CN113630810A - 一种高动态网络mac层通信方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种高动态网络MAC层通信方法，根据无人机网络中节点数量以及流量负载的变化自适应调整控制信道间隔与服务信道间隔的相对长度以克服无人机网络的动态特性，提高整个网络的系统吞吐量，在帧结构设计中通过设置相应的优先级标记位对不同优先级的信息进行标记，使高优先级的信息优先传输，从而减少传输时延。本发明根据虚拟云处理中心所覆盖的无人机的数量以及流量负载的变化自适应调整控制信道间隔与服务信道间隔的相对长度以克服无人机网络的高动态特性，提高整个网络的系统吞吐量；使高优先级的信息先传输从而减少了高优先级信息传输时延，更符合实际应用场景需求。

Description

一种高动态网络MAC层通信方法

技术领域

本发明涉及无线网络MAC层领域，具体为一种网络通信方法，具体为一种面向信息优先级的自适应高动态无人机网络MAC通信方法。

背景技术

无人机(Unmanned Aerial Vehicle,UAV)作为一种新兴技术，具有组装便利、灵活性强、用途多样、成本较低等优势，已被广泛应用于军事和民用领域。无人机网络作为一种特殊的移动自组织网络，有着自身的特别之处，主要体现在：1)节点大多数时间都处于高速移动中；2)无人机节点的移动更具有多样性；3)网络拓扑高动态变化，是无人机自组网与传统自组网最显著的区别之一。现有的大部分无人机网络MAC层协议无法适应高动态的无人机网络，尤其是当网络中的无人机节点数量与负载频繁变化的时候，现有的MAC层协议无法得到最大的网络吞吐量，因此亟需一种适应于高动态的无人机网络MAC层协议，提高整个无人机网络的效能。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种高动态网络MAC层通信方法。为了应对上述所提的挑战，本发明提出了一种面向信息优先级的自适应高动态无人机网络MAC层协议，命名为Information-Priority-Oriented Adaptive-MAC协议(简称为IPOA-MAC协议)。一方面，该协议可以根据无人机网络中节点数量以及流量负载的变化自适应调整控制信道间隔与服务信道间隔的相对长度以克服无人机网络的动态特性，提高整个网络的系统吞吐量；另一方面，在帧结构设计中通过设置相应的优先级标记位对不同优先级的信息进行标记，使高优先级的信息优先传输，从而减少传输时延。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案的具体步骤如下：

步骤一：虚拟云处理中心广播信道分配参数信息；

在IPOA-MAC协议中，一个时域信道被周期的划分为多个固定长度的帧持续时间，并且每个帧持续时间由控制信道间隔和服务信道间隔组成，划分的方式由信道分配参数定义，因为帧持续时间是固定的，因此可以通过信道分配参数对帧持续时间进行划分，信道分配参数定义为控制信道间隔与服务信道间隔的比值；在控制信道间隔，无人机采用载波侦听多址接入冲突避免机制(CSMA/CA)竞争接入机制以预留服务信道中的数据传输时隙，在服务信道间隔，无人机采用TDMA机制在预留的数据传输时隙中无冲突地传输数据包；初始的信道分配参数为1；

步骤二：各个无人机节点获取信道分配参数信息，如果无人机节点有信息要发送，则在控制信道间隔发送NEW_RTS用以预约在数据信道传输的时隙；由于在控制信道间隔采用CSMA/CA接入机制，因此数据有产生碰撞的可能性；当一个无人机节点传输的数据包与其他无人机节点传输的数据包产生碰撞导致信息丢失时，数据包需要进行重传；

步骤三：虚拟云处理中心收到无人机传输的NEW_RTS后，根据NEW_RTS中优先级标志位解析出数据包的优先级信息；在面向虚拟云处理中心的无人机网络架构所描述的应用场景中，共包含两种优先级信息，一种是无人机观测到的动态视频信息，默认为高优先级，优先级标志位信息为1；一种是地面传感器观测到的静态图片信息，默认为低优先级，优先级标志位信息为0。如图3所示，当具有高优先级的数据包到来时，按照数据包到达先后顺序依次为高优先级的数据包分配服务信道的时隙，即首先到来的高优先级数据包被分配到服务信道的第一个时隙首先进行数据传输；当具有低优先级的数据包到来时，按照数据包到达先后逆序为低优先级的数据包分配服务信道的时隙，即首先到来的低优先级数据包被分配到服务信道的最后一个时隙最后进行数据传输；基于上述原则，虚拟云处理中心得到时隙索引信息并写入NEW_CTS中，发送给无人机端；

步骤四：无人机收到虚拟云处理中心端发送的NEW_CTS信号，通过时隙索引信息确定在服务信道间隔的具体传输时隙，当具有高优先级的数据包到来时，按照数据包到达先后顺序依次为高优先级的数据包分配服务信道的时隙，即首先到来的高优先级数据包被分配到服务信道的第一个时隙首先进行数据传输；当具有低优先级的数据包到来时，按照数据包到达先后逆序为低优先级的数据包分配服务信道的时隙，即首先到来的低优先级数据包被分配到服务信道的最后一个时隙最后进行数据传输；自此，无人机将进入休眠状态，直到服务信道的相应传输时隙到来时被唤醒传输数据包；

步骤五：在服务信道间隔，如果虚拟云处理中心接收到无人机端发送的完整数据包，将发送一个确认帧ACK通知无人机端信息已经发送成功；如果超过固定的时间限制，时间限制设置为传输时延的2倍，若无人机端没有收到虚拟云处理中心发送的ACK信号，默认数据包发送失败，需要进行重传；

步骤六：虚拟云处理中心根据网络中的无人机数量以及流量负载计算出最优信道分配参数，当在控制信道间隔接入的无人机个数与服务信道间隔所能承载的无人机数量相等时，即为最优的信道分配参数；

步骤七：虚拟云处理中心广播新的信道分配参数，回到步骤二并不断重复。

所述最优的信道分配参数采用二维马尔科夫模型进行信道分配参数分析与计算，具体步骤如下：

1)稳态转移概率

p_c代表数据包碰撞概率，p_b代表信道繁忙的概率，P_s代表数据包成功传输的概率；虚拟云处理中心覆盖范围内有n个UAV节点，在一个随机时隙t内，每个UAV节点试图以平稳概率τ发送一个数据包，由此得到：

p_c＝1-(1-τ)^n-1

p_b＝1-(1-τ)ⁿ

P_s＝nτ(1-τ)^n-1

数据包到达符合泊松分布，因此，没有数据包到达无人机节点的概率P_e表示为：

其中，λ表示数据包到达率；

T_CS＝P_sT_s+(P_b-P_s)T_c+(1-P_b)σ

无人机传递数据包的状态、分为三种，分别为：发送成功、发送失败、等待；T_CS为每个状态的平均间隔长度，σ代表空时隙时间。根据802.11协议，采用CSMA/CA机制，得到：

T_s＝T_{NEW_RTS}+T_{NEW_CTS}+T_DIFS+T_SIFS+2δ

T_c＝T_{NEW_RTS}+T_DIFS

其中，T_{NEW_RTS}表示NEW_RTS的长度，T_{NEW_CTS}表示NEW_CTS的长度,T_DIFS表示帧间间隔的长度，δ表示传输时延；

2)稳态分布概率

根据二进制退避机制，退避窗W_i的大小呈指数增长；

其中，W₀代表初始竞争窗，m为最大的退避状态，m′为最大竞争窗所对应的最大竞争状态；

设b_i,j为二维马尔可夫模型中状态{i，k}的稳态分布概率，状态{i，0}和{i，k}的稳态分布概率分别推导为：

根据马尔可夫模型平稳分布的归一化条件：

基于上式，将b_0,0带入b_i,0与b_i,k中，即可得到任意状态{i，k}的稳态分布概率；

3)发送概率

由于任何传输都发生在退避时间计数器等于零时，分组传输概率的表达式：

4)信道分配参数

非饱和条件下，无人机在控制信道间隔成功接入的时间表示为：

无人机在服务信道间隔成功传输一包数据所用的时间表示为：

T_data＝T_DIFS+T_Header+T_Packet+T_SIFS+T_ACK+2δ

其中，T_Header为数据包头部长度，T_Packet为数据包长度，T_ACK表示确认帧ACK的长度；

设在控制信道间隔成功接入的无人机数量为G₁，服务信道承载的无人机个数为G₂，则信道分配参数β表示为：

其中，T_CCHI为控制信道间隔的长度，T_SCHI为服务信道间隔的长度。

本发明的有益效果在于针对一种虚拟云处理中心辅助的无人机网络架构，本发明提出了一种面向信息优先级的自适应高动态无人机网络MAC(IPOA-MAC)协议。一方面，IPOA-MAC协议可以根据虚拟云处理中心所覆盖的无人机的数量以及流量负载的变化自适应调整控制信道间隔与服务信道间隔的相对长度以克服无人机网络的高动态特性，提高整个网络的系统吞吐量；另一方面，在帧结构设计中设置相应的优先级标记位对不同优先级的信息进行标记，使高优先级的信息先传输从而减少了高优先级信息传输时延，更符合实际应用场景需求。

附图说明

图1是本发明基于虚拟云处理中心的无人机网络系统模型图。

图2是本发明NEW_RTS与NEW_CTS的帧结构图。

图3是本发明面向优先级的服务信道时隙分配策略图。

图4是本发明IPOA-MAC协议与FM-MAC协议关于控制信道间隔长度对比图。

图5是本发明IPOA-MAC协议与ACD-MAC协议关于高优先级端到端延迟对比图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

如图1所示，考虑一种面向虚拟云处理中心的无人机网络架构，在该网络中，高动态的无人机实时地将地面传感器的数据(静态数据)以及无人机自身观测到的数据(动态数据)传递给虚拟云处理中心。其中，默认无人机在高空观测到的视频数据相比较地面传感器观测到的图片数据具有更高的优先级，因此，在数据传输时，信息的优先级需要被考虑进去。同时由于无人机的高动态特性，在虚拟云处理中心覆盖范围内，无人机的数量以及流量负载将会频繁变化。基于以上场景，本发明设计了一种IPOA-MAC层协议。

IPOA-MAC协议中，为了自适应调整控制信道间隔与服务信道间隔的相对长度克服无人机网络的动态特性以提高整个网络的系统吞吐量，虚拟云处理中心需要周期地统计接入的无人机的数量和负载流量信息。同时，无人机需要明确所传输数据包的优先级信息。因此需要对802.11协议中RTS/CTS帧做一些创新性的改变，以适应IPOA-MAC协议的要求，本文所设计的NEW_RTS与NEW_CTS帧结构如图2所示。

NEW_RTS增加了1字节的信息字段存储无人机所发送的负载信息，用于虚拟云处理中心周期地统计高动态的无人机的负载流量信息，同时增加了1字节的信息字段表示无人机发送数据包的优先级标志位信息，用于虚拟云处理中心识别不同优先级的信息。NEW_CTS新增加了1字节的信息字段用于储存虚拟云处理中心预留给无人机在服务信道中的时隙索引信息。

本发明提出一种面向信息优先级的自适应高动态无人机网络MAC层协议。通过对协议中的参数进行具体化，其中数据包的长度为2000bytes，数据传输速率为3Mbps，ACK的长度为112bit，最大竞争窗所对应的竞争状态为5，最大竞争状态为10，帧持续时间为100ms，初始竞争窗为32，数据包头的长度为448bit，SIFS为10μs，DIFS为50μs，L_{NEW_RTS}为176bit，L_{NEW_CTS}为120bit，传播时延为1μs。本发明的详细步骤如下：

步骤一：虚拟云处理中心广播信道分配参数信息，默认初始的信道分配参数为1。

步骤二：各个无人机节点获取信道分配参数信息，如果无人机节点有信息要发送，则在控制信道间隔发送NEW_RTS用以预约在数据信道传输的时隙。由于在控制信道间隔采用CSMA/CA接入机制，因此数据会产生碰撞的可能性。当一个无人机节点传输的数据包其他无人机节点传输的数据包产生碰撞导致信息丢失时，数据包需要进行重传。

步骤三：虚拟云处理中心收到无人机传输的NEW_RTS后，解析出NEW_RTS中的优先级标志位。当具有高优先级的数据包到来时，按照数据包到达先后顺序依次为高优先级的数据包分配服务信道的时隙即首先到来的高优先级数据包被分配到服务信道的第一个时隙；当具有低优先级的数据包到来时，按照数据包到达先后逆序为低优先级的数据包分配服务信道的时隙，即首先到来的低优先级数据包被分配服务信道的最后一个时隙，基于上述原则，得到时隙索引信息并写入NEW_CTS中，发送给无人机。

步骤四：无人机收到虚拟云处理中心端发送的NEW_CTS信号，通过时隙索引信息确定在服务信道间隔的具体传输时隙，自此，无人机将进入休眠状态，直到其在服务信道的传输时隙到来时被唤醒传输数据包。

步骤五：在服务信道间隔，如果虚拟云处理中心成功收到无人机端发送的数据包，将发送一个确认帧ACK通知无人机端信息已经发送成功。如果超过某固定的时间限制(时间限制根据无人机与虚拟云处理中心的传播时延决定)，若无人机端没有收到虚拟云处理中心发送的ACK信号，默认数据包发送失败，需要进行重传。

步骤六：虚拟云处理中心根据网络中的无人机数量以及流量负载计算出最优信道分配参数。采用上述二维马尔科夫模型带入上述仿真值进行信道分配参数分析与计算。

步骤七：虚拟云处理中心广播新的信道分配参数，回到步骤二，重复以上步骤。

图4为在以上仿真条件下得到的控制信道间隔长度随数据包到达率动态变化的过程，无人机网络中的节点数为30。与经典的FC-MAC协议相比较，本发明中的协议能够根据虚拟云处理中心所覆盖流量负载的变化自适应调整控制信道间隔与服务信道间隔的相对长度。图5对比了IPOA-MAC协议与经典的ACD-MAC协议下高优先级的数据包的端到端延迟。由于IPOA-MAC协议将信息的优先级考虑在内，因此相比较ACD-MAC协议，IPOA-MAC协议在处理高优先级的数据包时，将会产生更低的端到端延时。

Claims (2)

1.一种高动态网络MAC层通信方法，其特征在于包括下述步骤：

步骤一：虚拟云处理中心广播信道分配参数信息；

在IPOA-MAC协议中，一个时域信道被周期的划分为多个固定长度的帧持续时间，并且每个帧持续时间由控制信道间隔和服务信道间隔组成，划分的方式由信道分配参数定义，因为帧持续时间是固定的，通过信道分配参数对帧持续时间进行划分，信道分配参数定义为控制信道间隔与服务信道间隔的比值；在控制信道间隔，无人机采用载波侦听多址接入冲突避免机制竞争接入机制以预留服务信道中的数据传输时隙，在服务信道间隔，无人机采用TDMA机制在预留的数据传输时隙中无冲突地传输数据包；初始的信道分配参数为1；

步骤二：各个无人机节点获取信道分配参数信息，如果无人机节点有信息要发送，则在控制信道间隔发送NEW_RTS用以预约在数据信道传输的时隙；由于在控制信道间隔采用CSMA/CA接入机制，因此数据有产生碰撞的可能性；当一个无人机节点传输的数据包与其他无人机节点传输的数据包产生碰撞导致信息丢失时，数据包需要进行重传；

步骤三：虚拟云处理中心收到无人机传输的NEW_RTS后，根据NEW_RTS中优先级标志位解析出数据包的优先级信息；在面向虚拟云处理中心的无人机网络架构所描述的应用场景中，共包含两种优先级信息，一种是无人机观测到的动态视频信息，默认为高优先级，优先级标志位信息为1；一种是地面传感器观测到的静态图片信息，默认为低优先级，优先级标志位信息为0；当具有高优先级的数据包到来时，按照数据包到达先后顺序依次为高优先级的数据包分配服务信道的时隙，即首先到来的高优先级数据包被分配到服务信道的第一个时隙首先进行数据传输；当具有低优先级的数据包到来时，按照数据包到达先后逆序为低优先级的数据包分配服务信道的时隙，即首先到来的低优先级数据包被分配到服务信道的最后一个时隙最后进行数据传输；基于上述原则，虚拟云处理中心得到时隙索引信息并写入NEW_CTS中，发送给无人机端；

步骤四：无人机收到虚拟云处理中心端发送的NEW_CTS信号，通过时隙索引信息确定在服务信道间隔的具体传输时隙，当具有高优先级的数据包到来时，按照数据包到达先后顺序依次为高优先级的数据包分配服务信道的时隙，即首先到来的高优先级数据包被分配到服务信道的第一个时隙首先进行数据传输；当具有低优先级的数据包到来时，按照数据包到达先后逆序为低优先级的数据包分配服务信道的时隙，即首先到来的低优先级数据包被分配到服务信道的最后一个时隙最后进行数据传输；自此，无人机将进入休眠状态，直到服务信道的相应传输时隙到来时被唤醒传输数据包；

步骤五：在服务信道间隔，如果虚拟云处理中心接收到无人机端发送的完整数据包，将发送一个确认帧ACK通知无人机端信息已经发送成功；如果超过固定的时间限制，时间限制设置为传输时延的2倍，若无人机端没有收到虚拟云处理中心发送的ACK信号，默认数据包发送失败，需要进行重传；

步骤六：虚拟云处理中心根据网络中的无人机数量以及流量负载计算出最优信道分配参数，当在控制信道间隔接入的无人机个数与服务信道间隔所能承载的无人机数量相等时，即为最优的信道分配参数；

步骤七：虚拟云处理中心广播新的信道分配参数，回到步骤二并不断重复。

2.根据权利要求1所述的高动态网络MAC层通信方法，其特征在于：

所述最优的信道分配参数采用二维马尔科夫模型进行信道分配参数分析与计算，具体步骤如下：

1)稳态转移概率

p_c代表数据包碰撞概率，p_b代表信道繁忙的概率，P_s代表数据包成功传输的概率；虚拟云处理中心覆盖范围内有n个UAV节点，在一个随机时隙t内，每个UAV节点试图以平稳概率τ发送一个数据包，由此得到：

p_c＝1-(1-τ)^n-1

p_b＝1-(1-τ)ⁿ

P_s＝nτ(1-τ)^n-1

数据包到达符合泊松分布，因此，没有数据包到达无人机节点的概率P_e表示为：

其中，λ表示数据包到达率；

T_CS＝P_sT_s+(P_b-P_s)T_c+(1-P_b)σ

无人机传递数据包的状态、分为三种，分别为：发送成功、发送失败、等待；T_CS为每个状态的平均间隔长度，σ代表空时隙时间，根据802.11协议，采用CSMA/CA机制，得到：

T_s＝T_{NEW_RTS}+T_{NEW_CTS}+T_DIFS+T_SIFS+2δ

T_c＝T_{NEW_RTS}+T_DIFS

其中，T_{NEW_RTS}表示NEW_RTS的长度，T_{NEW_CTS}表示NEW_CTS的长度,T_DIFS表示帧间间隔的长度，δ表示传输时延；

2)稳态分布概率

根据二进制退避机制，退避窗W_i的大小呈指数增长；

其中，W₀代表初始竞争窗，m为最大的退避状态，m′为最大竞争窗所对应的最大竞争状态；

设b_i,j为二维马尔可夫模型中状态{i，k}的稳态分布概率，状态{i，0}和{i，k}的稳态分布概率分别推导为：

根据马尔可夫模型平稳分布的归一化条件：

基于上式，将b_0,0带入b_i,0与b_i,k中，即可得到任意状态{i，k}的稳态分布概率；

3)发送概率

由于任何传输都发生在退避时间计数器等于零时，分组传输概率的表达式：

4)信道分配参数

非饱和条件下，无人机在控制信道间隔成功接入的时间表示为：

无人机在服务信道间隔成功传输一包数据所用的时间表示为：

T_data＝T_DIFS+T_Header+T_Packet+T_SIFS+T_ACK+2δ

其中，T_Header为数据包头部长度，T_Packet为数据包长度，T_ACK表示确认帧ACK的长度；

设在控制信道间隔成功接入的无人机数量为G₁，服务信道承载的无人机个数为G₂，则信道分配参数β表示为：

其中，T_CCHI为控制信道间隔的长度，T_SCHI为服务信道间隔的长度。

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