一种高信道利用率的细粒度统计优先多址接入方法技术

本发明专利技术提出了一种高信道利用率的细粒度统计优先多址接入方法，它在运行时包括满载门限求取、信道负载统计、优先级比较和退避四个阶段的操作，采用了“基于包的信道负载控制”、“基于单周期的退避时间设置”和“满载门限优化”三种新机制；“基于包的信道负载控制”新机制工作在优先级比较和退避两个阶段，“基于单周期的退避时间设置”新机制工作在退避阶段，“满载门限优化”新机制工作在满载门限求取阶段；通过将信道负载控制的粒度从优先级调小为包、将包退避时间粒度从多周期调短为单周期、将满载门限值向数据包传送成功率100％的方向优化，本发明专利技术所提方法能够提高无线信道资源的利用率，从而有利于提升吞吐量、降低数据帧的平均延迟。

【技术实现步骤摘要】
一种高信道利用率的细粒度统计优先多址接入方法
本专利技术属于航空自组网(AeronauticalAdHocNetworks,AANET)
，尤其涉及在媒体接入控制(MediumAccessControl,MAC)层采用多优先级竞争接入方法的航空自组网场合(比如无人机自组网场景)。
技术介绍
随着飞行控制和集成电路技术的发展，各种大小和不同用途的无人机(UnmannedAerialVehicles，UAV)在设计和研发方面都取得了迅速的进展。无人机是一架无需承载任何人员的飞机，它的的飞行可以自主操作或远程机载计算机系统自动控制。与载人飞机相比，无人机具有灵活性、低成本和高机动性等特点，无人机被广泛应用在战场查打、环境监测、中继网络、交通农业管理和灾害救援等领域，随着无人机技术的快速发展，无人机正在从单一平台操作模式发展到群体网络化操作模式。与单架无人机相比，多架协同无人机可以极大地扩展覆盖范围，提供从远程到数据控制中心的实时数据传输，共同完成各种民用和军用任务。无人机自组网是一种新颖的移动自组织网络，其将移动自组网应用在空间组网中，为未来航空领域提供了更广阔的的发展，与传统的无线移动自组网相比，无人机自组网具有某些独特的特点，如节点的高速移动性、频繁的拓扑变化、低延迟要求和高可靠性等特点，网络场景如附图1所示。与现有无线移动自组网一样，无人机自组网MAC协议作为协议体系中较低层的协议，为网络中每个节点提供了信道接入的方式，如何控制无人机实现接入信道成为无人机自组网最关键的问题之一，研究一种高效、可靠的MAC协议将极大地提高无人机自组网的网络性能。当前，国内外对于无人机自组网接入方法已经开展了一些研究，并且取得了一些进展。JunLi等人研究了一种竞争类无人机接入方法(参见文献[1]:JunLi，YifengZhou，LouiseLamont，MylèneToulgoat，CamilleA.Rabbath.PacketDelayinUAVWirelessNetworksUnderNon-saturatedTrafficandChannelFadingConditions[J].WirelessPersonalCommunications,2013,72(2):1105-1123)，该方法采用IEEE802.11DCF机制实现MAC层接入，假设所有的数据包长度都相同，任意两架无人机间都相邻，在共享的无线信道上以相同的数据速率进行通信。由于有损无线信道造成的传输错误，为了减少数据包的冲突概率，每架无人机采用DCF和RTS/CTS机制来访问无线信道。CWmin为竞争窗口大小CW的初始值，每次重新开始退避时CW需加倍，直到窗口最大值CWmax，一旦值为CWmax，它将保留该值，直到重置为止。节点发送失败后，每架无人机将其退避定时器设为均匀分布在区间[0,CW]中的新随机数，并在退避定时器到达时进行重传，当达到最大传输失败极限R时，数据包停止重传，CW重置为CWmin，将数据包丢弃。虽然该接入方法能够较好的避免节点间数据包的冲突，但在饱和或不饱和的业务条件下，平均分组延迟随着网络规模的增加而增加。AlshbatatAI等人对无人机自组网MAC协议进行了研究，他们提出了一种自适应定向无人机接入方法——AMUAV(AdaptiveMACprotocolforUAVcommunicationnetworksusingdirectionalantennas，参见文献[2]:AlshbatatAI,DongL.AdaptiveMACprotocolforUAVcommunicationnetworksusingdirectionalantennas[C].2010IEEEInternationalConferenceonNetworking,SensingandControl,2010:598-603)。AMUAV方法针对每架无人机拥有四种天线，两种定向天线，两种全向天线，无人机的上下侧为定向天线。若无人机没有数据发送，使用全线天线接收其他无人机发送的信息。若无人机需要发送数据，可选择全向或定向天线对数据分组进行发送。无人机根据距离、误码率和重传计数器自适应选择定向天线或者全向天线。在发送数据包前，检查无人机间的距离，如果距离小于全向天线的通信范围，则使用全向天线发送数据，否则MAC将检查无人机的高度，如果无人机的高度小于或等于另一架无人机，无人机参数和数据一起通过主天线(定向天线)进行发送，若重传计数器值超过7之后，丢弃该数据包，为了尽量减少端到端的延迟，如果重传计数器值达到5，无人机将把定线天线传输切换到全向传输。AMUAV方法采用定线天线进行传输，可以使节点间传输距离更长、干扰较小，避免隐藏终端和暴露终端的问题，同时为空间复用提供了可能性。AMUAV方法的缺点是由于无人机高速移动，网路拓扑的频繁变化，各无人机很难获得其他节点的位置信息。LeiL等人提出了DT-MAC(参见文献[3]:LeiL,CaiS,LuoC,etal.AdynamicTDMA-basedMACprotocolwithQoSguaranteesforfullyconnectedadhocnetworks[J].TelecommunicationSystems,2015,60(1):43-53)，一种基于动态TDMA的媒体访问控制协议，旨在提供无冲突的数据传输，同时为网络中的不同服务提供QoS保证。DT-MAC协议提出了一个由同步、请求、分配和数据时隙组成的新的时帧结构。该协议可以根据网络中的节点数量和它们业务量来自适应地调整时隙的数量和长度。节点间通过竞争，每个时间帧都会生成一个主节点，一旦生成主节点，网络中的其他节点通过很小的控制消息依次向主节点发送自身的时隙请求。主节点收集到所有节点的需求信息后，根据自身的QoS要求为节点分配不重叠的时隙。尽管TDMA(TimeDivisionMultipleAccess,时分多址接入)可以使节点无冲突的接入信道，避免节点对信道接入的控制。但在网络拓扑频繁变化，节点需要快速入退网的场景中，TDMA的接入方式需要付出大量的控制开销，和较大系统的复杂度。从而降低了整个系统的灵活性、可靠性和可拓展性。为此，StephenM.Clark等人提出了SPMA(StatisticalPriority-BasedMultipleAccess基于统计优先级的多址接入协议)(参见文献[4]:StephenMC,KelliAH,ScottJFZ.StatisticalPrioritybasedMultipleAccessSystemandMethod:USA,7680077B1[P].2010)，一种基于统计优先级的多址接入协议，它为数据包分配不同的优先级，旨在保证高优先级的数据包能尽快的接入信道的同时还能保证较高的成功率。每个数据包都有相应的优先级，在接入信道之前需要与先前设定的优先级阈值相比较，判断是否能够接信道，若不满足条件就需要进行相应的退避。SPMA可以有效地控制信道负载，能起到削峰填谷的效果，主要参数包括：优先级阈值，退避时间本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高信道利用率的细粒度统计优先多址接入方法，其特征在于：包含满载门限求取、信道负载统计、优先级比较和退避四个阶段的操作和“基于包的信道负载控制”、“基于单周期的退避时间设置”和“满载门限优化”三种新机制；在满载门限求取阶段求取信道的满载门限；在信道负载统计阶段统计前一个统计周期内信道中出现的包个数，作为量化的信道忙闲程度；在优先级比较阶段通过比较满载门限和统计出的信道负载，决定哪些包可以接入信道；在退避阶段使不能接入信道的低优先级在本统计周期内退避；“基于包的信道负载控制”新机制工作在优先级比较和退避阶段，“基于单周期的退避时间设置”新机制工作在退避阶段，“满载门限优化”新机制工作在满载门限求取阶段；/n所述“基于包的信道负载控制”新机制的具体操作为：控制信道负载的单位细粒度化，不再以整优先级为控制单位，而是以包个数为基本控制单位；当统计出的信道负载高于满载门限时，分析统计出的负载中各优先级包的分布情况，找出退避掉哪些优先级可以使下一个统计周期的信道负载降低到满载门限以下；此时可能存在一个特殊的跨门限优先级，如果完全退避掉这个优先级会造成下一个周期内发送的高优先级包总数小于满载门限，从而造成信道资源的浪费，如果完全不退避这个优先级则下一个统计周期信道负载会超过满载门限，造成信道过载；通过将跨门限优先级包按照上一个周期统计出的，周围一跳节点中跨门限优先级包分布比例加权分配的方式，将部分跨门限优先级包分配给节点发送出去；从而在保障数据包发送成功率的同时能够更充分地利用信道资源，提高信道利用率，从而有利于提高吞吐量和降低数据帧平均延迟；/n所述“基于单周期的退避时间设置”新机制的具体操作为：在上个统计周期统计出的结果与满载门限比较确定需要退避时，将低优先级包和部分需要退避的跨门限包在且仅在本统计周期内抑制发送，在这个统计周期结束后重新比较统计出的信道负载和满载门限值；此方法可以避免因为多统计周期的退避导致的信道资源闲置的发生，可以在信道控制的第一时间将退避中的包接入信道，从而能够提高信道利用率、降低数据帧平均延迟；/n所述“满载门限优化”新机制的具体操作为：第一步指数增加发包数量使信道负载快速超过信道承载能力上限使发包成功率低于99％，此时得到一个信道负载值P1；第二步将信道负载从第一阶段结束时信道负载值P1的一半开始线性增加信道接入量，在发包成功率低于99％时得到一个信道负载值P2后进入第三步；第三步从第二步结束时信道负载值P2的一半开始线性增加信道负载，但线性增加的斜率降低，重复第三步最终找到发包成功率99％的统计周期；将此周期内统计出的信道负载总数减一作为满载门限值；通过此方法确定的满载门限可以进一步减少数据包冲突的发生，提高信道利用率。/n...

【技术特征摘要】
1.一种高信道利用率的细粒度统计优先多址接入方法，其特征在于：包含满载门限求取、信道负载统计、优先级比较和退避四个阶段的操作和“基于包的信道负载控制”、“基于单周期的退避时间设置”和“满载门限优化”三种新机制；在满载门限求取阶段求取信道的满载门限；在信道负载统计阶段统计前一个统计周期内信道中出现的包个数，作为量化的信道忙闲程度；在优先级比较阶段通过比较满载门限和统计出的信道负载，决定哪些包可以接入信道；在退避阶段使不能接入信道的低优先级在本统计周期内退避；“基于包的信道负载控制”新机制工作在优先级比较和退避阶段，“基于单周期的退避时间设置”新机制工作在退避阶段，“满载门限优化”新机制工作在满载门限求取阶段；
所述“基于包的信道负载控制”新机制的具体操作为：控制信道负载的单位细粒度化，不再以整优先级为控制单位，而是以包个数为基本控制单位；当统计出的信道负载高于满载门限时，分析统计出的负载中各优先级包的分布情况，找出退避掉哪些优先级可以使下一个统计周期的信道负载降低到满载门限以下；此时可能存在一个特殊的跨门限优先级，如果完全退避掉这个优先级会造成下一个周期内发送的高优先级包总数小于满载门限，从而造成信道资源的浪费，如果完全不退避这个优先级则下一个统计周期信道负载会超过满载门限，造成信道过载；通过将跨门限优先级包按照上一个周期统计...

【专利技术属性】
技术研发人员：任智，杨迪，胡春，任冬，曹建玲，
申请(专利权)人：重庆邮电大学，
类型：发明
国别省市：重庆;50