CN113727459A - 一种基于多优先级接入协议的退避算法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于多优先级接入协议的退避算法，属于无线网络通信领域，解决现有技术中高优先级业务时延过高，低优先级业务退避时延过高和信道资源利用不充分的问题。本发明的算法包括：根据应用层数据包的优先级等级、各优先级业务比例和信道负载，设置第一参数；根据所述第一参数，建立退避时间函数模型；根据系统丢包率最低原则，获取所述退避时间函数模型的参数；根据所述退避时间函数模型，确定退避时间。本发明适用于基于多优先级等级接入协议的退避算法设计。

Description

一种基于多优先级接入协议的退避算法
技术领域
本申请涉及无线网络通信领域，尤其涉及一种基于多优先级接入协议的退避算法。
背景技术
自组织网络作为一种现代无线网络系统，不依赖于预设的基础设施，具有快速组网、扩展性好、自愈性强等特点，因而获得众多科研人员的广泛关注和研究。其媒质访问控制(Media Access Control，MAC)协议，决定了众多节点如何公平有效地共享无线信道资源。节点对信道的获取能力主要取决于MAC协议设定的退避时间。每当一个以上的节点同一时刻试图访问介质时，就会导致分组碰撞的发生。如果相撞的节点试图再次访问信道，数据包会再次发生碰撞。退避算法通过一种退避准则，生成退避时间，是MAC协议的重要组成部分、是一种协调信道竞争接入的方法。因此MAC协议退避时间算法起着至关重要的作用，如何设计合理的退避算法，提高系统网络吞吐率、减小传输时延、保证节点接入信道的公平性，一直是研究的热点问题。
为使网络中高优先级分组的高吞吐率、低时延和服务质量(QoS)得到保证，统计优先级多址接入(Statistic Priority-based Multiple Acces，SPMA)协议应运而生。在该协议中，当信道负载大于待发送数据包对应优先级阈值时，该数据包需要根据退避算法执行回退操作。退避时间过短，不能有效地降低信道负载；退避时间过长，将无故地增加数据包接入信道地时延，造成不必要的信道资源浪费。
现主要存在三种退避算法，分别是二进制指数退避算法、线性增长型随机退避算法和对数增长型退避算法。其中，二进制指数退避算法可以有效解决节点在进入信道时的冲突问题，但是该算法认为各数据包之间是地位平等的，不能为高优先级数据包提供高服务质量保证，并且会带来较大的时延。线性增长型退避算法保证了高优先级业务比低优先级业务有更高的信道接入能力，方法简单、运算高效，但是该算法认为最大退避时间仅与业务优先级有关系，且是线性关系，无法动态调整，任何业务量情况下退避时间都差不多，并且在某些情况下低优先级数据包退避时间比高优先级数据包还低，与设计思路相违背。因此发展出了对数增长型退避算法，在设计退避时间时将信道占用率也考虑进来，可以根据信道情况动态调整退避时间，降低了低优先级业务的时延。然而这种算法存在可以改进的地方。该协议本希望在任何信道负载情况下都能为高优先级业务提供高质量服务，但该算法在高业务量情况下会同步增大高优先级业务的退避时间，导致高优先级业务时延增大，降低高优先级的服务质量。
发明内容
本申请提供了一种基于多优先级接入协议的退避算法，解决了无法同时兼顾优先级等级、业务比例和信道负载的情况下，产生高优先级业务时延过高，低优先级业务退避时延过高和信道资源利用不充分的问题。
本发明一方面提供了一种基于多优先级接入协议的退避算法，该算法中，
根据应用层数据包的优先级等级、各优先级业务比例和信道负载，设置第一参数；
根据所述第一参数，建立退避时间函数模型；
根据系统丢包率最低原则，获取所述退避时间函数模型的参数；
根据所述退避时间函数模型，确定退避时间。
进一步地，所述优先级等级设置为8个等级。
进一步地，将网络层信道负载统计到的数据包通过优先级数据包分类器进行筛选，获取所述各优先级业务比例。
进一步地，利用分布式自组网系统的基于网络层的信道负载统计方法，获取所述信道负载。
进一步地，所述根据系统丢包率最低原则，获取所述退避时间函数模型的参数，具体为：
利用二分查找法，根据系统丢包率最低的原则，获取所述退避时间函数模型的参数。
进一步地，所述利用二分查找法，根据系统丢包率最低的原则，获取所述退避时间函数模型的参数，具体步骤为：
步骤一、所述参数包括第二参数和第三参数，确定所述第二参数的范围和所述第三参数的范围，根据所述第二参数的范围和所述第三参数的范围设置搜索区间，所述搜索区间为所述第二参数的范围和所述第三参数的范围构成的平面；
步骤二、在所述第三参数的范围内，将所述第三参数设为一固定值，不断改变所述第二参数，通过仿真搜索所述第二参数方向上丢包率的第一极小值；
步骤三、将所述第一极小值对应的所述第二参数设为固定值，不断改变所述第三参数，通过仿真搜索所述第三参数方向上丢包率的第二极小值；
步骤四、在退避时间允许的范围内，改变搜索区间，重复步骤一到步骤三，得到所述第二参数和所述第三参数的取值。
进一步地，所述根据应用层数据包的优先级等级、各优先级业务比例和信道负载，设置第一参数，具体为：
PLR＝(p-3)×L÷ri
其中，PLR为所述第一参数，P为所述优先级等级，L为所述信道负载，ri为所述各优先级业务比例。
进一步地，所述退避时间函数模型为反正切函数增长模型。
进一步地，所述退避时间函数模型具体为：
Figure BDA0003204248130000031
其中，Tbackoff为退避时间，PLR为所述第一参数，E为所述第二参数，F为所述第三参数，random(x)表示生成一个(0,x)间均匀分布的随机数。
本发明另一方面还提供了一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器中存储有计算机程序，当所述处理器运行所述存储器存储的计算机程序时，所述处理器执行如上文所述的一种基于多优先级接入协议的退避算法的步骤。
与现有技术相比，本发明的优点和有益效果：
本发明提供的一种基于多优先级接入协议的退避算法，首先该算法同时考虑应用层数据包的优先级等级、信道负载和业务比例，可以将较高优先级业务时延控制在较低范围内，同时避免了低优先级业务退避时延过高的问题，降低数据包之间的冲突并提高信道利用率，使得在信道繁忙时缓解了信道拥挤情况，充分利用了信道资源；其次该算法的设计还依据丢包率最低原则，从而保证了服务质量。
本发明适用于基于多优先级等级接入协议的通信网络系统退避算法设计。
附图说明
为了更清楚地说明本申请的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，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的附图。
图1是具体实施方式中F参数对退避算法“退避时间-优先级曲线”影响示意图；
图2是一种基于多优先级接入协议的退避算法设计流程图；
图3是具体实施方式中退避算法“优先级-业务-退避时间三维曲线”示意图；
图4是具体实施方式中最后一次搜索中不同F参数下系统总丢包率曲线示意图。
具体实施方式
图2为本申请一种基于多优先级接入协议的退避算法的流程图，参见图2，本发明一方面提供了一种基于多优先级接入协议的退避算法，所述的退避算法的设计是基于统计优先级多址接入协议(Statistical Priority-based Multiple Access，SPMA)的。
一种基于多优先级接入协议的退避算法，该算法中，根据应用层数据包的优先级等级、各优先级业务比例和信道负载，设置第一参数，具体包括：
其中，所述优先级等级设置为8个等级；
利用分布式自组网系统的基于网络层的信道负载统计方法，获取所述信道负载；
将网络层信道负载统计到的数据包通过优先级数据包分类器进行筛选，获取所述各优先级业务比例。
根据SPMA协议的运行机制可以发现，SPMA协议中有三个重要参数：优先级等级p、信道负载L、该应用层数据包的业务比例ri。首先，为使高优先级等级业务获得高质量服务，其优先级等级p的数值越小、退避时间越小；而且，信道繁忙时退避算法需要增大退避时间以缓解数据包碰撞，随着信道负载L增大显然退避时间也应增大；而且退避时间会随着各优先级等级业务比例ri的变化而自适应变化，在信道繁忙时适当缩短高占比业务的退避时间有助于缓解信道拥挤情况，各优先级等级业务比例ri越大，退避时间越小。可见，退避时间Tbackoff与p、L成正比，与ri成反比。因而第一参数设置为：
PLR＝(p-3)×L÷ri
根据所述第一参数PLR，建立退避时间函数模型，具体包括：
需要考虑退避时间需要与以上参数呈怎样的关系。对于选用的增长函数模型，希望函数有上界，避免退避时间越来越长没有尽头的情况；并且，该模型在高优先级等级业务的时延增长较慢，低优先级等级业务的时延不能增长过快。综合考虑，该模型应是单调增长且有上界、函数先下凸再上凸，因而采用反正切函数增长模型，定义反正切函数增长模型的两个参数为E、F，则退避时间与参数的关系为：
Figure BDA0003204248130000041
Figure BDA0003204248130000051
其中random(x)表示生成一个(0,x)间均匀分布的随机数，代表加入一个随机抖动时延来避免同优先级等级业务的碰撞。
其中，E和F为退避时间函数模型的参数，本申请定义为第二参数和第三参数。
根据系统丢包率最低原则，获取所述退避时间函数模型的参数，具体包括：
参数E是一个幅度缩放因子，主要决定退避时间的数量级；参数F是一个水平缩放因子，决定了“退避时间-优先级等级曲线”上各优先级等级的分布情况。二者均影响各优先级等级退避时间的大小，退避时间太短会导致碰撞加剧进而增大系统丢包率；退避时间太长又会导致时延增大、信道利用率下降，因而合理的退避算法应兼顾丢包率和时延两个指标。不妨设系统丢包率是一个关于参数E、F的二元函数：
Ploss＝f(E,F)
首先讨论E参数对丢包率的影响：E主要决定退避时间的数量级，退避时间太短会因加剧数据包碰撞而导致丢包率上升，退避时间太长因数据包过期进而导致丢包率上升。因此丢包率的二元函数应在参数E方向上应存在一个极小值，该极小值对应着最低丢包率。
接下来讨论参数F对丢包率的影响。F参数决定了“退避时间-优先级等级图线”在横轴方向上的缩放情况，定性绘制参数F偏小、适中、偏大三种情况下的“退避时间-优先级等级图线”，如图1所示。F参数较小时函数曲线向横轴方向拉伸，导致各优先级等级退避时间近似成线性关系，且高低优先级等级退避时间的区分度比较低，无法在业务量增大时实现对比优先级等级业务的有效退避，从而导致总丢包率上升；当F参数较大时，曲线向对称中心收拢，低优先级等级业务之间的退避时间没有明显差距，例如图1中优先级等级4、5、6、7业务的退避时间相差较小，这几种业务几乎同时完成退避并且再次竞争信道，会陷入“竞争-退避-再竞争”的循环，导致系统丢包率增大；因此F参数的选取不宜过小也不宜过大，良好的退避算法应当使各优先级等级业务的退避时间呈现一个明显的梯度，从而实现对业务的分级控制效果。故丢包率的二元函数应在参数F方向上应存在一个极小值，该极小值同样代表最低丢包率。
综上，丢包率的二元函数应在参数E、F两个方向上均存在极小值。通过以下步骤获得在丢包率取极小值的情况下对应的E和F值：
利用反正切函数为增长模型来设计PLR退避算法，同时考虑优先级等级p、信道负载L、各优先级等级业务比例ri三个参数为PLR参数，通过仿真搜索确定PLR退避算法。具体实施方式结合图2具体说明如下：
步骤一、确定退避时间算法的参数PLR，根据下式计算参数PLR
PLR＝(p-3)×L÷ri
其中p为优先级等级个数，L为信道负载统计值、ri为各优先级等级业务比例。
步骤二、确定退避时间Tbackoff，根据下式得到退避时间Tbackoff
Figure BDA0003204248130000061
其中p为优先级等级个数，L为信道负载统计值、ri为各优先级等级业务比例。random(x)表示生成一个(0,x)间均匀分布的随机数，代表加入一个随机抖动时延来避免同优先级等级业务的碰撞。
步骤三、定义参数E、F的范围，定义搜索区域为二者构成的平面。
步骤四、将参数F设置为其范围内的一个固定值，不断改变参数E，通过仿真搜索参数E方向上丢包率的极小值。
步骤五、步骤四中得到的极小值对应的参数E设定为固定值，不断改变参数F，通过仿真搜索参数F方向上丢包率的极小值。
步骤六、改变搜索区间，重复步骤三到步骤五，得到参数E、F的取值。
根据所述退避时间函数模型，确定退避时间。
本发明提供了一种基于多优先级接入协议的退避算法，该退避算法中，首先，将应用层数据包的优先级等级p、网络中的信道负载L以及优先级业务比例ri作为参数确定退避时间算法的参数PLR，之后利用反正切函数确定退避时间的函数增长模型，其中带有参数E、F。下一步确定参数E、F的范围，定义搜索区间为二者构成的平面。接下来采用二维搜索的方法，将参数F设置为其范围内的一个固定值，不断改变参数E，通过仿真搜索参数E方向上丢包率的极小值；将得到的极小值对应的参数E设定为固定值，不断改变参数F，通过仿真搜索参数F方向上丢包率的极小值；在整个搜索区间上最终得到参数E、F的取值，即得到退避时间函数。
本实施方式效果：
本实施方式旨在设计一种新的基于多优先级等级接入协议的退避算法。新的退避算法将较高优先级等级业务时延控制到较低范围，当信道繁忙时也可以快速控制低优先级等级业务的接入，同时避免了低优先级等级业务退避时延过高的问题。
本实施方式效果验证如下：
假设优先级等级p个数为8，从高到低依次为0、1、2、3、4、5、6、7，信道负载为L＝1Mbps～10Mbps。各优先级所占业务比例ri如表1所示：
表1各优先级所占业务比例
Figure BDA0003204248130000071
图3展示了退避算法“优先级等级-业务量-退避时间”的三维曲面图。固定某一优先级等级不变，增大业务量将会得到“退避时间-业务量曲线”。可以看出当业务量增大时，各优先级等级的退避时间会一次产生一个较快的突变，例如当业务量达到3Mbps左右时，优先级等级7的业务退避时间会迅速增大，使得接入协议可以迅速限制优先级等级7业务接入信道，达到较好的流量控制效果；同时不同优先级等级退避时间产生突变出所对应的业务量是不同的，实现了分级退避，让低优先级等级业务先行退避，高优先级等级业务最后退避。固定某个业务量不变，改变优先级等级会得到“退避时间-优先级等级曲线”。在不同业务量的情况下，该曲线的高优先级等级部分没有明显上升，即该算法在高业务量的情况下依旧可以为高优先级等级业务提供较低的退避时间。
图4为最后依次搜索中不同F参数下系统总丢包率曲线，该图确定了F参数为0.07。
本发明一实施例还提供一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器中存储有计算机程序，当所述处理器运行所述存储器存储的计算机程序时执行如上文所述的一种基于多优先级接入协议的退避算法的步骤。
本发明的上述算例仅为详细地说明本发明的计算模型和计算流程，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims (10)

1.一种基于多优先级接入协议的退避算法，其特征在于，所述方法包括：
根据应用层数据包的优先级等级、各优先级业务比例和信道负载，设置第一参数；
根据所述第一参数，建立退避时间函数模型；
根据系统丢包率最低原则，获取所述退避时间函数模型的参数；
根据所述退避时间函数模型，确定退避时间。
2.根据权利要求1所述的一种基于多优先级接入协议的退避算法，其特征在于：所述优先级等级设置为8个等级。
3.根据权利要求1所述的一种基于多优先级接入协议的退避算法，其特征在于：将网络层信道负载统计到的数据包通过优先级数据包分类器进行筛选，获取所述各优先级业务比例。
4.根据权利要求1所述的一种基于多优先级接入协议的退避算法，其特征在于：利用分布式自组网系统的基于网络层的信道负载统计方法，获取所述信道负载。
5.根据权利要求1所述的一种基于多优先级接入协议的退避算法，其特征在于：所述根据系统丢包率最低原则，获取所述退避时间函数模型的参数，具体为：
利用二分查找法，根据系统丢包率最低的原则，获取所述退避时间函数模型的参数。
6.根据权利要求5所述的一种基于多优先级接入协议的退避算法，其特征在于：所述利用二分查找法，根据系统丢包率最低的原则，获取所述退避时间函数模型的参数，具体步骤为：
步骤一、所述参数包括第二参数和第三参数，确定所述第二参数的范围和所述第三参数的范围，根据所述第二参数的范围和所述第三参数的范围设置搜索区间，所述搜索区间为所述第二参数的范围和所述第三参数的范围构成的平面；
步骤二、在所述第三参数的范围内，将所述第三参数设为一固定值，不断改变所述第二参数，通过仿真搜索所述第二参数方向上丢包率的第一极小值；
步骤三、将所述第一极小值对应的所述第二参数设为固定值，不断改变所述第三参数，通过仿真搜索所述第三参数方向上丢包率的第二极小值；
步骤四、在退避时间允许的范围内，改变搜索区间，重复步骤一到步骤三，得到所述第二参数和所述第三参数的取值。
7.根据权利要求1所述的一种基于多优先级接入协议的退避算法，其特征在于：所述根据应用层数据包的优先级等级、各优先级业务比例和信道负载，设置第一参数，具体为：
PLR＝(p-3)×L÷ri
其中，PLR为所述第一参数，P为所述优先级等级，L为所述信道负载，ri为所述各优先级业务比例。
8.根据权利要求1所述的一种基于多优先级接入协议的退避算法，其特征在于：所述退避时间函数模型为反正切函数增长模型。
9.根据权利要求8所述的一种基于多优先级接入协议的退避算法，其特征在于：所述退避时间函数模型具体为：
Figure FDA0003204248120000021
其中，Tbackoff为退避时间，PLR为所述第一参数，E为所述第二参数，F为所述第三参数，random(x)表示生成一个(0,x)间均匀分布的随机数。
10.一种计算机设备，其特征在于：包括存储器和处理器，所述存储器中存储有计算机程序，当所述处理器运行所述存储器存储的计算机程序时，所述处理器执行根据权利要求1-9中任一项中所述的一种基于多优先级接入协议的退避算法。
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