一種臨近空間自適應(yīng)動態(tài)帶寬分配方法
【專利摘要】本發(fā)明提出一種臨近空間自適應(yīng)動態(tài)帶寬分配方法。具體為：（1）在已有的臨近空間Proximity-1通用MAC幀的格式上，在MAC頭新增緊急狀況位和表示業(yè)務(wù)優(yōu)先級的業(yè)務(wù)類型位；（2）在改進的通用MAC幀的基礎(chǔ)上，具體設(shè)計了2種控制幀，分別為：飛行器帶寬請求和臨空AP帶寬響應(yīng)的控制MAC幀格式；（3）將信道劃分為數(shù)據(jù)信道與控制信道，其中數(shù)據(jù)信道專門用于傳輸數(shù)據(jù)幀，控制信道專門用于傳輸管理幀與控制幀，以提高系統(tǒng)的吞吐率；（4）基于以上的幀和信道設(shè)計，設(shè)計了用戶飛行器和接入AP之間自適應(yīng)動態(tài)帶寬分配流程。本發(fā)明實現(xiàn)了帶寬的自適應(yīng)和信道的劃分，提高了臨近空間數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐掏侣屎涂煽啃浴?br> 【專利說明】一種臨近空間自適應(yīng)動態(tài)帶寬分配方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及臨近空間的臨近空間鏈路協(xié)議(Proximity-ι)的領(lǐng)域，主要針對中低軌用戶飛行器與臨空AP之間傳輸數(shù)據(jù)的協(xié)議方法的討論，在現(xiàn)有的科學(xué)基礎(chǔ)上提出了該方法。
【背景技術(shù)】
[0002]空間數(shù)據(jù)系統(tǒng)咨詢委員會(CCSDS)為滿足更加復(fù)雜的航天任務(wù)中對多種不同類型的航天器實施聯(lián)合控制的需求，在已有的常規(guī)在軌數(shù)據(jù)系統(tǒng)(COS)與高級在軌數(shù)據(jù)系統(tǒng)(AOS )的基礎(chǔ)上開發(fā)的一種新的數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議，即臨近空間鏈路協(xié)議(Proximi ty-1 SpaceLink Protocol)。該協(xié)議的特點為延時短、信號強度中等，適合短途、雙向、固定或變化的無線鏈路，一般多應(yīng)用于相對獨立的航天器之間互相通信，如軌道器、著陸器、巡視器(漫游車)、軌道星座以及軌道中繼等。
[0003]但是，目前CCSDS Proximity-1協(xié)議也存在諸多不足:(I)協(xié)議幀格式中只劃分了業(yè)務(wù)的優(yōu)先級，但沒有區(qū)分業(yè)務(wù)的緊急狀況，會讓緊急的業(yè)務(wù)得不到響應(yīng)；(2)協(xié)議幀格式中雖然有管理數(shù)據(jù)和用戶數(shù)據(jù)的區(qū)分概念，但是沒有涉及專門的信道來傳輸不同類型的幀，臨空AP處理的幀的效率無法提高；(3)沒有一種動態(tài)的自適應(yīng)的用于飛行器用戶和接入點AP之間的帶寬分配方法。
[0004]根據(jù)以上事實，本發(fā)明提出一種臨近空間自適應(yīng)動態(tài)帶寬分配方法，適用于臨空AP處理不同類型的幀，對不同業(yè)務(wù)類型的帶寬請求控制幀動態(tài)分配帶寬等實際航天任務(wù)中的應(yīng)用問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的是提出一種臨近空間自適應(yīng)動態(tài)帶寬分配方法，對臨近空間數(shù)據(jù)傳輸過程進行控制。
[0006]首先給出通用幀與控制幀的相關(guān)定義:
[0007]我們把幀的類型按照不同功能劃分為數(shù)據(jù)幀、管理幀和控制幀，其中數(shù)據(jù)幀主要用于傳輸數(shù)據(jù)，控制幀主要用于傳輸控制信息，管理幀用于傳輸管理信息?？刂茙◣捳埱罂刂茙c帶寬響應(yīng)控制幀和預(yù)留的其它控制幀。
[0008](I)通用幀結(jié)構(gòu)，見附圖1所示，其中:
[0009]版本號(2bit):通常為“10”。
[0010]業(yè)務(wù)質(zhì)量QoS (Ibit): “O”表示該巾貞為受次序控制的巾貞,滿足接收方的巾貞檢查,提供更加可靠的次序約束服務(wù)；“ I ”表示快速幀。
[0011]協(xié)議數(shù)據(jù)類型(2bit): “00”表示管理幀，“01”表示控制幀，“10”表示數(shù)據(jù)幀，“11”預(yù)留。
[0012]子類型(4bit):子類型表示不同的協(xié)議數(shù)據(jù)類型所對應(yīng)的子類型。該文中主要對控制幀的子類型進行闡述，其子類型的定義見附圖2所示。[0013]緊急狀況(Ibit): “O”表示普通業(yè)務(wù)，順序執(zhí)行該類型業(yè)務(wù)?！癐”表示緊急業(yè)務(wù)，可中斷同類優(yōu)先級或優(yōu)先級更低的業(yè)務(wù)。
[0014]業(yè)務(wù)類型(2bit):“00”表示語音業(yè)務(wù)，“01”表示圖像業(yè)務(wù)，“10”表示數(shù)字業(yè)務(wù)，“ 11”預(yù)留，根據(jù)業(yè)務(wù)類型判定優(yōu)先級，業(yè)務(wù)類型對應(yīng)的二進制數(shù)越小，優(yōu)先級越高，即改進協(xié)議中，語音業(yè)務(wù)的優(yōu)先級最高。
[0015]航天器標(biāo)識ID (SCID) (IObit):前5位為發(fā)送方ID，后5位為接收方ID。
[0016]物理信道ID (PCID) (Ibit):物理通信標(biāo)識。
[0017]端口定義(3bit):指定幀的數(shù)據(jù)域應(yīng)該經(jīng)由哪個物理端接收。
[0018]收發(fā)標(biāo)識(S or D) (Ibit): “O”代表發(fā)送方傳輸幀，“I”代表接收方傳輸中貞。
[0019]幀長(Ilbit):最大幀長2048B，其中幀頭為6B，負載最大為2042B ;最小幀長為6B，其中幀頭為6B，負載為O。
[0020]幀號(Sbit):用于序列控制，需要單獨計數(shù)，不參與幀校驗過程。
[0021]負載(0-2042B):負載區(qū)與幀頭部分無縫連接，負載區(qū)長度可變,最大為2042B，最小為0B。在傳輸數(shù)據(jù)幀時，當(dāng)傳輸?shù)挠脩魯?shù)據(jù)大于一幀長度時，對用戶數(shù)據(jù)進行分割；當(dāng)用戶數(shù)據(jù)小于一幀長度時，尾部填O以達到一幀長度。
[0022](2)控制幀結(jié)構(gòu)，見附圖3所示，其MAC頭的協(xié)議數(shù)據(jù)類型域為“OI”。本發(fā)明中具體設(shè)計了 2種控制幀:帶寬請求控制幀與帶寬響應(yīng)控制幀，其中帶寬請求控制幀的負載長度為2B，表示待發(fā)送的數(shù)據(jù)量的大小，帶寬響應(yīng)控制幀的負載長度為1B，表示帶寬分配結(jié)`果O
[0023](3)帶寬請求控制幀結(jié)構(gòu)，見附圖4所示，當(dāng)用戶飛行器需要向臨空AP發(fā)送數(shù)據(jù)時，首先發(fā)送帶寬請求控制幀以請求臨空AP分配帶寬。帶寬請求控制幀中子類型為
0000(0x0)，S or D為O (帶寬請求控制幀是發(fā)送方傳輸幀)，幀長為00000001000 (0x8)，幀號為00000000(0x0)。負載部分用于傳輸用戶飛行器需要發(fā)送的待發(fā)送數(shù)據(jù)量的大小，共占2個字節(jié)，當(dāng)該部分的二進制數(shù)所代表的十進制值為K時，表示有K幀的數(shù)據(jù)等待發(fā)送。因為一幀的數(shù)據(jù)量為2B，所以有KX2B的數(shù)據(jù)量等待發(fā)送。2B可以表示的最大十進制數(shù)值為216=65536，所以可以表示的最大傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量為216X2KB=2GB。
[0024](4)帶寬響應(yīng)控制幀結(jié)構(gòu)，見附圖5所示，當(dāng)臨空AP收到用戶飛行器發(fā)送的帶寬請求控制幀時，根據(jù)當(dāng)前剩余帶寬情況向用戶飛行器發(fā)送能夠滿足用戶的帶寬大小。帶寬響應(yīng)控制幀中子類型為0001 (0x1), S or D為I (帶寬響應(yīng)控制幀是接收方傳輸幀)，幀長為00000000111 (0x7)，幀號為00000000 (0x0)。負載部分用于傳輸臨空AP能夠滿足用戶飛行器的帶寬大小，共1B。假設(shè)臨空AP的總帶寬為B，則把總帶寬分為28=256個子帶寬，每個
子帶寬的大小為B/256，當(dāng)能夠分配的帶寬為M時，則用所對應(yīng)的二進制數(shù)表示臨空



BI 256
AP能夠分配的帶寬。
[0025]其次，本發(fā)明給出信道的定義。
[0026]我們把信道按照不同的功能劃分為控制信道與數(shù)據(jù)信道，其中控制信道占有很少的帶寬，專門用來傳輸控制幀和管理幀；數(shù)據(jù)信道占有大部分的帶寬用于傳輸用戶數(shù)據(jù)，這樣就實現(xiàn)了數(shù)據(jù)信道與控制信道相分離，大大的提高了吞吐率。假設(shè)我們研究的臨空飛行器具有多天線，則我們可以把其中某一個天線的信道作為控制信道，該信道專門用于傳輸控制幀和管理幀。
[0027]在以上定義的具體的幀和信道的基礎(chǔ)上，設(shè)計了用戶飛行器和接入AP之間自適應(yīng)動態(tài)帶寬分配流程，如附圖6所示。
[0028]步驟①:用戶飛行器通過控制信道將帶寬請求控制幀發(fā)給臨空AP，以負載的形式捎帶待發(fā)送數(shù)據(jù)量的大小，請求臨空AP分配帶寬以傳輸數(shù)據(jù)(附圖7，steplOO)。
[0029]步驟②:臨空AP根據(jù)當(dāng)前剩余帶寬的分配情況用帶寬響應(yīng)控制幀做出應(yīng)答，如果沒有帶寬可以分配，則應(yīng)答請求失敗，臨空AP應(yīng)答的帶寬響應(yīng)控制幀中的帶寬分配結(jié)果部分為全O;如果有剩余帶寬能夠進行分配則應(yīng)答帶寬分配成功，帶寬分配結(jié)果部分用實際分配的帶寬所對應(yīng)的二進制數(shù)表示。
[0030]步驟③:臨空AP通過控制信道將帶寬響應(yīng)控制幀傳輸給用戶飛行器，以負載的形式捎帶帶寬分配結(jié)果(附圖7，stepl04)。
[0031]步驟④:用戶飛行器根據(jù)帶寬響應(yīng)控制幀做出處理，如果帶寬分配結(jié)果為0，則用戶飛行器等待一段隨機時間之后重發(fā)帶寬請求控制幀(附圖7，stepl06)，如果為大于O的數(shù)，則用戶飛行器通過數(shù)據(jù)信道開始發(fā)送數(shù)據(jù)(附圖7，step105)。
[0032]在步驟2中，臨空AP詳細處理流程圖見附圖7所示。
[0033]首先，根據(jù)普通業(yè)務(wù)和緊急業(yè)務(wù)的劃分，定義緊急加權(quán)系數(shù)(緊急系數(shù))kem，普通業(yè)務(wù)的緊急系數(shù)為1，緊急業(yè)務(wù)的緊急系數(shù)為2。然后再根據(jù)各業(yè)務(wù)類型的不同，如音頻，圖像和數(shù)據(jù)三類，實現(xiàn)優(yōu)先級的劃分并根據(jù)優(yōu)先級的不同定義了業(yè)務(wù)加權(quán)系數(shù)(業(yè)務(wù)系數(shù))kse,業(yè)務(wù)加權(quán)系數(shù)為優(yōu)先級反碼對應(yīng)的十進制數(shù)。本發(fā)明中，“00”表示語音業(yè)務(wù)，“01”表示圖像業(yè)務(wù)，“10”表示數(shù)字業(yè)務(wù)，易于得到語音業(yè)務(wù)的業(yè)務(wù)加權(quán)系數(shù)kse=3，圖像業(yè)務(wù)的業(yè)務(wù)加權(quán)系數(shù)kse=2，數(shù)字業(yè)務(wù)的業(yè)務(wù)加權(quán)系數(shù)kse=l。最后，我們定義等效加權(quán)系數(shù)、為緊急加權(quán)系數(shù)與業(yè)務(wù)加權(quán)系數(shù)kse的乘積(SP keq = kemXkse),以決定各個業(yè)務(wù)最終分配帶寬的多少以及被其他業(yè)務(wù)中斷的情況。
[0034]①臨空AP在有剩余帶寬時為同一時刻到來的η個帶寬請求分配帶寬(step101)
[0035]假設(shè)剩余帶寬為Μ，請求帶寬的大小分別是X1, ，Xi，…，xn，它們對應(yīng)的緊急加權(quán)系數(shù) Kem與業(yè)務(wù)加權(quán)系數(shù) kse 分別是 kenil，kM2...，kMi，…，k—和 ksel, kse2...，ksei, “.，ksen。首先計算出各個業(yè)務(wù)的等效加權(quán)系數(shù)keqi = kemi X ksei, i = 1，2，…]!。則為第i個業(yè)務(wù)分配的帶寬為:
【權(quán)利要求】
1.一種臨近空間自適應(yīng)動態(tài)帶寬分配方法，其特征在于:(1)在已有的臨近空間Proximity-1通用MAC幀的格式上,在MAC頭新增緊急狀況位和表示業(yè)務(wù)優(yōu)先級的業(yè)務(wù)類型位；(2)在改進的通用MAC幀的基礎(chǔ)上，具體設(shè)計了 2種控制幀，分別為:飛行器帶寬請求和臨空AP帶寬響應(yīng)的控制MAC幀格式；(3)將信道分為控制和數(shù)據(jù)2種專用信道；(4)基于以上的幀和信道設(shè)計，提出了用戶飛行器和AP之間的自適應(yīng)動態(tài)帶寬分配流程。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種臨近空間自適應(yīng)動態(tài)帶寬分配方法，其特征在于: 通用MAC對應(yīng)的幀格式，包括: 幀控制域(6字節(jié))，其中:2比特協(xié)議版本號子域，區(qū)分當(dāng)前和未來空間通信協(xié)議；1比特的業(yè)務(wù)質(zhì)量，O表示該幀為受次序控制的幀，滿足接收方的幀檢查，提供更加可靠的次序約束服務(wù)；1表示快速幀；2比特的協(xié)議數(shù)據(jù)類型，區(qū)分管理幀、控制幀和數(shù)據(jù)幀；4比特的子類型，0000表示帶寬請求幀，0001表示帶寬響應(yīng)幀，其他預(yù)留；1比特的緊急狀況，O表示普通業(yè)務(wù)，1表示緊急業(yè)務(wù)；2比特的業(yè)務(wù)類型，且與優(yōu)先級一一對應(yīng)，00代表語音業(yè)務(wù)，具有最高優(yōu)先級，01表示圖像業(yè)務(wù)，具有次優(yōu)先級，10表示數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，具有低優(yōu)先級，11預(yù)留；10比特的航天器標(biāo)識ID (SCID)，前5位為發(fā)送方ID，后5位為接收方ID ；1比特的物理信道，表示物理通信標(biāo)識；3比特的端口定義，指定幀的數(shù)據(jù)域應(yīng)該經(jīng)由哪個物理端接收；1比特的收發(fā)標(biāo)識，O表不發(fā)送方傳輸幀，I表不接收方傳輸幀；11比特的幀長標(biāo)識，最大幀長2048B，其中幀頭為6B，負載最大為2042B，幀長最小為6B，其中幀頭為6B，負載為O ;8比特的幀號，用于序列控制，需單獨計數(shù)，不參與幀校驗過程； 負載(可變長)，長度在O字節(jié)到2042字節(jié)之間。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種臨近空間自適應(yīng)動態(tài)帶寬分配方法，其改進創(chuàng)新在于飛行器帶寬請求和臨空AP帶寬響應(yīng)的控制MAC幀格式的設(shè)計: 在通用幀格式的基礎(chǔ)上，MAC頭中含2比特的協(xié)議數(shù)據(jù)類型，區(qū)分管理幀、控制幀和數(shù)據(jù)幀；4比特的子類型，0000表示帶寬請求控制幀，0001表示帶寬響應(yīng)控制幀，其他預(yù)留；負載(可變長)，長度在O字節(jié)到2042字節(jié)之間，帶寬請求控制幀和帶寬響應(yīng)控制幀的負載中的二進制數(shù)分別對應(yīng)于用戶飛行器將要發(fā)送數(shù)據(jù)量的幀數(shù)和臨空AP為用戶飛行器分配的帶寬，具體如下: (1)控制幀結(jié)構(gòu)，其MAC頭的類型域為“01”，本發(fā)明中具體設(shè)計了2種控制幀:帶寬請求控制幀與帶寬響應(yīng)控制幀，其中帶寬請求控制幀的負載長度為2B，表示待發(fā)送的數(shù)據(jù)量的大小，帶寬響應(yīng)控制幀的負載長度為1B，表示帶寬分配結(jié)果； (2)帶寬請求控制幀結(jié)構(gòu)，當(dāng)用戶飛行器需要向臨空AP發(fā)送數(shù)據(jù)時，首先發(fā)送帶寬請求控制幀以請求臨空AP分配所需的帶寬，在控制幀的基礎(chǔ)上得到的帶寬請求控制幀如上，帶寬請求控制幀中子類型為0000，S or D為O (帶寬請求控制幀是發(fā)送方傳輸幀)，幀長為.00000001000，幀號為00000000 ;負載部分用于傳輸用戶飛行器需要發(fā)送的待發(fā)送數(shù)據(jù)量的大小，共占2個字節(jié)，當(dāng)該部分的二進制數(shù)所代表的十進制值K時，表示有K幀的數(shù)據(jù)等待發(fā)送，因為一幀的數(shù)據(jù)量為2B，所以有KX 2B的數(shù)據(jù)量等待發(fā)送，2B可以表示的最大數(shù)為216=65536，所以可以表示的最大傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量為216X2KB=2GB ； (3)帶寬響應(yīng)控制幀結(jié)構(gòu)，當(dāng)臨空AP收到用戶飛行器發(fā)送的帶寬請求控制幀時，根據(jù)當(dāng)前剩余帶寬情況向用戶飛行器發(fā)送能夠滿足用戶的帶寬大小，在控制幀的基礎(chǔ)上得到的帶寬響應(yīng)控制幀如上，帶寬響應(yīng)控制幀中子類型為0001，S or D為1(帶寬響應(yīng)控制幀是接收方傳輸幀)，幀長為00000000111，幀號為00000000，負載部分用于傳輸臨空AP能夠滿足用戶飛行器的帶寬大小，共1B，假設(shè)臨空AP的總帶寬為B，則把總帶寬分為28=2 56個子帶寬，每個子帶寬的大小為B/256，當(dāng)能夠分配的帶寬為M時，則用
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種臨近空間自適應(yīng)動態(tài)帶寬分配方法，其創(chuàng)新在于將信道分為控制和數(shù)據(jù)2種專用信道:控制信道用于傳輸控制幀和管理幀，數(shù)據(jù)信道用于傳輸語音、圖像、和數(shù)據(jù)信息等數(shù)據(jù)幀。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種臨近空間自適應(yīng)動態(tài)帶寬分配方法，其核心算法在于臨空AP動態(tài)分配帶寬的過程以及規(guī)范: 首先，給出臨空AP與用戶飛行器相互通信的過程: (1)用戶飛行器通過控制信道將帶寬請求控制幀發(fā)給臨空AP，以負載的形式捎帶待發(fā)送數(shù)據(jù)量的大小，請求臨空AP分配帶寬以傳輸數(shù)據(jù)； (2)臨空AP根據(jù)當(dāng)前剩余帶寬的分配情況用帶寬響應(yīng)控制幀做出應(yīng)答，如果沒有帶寬分配，則應(yīng)答請求失敗，臨空AP應(yīng)答的帶寬響應(yīng)控制幀中的帶寬分配結(jié)果部分為全O ;如果有剩余帶寬能夠進行分配則應(yīng)答帶寬分配成功，帶寬分配結(jié)果部分用實際分配的帶寬所對應(yīng)的二進制數(shù)表示； (3)臨空AP通過控制信道將帶寬響應(yīng)控制幀傳輸給用戶飛行器，以負載的形式捎帶帶寬分配結(jié)果； (4)用戶飛行器根據(jù)帶寬響應(yīng)控制幀做出處理，如果帶寬分配結(jié)果為0，則用戶飛行器等待一段隨機時間之后重發(fā)帶寬請求控制幀，如果為大于O的數(shù)，則用戶飛行器通過數(shù)據(jù)信道開始發(fā)送數(shù)據(jù)； 其次，給出臨空AP為用戶飛行器動態(tài)分配帶寬的方法: 根據(jù)普通業(yè)務(wù)和緊急業(yè)務(wù)的劃分，定義緊急加權(quán)系數(shù)(緊急系數(shù))keffl,普通業(yè)務(wù)的緊急系數(shù)為1，緊急業(yè)務(wù)的緊急系數(shù)為2 ;然后再根據(jù)各業(yè)務(wù)類型的不同，如音頻，圖像和數(shù)據(jù)三類，實現(xiàn)優(yōu)先級的劃分并根據(jù)優(yōu)先級的不同定義了業(yè)務(wù)加權(quán)系數(shù)(業(yè)務(wù)系數(shù))kse，業(yè)務(wù)加權(quán)系數(shù)為優(yōu)先級反碼對應(yīng)的十進制數(shù)；本發(fā)明中，00表示語音業(yè)務(wù)，01表示圖像業(yè)務(wù)，“10”表示數(shù)字業(yè)務(wù)，易于得到語音業(yè)務(wù)的業(yè)務(wù)加權(quán)系數(shù)kse=3，圖像業(yè)務(wù)的業(yè)務(wù)加權(quán)系數(shù)kse=2，數(shù)字業(yè)務(wù)的業(yè)務(wù)加權(quán)系數(shù)kse=l ;最后，我們定義等效加權(quán)系數(shù)、為緊急加權(quán)系數(shù)kem與業(yè)務(wù)加權(quán)系數(shù)kse的乘積(即keq = kemXkse),以決定各個業(yè)務(wù)最終分配帶寬的多少以及被其他業(yè)務(wù)中斷的情況: ①臨空AP在有剩余帶寬時為同一時刻到來的η個帶寬請求分配帶寬假設(shè)剩余帶寬為Μ，請求帶寬的大小分別是X1, ，Xi,…，χη,它們對應(yīng)的緊急加權(quán)系數(shù)與業(yè)務(wù)加權(quán)系數(shù)kse分別是kenil，keni2…，kenii，…，k_和ksel, kse2...，ksei,…，ksen，首先計算出各個業(yè)務(wù)的等效加權(quán)系數(shù)keqi = kemi X ksei, i = l,2,…η,則為第i個業(yè)務(wù)分配的帶寬為:.
【文檔編號】H04W28/06GK103874214SQ201410142360
【公開日】2014年6月18日 申請日期:2014年4月10日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月10日
【發(fā)明者】廖勇, 宋強, 黃 俊, 譚彥婷, 楊力生 申請人:重慶大學(xué)