基于SPMA的混合式信道负载统计方法技术

本发明专利技术提供了一种基于SPMA的混合式信道负载统计方法，分别从物理层获取信道负载和从网络层获取信道负载，在轻负载情况下，使用物理层获得的信道负载统计值，在重负载情况下，通过网络层获得的信道负载统计值进行校准，若两者统计结果之间的差距超过一定容限，则使用网络层获得的信道负载统计值进行校准。本发明专利技术能够降低信道冲突，保证数据发送的实时性和高优先级数据较高的成功传输概率。

【技术实现步骤摘要】
基于SPMA的混合式信道负载统计方法
本专利技术属于无线通信
，涉及链路层协议或称MAC层协议。
技术介绍
在链路层面以“全双工”通信为基础实现的基于优先级概率统计的多址接入协议SPMA(statisticpriority-basedmultipleaccess)，链路层协议或称MAC协议描述了节点接入无线信道的规则，采用合适的MAC协议，能够更合理地分配有限的无线带宽资源，是数据链的关键技术之一。统计优先级多址接入(SPMA)协议的大致结构如图1所示。协议由多个优先级队列、优先级竞争回退窗口、优先级门限、发生调度算法、信道负载统计、收发天线以及相应的分布式控制算法组成。SPMA协议可以看成CSMA协议的升级。CSMA协议中，信道只有两种状态，忙或闲，通过侦听信道上的信号能量来检测。而在SPMA协议中，信道可能会有多种状态，并不是说只要有一个节点在发送数据，就判定信道为忙。SPMA协议是通过MAC层与物理层的交互，根据信道中检测到的脉冲数目和预先设定的阈值确定信道的占用状态，来决定分组的发送。信道负载统计用来统计预定时间段内一个通信信道的活动等级。当高层有分组传输或接收到转发分组时，分组按照一定的规则进入相应的优先级队列，然后由信道负载统计值与相应的优先级门限进行比较，如果信道负载统计值低于优先级门限，则发送分组；如果信道负载统计值高于优先级门限，该优先级分组等待一个随机回退时间，回退时间减为零后，节点再重新检查信道负载统计值进行发送。当在回退时间内有高优先级数据到法时，回退定时器暂停，信道负载统计值立刻与相应高优先级门限进行比较，来决定新到达的高优先级分组的传输。信道负载统计决定了各优先级的包可以即时发送还是做退避处理，从而避免或降低数据包碰撞以及重复发送过程，同时保证高优先级的包以较低的时延和较高的接入成功率发射。因此，信道负载统计是否准确直接影响到SPMA协议的关键性能。负载统计(也称负载感知)的目的主要是针对不同的应用场景利用收集到的负载信息对网络业务流进行均衡，因此针对不同的应用各有侧重的采用不同的负载统计方法和负载判决准则。如LBAR协议主要针对网络延时要求较高的时延敏感应用，LWR协议主要考虑在网络节点密度大、负载重的情况下仍然能够保证网络的稳定，SIN协议主要针对路由开销对路由协议的可扩展性和吞吐率影响进行研究。因此，上述协议中的负载统计方法是分别根据相应协议设计的，无法直接搬移到SPMA协议中使用。在大多数网络协议中都会把自身负载信息加入到周期性广播的路由消息中(如本专利技术中的DNA消息)，从而实现全网的负载统计。但是单纯使用这种方法频繁交互周期性路由消息，必然导致较大的网络开销，如果交互周期太慢又无法实时感知网络负载；熊伟等人在“一种结构化P2P协议中的自适应负载均衡方法”(软件学报，2009)中采用一种被动式节点负载统计方法生成局部负载统计，每个节点在发送消息时，均把自身负载信息加入到消息中，这种方法虽然不会额外增加网络中的消息数量，但是会减少发送消息中能携带的有效数据比特流。此外，张定坤在“基于负载统计的空基自组网的接入控制算法研究”(电子科技大学硕士论文)和汪文晋在“基于竞争机制的无线自组织网络接入控制退避算法研究”(华北电力大学硕士论文)中通过网络中历史数据，建立相应的流量预测模型，对节点未来一段时间内的流量负载情况进行预测，从而实现网络负载统计。这种方法比较适用于网络负载平稳变化的场景，但是SPMA协议的网络中节点发送数据具有很强的突发性和间歇性，当前时刻与之前某一时刻的网络负载状态相关性很小，难以进行准确预测。
技术实现思路
为了克服现有技术的不足，本专利技术提供一种混合式信道负载统计方法，能够降低信道冲突，保证数据发送的实时性和高优先级数据较高的成功传输概率。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案包括以下步骤：(1)网络中的各节点在每个统计窗口T内在每个频点i上从物理层统计一次获得脉冲计数，则节点从物理层获得的信道负载统计表示为Pulses_PHYi(T)＝(TxPulses_locali+RxPulses_locali)其中i＝1，2，3，…，N，TxPulses_locali表示本地节点在频点i上发送的脉冲数目，RxPulses_locali表示本地节点在频点i上接收的脉冲数目；(2)设信道负载统计窗口为{T，T+1，T+2，T+3，T+4}，窗口时间段内在频点i上从物理层获得的信道负载统计值分别为Pulses_PHYi(T)、Pulses_PHYi(T+1)、Pulses_PHYi(T+2)、Pulses_PHYi(T+3)和Pulses_PHYi(T+4)，采用时间窗指数加权算法获得负载统计值，则当前时刻频点i的信道负载统计值为其中，αt为对应窗口的加权值，α0≥α1≥α2≥α3≥α4，(3)优先级队列n有一个数据包m请求发送，该数据包脉冲的跳频图案包括频点(i,h,…,k)，则当前时刻优先级队列n的数据包m从物理层获得的的信道负载统计值就是其所占频点的负载统计值的均值，即(4)节点为DNA消息提供一组TxPulses_LocalNeti值，该值是本地节点在频点i上发送的脉冲数目TxPulses_Local与其他节点在频点i上发送的脉冲数目TxPulses_Neighbor之和，将其定义为频点i上局部网络发送脉冲数目，TxPulses_LocalNeti＝TxPulses_Locali+∑jTxPulses_Neighborij其中，j＝1，2，3，…，M，表示第j个节点；(5)将最大的局部网络发送脉冲数目定义为全局网络发送脉冲数目，TxPulses_GlobalNeti＝MAX1≤j≤M{TxPulses_LocalNetij}；(6)优先级队列n有一个数据包m请求发送，该数据包脉冲的跳频图案包括频点(i,h,…,k)，则当前时刻优先级队列n的数据包m从网络层获得的信道负载统计值就是其所占频点的全局网络发送脉冲数目的均值，即Pulses_NETnm＝mean[TxPulses_GlobalNet{i,h,…,k}]；(7)将Pulses_NETnm和归一化为每秒发送脉冲数目，PPS_NETnm＝Pulses_NETnm/TDNA其中，TDNA表示DNA报告间隔，Tlib表示跳频/跳时库变化间隔，即物理层统计窗口T的大小；(8)PPS_NETnm和PPS_PHYnm之间的差距小于容限PPSdif时，使用物理层获得的信道负载统计值作为标准，否则通过网络层获得的信道负载统计值进行校准，其中，PPS_PANnm表示优先级队列n的数据包m从物理层和网络层两方面结合获得的信道负载统计值，将其与相应的优先级n门限进行比较；如果PPS_PANnm低于优先级n门限，则发送数据包m；否则数据包m等待一个随机回退时间，回退时间减为零后，节点再重新检测信道负载统计值进行发送。本专利技术的有益效果是：在链路层面以全双工通信为基础的基于优先级概率统计的多址接入协议SPMA，其信道负载统计是否准确直接影响到SPMA协议的关键性能。信道负载统计决定了各优先级的包可以即时发送还是做退避处理，从而避免或降低数据包碰撞以及重复发送过程，同时保证高优先级的包以较低的时延和较高的接入成功率发射。本发本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于SPMA的混合式信道负载统计方法，其特征在于包括下述步骤：(1)网络中的各节点在每个统计窗口T内在每个频点i上从物理层统计一次获得脉冲计数，则节点从物理层获得的信道负载统计表示为Pulses_PHY

【技术特征摘要】
1.一种基于SPMA的混合式信道负载统计方法，其特征在于包括下述步骤：(1)网络中的各节点在每个统计窗口T内在每个频点i上从物理层统计一次获得脉冲计数，则节点从物理层获得的信道负载统计表示为Pulses_PHYi(T)＝(TxPulses_locali+RxPulses_locali)其中i＝1，2，3，…，N，TxPulses_locali表示本地节点在频点i上发送的脉冲数目，RxPulses_locali表示本地节点在频点i上接收的脉冲数目；(2)设信道负载统计窗口为{T，T+1，T+2，T+3，T+4}，窗口时间段内在频点i上从物理层获得的信道负载统计值分别为Pulses_PHYi(T)、Pulses_PHYi(T+1)、Pulses_PHYi(T+2)、Pulses_PHYi(T+3)和Pulses_PHYi(T+4)，采用时间窗指数加权算法获得负载统计值，则当前时刻频点i的信道负载统计值为其中，αt为对应窗口的加权值，α0≥α1≥α2≥α3≥α4，(3)优先级队列n有一个数据包m请求发送，该数据包脉冲的跳频图案包括频点(i,h,…,k)，则当前时刻优先级队列n的数据包m从物理层获得的的信道负载统计值就是其所占频点的负载统计值的均值，即(4)节点为DNA消息提供一组TxPulses_LocalNeti值，该值是本地节点在频点i上发送的脉冲数目TxPulses_Local与其他节点在频点i上发送的脉冲数目TxPulses_Neighbor之和，将其定义为频点i...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈少峰，石伟明，杨卓凯，雷一昇，
申请(专利权)人：中国电子科技集团公司第二十研究所，
类型：发明
国别省市：陕西,61