本发明属于通信技术领域，涉及一种无人机自组网通信组网协议，提出了一种基于信道状态感知的多优先级多信道媒体接入控制协议(multi-prioritymulti-channelmediaaccesscontrol,mpmc_mac)。
技术背景
无人机自组网采用移动adhoc网络(mobileadhocnetwork，manet)作为主体网络体系架构，具有灵活、动态、快速自组、大容量、分布式、高抗毁性等特点，能够大大提高各种飞行器网络化协同作战能力，已成为军事航空通信网络未来重要发展方向之一。媒体接入控制(mediaaccesscontrol，mac)协议是无人机自组网的关键技术之一，主要解决多个无人机之间如何高效共享通信信道的问题，是决定信息传输时延的主要因素，而无人机自组网存在传输时延较大、信道质量不稳定等问题，影响信息传输的时效性、可靠性，对mac协议提出了较高要求。
无人机自组网mac协议需要满足以下要求：(1)高优先级业务极低的传输时延；(2)分组首次发送成功率达到99％；(3)支持多种业务不同的服务质量(qualityofservice，qos)；(4)支持大量用户。因此，非常有必要为无人机自组网设计一种传输时延小、网络容量大、灵活性高、可扩展性强，并支持多优先级业务区分服务的mac协议，旨在保证高优先级的业务能够快速接入信道，获得最小的时延，同优先级业务获得公平接入的机会，实现节点之间信息快速、有效、可靠地共享和交换。
技术实现要素：
本发明的目的是提供一种基于多信道状态感知的多优先级多信道mac协议，能够实时感知信道占用情况，为无人机自组网实现不同优先级业务的区分服务，并为各类信息传输提供有效的qos保障和网络信道资源的充分高效利用。mpmc_mac协议是一种基于信道状态感知的分布式随机竞争类mac协议，主要包括多优先级多队列调度机制、呼叫准入控制机制、退避算法，以及多信道动态分配模型等4部分。其中，退避算法采用ieee802.11协议中的二进制指数退避(binaryexponentialbackoff，beb)机制，其具体内容本专利不再讨论。
本发明的发明目的通过以下技术方案实现：
一种基于信道感知的多优先级多信道媒体接入控制协议，包含多信道动态分配模型，多信道动态分配模型为将n个信道划分为γ个动态预留信道和n-γ个固定共享信道，固定共享信道由所有不同优先级的分组平等共享，动态预留信道根据以下公式为各不同优先级的分组预留信道数：
其中，m为当前分组的优先级等级，m为优先级的总等级数，
优选地，
其中，γ0表示γ的初值，ηmin表示期望的最小信道利用率，ηp当前的信道利用率。
优选地，
其中，
优选地，分组的到达取决于节点的状态；
节点在“初始化/空闲”状态时，则将分组插入队列；
节点在“退避等待”状态时，若有新分组到达，如果队列未满，则将分组插入队列，否则丢弃该分组；
节点在“发送队首分组”状态，若有新分组到达，如果对应队列未满，则插入该队列中，否则丢弃该分组。
优选地，节点的状态由呼叫准入控制机制控制，呼叫准入控制机制为：
节点在“初始化/空闲”状态时，新到达分组插入队列之后，计算目前网络中已占用的信道数，若网络中已占用的信道数大于该分组可占用的信道数，则节点进入“退避等待”状态，否则节点进入“发送队首分组”状态；
节点在“退避等待”状态时，计算目前网络中已占用的信道数，若网络中已占用的信道数小于队列中分组可占用的信道数，则节点进入“发送队首分组”状态；
节点在“发送队首分组”状态时，在分组发送完毕后，若所有队列为空，节点进入“初始化/空闲”状态；若所有队列为非空，则计算目前网络中已占用的信道数，若网络中已占用的信道数小于队列中分组可占用的信道数，则节点进入“发送队首分组”状态，否则进入“退避等待”状态。
优选地，队列有m个，分组达到后根据优先级等级插入对应的队列中。
本发明的主要创新性在于：
1)针对多优先级业务采用了一种简单、有效的多优先级多队列调度机制。鉴于目前研究通常采用的多优先级单队列复杂且不易实现的问题，本发明采用了一种多优先级多队列机制，分组接入次序由调度算法控制，将所有分组按照其优先级的高低次序进行服务，能够满足网络中任意优先级业务类别需求，同时确保高优先级业务低时延、高可靠性的qos保障。
2)提出了一种能够实时监控各优先级业务流量和网络信道占用情况的呼叫准入控制机制。该机制采用了一种分组到达率估计算法来对各优先级业务到达率进行实时估计，并进一步感知各信道占用情况，从而判断分组能否立即接入信道，可有效避免网络拥塞。
3)为多优先级业务合理、高效占用信道资源提出了一种多信道动态分配模型。通过将网络整体带宽划分为固定共享信道和动态预留信道两部分，既可为高优先级业务保证充足的信道资源，又能有效提高整体信道利用率。
本发明的有益效果是，基于信道状态感知的多优先级多信道mac协议能够实时感知信道占用情况，为无人机自组网不同优先级业务实现区分服务，为各类信息传输提供有效的qos保障，并充分高效利用网络带宽资源，可保障无人机自组网中多种业务并存传输，并满足部分信息传输时效性和可靠性的严格要求。
附图说明
图1是基于信道状态感知的多优先级多信道mac协议的构成框架；
图2是该mac协议状态转移图；
图3是多信道动态分配模型示意图；
图4是呼叫准入控制机制流程图；
图5是多信道动态分配马尔科夫链模型的状态转移图。
具体实施方式
下面结合附图和佳较的实施例对本发明进行详细说明。
图1为基于信道状态感知的多优先级多信道mac协议的构成框架。图中包括多优先级多队列调度机制、呼叫准入控制机制、退避算法，以及多信道动态分配模型等4部分。
多优先级多队列调度机制为在节点中设置m个队列，每个队列供一个等级的优选级分组插入，即优选级为1的队列插入序号为1的队列中，优选级为2的队列插入序号为2的队列中。
图2为协议的状态转移图，网络中所有节点都按照此状态转移策略工作。具体状态转移过程可描述为：
1)节点从“初始化/空闲”状态开始，如果收到来自上层的分组，则根据该分组的优先级，插入该优先级所对应的队列；
2)新到达分组插入其队列之后，根据呼叫准入控制机制计算目前网络中已占用的信道数，若网络中已占用的信道数大于该分组可占用的信道数，则节点进入“退避等待”状态，否则节点进入“发送队首分组”状态。
3)节点在“退避等待”状态，若有新分组到达，如果对应队列未满，则插入该队列中，否则丢弃该分组，直到有相应空闲信道时进入“发送队首分组”状态；
4)在“发送队首分组”状态，若有新分组到达，如果对应队列未满，则插入该队列中，否则丢弃该分组；
5)“发送完毕”状态后，若所有队列为空，节点进入“初始化/空闲”状态；若所有队列为非空，则计算目前网络中已占用的信道数，若网络中已占用的信道数小于队列中分组可占用的信道数，则节点进入“发送队首分组”状态，否则进入“退避等待”状态。。
图3为多信道动态分配模型示意图。多信道动态分配模型是该mac协议的核心控制机制，令p(p＝1,2,…,m,…,m)表示分组的优先级，其中p＝1的优先级最高，p＝m的优先级最低。令λt表示总分组到达率，λm表示优先级p＝m的分组到达率，因此
λt＝λ1+λ2+…+λm+…+λm(1)
令n表示网络中总信道数，γ为最大可预留的动态预留信道数，其占用权基于分组的优先级。其余n-γ个固定共享信道由所有优先级分组平等共享。为了获得信道利用率的高性能，γ的数值不能设置过大。
在该模型中，为优先级p＝1分组预留的动态预留信道数可表示为：
为优先级p＝1,2分组共同预留的动态预留信道数可表示为：
为优先级p＝1,2,…,m分组共同预留的动态预留信道数可表示为：
那么，γ可表示为：
除了n-γ个共享信道之外，
因此，优先级p＝m分组总可用信道数为：
nm＝n-γ+ym(t)(7)
式(2)-(7)表明在该分配模型中，给不同优先级分组所分配的信道数不是固定的，而是由参数λm、λt、n和γ所共同决定的。在给定n和γ的情况下，优先级p＝m分组总可用信道数可以通过估计分组到达率的方法计算得到。
γ最优值的计算有几种方法，其中最简便的方法是利用信道利用率计算。γ的取值可以通过期望的最小信道利用率、信道拥塞状况，以及γ的初值而动态调整。假设ηmin和ηp分别表示期望的最小信道利用率和当前的信道利用率，γ最优值可通过下式计算：
其中，γ0表示γ的初值。式(8)给出一种在动态网络条件下计算γ最优值的简便方法。当信道利用率的当前值低于期望的最小信道利用率值时，系统可通过减小γ的数值来进行调整。
图4为呼叫准入控制机制流程图。当优先级p＝m分组到达时，该机制采用分组到达率估计算法估计该优先级分组的到达率，并计算最大可用信道数nm。如果已占用信道数小于nm，则立即将该分组接入信道；如果已占用信道数大于或等于nm，则将该分组执行退避算法。
这里采用一种分组到达率估计算法(packetsarrivalrateestimationalgorithm，parea)来对网络中各优先级分组到达率进行实时估计。为了估计分组到达率，需要观察各优先级最近n+1个到达分组。这里令
在优先级p＝m分组中，最近n+1个到达分组中两相邻分组间的平均时间间隔可表示为：
对式(9)中关于
其中△tm为真值，这表明
根据最近n+1个到达分组，优先级p＝m分组的平均分组到达率可表示为：
由于
这里，只通过最近n+1个到达分组来获取网络实时流量状况，当一个新的分组到达后，该优先级分组到达率的估计值就得到了更新。式(12)表明，分组可用信道数是依赖于该优先级分组到达率λm、n和γ而动态变化的。
图5为多信道动态分配的马尔科夫链模型状态转移图。定义1/μ为平均信道占用时间，其服从指数分布。令pi表示系统处于状态i的概率。因此，系统状态平衡方程为：
在该模型中，对于优先级p＝m的分组，如果信道中正在发送的分组数大于或等于nm，那么新到达的分组就将执行退避算法。n1为最高优先级(p＝1)分组的最大可用信道数，nm为最低优先级(p＝m)分组的最大可用信道数。只有当网络中的全部信道数n(n＝n1)都被占用时，新到达的最高优先级才将执行退避算法。
通过排队论分析可以得出优先级p＝m分组退避概率的数学表达式。式(14)给出了最高优先级(p＝1)分组退避概率的数学表达式，式(15)给出了优先级(p＝2,3,…,m,…,m)的分组退避概率的数学表达式。
其中，
本发明提出了一种基于信道状态感知的多优先级多信道mac协议，该协议结合多优先级多队列调度机制、呼叫准入控制机制和多信道动态分配模型，在保障各类优先级业务qos区分服务的基础上提高了信道利用率。本发明作为无人机自组网mac协议的一个重要算法，具有高优先级业务qos保证和多业务优先级服务区分能力，也可应用于其他多优先级业务并存传输，且对高优先级业务实时性和可靠性要求很高的无线通信网络中。