无人机组网技术中基于MAC层链路质量的跨层拥塞控制方法

摘要

本发明属于无人机自组网领域，涉及一种无人机组网技术中基于MAC层链路质量的跨层拥塞控制方法；所述方法包括构建出战术瞄准网络技术数据链，在MAC层中搭建出SPMA机制；在网络层采用DSR路由协议，在MAC层和传输层之间搭建通信管道，MAC层向传输层实时传输链路误码率和ARQ重传次数；当传输层监测到网络中发生丢包，则判断当前链路误码率是否超过预设率值或当前的ARQ重传次数是否超过预设次数，若超过预设率值或预设次数，则保持当前窗口大小，否则执行慢开始算法减小发送窗口，对数据包进行拥塞控制本发明能保证网络中较高优先级业务的吞吐量和传输成功率，在路由重构较频繁的网络中，能够有效降低系统的时延。

说明书

技术领域

本发明属于无人机自组网领域，涉及一种无人机组网技术中基于MAC层链路质量的跨层拥塞控制方法。

背景技术

在现代化数字战争中，战术数据链可以提供各种实时或近实时的作战信息，同时可以将指挥控制模块、信息处理模块及各种数据终端组成无缝的网络系统，实现作战信息资源的共享，对整体作战能力起到“倍增器”的作用。战术瞄准网络技术(TacticalTargeting Network Technology，TTNT)是美军最新最先进的战术数据链，适用于全方面的作战环境，包括空-空，空-地和地-地，其MAC层采用的统计优先级多址接入(StatisticalPriority-based Multiple Access，SPMA)协议，打破了传统媒体接入控制协议的设计方法，充分体现了网络协议各层之间的信息交互和多种战术业务消息的零延迟传输。

基于IP的TTNT网络结构体系包括应用层、传输层、网络层、链路层和物理层。其中，应用层包含了语音、图像、业务类别、QoS参数等多类信息从而为用户提供业务质量保证；传输层主要负责TCP拥塞控制和流量控制，以保证接收方的处理速度和网络性能，同时根据数据及响应往返时间信息对传输层状态进行分析；网络层主要负责路由构建，数据分段与重组，为数据发送提供稳定且可靠的路径，同时根据路由中断频率可评估当前路径的可靠性；MAC层使用统计优先级多址接入(SPMA)协议，使得较高优先级的业务能及时占用信道并完成数据发送，提高了数据发送效率；物理层主要负责数据的编码、译码和信号的调制、解调，根据信道的信噪比、误码率等指标可对信道状态进行分析。

传统的TCP拥塞控制主要用于有线网络，是按照国际标准化组织提出的开发系统互联七层网络模型开发设计的。这种设计采用分层的思想，保持各层协议的独立性，将数据丢失作为网络拥塞的标志，一旦发生数据丢失，不区分数据丢失的原因及层次，立即减小拥塞窗口，降低发送速率。然而TTNT战术数据链不同于有线网络，通常表现出终端移动频繁，链路带宽有限等特性，使得拥塞不再是数据丢失的唯一原因；同时，各层网络间信息独立，网络性能优化只能局限于单层内，不能良好地实现网络局部和全局的自适应能力，因此，合理地利用层间信息改进TCP拥塞控制对数据链网络优化具有广泛的意义。

发明内容

基于现有技术存在的问题，本发明从MAC层链路质量的角度出发，本发明的目的在于提供一种无人机组网技术中基于MAC层链路质量的跨层拥塞控制方法。

本发明首先基于NS3网络模拟仿真平台搭建TTNT数据链模型，在MAC层实现优先级队列，当数据包到达MAC层时，根据其属性判断其优先级，并插入到对应的优先级队列中，当信道空闲时，从最高优先级队列中取出队头分组并发送；当信道繁忙时，获取当前信道的负载情况，并与当前优先级门限的门限进行比较，当负载小于门限时，接入并发送，反之则退避等待，退避等待过程中仍然进行负载检测，当满足发送条件时，发送该分组。然后在MAC层和传输层之间搭建通信管道，MAC层通过所述通信管道向传输层实时传输链路误码率和当前的ARQ重传次数；从而实现MAC层和传输层之间的跨层信息交互。最后在传输层针对默认的TCP慢开始、拥塞控制、拥塞避免等算法设计场景适应，即当传输层监测到网络中发生丢包，则判断当前的链路误码率是否超过预设率值以及当前的ARQ重传次数是否超过预设次数，若超过预设率值或者预设次数，则保持当前窗口大小，否则执行慢开始算法减小发送窗口，达到对发送窗口进行自适应控制的目的。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案包括：

一种无人机组网技术中基于MAC层链路质量的跨层拥塞控制方法，所述方法包括：

步骤1：根据数据包的传输成功率和通信时延要求，构建出战术瞄准网络技术数据链；

步骤2：SPMA机制实现，基于CSMA/CA新增多个优先级队列，根据数据包的优先级插入到对应的队列中；

步骤3：网络层实现DSR动态源路由协议，主要实现构建路由和错误报文的功能；

步骤4：TTNT性能测试，验证数据链模型的稳定性和合理性；

步骤5：实现MAC层和传输层之间的数据通信，将MAC层的链路信息发送到传输层；

步骤6：修改传输层TCP发送窗口的调整方案，当链路误码率较高或者ARQ重传次数较多时保持发送窗口大小不变。本发明的有益效果：

本发明的有益效果：

本发明通过私有化成员的方式在传输层与MAC层之间搭建出通信管道，实现信息的跨层交互；本发明在MAC层获取链路误码率以及ARQ重传次数发送到传输层，所述传输层通过判断链路误码率以及ARQ重传次数分别与预设值的大小，当至少满足一个条件时，确定出当前窗口的状态，即保持不变或者执行慢开始算法减少发送窗口；本发明考虑了MAC层链路质量，通过跨层信息交互的方式有效解决了传统无线网络无法利用层间信息提升网络性能的问题。

附图说明

图1为本发明实施例中跨层拥塞控制的总体方案流程图；

图2为本发明实施例中MAC层所采用的SPMA接入控制流程图；

图3为本发明实施例中网络层所采用的DSR路由构建流程图；

图4为本发明实施例中传输层所采用的跨层优化算法流程图；

图5为本发明实施例中MAC层通过动态调整ARQ重传次数的流程图；

图6为本发明优化前后TTNT数据链系统吞吐量对比图；

图7为本发明优化前后TTNT数据链系统时延对比图。

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。

图1是本发明实施例中无人机组网技术中基于MAC层链路质量的跨层拥塞控制方法的总体方案流程图；如图1所示，所述跨层拥塞控制方法流程包括：

S1、MAC层开发出SPMA机制；

本发明实施例中，需要根据数据包的传输成功率和通信时延要求，构建出战术瞄准网络技术数据链；在所述战术瞄准网络技术数据链中的MAC层搭建出SPMA机制，并在节点之间实现优先级队列传输。

首先，本发明需要根据数据包的传输成功率和通信时延要求，构建出战术瞄准网络技术数据链；其次，需要在所述战术瞄准网络技术数据链中的MAC层即MAC层搭建出SPMA机制；然后搭建出SPMA机制后，在节点间实现优先级队列传输。

其中，所述战术瞄准网络技术数据链首先需要在数据包的属性中新增优先级字段，即priority字段；其次在MAC层开发出优先级队列实现SPMA，在网络层中实现DSR源定向路由，并在传输层中实现TCP协议；对整个战术瞄准网络技术数据链进行系统性能测试，若无误后，则作为本发明的基础战术瞄准网络技术数据链，本发明将会在测试无误后的战术瞄准网络技术数据链中进行改进并实现。

其中，所述系统性能测试的指标主要是数据包的传输成功率以及通信时延；在本发明实施例中，需要至少保证所述传输成功率大于99％，所述通信时延小于2ms，当满足这两个测试指标后，本发明中战术瞄准网络技术数据链将会进行后续的跨层改进以及拥塞控制改进。

构建出战术瞄准网络技术数据链，当应用层产生的数据包经过网络层后到达MAC层中的MAC层时，根据优先级插入到对应的队列中并发送队列；

其中，所述战术瞄准网络技术数据链的搭建过程可以基于NS3网络模拟器搭建。

本发明实施例中MAC层需要实现SPMA机制，因此本发明在MAC层开发优先级队列，当网络层数据包到达MAC层时根据业务优先级插入到对应的队列中，发送时从较高优先级的队列中开始发送。

假设队列的大小设置为3，则表示有三种优先级的数据包；当来自于应用层构建的数据包从网络层到达MAC层时，MAC层会根据数据包的属性判断其优先级，按照优先级顺序插入到对应的优先级队列中；以业务优先级为例，按照数据包的大小以从大到小的顺序排列出优先级；按照优先级的顺序排列到预设的队列中。

在排列好队列后，按照基于CSMA/CA协议按照优先级发送队列中队头分组。

当信道空闲时，从最高优先级的队列中取出队头分组并发送；

当信道繁忙时，获取当前信道的负载情况，并与当前优先级的负载门限进行比较，若当前负载小于负载门限时，则接入并发送队头分组，反之则退避等待，退避等待过程中仍然进行负载检测，当满足发送条件时，发送该队头分组。

在本发明所改进的SPMA协议中，数据包优先级的分类是在应用层确定，而实际应用中是人为决定的。本实施例中MAC层首先需要判断高优先级队列中是否存在数据包，并将较高优先级数据包转为待发送状态，然后将当前统计得到的信道占用率与待发送数据包的阈值进行比较。如果此时信道占用率低于阈值，则允许发送的数据包从队列中移除并发送；如果信道占用率高于阈值，节点将根据数据包的优先级与信道占用率的值设定退避时间进行回退等待，到达退避时间后，再次检测信道占用率，循环以上流程。

图2给出了本发明实施例中MAC层所采用的SPMA接入控制流程图，如图2所示，所述接入控制流程包括：

判断当前的信道负载与优先级门限的大小，若信道负载小于优先级门限，则发送报文，否则调用退避算法计算出退避时间；在退避时间内进行信道负载检测，直至将报文发送出去，否则超过退避时间，则对数据包进行销毁。

其中，所述信道负载是通过信道占用率体现的，所述待发送数据包的阈值即为优先级门限(优先级的负载门限)。

所述优先级队列中，所述优先级为业务优先级，并在数据包的属性中新增priority字段表示优先级，并对每个优先级由大到小设置出对应的负载门限，也即是每个优先级对应一个负载门限，其中每个数据包的优先级是按照priority字段中字符串的大小或者类型进行判断。

S2、网络层实现DSR路由

在本发明实施例中，在网络层上采用DSR路由协议构建出数据链中节点间传输数据包时的路由；在网络层实现DSR路由协议，使得节点发送数据时能够良好的构建路由，构建完成后可以对该数据链模型进行系统性能测试。

图3为本发明实施例中网络层所采用的DSR路由构建流程图；如图3所示，其实现流程为：当一个节点S有一个数据包要发送到某个目标节点D，但当前在其路由缓存中没有到该节点的路由时，节点S将数据包保存在其发送缓冲区中，并启动路由发现过程来查找路由。为了防止无限期地缓冲数据包，如果数据包在发送缓冲区中等待的时间超过MaxSendBuffTime(缺省值为30秒)，那么它们将被丢弃。对于路由发现，S将路由请求包作为本地广播消息传输，指定目标地址和唯一的请求标识符。接收路由请求包的节点将在请求头中检查其标识符和目标地址；如果之前收到过相同的包，则会将该包识别为一个副本并无声地丢弃，否则，它将自己的节点地址附加到路由请求头中的列表并重新广播它。当路由请求包到达其目的地时，目标节点将路由应答包发送回请求的发起者，其中包括其应答头中累积的节点地址列表的副本。当路由应答到达请求的发起者时，它将在路由缓存中缓存新路由，节点S收到路由应答消息后，将使用路由应答中的源路由将数据包发送给D，并且所有接收路由应答包的中间节点都将自己的路由剪切到目的地，并保存在自己的路由缓存中。

在网络层实现DSR路由协议，实现节点发送数据时能够良好的构建路由，并在路由失效时发出路由错误报文，完成后对该模型进行系统性能测试。

S3、MAC层实时传输链路误码率和ARQ重传次数

在保证该模型的性能符合TTNT工作机制的条件下，在传输层修改TCP发送窗口的调整机制，在传输层封装的类中添加网络层的私有成员，使传输层能够访问网络层的数据，实现通信管道，从而实现网络层与传输层之间的跨层信息交互功能；本发明实施例中的通信管道是单独设立的层间通信管道，主要用于传输MAC层的链路误码率和ARQ重传次数。

S4、传输层检测丢包，判断当前的链路误码率和ARQ重传次数是否超过预设值

图4为本发明实施例中传输层所采用的跨层优化算法流程图；传统的基于IP的TTNT网络体系中，战场无线链路的复杂性而造成的高误码率，导致数据包多次重传而丢失，节点移动引起的“路由失效”而导致的数据包丢失、乱序和频繁的路由切换，TCP拥塞控制机制直接应用于战场数据链中往往会造成网络性能的严重下降，因此，本发明在传输层TCP拥塞控制方案中增加链路质量检测过程。当TCP检测到网络丢包率较高时，首先进行原因检测，若此时MAC层检测到误码率很高或者ARQ重传次数很多，说明此时网络丢包是由链路误码或者数据重传造成的，并不是网络发生拥塞，此时不用减小发送窗口，反之，则是由于网络发生拥塞，此时减小发送窗口以达到流量控制的目的。

在本发明实施例中采用链路误码率和ARQ重传次数对网络是否发生拥塞进行判断，其中所述ARQ重传次数是指的自动重传机制，发送方发送出数据的同时设置一个定时器，在定时器结束前如果收到了接收方的ACK确认信息，则进行下一帧的数据发送，反之，则认为数据传输超时，此时将该数据帧重新发送，同时重传次数增加1，当次数增加到最大重传次数时，丢弃整个数据包。

在MAC层传统的自动重传机制ARQ上引入应用层业务信息类型，根据不同业务动态调整重传次数，以降低时延。当MAC层收到的业务类别为普通信息时，发送方出现超时则会将缓冲区保存的上一次发送的数据帧再次发出，若多次超时则丢弃该数据帧；当收到的业务类别为时间敏感业务时，即在传输过程中对时延有较高要求的业务时，通过减少重传次数，提高下一数据帧的传输时间，降低整个数据包的传输时延。

图5给出了本发明实施例中MAC层通过动态调整ARQ重传次数的流程图，如图5所示，所述动态调整过程包括：

MAC层接收到网络层发送的数据包后，根据其属性判断所述数据包的业务类型；

根据所述业务类型，获取重传定时器的时间；

判断当前业务类型是否为时间敏感业务，若为时间敏感业务，则调整重传定时器时间，否则保持默认的重传定时器时间。

其中，在本发明实施例中，由于采用了NS3模型，因此可以调用GetRemoteStationManager()函数来获取重传定时器时间，同理，可以调用SetMaxSlrc()函数来调整重传定时器时间。

在本发明优选实施例中，通过私有化成员的方式搭建传输层和MAC层间的通信管道，其中，这里的私有化成员是在传输层封装的类中添加MAC层的私有成员，使传输层能够访问MAC层数据，从而实现网络层与传输层之间的跨层信息交互功能；在跨层交互下，本发明同时将链路的误码率(可直接获得)和当前的ARQ重传次数传输到TCP，拥塞控制时满足(1)误码率大于3e-6；(2)重传次数>3两种条件之一，则不改变发送窗口的大小。

在上述实施例中，虽然给出了具体的预设率值3e-6和预设次数3，但是由于这些参数是根据当前模型进行反复试验所得的优选结果，虽然这个优选结果对于其他近似模型也适用，但是为了提升本发明在其他模型中的实用性；本发明针对其他数据链系统模型，对于所述预设率值，本发明还可以采用以下方式进行调整：

一种理想的预设率值应该能够对不同数据链模型下的链路误码率产生上述优选预设阈值与本实施中数据链系统一样好的效果，因此，本发明采用一种自适应阈值方法来实现，具体的，计算出当前数据链系统中的平均链路误码率，包括一次数据传输过程中错误信息量占信息总量的百分比以及整个数据链系统中错误信息量占信息总量的百分比；由于单次传输的平均误码率和系统的平均误码率存在数据不平衡，比如说单次传输的平均误码率可能为0.1或者0.5，而数据链系统的平均误码率可能为0.3，因此通常获得的数据链系统的平均链路误码率不能完全反映每次传输过程中的链路误码率，由于数据的传输过程误码率受多种因素的影响，包括干扰、发射机功率、调制方式、带宽等，这些因素会给误码率造成不同的影响，因此单次传输的链路误码率受多种因素决定，这些因素中有些是恒定不变的，有些是随着外界环境发生变换的，这些因素不能简单的用函数进行描述，因此本发明采用机器学习的方式学习出这些因素所对应的隐特征，通过反复训练和测试，来提升隐特征的精度，最终在训练完成的机器学习模型中输入当前数据链系统的影响因素，从而输出当前数据链系统所对应的预设率值。

在另一些优选实施例中，搭建出不同满足数据包的传输成功率以及通信时延等性能测试指标的数据链系统，这些数据链系统与本发明实施例所构建的数据流系统仅仅在某些影响参数上设计有所不同，例如带宽、调制方式不同等，采用控制变量法的方式采集不同系统在单次传输时的平均误码率，即至少保证任意两个系统之间至少有一个影响因素不同，初始化这些影响因素，将不同的数据链系统作为种群集合，将各个数据链系统的平均误码率作为初始种群；其中的每个数据链系统可以作为相应个体，通过遗传算法的进化过程来进化数据链系统，按照交叉变异等方式来更新种群，从而提高数据链系统的误码率检测率。

仿真对TTNT数据链模型进行吞吐量测试，结果通过网络层收到数据包去掉头部开销后计算得出。仿真中，网络带宽为10M，数据包的发送速率为100packets/s，区分三业务类型(业务类型A，业务类型B，业务类型C)，其中A的数据包大小为500Bytes，B的数据包大小为490Bytes，C的数据包大小为480Bytes，优先级依次降低。结果可知，当节点数为6时，A的吞吐量约为485.55Kbps，B的吞吐量约为484.74Kbps，C的吞吐量约为485.04Kbps。当节点数为30，此时信道未达到饱和，A的吞吐量增加到2425.74Kbps左右，B的吞吐量增加到2425.05Kbps左右，C的吞吐量增加到2425.19Kbps左右。当节点数达到54时，由于信道已经达到饱和，根据SPMA的工作原理，保证高优先级的数据包发送成功率，此时A的吞吐量约为2065.12Kbps，B的吞吐量约为4365.98Kbps，C的吞吐量约为4363.87Kbps，符合SPMA的工作原理。

仿真对TTNT数据链模型进行时延测试，结果在网络层收到数据包时，将当前接收时间减去发送的时间计算得出。结果可知，当节点数为6时，A的时延约为5.718ms，B的时延约为5.158ms，C的时延约为4.926ms。当节点数为30，此时信道未达到饱和，A的时延约为5.564ms，B的时延约为5.311ms，C的时延约为4.986ms。当节点数达到54时，由于信道已经达到饱和，根据SPMA的工作原理，保证高优先级的数据包发送成功率，即低优先级业务需要等待高优先级先发送完后才能发送，此时A的时延约为34.834ms，B的时延约为5.338ms，C的时延约为4.919ms，符合SPMA的工作原理。

仿真对链路受到干扰时TTNT数据链的吞吐量进行测试，仿真中，增大节点间的距离，由于节点的移动性，路由发生多次重建，此时TCP检测到数据丢失，减小发送窗口。结果可知，当节点数为6时，A的吞吐量约为392.44Kbps，B的吞吐量约为392.51Kbps，C的吞吐量约为392.22Kbps。当节点数为30，此时信道未达到饱和，A的吞吐量增加到1960.01Kbps左右，B的吞吐量增加到1960.1Kbps左右，C的吞吐量增加到1959.33Kbps左右。当节点数达到54时，由于信道已经达到饱和，根据SPMA的工作原理，保证高优先级的数据包发送成功率，此时A的吞吐量约为1742.93Kbps，B的吞吐量约为3528.16Kbps，C的吞吐量约为3528.91Kbps，相对受干扰前有明显的降低，且低优先级的业务降低得更加明显。

仿真对链路受到干扰时TTNT数据链的时延进行测试，结果可知，当节点数为6时，A的时延约为14.212ms，B的时延约为12.4124ms，C的时延约为11.494ms。当节点数为30，此时信道未达到饱和，A的时延约为13.961ms，B的时延约为12.613ms，C的时延约为11.718ms。当节点数达到54时，信道已经达到饱和，根据SPMA的工作原理，保证高优先级的数据包发送成功率，即低优先级业务需要等待高优先级先发送完后才能发送，此时A的时延约为85.997ms，B的时延约为12.934ms，C的时延约为11.572ms，相对受干扰前有明显的增加，且低优先级的业务增加得更加明显。

图6为优化前后TTNT数据链系统吞吐量对比图，图6中可以看出，节点数为6个时，由于节点数较少时单条业务流的吞吐量也较低，且信道未达到饱和，优化前后效果不是很明显。随着节点数的增加，优化前后的效果越来越明显，这是由于优化后的发送窗口固定为检测到路由失效之前，而不是立即减小。随着节点数继续增加，信道达到饱和时，优化前后的系统吞吐量逐渐趋于稳定，且优化后的吞吐量明显比优化前高很多，说明本发明的拥塞控制方法有效。

图7为优化前后TTNT数据链系统时延对比图，图7中可以看出，随着节点的增加，优化前每次路由失效导致的数据包丢失，TCP发送窗口都减小，导致数据包发送完花费了较多时间，相对地，优化后由于窗口固定为失效前的大小，发送窗口比优化前大，因此时延比优化前小。信道达到饱和之前，业务流的平均时延几乎保持稳定，当信道达到饱和时，需要保证高优先级的成功率，因此低优先级的数据包需要等待，因此时延开始增加。优化前发送窗口较小，因此时延进一步增大，优化后发送窗口保持不变，相对较大，因此时延较低。对比优化前后的系统时延发现，优化后时延相对优化前明显更低，说明本发明的拥塞控制方法有效。

本发明基于TTNT数据链网络的跨层优化，在TTNT数据链网络中，能保证网络中较高优先级业务的吞吐量和传输成功率，在链路质量不佳的网络中，对比优化前后，传输时延能够有效降低6ms左右，达到提升系统性能的目的。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“同轴”、“底部”、“一端”、“顶部”、“中部”、“另一端”、“上”、“一侧”、“顶部”、“内”、“外”、“前部”、“中央”、“两端”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置”、“连接”、“固定”、“旋转”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

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。