战术互联网中一种自适应MAC机制

本发明涉及无线通信技术领域，具体涉及一种战术互联网中自适应mac机制。

背景技术：

随着信息化时代的发展，信息化技术在现代战争中有着愈加关键的作用。战争的形式也从以前单一兵种的大规模作战，逐渐转变为多兵种协同作战、联合打击、精准定位，最大化提高整体作战效率。为了满足现代战场更高的作战需求，世界各国投入了大量的人力物力，对战术互联网进行了深入的研究。战术互联网的产生，加速了海、陆、空协同作战一体化的进程，加快了战时数据信息在各个作战单元之间传递，使军队整体信息化水平得到了极大地提高，战术互联网的性能随着mac层协议的更新得到了大大的提升。

在无线军事通信领域，新型mac层协议为统计优先级多址接入(statisticalpriority-basedmultipleaccess,spma)协议，该协议为用户提供多种不同优先级的qos服务。通过分析信道实时各优先级负载比例，对不同优先级设置了不同的阈值门限，其中，各优先级的阈值门限随着优先级级别的提高而变大。当新的数据分组到达数据链路层时，通过对该数据分组的阈值门限和信道实时负载进行比较，来判定该数据分组是否可以发送。随着信道的负载逐渐提高，信道负载首先到达最低优先级的门限阈值。这时最低优先级的数据分组进行相对应的退避，在一定程度上降低信道的负载。该优先级数据分组退避一段时间之后，再通过对该优先级阈值门限和信道实时负载进行比较，判决该数据分组是否发送。因为高优先级对应的门限阈值高于低优先级的门限阈值，因此，高优先级数据分组拥有更大的概率接入信道进行发送，使得最高优先级数据分组拥有最短的时延，首次传输的成功率达到99％以上。此外，在数据分组退避时，如果有更低优先级的数据分组到达，它将在队列中排队等待传输，直到更高优先级的数据分组发送完毕；如果有更高优先级的数据分组到达，则立即统计信道实时负载，同时与该数据分组阈值门限进行比较，以判断是否能够发送该数据分组。

但是，在实际作战时，由于敌方的干扰以及周围环境的变化，无线信道的最大承载能力也会随之变化，如果继续使用固定的优先级阈值，可能会出现丢包率急剧增加或信道资源利用不充分等问题，因此急需一种阈值自适应调整的策略，使通信系统可以在受到外部干扰时，通过计算信道实时的最大承载能力，自适应调整优先级阈值，进而控制各优先级业务数据分组接入信道的概率，使得实时的信道负载与信道最大承载能力最大程度相匹配，当信道承载能力变化时，通过调整各数据分组接入信道的概率，使通信系统始终处在一个稳定的状态，使通信系统的平均时延、分组的首发成功率及信道利用率始终维持在一个较高的水平。

通过大量的调研发现和基于以上的讨论，现有的方法依然未能较好的解决优先级阈值随信道实时情况准确的动态调整，以及在负载较大时，低优先级分组长时间不能接入信道，导致大量低优先级分组“饿死”现象。

技术实现要素：

为了实现优先级阈值随信道实时情况准确的动态调整，以及低优先级分组有一定接入信道的概率，保证通信系统的稳定性，本发明提供一种战术互联网中自适应mac机制，具体包括以下步骤：

s1、根据系统中各节点发送数据分组的速率，统计信道的实时负载情况，获取在一个统计周期内的信道负载值；

s2、计算数据分组传输成功率，并根据该传输成功率自适应地调整信道最大负载值；

s3、各节点发送数据分组时，将该数据分组的大小与信道实时负载值相加和与该周期信道最大负载值进行比较，判断是发送该数据分组还是进行退避；

s4、当数据分组需要退避时，为不同的优先级数据分组设置不同的退避时间，设置高优先级数据分组退避时间小于低优先级数据分组。

进一步的，数据分组传输成功率表示为：

其中，receivenums为该统计周期各节点成功收到数据分组的总数；sendnums为该统计周期各节点发送数据分组的总数。

进一步的，预估下一个统计周期信道最大负载值包括以下步骤：

以指数递增的方式快速增大接入信道的数据分组数量，在较短的时间内使一个统计窗口中的数据分组传输成功率低于99％；

当上个信道负载统计窗口内的数据分组传输成功率小于99％时，利用上个统计窗口时间内统计出的数据分组传输成功率和统计出的总发包量相乘，得到该统计窗口时间内最大信道负载值，下个统计窗口周期的信道负载从这个预估的最大信道负载值开始线性递增；

在数据传输成功率小于99％时，再次根据统计窗口周期统计出的数据分组传输成功率和发包个数得到预估的最大信道负载值，并在下个统计周期降低线性递增的速率；

重复以上步骤不断使预估的最大信道负载值逼近真实的最大信道负载值，最终得到准确的最大信道负载值。

进一步的，根据数据分组传输成功率自适应地调整信道最大负载值包括：

如果数据分组传输成功率小于99％，系统自适应减小信道最大负载值，降低各节点发送数据分组的速率；

如果数据分组传输成功率等于99％，系统保持原有的信道最大负载值；

如果数据分组传输成功率大于99％，系统自适应提高信道最大负载值，提高各节点发送数据分组的速率。

进一步的，控制信道最大负载值的过程表示为：

clnmax＝clmax+β(tsr-0.99)×clmax；

其中，clmax为当前统计周期的信道最大负载值，tsr为当前统计周期数据分组传输成功率，clnmax为更新后的信道最大负载值，β为控制调整参数。

进一步的，控制调整参数表示为：

其中，tsr为当前统计周期数据分组传输成功率。

进一步的，数据分组进行数据发送和退避操作的过程具体包括：

数据分组从上层到达mac层，将该数据分组插入对应的优先级队列的尾部；

调度器通过调度算法从最高优先级队列进行检测，如果最高优先级队列不为空队列，则取出该队列中最先进入队列的数据分组进入到接入信道判决阶段；

按照优先级顺序检测是否优先级队列中是否有数据分组，若当前优先级队列中没有，则检测下一优先级队列；

对待接入信道的数据分组，检查该数据分组的定时器是否为零，如果定时器已经为零，从队列中丢弃该数据分组，并重新进行队列的检测；

如果定时器不为零，则获取信道实时负载值和信道最大负载值，判断信道实时负载值是否小于信道最大负载值；

如果小于，则将该数据分组从队列中移除，对该数据分组分片并进行发送；否则，该数据分组进入随机退避阶段；

在数据分组随机退避过程中，若有更高优先级数据分组到达，则停止当前数据分组的退避操作，系统处理更高优先级数据分组；

若等待过程中没有更高优先级数据分组到达，则当退避结束时，系统重新进入队列的检测。

进一步的，将该数据分组插入对应的优先级队列的过程中，若当前优先级等级不是最高或者次高的优先级，且在退避过程中没有超时，则判断该数据分组是否进行过升级，若进行过升级则优先级不变，否则将该数据分组的优先级提高一级，需要提高优先级数据分组最多只能提高一级，并在当前退避操作完成后以新的优先级判断是否可以接入信道。

进一步的，在进行退避时，各个优先级的退避时间表示为：

其中，x和y为调节退避时间的参数，x值为0.1，y值为10；tbackoff为计算得出的退避时间，p需要进行退避数据分组的优先级，clrtime为实时信道负载值，clmax为信道最大负载值，b为对数函数的底数；packetsize为该数据分组的大小。

与现有技术相比，本发明有以下有益效果：

1)本发明采用动态调整数据分组优先级的模型，在数据分组退避阶段提高优先级，解决了当高优先级数据分组发送量过大时，低优先级数据分组长时间得不到发送判决机会的问题，避免了大量低优先级数据分组同时超时的现象；

2)本发明可以在不确定的环境下进行阈值自适应调整，使信道最大负载值与真实的信道最大负载能力始终相匹配，使通信系统始终处在一个高信道利用率高传输成功率的稳定状态，不仅极大的提升了系统的吞吐量，而且在一定程度上降低了系统的时延。

附图说明

图1为本发明一种战术互联网中自适应mac机制的系统模型图；

图2为本发明的队列调度机制示意图；

图3为本发明的数据分组发送判决流程图；

图4为固定阈值与本发明自适应调整阈值的数据分组传输成功率对比图；

图5为固定阈值与本发明自适应调整阈值的数据分组传输时延对比图；

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提供一种战术互联网中自适应mac机制，如图1，具体包括以下步骤：

s1、根据系统中各节点发送数据分组的速率，统计信道的实时负载情况，获取在一个统计周期内的信道负载值；

s2、计算数据分组传输成功率，并根据该传输成功率自适应地调整信道最大负载值；

s3、各节点发送数据分组时，将该数据分组的大小与信道实时负载值相加和与该周期信道最大负载值进行比较，判断是发送该数据分组还是进行退避；

s4、当数据分组需要退避时，为不同的优先级数据分组设置不同的退避时间，设置高优先级数据分组退避时间小于低优先级数据分组。

如图1为本发明实施例的系统模型图，在统计信道的实时负载情况时，各节点对自己上个统计周期内数据链路层发出各优先级数据分组的个数进行统计，将统计值放入负载统计包中，并将该统计包发送出去告知一跳范围内所有节点自己在该周期各优先级数据分组的发送情况。因为单跳以外节点的无线信号对本节点信道负载统计结果几乎没有影响，所以该统计窗口的信道负载值基本等同于一跳范围内节点数据链路层发送的总数据分组数。假设一个统计窗口为twin时间，那么在twin时间内一跳范围内所有节点的数据链路层发送分组的总数等于该统计窗口信道负载的值。具体步骤如下：

一个统计窗口为twin时间，每个节点统计一个统计窗口内实际从数据链路层发送的各优先级分组数目，将该值填入负载统计包中；

将该负载统计包发送出去，每个节点在接收到其相邻节点发送的负载统计包后，将收到的一跳范围内其他节点负载统计包进行解析，对不同优先级数据分组数整理到对应的统计列表num_prin(n＝1,2...n)中；因此，每个节点都可以统计出该统计窗口内信道的负载情况，计算出该统计窗口内的信道负载值为：

假设一个信道负载周期有m个twin统计窗口，并且距离当前时刻越近的窗口对当前网络的影响越大，则该统计周期内信道实时负载值表示为：

其中，αi为第i个统计窗口的加权系数，且tiwin表示第i个统计窗口。

本实施例采用成功收到数据分组的个数除以总发送数据分组的个数，得到数据分组传输成功率，计算数据分组传输成功率表示为：

其中，receivenums为该统计周期各节点成功收到数据分组的总数；sendnums为该统计周期各节点发送数据分组的总数。

本实施例获取信道最大负载值的过程包括：

可以发送模拟数据分组，即以指数递增的方式快速增大接入信道的数据分组数量，在较短的时间内使一个统计窗口中的数据分组传输成功率低于99％；

当上个信道负载统计窗口内的数据分组传输成功率小于99％时，利用上个统计窗口时间内统计出的数据分组传输成功率和统计出的总发包量相乘，得到该统计窗口时间内最大信道负载值，下个统计窗口周期的信道负载从这个预估的最大信道负载值开始线性递增；

在数据传输成功率小于99％时，再次根据统计窗口周期统计出的数据分组传输成功率和发包个数得到预估的最大信道负载值，并在下个统计周期降低线性递增的速率；

重复以上步骤不断使预估的最大信道负载值逼近真实的最大信道负载值，最终得到准确的最大信道负载值。

随着信道环境的变化，数据分组的传输成功率也会上下调整，因此需要自适应调整信道最大负载值，来保持通信系统的稳定，具体调整过程包括以下步骤：

如果数据分组传输成功率小于99％，系统自适应减小信道最大负载值，降低各节点发送数据分组的速率；

如果数据分组传输成功率等于99％，系统保持原有的信道最大负载值；

如果数据分组传输成功率大于99％，系统自适应提高信道最大负载值，提高各节点发送数据分组的速率。

通过自适应调整信道最大负载值控制相应数据分组接入信道的概率，使系统始终处在一个高信道利用率高传输成功率的状态下，信道最大负载值可以表示为：

clnmax＝clmax+β(tsr-0.99)×clmax；

其中，clmax为该统计周期的信道最大负载值，tsr为该统计周期数据分组传输成功率，clnmax为更新后的信道最大负载值，β为控制调整参数，当真实的数据分组传输成功率与定义的数据分组首发成功率99％相差较大时，说明信道中正在传输的数据分组发生了严重的碰撞，间接的说明此时的信道情况与正常的信道情况相差很大，这时需要将β值设置的相对较大；反之β值应该设置的相对较小。β的取值范围表示为：

其中，tsr为当前统计周期数据分组传输成功率。

当统计周期的数据分组传输成功率不等于99％时，通过信道最大负载值的公式调整信道最大负载值，统计下一个统计周期内数据分组传输成功率，比较数据分组传输成功率与前一个统计周期内数据分组传输成功率相比，是否向99％靠近，如果数据分组传输成功率向99％靠近，保持原有的参数β，使信道最大负载值越来越逼近真实的信道最大负载值；如果数据分组传输成功率远离99％，将参数β的值增大为原来的2倍，提高满信道最大负载值变化的速率来改善信道负载状况，找出合理的信道最大负载值。

本发明实施例采用的退避方式是根据不同优先级队列中数据分组的属性要求，为不同优先级数据分组设置不同的退避时间，待发送的数据分组将自身的门限阈值与实时的信道负载进行比较，判断该数据分组是否需要退避；需要进行退避的数据分组原则上，优先级越高的数据分组需要退避时设定的退避时间越小；反之，优先级越低的数据分组需要退避时设定的时间越大，来确保高优先级数据分组较低的发送时延，各优先级数据分组退避时间表示为：

其中，x和y为调节退避时间的参数，x值为0.1，y值为10；tbackoff为计算得出的退避时间，p需要进行退避数据分组的优先级，clrtime为实时信道负载值，clmax为信道最大负载值，b为对数函数的底数；packetsize为该数据分组的大小。

本发明实施例中考虑到当高优先级的数据分组发送量过大时,就会造成低优先级数据分组长时间接入不到信道，导致低优先级数据分组“饿死”现象。为了避免低优先级数据分组“饿死”现象，可以通过动态调整数据分组优先级的方式来最大限度保证各优先级数据分组的公平。为了确保最高优先级业务消息的首发传输成功率，规定数据分组在进行优先级动态调整时，优先级为1和2队列中的数据分组不进行优先级动态调整，其他优先级队列的数据分组最高升高1个等级。对于需要动态调整的优先级队列数据分组，通过对已进行退避的队列数据分组进行检测，检测所有数据分组是否已经进行了队列调整。对于没有进行调整过的数据分组再次判断是否超时，如果没有超时，则将此类数据分组从当前队列中移除，并将其插入到相邻的高优先级的队列中，完成对数据分组的“升级”。

图2为本发明实施例的队列调度机制图。本发明实施例使用的队列调度机制为动态多优先级先进先出dmfifo(dynamic-multipriority-firstinputfirstoutput)调度机制。在spma协议中，共有8个优先级队列，优先级等级从1到8,其中1表示最高优先级队列，8表示最低优先级队列。为了保证最高优先级的首发成功率在99％以上。该机制规定1优先级队列和2优先级队列不进行优先级的动态调整，当调度1和2优先级队列数据分组时，直接判断该数据分组是否超时，如果该数据分组已经超时，则将该数据分组进行丢弃；如果没有超时，计算该数据分组接入信道之后，信道实时负载值是否小于信道最大负载值，如果小于则将该数据分组从队列中移除并接入信道；如果大于则将该数据分组进入随机退避状态，待随机退避过后，再重新进行调度。

对于其他优先级队列中的数据分组，进行队列等级动态调整，数据分组允许一次在退避过程中，提高一个等级，具体包括以下步骤：

1)当调度到其他优先级队列中的数据分组时，首先判断该数据分组是否超时，如果该数据分组已经超时，则将该数据分组进行丢弃；

2)如果没有超时，则计算该数据分组接入信道之后，信道实时负载值是否小于信道最大负载值，如果小于则将该数据分组从队列中移除并接入信道；

3)如果该数据分组接入信道之后，信道实时负载值大于信道最大负载值，则该数据分组进入随机退避阶段；

4)进入随机退避阶段后，判断该数据分组是否已经进行了升级阶段，如果没有，则将该数据分组从当前队列中移除，并将其插入到相邻的高优先级的队列中，完成对数据分组的“升级”。

5)如果该数据分组已经升级，则保持该数据分组的优先级不变，待退避阶段过后，重新判定该数据分组是否可以接入信道。

图3为本发明实施例的数据分组发送判决方法流程图，该方法通过在发送数据分组时进行信道实时负载与信道最大负载值的比较，来判定该数据分组是否可以接入信道，保证了系统的稳定性，接入过程包括：

1)新的数据分组从上层到达mac层，找到相对应得优先级队列，并插入到该优先级队列的尾部。

2)调度器通过调度算法从最高优先级队列进行检测，如果最高优先级队列不为空队列，则取出该队列中最先进入队列的数据分组进入到接入信道判决阶段；如果最高优先级队列为空队列，则对低一级的优先级队列进行是否有数据分组的检测。

3)对待接入信道的数据分组，首先检查该数据分组的定时器是否为零，如果定时器已经为零，说明该数据分组在进入发送判决阶段之前已经超时，需要从队列中丢弃该数据分组，并重新进行队列的检测。

4)如果定时器不为零，则获取信道实时负载值和信道最大负载值；通过计算该数据分组接入信道之后，信道实时负载值是否小于信道最大负载值；如果小于，则将该数据分组从队列中移除，对该数据分组分片并进行发送；否则，该数据分组进入随机退避阶段。

5)在数据分组随机退避过程中，若有更高优先级数据分组到达，那么该数据分组停止退避，系统处理较高优先级数据分组；若等待过程中没有更高优先级数据分组到达，那么当退避结束时，系统重新进入队列的检测。

为了验证本实施例提供方法的有效性，进行了相关的仿真实验。在本次仿真实验中，设置系统带宽为10mbps/s，单节点发送速率为2mbps/s，每个节点每秒产生160个数据分组，每个数据分组的大小为1024bit，得到如下的统计结果。图4固定阈值spma协议与本发明自适应调整阈值spma协议，在不同节点数时数据分组传输成功率对比图。图5为固定阈值spma协议与本发明自适应调整阈值spma协议，在不同节点数时数据分组传输时延对比图。

从图4可以看出，随着系统中节点的增多，当系统中节点数在40之内时，固定阈值spma协议与本发明自适应调整阈值spma协议的数据分组传输成功率会有轻微的下降，但数据分组传输成功率均在97％以上。但是，当系统中节点数超过40时，固定阈值spma协议的数据分组传输成功率会有明显的下降，而本发明自适应调整阈值spma协议的数据分组传输成功率不会有明显的变化。这进一步验证了本发明提出的自适应调整阈值spma协议的有效性。

图5给出了固定阈值spma协议与本发明自适应调整阈值spma协议，在不同节点数时数据分组传输时延对比图。从图中可以看出，随着系统中节点数的增多，固定阈值spma协议与本发明自适应调整阈值spma协议的数据分组传输时延都会提高。但是本发明自适应调整阈值spma协议相对固定阈值spma协议来说，通过动态调整信道最大负载值，限制了较低优先级数据分组的发送，从而使信道实时负载值稳定在实时信道承载能力附近，降低了数据分组发生碰撞的概率，提高了数据分组的首发成功率，从而降低了数据分组的发生时延。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。