數(shù)據(jù)鏈時隙分配算法設(shè)計與仿真

楊 恩， 張有光， 唐積強

（北京航空航天大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，北京 100191）

0 引言

數(shù)據(jù)鏈?zhǔn)遣捎镁W(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)和應(yīng)用協(xié)議,實現(xiàn)機載、陸地和艦船系統(tǒng)之間的高效的數(shù)據(jù)信息交換的通信系統(tǒng)[1]?，F(xiàn)代空空通信環(huán)境下，節(jié)點之間的信息交互較多，網(wǎng)絡(luò)通信業(yè)務(wù)需求較大，實時性要求強。基于自組織時分多址技術(shù)（STDMA）的數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)[2]是以時隙為基本單位，將時間軸劃分為若干個時隙，由多個時隙組成時幀，網(wǎng)絡(luò)中的每個作戰(zhàn)單元在每個時幀中都占有時隙，為信息交互提供了實時性保證。

現(xiàn)通過使用OPNET軟件對自組織預(yù)約STDMA算法[3]進(jìn)行仿真，對仿真結(jié)果進(jìn)行分析，提出了改進(jìn)的動態(tài)自組織時隙分配算法（DSTDMA），該算法可以有效的保證網(wǎng)絡(luò)的實時性要求，能夠更好的適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的變化。

1 預(yù)約STDMA算法簡介

預(yù)約 STDMA算法由固定分配和預(yù)約分配兩種方式組成，其幀結(jié)構(gòu)組成如圖1所示，每個超幀有n個時幀組成，每個時幀由m個時隙組成[4]。在該算法中，每個時幀由固定時隙和可預(yù)約時隙組成。固定時隙固定分配給網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的節(jié)點，其余節(jié)點不能使用；預(yù)約時隙可以由網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的時隙共同競爭使用。

圖1 時幀結(jié)構(gòu)

該算法提出了動態(tài)的時隙預(yù)約思想，為網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的數(shù)據(jù)包通信提供了QoS保證機制，并且提供了完成的網(wǎng)絡(luò)調(diào)整的機制，整個算法具有較高的穩(wěn)定性。

在網(wǎng)絡(luò)規(guī)模穩(wěn)定的情況下，該算法能夠獲得更好的穩(wěn)定執(zhí)行效果，但是當(dāng)節(jié)點較少時，由于整個時幀長度已經(jīng)固定為m，將會導(dǎo)致部分時隙的浪費，并且當(dāng)網(wǎng)絡(luò)規(guī)模不斷增加之后，由于網(wǎng)絡(luò)的時隙數(shù)有限，將導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)所有空閑時隙都被分配出去，無法為新節(jié)點分配時隙，節(jié)點不能加入網(wǎng)絡(luò)。

在針對STDMA算法的在以上環(huán)境下的不適應(yīng)性，所以提出一種可以動態(tài)調(diào)整時幀長度的時隙分配算法（DSTDMA），在網(wǎng)絡(luò)規(guī)模變化較快環(huán)境下，算法能夠更好的利用時隙，減小數(shù)據(jù)包時延，并且具有良好的可擴(kuò)展性。

2 DSTDMA算法簡介

2.1 時幀結(jié)構(gòu)

DSTDMA算法的幀長度為2的冪次方，在網(wǎng)絡(luò)運行的整個期間，時幀的長度可變，其幀結(jié)構(gòu)如圖2所示。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)節(jié)點較少時，網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的幀長度較小，每個節(jié)點占用一個時隙，當(dāng)節(jié)點數(shù)增加之后，由于原來的時隙數(shù)無法滿足當(dāng)前的節(jié)點數(shù)，則幀長度進(jìn)行加倍，為新入網(wǎng)節(jié)點分配時隙。下面將具體的介紹整個算法的流程。

圖2 時隙分配算法的時幀結(jié)構(gòu)

2.2 時隙分配

新的節(jié)點在加入網(wǎng)絡(luò)時，需要獲取網(wǎng)絡(luò)中的可用時隙，來進(jìn)行數(shù)據(jù)包的發(fā)送，其主要過程為如下幾個步驟：

（1）發(fā)送入網(wǎng)申請

當(dāng)一個新的節(jié)點加入網(wǎng)絡(luò)之前，節(jié)點不知道網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的任何時隙分配信息，首先需要偵聽網(wǎng)絡(luò)的幀長度，確定0號時隙的位置，發(fā)送入網(wǎng)申請信息。

（2）獲取時隙分配信息

當(dāng)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的節(jié)點接收到新節(jié)點的入網(wǎng)申請之后，各個節(jié)點在自己占有的時隙發(fā)送其時隙占用情況以及其鄰居節(jié)點的時隙占用情況。新節(jié)點記錄下其所有鄰居節(jié)點發(fā)送來的時隙分配信息，首先將自己的時幀長度設(shè)置成與獲取到的最大時幀長度相等。

（3）選擇時隙

節(jié)點根據(jù)上一個階段所記錄的時隙信息，按照下面三個步驟進(jìn)行時隙的選擇。

①選擇空閑時隙。節(jié)點根據(jù)在上一階段獲取的各個鄰居的時隙信息情況，選擇沒有被任何節(jié)點占用的時隙；

社會發(fā)展至今，包容度越來越高?！半p十一”呼嘯而至，碼商百舸爭流，無論是否買家，都應(yīng)該放下一切與這個時代不再契合的觀念，用自身的體驗來打量“雙十一”，尋找它的意義。

②釋放節(jié)點多占的時隙。當(dāng)新節(jié)點在查找獲得的時隙信息之后，發(fā)現(xiàn)沒有空余時隙，那么新節(jié)點將查找所獲得的時隙信息中，是否存在一個節(jié)點占有多個時隙的情況，如果存在一個節(jié)點占有了多個時隙，那么將從占有時隙做多的節(jié)點所占有的時隙中，選擇一個時隙，作為新節(jié)點的時隙；

③調(diào)整幀長。當(dāng)新節(jié)點查找時隙信息時，如果沒有能夠滿足上面兩個情況，新節(jié)點將主動將時幀長度加倍，由于每個幀中的第一個時隙是預(yù)留時隙，所以，幀長加倍之后，新節(jié)點可以占用后面半個幀中的第一個時隙。時幀長度加倍之后，后半幀的時隙占用除了后半幀中第一幀外，其余各個時隙均與前半幀相同。

（4）更新時隙信息

完成了上面三個階段之后，一個新節(jié)點就加入到了網(wǎng)路之中。新節(jié)點將其選擇的時隙信息在一下個0號時隙進(jìn)行播報，網(wǎng)絡(luò)內(nèi)節(jié)點接收到新的時隙分配信息之后，將自己所記錄的時隙表進(jìn)行更新；并且將更新后的時隙信息再次進(jìn)行播報，使得其鄰居節(jié)點也更新時隙表信息，保證新入網(wǎng)節(jié)點兩跳范圍內(nèi)實現(xiàn)無沖突的時隙分配。

3 OPNET仿真建模

OPNET軟件作為一種主流網(wǎng)絡(luò)仿真軟件，為通信網(wǎng)絡(luò)和分布式系統(tǒng)的建模提供了全面的模擬仿真開發(fā)環(huán)境。OPNET采用三層建模機制：進(jìn)程模型、節(jié)點模型、網(wǎng)絡(luò)模型。三層模型與實際的協(xié)議、設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)完全對應(yīng)，能夠全面的反映出網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)特性[5]。

3.1 進(jìn)程模型

進(jìn)程模型使用有限狀態(tài)機來描述進(jìn)程的邏輯行為，它位于OPNET三層模型中的最底層。DSTDMA狀態(tài)機設(shè)計共由8個狀態(tài)構(gòu)成。

①init狀態(tài)機完成算法的初始化過程，設(shè)置節(jié)點的時隙長度，業(yè)務(wù)信息，節(jié)點類型等；

②listen、backoff、wait狀態(tài)機完成發(fā)送入網(wǎng)申請，以及根據(jù)獲得的時隙信息，進(jìn)行時隙的選擇；

③control狀態(tài)完成網(wǎng)絡(luò)內(nèi)節(jié)點的時隙信息發(fā)送和時隙分配調(diào)整過程。

3.2 節(jié)點模型

OPNET中節(jié)點模型定義了每一個節(jié)點的行為，一個節(jié)點通常由多個模塊組成，節(jié)點的行為有組成它的模塊所決定，每個模塊完成節(jié)點的一部分行為。DSTDMA的節(jié)點模型包含三層，最上層為sink模塊和src模塊，用來產(chǎn)生數(shù)據(jù)包和處理、銷毀本節(jié)點接收的數(shù)據(jù)包；中間是mac模塊，算法的核心模塊，完成整個時隙分配算法；最下層是OPNET軟件提供的無線收發(fā)機模塊，用來完成數(shù)據(jù)的收發(fā)。

4 仿真結(jié)果分析

4.1 仿真場景

對預(yù)約STDMA算法和DSTDMA算法分別進(jìn)行了建模分析，下面給出仿真分析的網(wǎng)絡(luò)場景模型。在高動態(tài)空空數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點具有通信距離遠(yuǎn)，運行時間較長等，網(wǎng)絡(luò)內(nèi)節(jié)點數(shù)目有限等特點。整個場景的由 16個節(jié)點組成，網(wǎng)絡(luò)中時隙長度為50 ms，仿真時間為1 h。

4.2 結(jié)果分析

仿真過程中，網(wǎng)絡(luò)內(nèi)各個節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)包大小為200 bit，下面三幅圖（圖3、圖4和圖5）給出了在不同業(yè)務(wù)量下，兩種算法的時延性能曲線。

由這三組結(jié)果可以得出以下結(jié)論：

①算法有效性：通過仿真，驗證了DSTDMA算法的有效性，網(wǎng)絡(luò)中各個節(jié)點能夠按照算法組成網(wǎng)絡(luò)，并完成時隙分配過程，實現(xiàn)無沖突的數(shù)據(jù)包發(fā)送，顯示出了算法的可實現(xiàn)性；

②實時性：由三組仿真結(jié)果可以看出，DSTDMA算法有效的減小數(shù)據(jù)鏈的數(shù)據(jù)包端到端傳輸時延。從上面三幅曲線中,可以看出,在網(wǎng)絡(luò)形成初期,由于節(jié)點數(shù)量較少,數(shù)據(jù)傳播時延較小,隨著節(jié)點不斷加入網(wǎng)絡(luò)之后,數(shù)據(jù)時延開始增加，最終全網(wǎng)的時延保持穩(wěn)定。當(dāng)業(yè)務(wù)量升至每秒1個數(shù)據(jù)包的情況下,DSTDMA算法的時延性能明顯優(yōu)于STDMA算法，平均數(shù)據(jù)時延穩(wěn)定在1 s，這主要是由于DSTDMA算法采用了監(jiān)聽的方式完成整個時隙分配的過程，減少了網(wǎng)絡(luò)為節(jié)點入網(wǎng)過程所預(yù)留的控制數(shù)據(jù)交互的時隙，有效提高了時隙的利用率，降低了數(shù)據(jù)包時延；

圖3 1 packets/s

圖4 0.5 packets/s

圖5 0.2 packets/s

③可擴(kuò)展性：DSTDMA算法的幀長度可以動態(tài)變化，隨著網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的不斷變化，幀長度進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)整，以容納下新加入的節(jié)點，與 STDMA算法相比，提高了網(wǎng)絡(luò)的可擴(kuò)展性。

5 結(jié)語

通過對STDMA算法的分析，提出了一種可變幀長的動態(tài)自組織時隙分配算法，在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境變化較快的情況下，能夠容納更多節(jié)點，網(wǎng)絡(luò)規(guī)模具有更好的可擴(kuò)展性；同時，算法提高了網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包的端到端時延，有效提高了高動態(tài)環(huán)境下的信息通信。最后，通過OPNET軟件對其進(jìn)行建模分析，對算法的實時性和可擴(kuò)展性進(jìn)行了仿真論證。

[1] 孫義明，楊麗萍.信息化戰(zhàn)爭中的戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈[M].北京：北京郵電大學(xué)出版社，2005：5-17.

[2] 張軍,張其善,鄧秋林.S-TDMA 數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)時隙預(yù)約選擇算法分析[J].北京航空航天大學(xué)學(xué)報,2001(05)：514-517.

[3] 張昱暉,張有光,唐積強.一種新型 STDMA 數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)時隙分配模型[J].通信技術(shù),2009,42(06)：59-61.

[4] 李楠,陳穎,夏毅強.VDL4：一種新型航空VHF 數(shù)據(jù)鏈[J].電訊技術(shù),2003(06)：90-94.

[5] 陳敏.1OPNET網(wǎng)絡(luò)仿真[M].北京：清華大學(xué)出版社,2004.