[發明專利]支持臨近空間網絡的自適應多信道媒介訪問控制方法

有效

• 申請號: 201910162390.5
• 申請日: 2019-03-05
• 公開（公告）號: CN109889253B
• 公開（公告）日: 2021-02-26
• 發明（設計）人: 李勇朝;杭榮南;阮玉晗;張銳;井東亮
• 申請（專利權）人: 西安電子科技大學
• 主分類號: H04B7/185
• 分類號: H04B7/185;H04B17/382;H04B17/391;H04W56/00;H04W72/04;H04W84/18
• 代理公司: 陜西電子工業專利中心 61205
• 代理人: 王品華

本發明公開一種臨近空間網絡的自適應多信道媒介訪問控制方法，主要解決現有的固定時幀長度媒介訪問控制方法的信道利用率和網絡吞吐量過低，傳輸時延過大的問題。其實現方案是：將時域資源周期性地劃分成控制時幀與數據時幀兩部分；高速飛行器節點在控制時幀階段實現面向臨近空間平臺的RTS/CTS交互，在數據時幀階段按照分配的時隙完成非競爭數據傳輸；臨近空間平臺利用二維馬爾可夫模型，根據高速飛行器節點數目、業務負載量計算最優時幀分配參數；在每個時幀周期結束時根據最優時幀分配參數調整控制時幀與數據時幀的長度。本發明提高了信道利用率和網絡吞吐量，降低了傳輸時延，可用于臨近空間網絡中高速飛行器節點對臨近空間平臺的接入。

技術領域

本發明屬于無線通信技術領域，特別涉及一種自適應多信道媒介訪問控制方法，可用于臨近空間網絡中高速飛行器節點對臨近空間平臺的接入。

背景技術

臨近空間網絡中的飛行器主要分為兩種類型：一是與地面保持相對靜止或者移動性低的臨近空間飛行器，能持久穩定地運行在目標區域上空，如氣球、飛艇等，我們將其稱之為臨近空間平臺；二是飛行速度較高的臨近空間飛行器，主要用于應急偵查，如空天飛機、高速無人機等，我們將其稱之為高速飛行器節點。

在無線網絡中，當多個用戶同時訪問同一無線資源時，就可能會產生信息碰撞，導致通信失敗。在臨近空間網絡中，當多個高速飛行器節點對一個臨近空間平臺同時發送數據時，就可能會發生多個高速飛行器節點的數據幀在物理信道上相互碰撞，使得臨近空間平臺無法正確接收各高速飛行器節點數據。臨近空間網絡的媒介訪問控制方法，即MAC協議是在臨近空間網絡中，使用某種機制來決定資源的使用權，解決多個用戶如何高效共享信道資源的技術。此外由于臨近空間網絡中高速飛行器節點的高動態特性帶來的接入節點數目、節點業務負載量變化快的特性，對媒介訪問控制方法提出了更高的要求。

現有的臨近空間網絡的媒介訪問控制方法包括隨機預約/按需分配多址接入協議RA/DAMA以及混合自由按需分配多址接入協議CFDAMA等。這些協議雖然采用時隙分配方法，通過給高速飛行器節點分配獨立時隙向臨近空間平臺發送信息，以避免高速飛行器節點間的數據碰撞，但其總數據時隙的長度一直保持固定，無法適應快速變化的網絡環境，可能會導致業務數據包的丟失，降低信道利用率和網絡吞吐量，同時帶來過大的傳輸時延，影響臨近空間網絡的性能與通信質量。

發明內容

本發明的目的在于針對上述現有技術的不足，提出一種支持臨近空間網絡的自適應多信道媒介訪問控制方法，提高信道利用率和網絡吞吐量，降低傳輸時延。

本發明的技術思路是：通過將臨近空間網絡虛擬視為一個整體網絡，將信道資源按照頻域和時域聯合劃分出一個控制信道和若干個數據信道，提高信道利用率；通過建立馬爾可夫模型，根據高速飛行器節點數目、業務負載量這些信息計算出最優的時幀分配參數，在每個時幀周期結束時自適應地調整控制時幀和數據時幀的長度。具體實現步驟包括如下：

(1)將臨近空間網絡的頻段資源劃分成若干個子頻段，同時將臨近空間網絡的時域資源周期性地劃分成控制時幀與數據時幀兩部分；

(2)在控制時幀階段，各高速飛行器節點向臨近空間平臺發送RTS幀；

(3)臨近空間平臺在接收到高速飛行器節點的RTS幀后向相應的高速飛行器節點返回CTS幀；

(4)在數據時幀階段，高速飛行器節點根據接收到的CTS幀，在對應的時隙傳輸數據；

(5)臨近空間平臺接收數據，并根據高速飛行器節點數目和業務負載量信息，計算最優時幀分配參數β：

(5a)假定業務到達過程服從泊松分布，RTS/CTS交互過程參照CSMA/CA競爭機制，定義二維馬爾可夫模型描述狀態{s(t),b(t)}，其中s(t)代表退避階數，b(t)代表退避計時器；

(5b)利用高速飛行器節點數目和業務負載量信息，確定如下參數：