[发明专利]一种高动态网络MAC层通信方法

权利要求书

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。