一种实时信道监测下的数据链信道负载算法的制作方法

1.本发明属于数据链数据传输技术领域，涉及信道监测、无线网络、信道负载统计、跳扩频、spma协议、通信保障等多种技术。


背景技术：

2.随着数据链在各个无人领域建设应用的不断深入和推广，数据链在现代通信中所发挥的作用越来越大，已经成为提高通信系统的整体作战能力和作战体系的对抗能力的关键。
3.如今战术数据链是向着速率更高、容量更大、抗干扰能力更强、时延更小的方向发展。在这种需求下，如何利用有限的信道和频谱资源来实现更灵活更高效的数据传输性能，是保障数据链正常通信急需解决的问题。美军在下一代数据链系统ttnt(tactical targeting network technology)中，提出了在物理通信层面基于跳频复用的全双工无线通信，在链路层面则以全双工通信为基础实现了基于优先级概率统计的多址接入模式spma(statistical priority-based multiple access)。
4.目前国内对于新型数据链中出现的spma协议或其他mac层的协议的研究，主要集中在mac层仿真方向，但这种研究方式忽略了最重要的一点就是spma协议中信道负载统计模块的真实性和有效性。此外，还有一些学者提出了混合式的信道负载统计方法，即采用物理层和网络层同时统计信道负载量，在不同负载情况下选用不同的统计值的方法，这种方法的缺点在于对信道的负载轻重判定比较模糊，选用网络层统计量时同样会造成结果的不真实性。spma协议是通过mac层和物理层的交互，根据信道中实时检测到的信号脉冲个数和预先设定的信道门限值来确定信道的占用状态，从而确定分组业务数据的发送情况。mac层仿真研究只能够对协议中的信道门限值等关键信息进行优化，不能反映数据链真实信道中的信号脉冲数量，导致信道负载统计值不够准确，尤其随着在数据链应用场景中，用频设备和外界干扰的复杂化加剧，现有研究并不能够准确分析出典型应用场景中spma协议的准确结果，导致业务数据会在传输中受干扰而丢包，无法实现新型数据链的应用需求。


技术实现要素：

5.为了克服现有技术的不足，本发明提供一种实时信道监测下的数据链信道负载算法，利用fpga快速捕获信道中信号脉冲状态，结合滑动平均思想，综合分析信道占用情况，降低信道中偶发性干扰信号的误差，提高负载统计值的准确度，能够为spma协议中的发送调度算法输入更准确的统计值，保证数据链系统能够实现高速率、大容量、低时延的业务数据接入。
6.本发明解决其技术问题所采用的技术方案包括以下步骤：
7.(1)设定物理层统计窗口时间t1，各节点在统计窗口时间内在每个信道i上从物理层统计一次获得的脉冲计数，该脉冲计数为发射脉冲计数和接收脉冲计数的总和；
8.(2)设定应用层统计时间周期t2，当t2小于设定阈值y1时，信道统计平均值称为快
速滑动平均值pulses_fasti；t2大于另一设定阈值y2时，信道统计平均值称为慢速滑动平均值pulses_slowi，y2》y1；取pulses_fasti和pulses_slowi中较大值作为节点在当前信道i的信道负载统计值pulses_averi；
9.(3)当某节点的队列中有一业务数据包m要发送时，根据该数据包的跳频图案找到其各个信道的信道负载统计值pulses_averi，pulses_averj，
…
，pulses_averk，对这些值求和取平均，就是当前业务数据包m的信道负载统计值；
10.(4)spma协议中将业务数据包分为8个优先级，各个优先级数据包的最大信道负载理论值就是各优先级的门限值；将计算得到的业务数据包m的信道负载统计值输入spma发送调度算法中，根据业务数据包m的优先级p，将业务数据包m的信道负载统计值和其对应优先级p的门限值进行比较，如果实际负载值小于优先级门限值，则数据包立即发送；如果大于优先级阈值，则根据调度算法随机生成一定的退避时间，待退避时间减为零时，再次判断该业务数据包能否发送。
11.所述的步骤(1)将接收到的网络业务脉冲的数目、接收机寻址脉冲的数目和广播脉冲的数目之和作为接收脉冲计数。
12.所述的步骤(1)将物理层统计窗口时间t1设置为数据链系统中各节点通信时间的最小刻度。
13.所述的步骤(2)设定应用层统计时间周期t2＝nt1，n《10时，信道统计平均值称为快速滑动平均值pulses_fasti；n》＝100时，信道统计平均值称为慢速滑动平均值pulses_slowi。
14.本发明的有益效果是：对于数据链无线干扰环境，在不需要人为参与的情况下，根据实时信道状态，结合spma发送调度算法，快速综合分析，并自动实现不同优先级数据的退避发送，降低了数据包碰撞或重复发送的概率，提高了高优先级数据的高效实时接入成功率，提高了信道利用率。相比于传统的mac层仿真研究方法，本方法具有实时、准确、稳定等优势，解决了仿真方法对于信道负载统计的不确定性问题；而相比于混合式负载统计方法，本方法采用的是滑动平均的思想而不是权重思想，旨在统计更真实的信道负载量，减少权重分配等人为因素带来的统计误差。本发明所采用的方法针对数据链应用系统，能够准确、快速反馈信道占用状态，且各数据链节点处理流程具有一致性，不须人为干预，处理流程简单，易于实现。针对复杂电磁环境下的信道分析和数据接入，具有很强的应用价值。
附图说明
15.图1是本发明所适用的spma协议数据接入控制流程示意图。
16.图2是本发明的实时信道监测下的数据链信道负载算法处理流程图。
具体实施方式
17.下面结合附图和实施例对本发明进一步说明，本发明包括但不仅限于下述实施例。
18.本发明解决其技术问题所采用的技术方案包括以下步骤：
19.1)当物理层同步到数据帧头后，将统计同步脉冲信号的计数，在每个跳频、跳时图案变化周期t1内统计一次。物理层可以获取的信息有：本地节点发射的脉冲数目txpulses_
local、网络业务脉冲的数目、接收机寻址脉冲的数目和广播脉冲的数目，其中后三个都是接收到的脉冲，因此三者之和可以看做本地节点接收的脉冲数目rxpulses_local。首先，设定物理层统计窗口时间t1，一般可设置为数据链系统中各节点的通信时间的最小刻度即10ms，各节点在统计窗口时间内在每个信道(频点)i上从物理层统计一次获得的脉冲计数，该脉冲计数为发射脉冲计数和接收脉冲计数的总和。
20.2)设定应用层统计时间周期t2，一般将最近n个统计窗口时间t1的统计值进行滑动平均作为当前时刻的物理信道负载统计值，即t2＝nt1，滑动平均表示每个窗口的权重相同。根据n取值大小不同，滑动平均所取的统计窗口个数不同。n《10时，统计窗口个数少，统计窗口总时长在100ms以内，信道统计平均值称为快速滑动平均值pulses_fasti；n》＝100时，统计窗口个数多，统计窗口总时长在1s以上，信道统计平均值称为慢速滑动平均值pulses_slowi。其中快速滑动平均值能比较准确反应出当前时刻信道负载情况，而慢速滑动平均值能够反应出当前时刻之前一段时间内的信道负载情况。分别计算之后，取两者中大值作为节点在当前信道(频点)i的信道负载统计值pulses_averi。
21.3)当某节点的队列中有一业务数据包m要发送时，应根据该数据包的跳频图案k(i，j，
…
，k)，找到其各个信道的负载统计值pulses_averi，pulses_averj，
…
，pulses_averk，对这些值求和取平均，就是当前业务数据包m的信道负载统计值，即当前数据包m的信道负载统计值就是其所占频点的负载统计值均值。
22.4)spma协议中将业务数据包分为8个优先级，根据已知的spma发送调度算法，可以得到各个优先级数据包的最大信道负载理论值，也就是各优先级门限值。将计算得到的业务数据包m的信道负载统计值输入至已知的spma发送调度算法中，根据当前数据包m的优先级p，将实际的信道负载统计值和其对应优先级p的门限值进行比较。如果实际负载值小于优先级门限值，则数据包可以立即发送；如果大于优先级阈值，则根据调度算法随机生成一定的退避时间，该数据包需要等待退避时间减为零时，再次判断能否发送。
23.通过上述处理，根据fpga实时捕获信道状态，采用滑动平均统计方式，得到真实的信道负载统计结果，并且通过计算快速滑动平均值和慢速滑动平均值，能够更准确反应信道中脉冲负载的变化和统计。将信道负载统计结果输入至spma发送调度算法中，与各优先级数据的门限值比较，可以确定后续各优先级的数据包是立即发送还是退避等待，达到业务数据依据信道占用情况动态退避的效果，保证节点业务的高优先级低时延接入的数据通信。
24.图1是本发明所适用的spma协议数据接入控制流程示意图。协议由多个优先级队列、优先级门限、发送调度算法、信道负载统计、物理层收发模块、收发天线及相应控制算法组成。spma协议是通过mac层与物理层交互，根据信道中检测的脉冲数目和预先设定的阈值确定信道占用的状态，来决定分组数据的发送情况。信道负载统计用来统计预定时间段内的一个通道的活动等级。当有各优先级数据需要发送时，先按照优先级将数据包分配至各优先级队列，然后由信道负载统计值与相应优先级门限进行对比，如果信道负载统计值低于优先级门限值，则发送数据包；如果信道负载统计值高于优先级门限值，则该数据包等待一个随机退避时间，等到退避时间减为零或者下一次发送数据包时，再次进行信道负载统计值与优先级门限值的判断。可以看出，在spma协议中有两个非常重用的参数：信道负载统计值和优先级门限值。而为了保障高优先级数据具有更高的接入成功率和更低的传输时
延，高优先级的门限值大于低优先级门限值。据此，本发明在数据链终端设备上进行实现与验证，可以实时、快速、准确地根据实际信道占用情况得到真实的信道负载统计值，保证了数据链系统中发送调度算法的真实输入，保障了数据链节点的正常通信，可以满足复杂电磁环境下高优先级数据低时延接入的需求，适用于多种数据链终端设备，具有推广意义。
25.本发明实施例的流程如图2所示，结合图1所示的spma协议进行说明，具体步骤如下：
26.1)首先，根据数据链通信设备fpga的时隙中断，选取物理层统计窗口时间t1＝10ms，设定节点发射脉冲数为txpulses_local，接收脉冲数为rxpulses_local，则本节点在一个统计窗口时间内，从物理层获得的信道统计值表示为
27.pulses_phyi(t1)＝(txpulses_locali rxpulses_locali)
28.其中，pulses_phyi表示物理层信道统计值，i＝1,2,3
…
k，表示第i个频点。
29.2)其次，设定应用层统计时间周期t2，取n＝5，n＝100。则快速滑动平均代表信道在最近5个周期内的信道平均统计值，即t2＝nt1＝50ms；而慢速滑动平均代表信道在100个周期内的信道平均统计值，即t2＝nt1＝1s。设快速滑动平均值pulses_fast，慢速滑动平均值pulses_slow，则分别可以表示为
[0030][0031][0032]
在得到各个信道的快速滑动统计值和慢速滑动统计值后，两者中较大值作为该信道实际负载统计平均值pulses_averi。
[0033]
3)第三，当优先级队列中有一优先级为p的业务数据包m即将发送，首先根据其跳频图案k(i，j，
…
，k)，找到在各频点上信道负载统计值pulses_averi，pulses_averj，
…
，pulses_averk，然后取各频点的负载统计值均值作为该数据包m的负载统计值，即
[0034][0035]
其中，pulses_phypm代表优先级为p的业务数据包m发射前，从物理层得到的信道负载统计值。
[0036]
4)将得到的数据包m的实际信道负载统计值输入至spma发送调度算法中，与相应优先级p的门限值thresholdp相比较，如果低于门限值则立即发送，高于门限值则生成随机退避时间，等待后再次发送。
[0037]
本发明提供的信道负载算法在周期性信道监测反馈的统计结果下，不需要人为参与，自动根据信道占用情况计算各信道负载，将该结果输入至spma协议中，可以实现不同优先级数据的退避发送，降低数据包碰撞概率，既保证了高优先级数据的高效实时接入，又最大程度利用信道资源完成了业务数据的传输。