一种实现航空自组网MAC协议的方法及其系统

摘要

本发明公开了一种实现航空自组网MAC协议的方法，1)节点根据已知的邻居节点的数量，若邻居节点数量多于阈值n时则广播一个接入请求打开报文；2)邻居节点收到接入请求打开报文后，在业务数据发送前，先向其通信一跳节点发送接入请求报文来；3)通信一跳节点接收到接入请求报文后，并能够正确解码，则在下一帧的接入响应中回复接入请求确认报文，通知允许发送的邻居节点；4)、邻居节点收到通信一跳节点接入请求确认报文后进入业务数据发送流程。本发明还公开了一种实现航空自组网MAC协议的方法，包含分布式接入请求处理模块。本发明维持单节点同时通信一跳节点数，保证了网络的稳定，维护网络业务量维持在合理水平。

说明书

技术领域

本发明属于航空电子信息的无线自组织网络技术，是一种针对高负载航空数据链组网环境基于多业务QoS保证的媒体接入控制(MAC)协议的实现方法，应用于航空无线数据链组网领域。

技术背景

作为航空协同数据链未来的发展方向，航空自组网(Aeronautical Ad Hoc Network,AANET)创造性地将移动自组网应用于航空飞行器之间，使其能够互相分发地面指控信息和空中感知信息。航空自组网网内所有节点地位平等，共享同一个无线传输信道。网络分层中MAC层的作用为控制多个节点合理高效地使用有限的无线信道资源。MAC协议的好坏直接影响到网络吞吐量、时延等系统性能指标的优劣，在航空自组网的研究中具有重要地位。

为适应未来战场快速、高效、抗毁性强的空天地一体化作战信息平台需求，国家在航空无线数据链组网领域进行了大力的投入，发展具有自主知识产权的无线数据链组网领域中的各项技术成为目前和未来数年中国内各相关研究机构的重要任务。在无线数据链组网领域中，结合航空无线网络环境和网络业务传输需求的MAC协议设计是关键一环，基于多业务QoS保证的MAC协议更是能有助于提高整个无线组网系统的效能。结合多优先级业务QoS保证退避机制以及分布式接入请求判决机制的MAC层处理技术可保证高优先级业务低时延、高可靠传输的同时，充分利用信道传输能力，尽量保证低优先级业务传输，对于确保无线通信数据链组网的可靠性及有效性起到重要作用。

为适应实际应用需求，接入时延和传输吞吐量是行业内对于该技术方向的两个核心要求，前者需重点分析本技术所采用的核心处理流程中待处理业务传 输中协议处理时间以及退避重传时间对组网通信效能产生的影响。后者主要考量接入协议设计能否高效利用有限的传输带宽，维持较高的网络吞吐量。目前，国内针对航空无线通信数据链组网的MAC协议设计领域的研究和应用还远未成熟。而国外相关领域的研究和应用目前主要集中在基于时分体制或基于多业务优先级统计接入协议的相关设计上。时分体制信道利用率不高，基于多业务优先级统计接入协议信道忙闲程度统计模式单一，回退算法设计及业务接入判决条件单一，在业务高负载、节点高密度网络环境下，会导致网络迅速拥塞恶化。

近年来国家在发展航空数据链组网的大力投入与目前我国在该领域很多技术还相对落后，是国内相关研究机构迫切需要解决的矛盾之一。而如何打破国外在该领域技术上的垄断，通过自主创新，提升我国在航空无线组网关键技术领域的综合实力，是促使我们进行研究的主要激励。

发明内容

为了解决航空无线组网MAC协议设计面临的多类业务信道竞争能力差异化需求、接入时延指标要求高、业务高负载时碰撞概率高等问题，本发明的发明目的在于提供一种实现航空自组网MAC协议的方法，及实现该方法的系统，通过分布式接入请求判决机制以及QoS保证退避机制优化网络业务传输性能，提高全网共享信道利用率。

本发明的发明目的通过以下技术方案来实现：

一种实现航空自组网MAC协议的方法，包含以下步骤：

步骤1)、节点根据已知的邻居节点的数量，若邻居节点数量多于阈值n时则广播一个接入请求打开报文；若邻居节点数量少于阈值n时则广播一个接入请求关闭报文；

步骤2)、邻居节点收到接入请求打开报文后，在业务数据发送前，先向其通信一跳节点发送接入请求报文；

步骤3)、通信一跳节点接收到接入请求报文后，并能够正确解码，则在下一帧的接入响应中回复接入请求确认报文，通知允许发送的邻居节点；

步骤4)、邻居节点收到通信一跳节点接入请求确认报文后进入业务数据发送流程。

进一步，所述步骤3)还包含当通信一跳节点接收到的接入请求报文超过n个，通信一跳节点根据请求的数据类型综合判断允许接入的节点，先允许具有QoS级别较高业务节点的数据发送请求。

进一步，所述业务数据发送流程包含以下步骤：

步骤5)、节点依据当前信道忙闲程度统计判断当前待发送业务是否需执行基于QoS保证回退处理，若当前信道忙闲程度统计结果高于待发送业务发送阈值，则待发送业务执行回退处理，直至信道忙闲程度统计结果低于待发送业务发送阈值，该待发送业务才允许被发送；

步骤6)、节点根据信道忙闲程度统计选择空闲信道，将多业务设计成多优先级队列组，依据待发送业务包优先级高低选择优先级队列组中相应队列，并按照先进先出的顺序将数据包装载入相应队列，待组帧后通过选择的空闲信道进行调制和射频发射。

优选地，所述基于QoS保证回退处理的方法为：

设冲突窗口为W，最小冲突窗口为W_min，最大重传次数为M，m∈(0，M)，QoS指数为k，当前重传次数为m，则当前冲突窗口为：

其中表示向下取整；当m值增加到M时，再连续重传，m的值将保持为M不变，直到该节点发送成功；或者当m值增加到M时，m将被重新置为0，删除超时业务。

优选地，所述信道忙闲程度统计的的方法为：

依据物理层一定时间内信道中侦听到的业务量统计以及信道功率统计，若业务量统计值高，或者信道业务量统计值较低但信道功率统计值较高则将信道状态归类为忙。

本发明的另一目的通过以下技术方案实现：

一种实现航空自组网MAC协议的系统，包含分布式接入请求处理模块：

所述分布式接入请求处理模块用于节点根据已知的邻居节点的数量，若邻居节点数量多于阈值n时则广播一个接入请求打开报文；若邻居节点数量少于阈值n时则广播一个接入请求关闭报文；

当节点作为邻居节点时，在接收到接入请求打开报文后，在业务数据发送前，需向通信一跳节点发送接入请求报文来维护接入请求，收到通信一跳节点接入请求确认报文才能进行业务数据发送；

在节点作为通信一跳节点时，所述分布式接入请求处理模块接收到接入请求报文后，并能够正确解码，则在下一帧的接入响应中回复接入请求确认报文，通知允许发送的邻居节点。

进一步，所述分布式接入请求处理模块在节点作为通信一跳节点时，还用于根据接收到的接入请求报文超过n个，根据请求的数据类型综合判断允许接入的节点，优先考虑具有QoS级别较高业务节点的数据发送请求。

进一步，还包含基于QoS保证退避处理模块、信道忙闲统计模块、业务优先级队列管理模块、MAC层数据帧处理模块；

所述基于QoS保证退避处理模块用于在节点有待发送业务时，依据当前各信道忙闲程度判断当前待发送业务是否需执行基于QoS保证回退处理；

所述信道忙闲统计模块用于判断当前各信道忙闲程度；

所述业务优先级队列管理模块用于将多业务设计成多优先级队列组，依据待发送业务包优先级高低选择优先级队列组中相应队列，并按照先进先出的顺序将数据包装载入相应队列；

MAC层数据帧处理模块用于接收网络层协议数据包，经过组帧处理后，送至物理层；接收物理层上传的数据帧，解封装后将其上传至网络层。

优选地，所述基于QoS保证退避处理模块采用基于QoS保证的二进制指数回退方法，具体为设冲突窗口为W，最小冲突窗口为W_min，最大重传次数为M，m∈(0，M)，QoS指数为k，当前重传次数为m，则当前冲突窗口为：

其中表示向下取整；当m值增加到M时，再连续重传，m的值将保持为M不变，直到该节点发送成功；或者当m值增加到M时，m将被重新置为0，删除超时业务。

优选地，所述信道忙闲统计模块根据物理层一定时间内信道中侦听到的业务量统计以及信道功率统计，若业务量统计值高，或者信道业务量统计值较低但信道功率统计值较高则将信道状态归类为忙。

本发明中有以下三个主要的技术要点。

(1)设计分布式接入请求判决机制，尽可能维持最优网络吞吐量。TDMA类接入控制协议能保证节点间网络通信业务无碰撞，但时隙分配会造成不必要的时延和资源浪费。故对接入时延指标要求高的应用场景，Ad Hoc网络多采用 随机接入类MAC协议，以实现对网络拓扑变化的灵活适应，但该类协议固有的竞争碰撞问题也会在网络高业务负载时导致难以接受的业务接入时延问题。CSMA协议在ALOHA协议基础上利用载波侦听初步解决碰撞问题，减小了一定的时延，但在高负载以及传播时延大于分组帧长时碰撞概率依然较高。而本发明基于在网络拓扑建立和更新的过程中，每个节点可以确切知道邻居节点的数量，通过设计接入请求数据包广播控制通信邻居节点数量，维护网络业务量维持在合理水平，避免网络拥塞恶化。

(2)设计基于多业务QoS保证回退机制，保证多优先级业务的接入时延指标。当业务接入请求不被允许，则需随机选择一段等待时间后再判断是否发送。传统处理方式中等待处理过程可以是p持续等概率随机回退，也可以是二进制指数回退。但这两种主要的回退处理算法均未考虑不同类型业务对时延指标的不同需求。但由于二进制指数回退更能适应不同的网络负载状况，本发明在二进制指数回退算法基础上，考虑不同业务的QoS要求，设计基于QoS影响因子多业务二进制指数回退机制。

(3)基于信道忙闲程度统计完成发射信道优选。本发明基于对各物理通道接收信号功率和数据包统计确定各物理通道的相对忙闲程度。若网络节点有信息待发送，则优选最空闲信道，对提高信号传输质量和网络容量都具有积极意义。

本发明的有益效果为：

(1)设计分布式接入请求判决机制，维持单节点同时通信一跳节点数，保证了网络的稳定，维护网络业务量维持在合理水平。

(2)设计基于多业务QoS保证回退机制，保证高优先级业务的传输实时性以及系统较低的平均时延。

(3)基于信道忙闲程度估计优选发射信道，提高信号传输质量和网络容量。

附图说明

图1为本发明一种实现航空自组网MAC协议的方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作一进步的详细描述。

如图1所示，本发明一种实现航空自组网MAC协议的方法采用基于多业务QoS保证的MAC协议完成对网络层输入多类型业务数据的接入控制，并将待发送数据组帧传输至物理层。同时MAC协议还负责对物理层接收数据组帧并将数据传输至网络层。

本发明的实施步骤为：

1)、对于一个网络节点，首先，它根据已知的邻居节点的数量决定广播接入请求维护报文类型，若邻居节点数量多于阈值n时则广播一个接入请求打开报文，若邻居节点数量少于阈值n时则广播一个接入请求关闭报文。

2)、邻居节点若收到接入请求打开报文，则在后续的业务数据报文发送过程中，向通信一跳节点节点发送接入请求报文来维护接入请求，收到由通信一跳节点发出的接入请求确认报文才能进行业务数据发送。若通信一跳节点的邻居节点数少于阈值n，则邻居节点与通信一跳节点间无须接入请求维护过程，邻居节点直接发送业务报文。

3)、通信一跳节点接收到接入请求报文后，若能够正确解码，则在下一帧的接入响应中回复接入请求确认报文，通知允许发送的邻居节点。若通信一跳节点接收到的接入请求报文超过n个，通信一跳节点根据请求的数据类型综合判断允许接入的节点，先允许具有QoS级别较高业务节点的数据发送请求。

在以上步骤中，本发明通过设计分布式接入请求判决机制，维持单节点同 时通信一跳节点数，保证了网络的稳定，维护网络业务量维持在合理水平。

4)、节点的MAC层有信息待发送时，依据当前各通道忙闲程度判断当前待发送业务是否需执行基于QoS保证回退处理。若当前最空闲信道忙闲程度统计结果仍然高于待发送业务发送阈值，则该业务执行回退处理，直至最空闲信道忙闲程度统计结果低于待发送业务发送阈值，该业务才允许被发送，回退等待过程中，若待发送业务超时，则取消该业务发送。

在这一步骤中，本发明通过设计基于多业务QoS保证回退机制，保证高优先级业务的传输实时性以及系统较低的平均时延。基于QoS保证回退处理的方法为：

设冲突窗口为W，最小冲突窗口为W_min，最大重传次数为M，m∈(0，M)，QoS指数为k，当前重传次数为m，则当前冲突窗口为：

其中表示向下取整；当m值增加到M时，再连续重传，m的值将保持为M不变，直到该节点发送成功；或者当m值增加到M时，m将被重新置为0，删除超时业务。

5)、节点根据信道忙闲程度统计选择空闲信道，将多业务设计成多优先级队列组，依据待发送业务包优先级高低选择优先级队列组中相应队列，并按照先进先出的顺序将数据包装载入相应队列，待组帧后通过选择的空闲信道进行调制和射频发射。

在这一步骤中，本发明采用信道总功率和有效信号检测信道忙闲程度估计策略。若业务量统计值高，或者信道业务量统计值较低但信道功率统计值较高则将信道状态归类为忙。依据该策略，可保证发射信道为最优信道，可提高信号传输质量和网络容量。

根据本发明的方法设计了一个实现航空无线组网MAC层协议的系统，采用Freescale公司Mpc8270 PowerPC和Altera公司Stratix III FPGA硬件平台的，包含分布式接入请求处理模块、基于QoS保证退避处理模块、信道忙闲统计模块、业务优先级队列管理模块以及MAC层数据帧处理模块。下面对各个模块做详细说明。

(1)分布式接入请求处理模块：

在拓扑建立和更新的过程中，每个节点可以确切知道邻居节点的数量。当邻居节点数量多于n个时(n取值依具体系统指标而定)，该节点需广播一个接入请求打开报文。接入请求打开报文包含本节点ID号、本节点所在分簇的簇首节点ID号(若网络拓扑为平面结构则无该项)以及接入请求打开标识。接入请求打开报文数据结构如表1所示。

Node ID Cluster Head ID Access Request ON

表1

收到接入请求打开报文的邻居节点在后续的业务数据发送过程中，需维护接入请求报文发送，获得请求允许状态才能进行业务数据发送。

如果拓扑结构变化，邻居节点数量少于n个，则节点广播接入请求关闭报文，停止广播接入请求打开报文，接入请求关闭报文至一段时间未收到接入请求报文为止(超时时间取值依具体系统指标而定)。接入请求关闭报文包含本节点ID号、本节点所在分簇的簇首节点ID号(若网络拓扑为平面结构则无该项)以及接入请求关闭标识。接入请求关闭报文数据结构如表2所示。

Node ID Cluster Head ID Access Requset OFF

表2

邻居节点发送的接入请求报文包含本节点ID号、业务请求类型及数据包长度。接入请求报文数据结构如表3所示。

Node ID Data Type Length

表3

如果通信一跳节点接收到接入请求，并能够正确解码，则在下一帧的接入响应中回复接入请求确认报文，通知允许发送的邻居节点。接入请求确认报文包含本节点ID号和允许发送信息邻居节点ID号。接入请求确认报文数据结构如表4所示。

Node ID Tx Node ID 1 Tx Node ID 2 ... Tx Node ID n

表4

当超过n个节点同时发送接入请求时，通信一跳节点根据请求的数据类型综合判断允许接入的节点，优先考虑具有QoS级别较高业务节点的数据发送请求，并在本地网络维护信息中记录当前优选的n个节点编号信息。

通过独立维护的接入请求控制报文控制每个节点的实时通信节点数，有效控制网络通信容量范围，避免高节点密度时网络拥塞恶化。

(2)基于QoS保证退避处理模块：

依据信道忙闲统计结果，节点待发送业务不被允许发送时，节点需随机选择一段等待时间后再判断能否发送。等待时间计算机制可以是p持续等概率随机回退，也可以是二进制指数回退。由于二进制指数回退更能够适应不同的网络负载状况，本发明设计基于QoS保证二进制指数回退处理方式。

由于本系统需要考虑不同业务的QoS要求，因此在二进制指数回退时，也需要考虑QoS参数的影响。本发明相应设计基于QoS保证的二进制指数回退方法，叙述如下。

设冲突窗口为W，最小冲突窗口为W_min，最大重传次数为M，m∈(0，M)。QoS指数为k(值越大，表示QoS优先级越低)，当前重传次数为m，则当前冲突窗口为：

其中表示向下取整。当m值增加到M时，再连续重传，m的值将保持为M不变，直到该节点发送成功。或者达到了最大重传次数限制，m将被重新置为0，删除超时业务。m值维护规则依设计指标决定。

在基于QoS的二进制指数回退机制中，引入的QoS因子能够保证高优先级业务较低的平均回退时间，为满足系统实时性指标奠定基础。

(3)信道忙闲统计模块：

信道忙闲程度统计依据为物理层一定时间内信道中侦听到的业务量统计以及信道功率统计。业务量统计值越高表明信道繁忙程度越高。若信道业务量统计值较低，但信道功率统计值较高，此时可认为信道存在干扰或噪声功率高，应该认定信道质量较差，可统一将信道状态归类为忙。信道忙闲统计模块输出可作为MAC层业务数据发射通道优选的主要依据，同时，若信道条件不允许某分组接入信道时，信道忙闲统计模块输出可作为MAC层回退算法的运行依据。

信道忙闲程度统计为节点选择发射物理信道提供主要依据，但源节点发射信道的选择还应综合考虑一跳接收节点在Hello信息中提供的一跳节点自身当前接收通道。在信道忙闲程度区别不大前提下，优选一跳节点未占用接收通道。

依据信道总功率和有效信号检测信道忙闲程度估计策略，可保证发射信道为最优信道，可提高信号传输质量和网络容量。

(4)业务优先级队列管理模块：

MAC层多业务接入处理设计主要针对待发送业务，设计多优先级队列组，依据待发送业务包优先级高低选择优先级队列组中相应队列，并按照先进先出的顺序将数据包装载入相应队列，每个队列若满则删除最早数据包并给出队列溢出标识。多优先级队列组中每个队列均设计为双向链表，由定时器维护业务 超时信息。网络层输入业务包入队列采用中断模式，而从队列组取待发送业务包则采用与物理层处理能力相匹配的轮询模式。

(5)MAC层数据帧处理模块：

MAC层数据帧处理模块的主要功能为：接收网络层协议数据包，经过成帧处理后，送至物理层；接收物理层上传的数据帧，解封装后将其上传至网络层。

综上所述，本发明创造性地使用分布式接入请求判决机制保证了航空无线网络信道容量的高效利用，使用基于信道忙闲程度统计策略保证网络中每个成员节点以最优信道完成信号发射，并依据基于QoS保证回退处理保证了各类业务的不同接入时延指标。在网络流量未饱和时，提升网络吞吐量，保证高优先级业务低时延优先接入；网络流量饱和过载时，优化网络流量，维持高优先级业务低时延发送，尽可能维持最优网络吞吐量。

为支持在不同规模及业务类型网络系统中的应用，本发明中物理信道数、业务QoS等级以及分布式接入请求判决节点数门限均可依实际情况配置，且本发明可以很方便与现有主要路由协议及物理层协议完成综合。