一种临近空间自适应动态带宽分配方法组成比例

本发明专利技术提出一种临近空间自适应动态带宽分配方法。具体为：（1）在已有的临近空间Proximity-1通用MAC帧的格式上，在MAC头新增紧急状况位和表示业务优先级的业务类型位；（2）在改进的通用MAC帧的基础上，具体设计了2种控制帧，分别为：飞行器带宽请求和临空AP带宽响应的控制MAC帧格式；（3）将信道划分为数据信道与控制信道，其中数据信道专门用于传输数据帧，控制信道专门用于传输管理帧与控制帧，以提高系统的吞吐率；（4）基于以上的帧和信道设计，设计了用户飞行器和接入AP之间自适应动态带宽分配流程。本发明专利技术实现了带宽的自适应和信道的划分，提高了临近空间数据传输的吞吐率和可靠性。

【技术实现步骤摘要】
一种临近空间自适应动态带宽分配方法
本专利技术涉及临近空间的临近空间链路协议(Proximity-1)的领域，主要针对中低轨用户飞行器与临空AP之间传输数据的协议方法的讨论，在现有的科学基础上提出了该方法。
技术介绍
空间数据系统咨询委员会(CCSDS)为满足更加复杂的航天任务中对多种不同类型的航天器实施联合控制的需求，在已有的常规在轨数据系统(COS)与高级在轨数据系统(AOS)的基础上开发的一种新的数据链路协议，即临近空间链路协议(Proximity-1SpaceLinkProtocol)。该协议的特点为延时短、信号强度中等，适合短途、双向、固定或变化的无线链路，一般多应用于相对独立的航天器之间互相通信，如轨道器、着陆器、巡视器(漫游车)、轨道星座以及轨道中继等。但是，目前CCSDSProximity-1协议也存在诸多不足：(1)协议帧格式中只划分了业务的优先级，但没有区分业务的紧急状况，会让紧急的业务得不到响应；(2)协议帧格式中虽然有管理数据和用户数据的区分概念，但是没有涉及专门的信道来传输不同类型的帧，临空AP处理的帧的效率无法提高；(3)没有一种动态的自适应的用于飞行器用户和接入点AP之间的带宽分配方法。根据以上事实，本专利技术提出一种临近空间自适应动态带宽分配方法，适用于临空AP处理不同类型的帧，对不同业务类型的带宽请求控制帧动态分配带宽等实际航天任务中的应用问题。
技术实现思路
本专利技术的目的是提出一种临近空间自适应动态带宽分配方法，对临近空间数据传输过程进行控制。首先给出通用帧与控制帧的相关定义：我们把帧的类型按照不同功能划分为数据帧、管理帧和控制帧，其中数据帧主要用于传输数据，控制帧主要用于传输控制信息，管理帧用于传输管理信息。控制帧包括带宽请求控制帧与带宽响应控制帧和预留的其它控制帧。(1)通用帧结构，见附图1所示，其中：版本号(2bit)：通常为“10”。业务质量QoS(1bit):“0”表示该帧为受次序控制的帧，满足接收方的帧检查，提供更加可靠的次序约束服务；“1”表示快速帧。协议数据类型(2bit):“00”表示管理帧，“01”表示控制帧，“10”表示数据帧，“11”预留。子类型(4bit):子类型表示不同的协议数据类型所对应的子类型。该文中主要对控制帧的子类型进行阐述，其子类型的定义见附图2所示。紧急状况(1bit):“0”表示普通业务，顺序执行该类型业务。“1”表示紧急业务，可中断同类优先级或优先级更低的业务。业务类型(2bit)：“00”表示语音业务，“01”表示图像业务，“10”表示数字业务，“11”预留，根据业务类型判定优先级，业务类型对应的二进制数越小，优先级越高，即改进协议中，语音业务的优先级最高。航天器标识ID(SCID)(10bit)：前5位为发送方ID，后5位为接收方ID。物理信道ID(PCID)(1bit):物理通信标识。端口定义(3bit):指定帧的数据域应该经由哪个物理端接收。收发标识(SorD)(1bit):“0”代表发送方传输帧，“1”代表接收方传输帧。帧长(11bit):最大帧长2048B，其中帧头为6B，负载最大为2042B；最小帧长为6B，其中帧头为6B，负载为0。帧号(8bit):用于序列控制，需要单独计数，不参与帧校验过程。负载(0-2042B)：负载区与帧头部分无缝连接，负载区长度可变，最大为2042B，最小为0B。在传输数据帧时，当传输的用户数据大于一帧长度时，对用户数据进行分割；当用户数据小于一帧长度时，尾部填0以达到一帧长度。(2)控制帧结构，见附图3所示，其MAC头的协议数据类型域为“01”。本专利技术中具体设计了2种控制帧：带宽请求控制帧与带宽响应控制帧，其中带宽请求控制帧的负载长度为2B，表示待发送的数据量的大小，带宽响应控制帧的负载长度为1B，表示带宽分配结果。(3)带宽请求控制帧结构，见附图4所示，当用户飞行器需要向临空AP发送数据时，首先发送带宽请求控制帧以请求临空AP分配带宽。带宽请求控制帧中子类型为0000(0x0)，SorD为0(带宽请求控制帧是发送方传输帧)，帧长为00000001000(0x8)，帧号为00000000(0x0)。负载部分用于传输用户飞行器需要发送的待发送数据量的大小，共占2个字节，当该部分的二进制数所代表的十进制值为K时，表示有K帧的数据等待发送。因为一帧的数据量为2B，所以有K×2B的数据量等待发送。2B可以表示的最大十进制数值为216＝65536，所以可以表示的最大传输的数据量为216×2KB。(4)带宽响应控制帧结构，见附图5所示，当临空AP收到用户飞行器发送的带宽请求控制帧时，根据当前剩余带宽情况向用户飞行器发送能够满足用户的带宽大小。带宽响应控制帧中子类型为0001(0x1)，SorD为1(带宽响应控制帧是接收方传输帧)，帧长为00000000111(0x7)，帧号为00000000(0x0)。负载部分用于传输临空AP能够满足用户飞行器的带宽大小，共1B。假设临空AP的总带宽为W，则把总带宽分为28＝256个子带宽，每个子带宽的大小为W/256，当能够分配的带宽为M时，则用所对应的二进制数表示临空AP能够分配的带宽。其次，本专利技术给出信道的定义。我们把信道按照不同的功能划分为控制信道与数据信道，其中控制信道占有很少的带宽，专门用来传输控制帧和管理帧；数据信道占有大部分的带宽用于传输用户数据，这样就实现了数据信道与控制信道相分离，大大的提高了吞吐率。假设我们研究的临空飞行器具有多天线，则我们可以把其中某一个天线的信道作为控制信道，该信道专门用于传输控制帧和管理帧。在以上定义的具体的帧和信道的基础上，设计了用户飞行器和接入AP之间自适应动态带宽分配流程，如附图6所示。步骤①：用户飞行器通过控制信道将带宽请求控制帧发给临空AP，以负载的形式捎带待发送数据量的大小，请求临空AP分配带宽以传输数据(附图7，step100)。步骤②：临空AP根据当前剩余带宽的分配情况用带宽响应控制帧做出应答，如果没有带宽可以分配，则应答请求失败，临空AP应答的带宽响应控制帧中的带宽分配结果部分为全0；如果有剩余带宽能够进行分配则应答带宽分配成功，带宽分配结果部分用实际分配的带宽所对应的二进制数表示。步骤③：临空AP通过控制信道将带宽响应控制帧传输给用户飞行器，以负载的形式捎带带宽分配结果(附图7，step104)。步骤④：用户飞行器根据带宽响应控制帧做出处理，如果带宽分配结果为0，则用户飞行器等待一段随机时间之后重发带宽请求控制帧(附图7，step106)，如果为大于0的数，则用户飞行器通过数据信道开始发送数据(附图7，step105)。在步骤2中，临空AP详细处理流程图见附图7所示。首先，根据普通业务和紧急业务的划分，定义紧急加权系数(紧急系数)kem，普通业务的紧急系数为1，紧急业务的紧急系数为2。然后再根据各业务类型的不同，如音频，图像和数据三类，实现优先级的划分并根据优先级的不同定义了业务加权系数(业务系数)kse，业务加权系数为优先级反码对应的十进制数。本专利技术中，“00”表示语音业务，“01”表示图像业务，“10”表示数字业务，易于得到语音业务的业务加权系数kse＝3，图像业务的业务加权系数kse＝2本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种临近空间自适应动态带宽分配方法，其特征在于：（1）在已有的临近空间Proximity‑1通用MAC帧的格式上，在MAC头新增紧急状况位和表示业务优先级的业务类型位；（2）在改进的通用MAC帧的基础上，具体设计了2种控制帧，分别为：飞行器带宽请求和临空AP带宽响应的控制MAC帧格式；（3）将信道分为控制和数据2种专用信道；（4）基于以上的帧和信道设计，提出了用户飞行器和AP之间的自适应动态带宽分配流程。

【技术特征摘要】
1.一种临近空间自适应动态带宽分配方法，其特征在于：包括如下步骤：S1，在已有的临近空间Proximity-1通用MAC帧的格式上，在MAC头新增紧急状况位和表示业务优先级的业务类型位；S2，在改进的通用MAC帧的基础上，具体设计了2种控制帧，分别为：带宽请求控制帧和带宽响应控制帧；在通用帧格式的基础上，MAC头中含2比特的协议数据类型，区分管理帧、控制帧和数据帧；4比特的子类型，0000表示带宽请求控制帧，0001表示带宽响应控制帧，其他预留；负载，长度在0字节到2042字节之间，带宽请求控制帧和带宽响应控制帧的负载中的二进制数分别对应于用户飞行器将要发送数据量的帧数和临空AP为用户飞行器分配的带宽，具体如下：S2-1，控制帧结构，其MAC头的类型域为“01”，具体设计了2种控制帧：带宽请求控制帧与带宽响应控制帧，其中带宽请求控制帧的负载长度为2B，表示待发送的数据量的大小，带宽响应控制帧的负载长度为1B，表示带宽分配结果；S2-2，带宽请求控制帧结构，当用户飞行器需要向临空AP发送数据时，首先发送带宽请求控制帧以请求临空AP分配所需的带宽，在控制帧的基础上得到的带宽请求控制帧，带宽请求控制帧中子类型为0000，收发标识SorD为0，帧长为00000001000，帧号为00000000；负载部分用于传输用户飞行器需要发送的待发送数据量的大小，共占2个字节，当该部分的二进制数所代表的十进制值为K时，表示有K帧的数据等待发送，因为一帧的数据量为2B，所以有K×2B的数据量等待发送，2B能够表示的最大数为216＝65536，所以能够表示的最大传输的数据量为216×2KB；S2-3，带宽响应控制帧结构，当临空AP收到用户飞行器发送的带宽请求控制帧时，根据当前剩余带宽情况向用户飞行器发送能够满足用户的带宽大小，在控制帧的基础上得到的带宽响应控制帧，带宽响应控制帧中子类型为0001，收发标识SorD为1，帧长为00000000111，帧号为00000000，负载部分用于传输临空AP能够满足用户飞行器的带宽大小，共1B，假设临空AP的总带宽为W，则把总带宽分为28＝256个子带宽，每个子带宽的大小为W/256，当能够分配的带宽为M时，则用所对应的二进制数表示；S3，将信道分为控制和数据2种专用信道；S4，基于以上的帧和信道设计，提出了用户飞行器和AP之间的自适应动态带宽分配流程；S4-1，给出临空AP与用户飞行器相互通信的过程：(1)用户飞行器通过控制信道将带宽请求控制帧发给临空AP，以负载的形式捎带待发送数据量的大小，请求临空AP分配带宽以传输数据；(2)临空AP根据当前剩余带宽的分配情况用带宽响应控制帧做出应答，如果没有带宽分配，则应答请求失败，临空AP应答的带宽响应控制帧中的带宽分配结果部分为全0；如果有剩余带宽能够进行分配则应答带宽分配成功，带宽分配结果部分用实际分配的带宽所对应的二进制数表示；(3)临空AP通过控制信道将带宽响应控制帧传输给用户飞行器，以负载的形式捎带带宽分配结果；(4)用户飞行器根据带宽响应控制帧做出处理，如果带宽分配结果为0，则用户飞行器等待一段随机时间之后重发带宽请求控制帧，如果为大于0的数，则用户飞行器通过数据信道开始发送数据；S4-2，给出临空AP为用户飞行器动态分配带宽的方法：根据普通业务和紧急业务的划分，定义紧急加权系数kem，普通业务的紧急系数为1，紧急业务的紧急系数为2；然后再根据各业务类型的不同，分别为音频，图像和数据三类，实现优先级的划分并根据优先级的不同定义了业务加权系数kse，业务加权系数为优先级反码对应的十进制数；00表示语音业务，01表示图像业务，“10”表示数字业务，易于得到语音业务的业务加权系数kse＝3，图像业务的业务加权系数kse＝2，数字业务的业务加权系数kse＝1；最后，定义等效加权系数keq为紧急加权系数kem与业务加权系数kse的乘积，以决定各个业务最终分配带宽的多少以及被其他业务中断的情况：(1)临空AP在有剩余带宽时为同一时刻到来的n个带宽请求分配带宽假设剩余...

【专利技术属性】
技术研发人员：廖勇，宋强，黄俊，谭彦婷，杨力生，
申请(专利权)人：重庆大学，
类型：发明
国别省市：重庆;85