表示待继续泛洪传输的路径，即距离源节点S大于两跳的路径，V节点等两跳节点收到RTS包后，在TDMA协同调度下，继续逐跳传输。
在目的节点收到RTS包后，解析出源节点与目的节点的最短跳数δ＝d(S,D)。广播数据阻拦包和CTS包。收到数据阻拦包的节点将不再转发RTS包。CTS包的参数主要包括D_ID，S_ID，d(D,v)，其中d(D,v)为跳数计数参数，记录该CTS包传输经过的跳数，起始值为0，每转发一次，则跳数加一。收到CTS包的中间节点若此前接收过RTS包，则解码CTS包获取本节点离目的节点D的最短跳数b(v)＝d(D,v；S)，并将d(D,v)加1后转发至下一跳。
图2(b)表示由目的节点D向源节点S广播CTS的过程，图中中间节点V获取的距离目的节点D的跳数为2，实线箭头表示V等节点收到CTS包时已经进行泛洪传输的路径，即距离目的节点D跳数小于等于2的路径，虚线箭头表示待继续泛洪传输的路径，即距离目的节点D大于两跳的路径，V节点等两跳节点收到CTS包后，在TDMA协同调度下，继续逐跳传输，直到源节点收到CTS包。
此时中间节点有三种状态：(1)收到了RTS而未收到CTS的节点身份判定为阻塞身份节点，也称为B身份(Buffer Nodes)，B身份的节点在稍后的数据传输中不转发数据包；(2)收到了CTS而未收到RTS的节点也判定为B身份节点；(3)同时收到RTS和CTS的节点若满足传输身份
判决公式
a(v)+b(v)≤δ+N
则判决为传输身份节点，也称为R身份节点(Interior Nodes)，可以在数据传输中转发数据，否则判定为B身份节点。
节点的身份判决结果如图2(c)所示，图中源节点与目的节点的最短跳数δ＝4，取受控拦截区域宽度参数N＝1，对于节点V，a(V)＝2，b(V)＝2，则根据上述判决方法，V节点等方形节点判定为R身份节点，菱形节点判定为B身份节点。可以看出上述参数N的大小会影响节点的身份判定，从而影响受控拦截区域的大小。
未参与上述过程的节点为不可达节点U。
三、数据传输与自动重传
在传输阶段，一般依靠路径路由的网络的中间节点需要解码数据包选择传输路径，而由于阻继网络的数据传输是基于泛洪进行的，阻继网络的中间节点在受控拦截区域建立后，无需为了判断数据包的传输路径而对数据包进行解包，而是只根据节点自身的身份选择对数据包转发或丢弃，即R身份节点转发数据包，B身份节点不转发数据包。所以针对阻继网络的自动重传方案也不应需要中间节点参与解包，而是使ACK包(Acknowledgepacket)只在源节点进行判断，中间节点只进行转发。
具体的重传方案如下：
首先，源节点发送数据包并包含(PCK_ID,S,D)，并启动相应的定时器。源节点在数据传输阶段的算法流程如图3所示。
目的节点收到数据包后回复与数据包对应的ACK(PCK_ID)，ACK消息传回路径与数据包发送路径一致，错误接收或未接收到数据包则不回传ACK消息。目的节点接收到数据包后的算法流程如图3所示。
源节点超时未收到ACK，则重传未收到对应ACK消息的数据包，并统计重传频率。当重传频率出现较大变化时，修改公式a(v)+b(v)≤δ+N中的N值，重建CBR。源节点收到重复的ACK后丢弃，每个数据包只重传一次。源节点处理ACK的算法流程图如图5所示。
四、受控拦截区域重建
传统的阻继网络采用固定周期重建受控拦截区域的方式应对节点移动或失效对网络产生的影响，这种方式不能在网络的状态发生改变时适时作出调整。
本发明提出依据网络重传频率自适应调整受控拦截区域的更新频率和区域大小。在网络比较稳定时减少受控拦截区域的更新频率，以减少对网络资源的消耗，在网络不稳定时增加受控拦截区域的更新频率，以提高传输的成功率，同时可以根据网络状态自适应调整受控拦截区域大小。网络重传的频率可以在一定程度上反映当前网络的稳定状态。源节点频繁重传显示网络不稳定、中间节点变化大，需要及时增大受控拦截区域；源节点长时间不进行重传，说明网络比较稳定，可以不需要更新受控拦截区域，或者适当减少受控拦截区域的大小以减少网络开销。
具体而言，在数据传输过程中，源节点S记录近K次发送数据包中重传数据包的比例p，设定重传频率的上下限分别为C1、C2，若p≤C1，则N--，并触发中断信号，重建受控拦截区域；
若p≥C2，则N++，并重建受控拦截区域；若C1≤p≤C2，则维持当前受控拦截区域不变。
关于重建受控拦截区域，有两种方案，一种是每个中间节点基于原有离源节点和目的节点的跳数a(v)、b(v)，根据新的N值，重新根据判决公式(1)调整自己的身份；另一种是网络进入初次建立受控拦截区域的阶段，源节点重新开始发送RTS信号，目的节点重新发送CTS信号，节点重新获得离源节点和目的节点的跳数a(v)、b(v)。
两者不同的是，由于N值被修改，依据判决公式a(v)+b(v)≤δ+N重新确定节点身份后，受控拦截区域的大小亦被改变。考虑到当网络触发重建受控拦截区域条件时，网络中的节点变化较大，原有的节点跳数可能已经失效，同时由于CBR初始建立的速度也较快，本发明采用上述第二种方案，网络中的节点重新获取自己的a(v)、b(v)，并根据新的N值重新判定身份。
五、受控拦截区域取消
在传输任务完成后，源节点广播销毁此次传输任务对应受控拦截区域的信号，收到信号的节点取消自己的身份判决，受控拦截区域取消。
实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

Claims (7)

1.一种基于ARQ的自适应阻继网络优化方法，其特征在于：
包括受拦截区域的建立、数据传输与自动重传、受拦截区域重建和受拦截区域取消；
具体包括以下步骤：
S1、源节点发送RTS包，通过泛洪至目的节点；
S2、中间节点接收并转发RTS包，并通过步骤S1中的数据获得距离源节点的跳数；
S3、目的节点接收RTS，获得源节点到目的节点的跳数；
S4、目的节点分别广播数据清除数据包和CTS包，通过泛洪至源节点，CTS包中包含跳数计数器；
S5、中间节点接收并转发CTS包，并通过步骤S4中的数据获得距离目的节点的跳数；
S6、源节点接收CTS包，并获得源节点距离目的节点的跳数；
S7、节点根据接收到的RTS包和CTS包判决自己的身份，包括转发节点和缓存节点，转发节点在数据传输中负责转发数据，缓存节点在数据传输中不转发数据；
S8、源节点开始传输数据，传输数据过程中转发节点转发数据包，通过泛洪传输至目的节点，缓存节点不转发数据包，将泛洪区域限制在一定范围内，避免泛洪风暴，数据传输过程加入自动重传请求方法；
S9、目的节点正确接收数据包后反馈数据包对应的ACK；
S10、源节点根据目的节点的反馈决定是否重传数据包，若超时未收到目的节点的ACK则重传数据包，传输过程采用窗口缓存控制机制；
S11、数据传输过程中，源节点S记录近K次发送数据包中重传数据包的比例p，设定重传频率的上下限分别为C1、C2，若p≤C1，则N--，并触发中断信号，重建受控拦截区域，进入步骤S1；若p≥C2，则N++，并重建受控拦截区域，进入步骤S1；若C1≤p≤C2，则维持当前受控拦截区域不变；
S12、数据传输完成后，源节点广播取消受控拦截区域指令，节点取消自己的身份判决；
步骤S7中，中间节点根据从RTS包和CTS包获得的距离源节点的跳数a(v)和距离目的节点的跳数b(v)，若满足判决公式：
a(v)+b(v)≤δ+N
则是转发节点，转发接收到的数据，否则为缓存节点，不参与数据转发；
其中，源节点与目的节点的最短跳数为δ，受控拦截区域宽度参数为N。
2.根据权利要求1所述的一种基于ARQ的自适应阻继网络优化方法，其特征在于：
步骤S2中，未收到RTS包的节点为缓存节点，不参与数据转发。
3.根据权利要求2所述的一种基于ARQ的自适应阻继网络优化方法，其特征在于：
步骤S5中，未收到RTS包的节点为缓存节点，不参与数据转发。
4.根据权利要求1所述的一种基于ARQ的自适应阻继网络优化方法，其特征在于，
步骤S2中的数据传输方法如下：未参与步骤S1至步骤S7环节的节点，不参与数据传输。
5.根据权利要求1所述的一种基于ARQ的自适应阻继网络优化方法，其特征在于，
步骤S8中，自动重传请求方法为源节点每发送一个数据包则启动一个定时器，若超时未收到ACK则重新传输对应的数据包。
6.根据权利要求1所述的一种基于ARQ的自适应阻继网络优化方法，其特征在于，
步骤S9中，ACK反馈方法为目的节点正确接收数据包后通过ACK反馈该数据包对应编号。
7.根据权利要求1所述的一种基于ARQ的自适应阻继网络优化方法，其特征在于，
步骤S10中，自动重传请求的缓存控制机制如下：源节点采用滑动窗口的方式确定待发送数据包，在固定长度的窗口中，若窗口有空闲位置，则发送数据包并将数据包编号填入窗口中，若收到ACK则在窗口中删除对应的数据包编号以空出窗口位置；若窗口中所有数据包都未收到ACK，则窗口进入等待状态，待收到新的ACK再传输新的数据包。
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