基于移動(dòng)終端的臨近空間通信網(wǎng)MAC協(xié)議仿真

仝亞光， 崔蘇雯， 梁 俊， 朱子行(.空軍工程大學(xué)電訊工程學(xué)院，陜西西安70077；.海軍司令部，北京0007)

0 引 言

臨近空間通常是指距地表20~100km處的空域，其下面的空域(20km以下)是傳統(tǒng)航空器的主要活動(dòng)空間，其上面的空域(100km以上)是航天器的主要運(yùn)行空間[1]。隨著技術(shù)的進(jìn)步和資源的緊缺，近年來臨近空間通信網(wǎng)逐漸成為各國(guó)研究的熱點(diǎn)。然而目前對(duì)臨近空間通信網(wǎng)MAC協(xié)議的研究并不多，且僅有的研究主要是針對(duì)固定終端或是固定業(yè)務(wù)[2-6]，還沒有專門針對(duì)移動(dòng)終端的臨近空間通信網(wǎng)的MAC協(xié)議進(jìn)行的研究。因此，本文結(jié)合隨機(jī)分配和按需分配兩種協(xié)議各自的特點(diǎn)，提出了一種基于隨機(jī)預(yù)約的按需分配MAC協(xié)議，從而比較適合于移動(dòng)終端對(duì)臨近空間通信網(wǎng)的接入要求。

1 基于隨機(jī)預(yù)約的DAMA協(xié)議原理

基于隨機(jī)預(yù)約的 DAMA協(xié)議是一種通過隨機(jī)競(jìng)爭(zhēng)方式進(jìn)行預(yù)約的按需分配接入方式，各終端站以S-ALOHA隨機(jī)預(yù)約的方式動(dòng)態(tài)地向臨近空間平臺(tái)申請(qǐng)上行鏈路信道；臨近空間平臺(tái)上存有時(shí)隙分配表，在執(zhí)行完時(shí)隙分配算法后通過下行鏈路向各個(gè)終端站廣播時(shí)隙分配信息，這樣各終端站才能在屬于自己的發(fā)送時(shí)隙發(fā)送數(shù)據(jù)包[7]。

該協(xié)議時(shí)隙分配算法的工作流程如下：

(1)終端站在預(yù)約時(shí)隙通過上行鏈路向臨近空間平臺(tái)發(fā)送預(yù)約包，臨近空間平臺(tái)收到預(yù)約包后從中獲得該終端站的預(yù)約信息，如果預(yù)約時(shí)隙數(shù)大于0，則將預(yù)約信息插入時(shí)隙分配表中。

(2)臨近空間平臺(tái)判斷該終端站請(qǐng)求分配的時(shí)隙數(shù)是否大于一幀內(nèi)總的數(shù)據(jù)時(shí)隙個(gè)數(shù)，如果沒有超出本幀的時(shí)隙個(gè)數(shù)，則將本幀內(nèi)的剩余時(shí)隙分配給該終端站；如果超出了本幀的時(shí)隙個(gè)數(shù)，則在將本幀的剩余時(shí)隙分配完后再將下一幀的部分時(shí)隙分配給該終端站。

(3)臨近空間平臺(tái)通過下行鏈路發(fā)送時(shí)隙分配包告知各終端站時(shí)隙分配情況，以便使各終端站能在規(guī)定的數(shù)據(jù)時(shí)隙發(fā)送數(shù)據(jù)包。

2 建立仿真模型

本文利用OPNET軟件建立了基于移動(dòng)終端的臨近空間通信網(wǎng)仿真模型。該軟件常用的編輯器主要有項(xiàng)目編輯器、節(jié)點(diǎn)模型編輯器和進(jìn)程模型編輯器，相應(yīng)的要建立網(wǎng)絡(luò)模型、節(jié)點(diǎn)模型和進(jìn)程模型[8]。

2.1 網(wǎng)絡(luò)模型

由于本仿真涉及的通信節(jié)點(diǎn)都在同一個(gè)子網(wǎng)中，不存在子網(wǎng)之間的嵌套關(guān)系，且各通信節(jié)點(diǎn)通過無線鏈路進(jìn)行通信，因此網(wǎng)絡(luò)模型就是一個(gè)無線子網(wǎng)，如圖1所示。臨近空間平臺(tái)靜止于 100km的高空，20個(gè)移動(dòng)終端站隨機(jī)分布在700km×700km的空域中。每個(gè)終端在全網(wǎng)中都有唯一的平臺(tái)標(biāo)識(shí)號(hào)，通信終端的網(wǎng)絡(luò)地址與平臺(tái)標(biāo)識(shí)號(hào)相對(duì)應(yīng)，確保了網(wǎng)絡(luò)地址的唯一性。同時(shí)假定各節(jié)點(diǎn)的發(fā)射功率足夠大，任意節(jié)點(diǎn)都能與臨近空間平臺(tái)進(jìn)行通信。

圖1 網(wǎng)絡(luò)模型

2.2 節(jié)點(diǎn)模型

2.2.1 移動(dòng)終端節(jié)點(diǎn)模型

移動(dòng)終端節(jié)點(diǎn)模型由源模塊gen、發(fā)送處理模塊tx_proc、無線發(fā)射機(jī)模塊r_tx、接收處理模塊rx_proc、無線接收機(jī)模塊r_rx和天線模塊ant等6部分組成。主要功能為將gen模塊產(chǎn)生的數(shù)據(jù)分組和tx_proc模塊產(chǎn)生的預(yù)約請(qǐng)求分組發(fā)送到無線發(fā)射機(jī)r_tx模塊，調(diào)制后通過天線ant模塊發(fā)送到臨近空間平臺(tái)。與此同時(shí)接收臨近空間平臺(tái)廣播的時(shí)隙分配分組和數(shù)據(jù)分組，分別送到tx_proc模塊和rx_proc模塊以決定是否發(fā)送數(shù)據(jù)分組或?qū)W(wǎng)絡(luò)的端到端時(shí)延和分組數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。

2.2.2 臨近空間平臺(tái)節(jié)點(diǎn)模型

臨近空間平臺(tái)節(jié)點(diǎn)模型由一個(gè)全向天線ant模塊、一個(gè)無線接收機(jī)r_rx模塊、一個(gè)無線發(fā)射機(jī)r_tx模塊和一個(gè)具有時(shí)隙分配和信息轉(zhuǎn)發(fā)功能的near_space模塊組成。主要功能為接收移動(dòng)終端節(jié)點(diǎn)發(fā)送的預(yù)約請(qǐng)求分組和數(shù)據(jù)分組，并通過時(shí)隙分配算法，以廣播的形式將時(shí)隙分配幀和數(shù)據(jù)分組發(fā)送給其覆蓋區(qū)域內(nèi)的所有節(jié)點(diǎn)。

2.3 進(jìn)程模型

由于進(jìn)程較多，篇幅所限，只對(duì)實(shí)現(xiàn)協(xié)議的關(guān)鍵進(jìn)程進(jìn)行闡述，主要有移動(dòng)終端節(jié)點(diǎn)中的發(fā)送處理模塊tx_proc的進(jìn)程模型以及臨近空間平臺(tái)near_space模塊的進(jìn)程模型。

2.3.1 發(fā)送處理模塊tx_proc的進(jìn)程模型

發(fā)送處理模塊tx_proc的進(jìn)程模型由init、idle、queue、slotassign、data、req這6種轉(zhuǎn)移狀態(tài)和相關(guān)轉(zhuǎn)移連接線組成。主要功能有接收gen模塊產(chǎn)生的數(shù)據(jù)分組、根據(jù)要發(fā)送的數(shù)據(jù)分組數(shù)量生成預(yù)約分組、根據(jù)時(shí)隙分配列表發(fā)送數(shù)據(jù)分組等。

仿真開始時(shí)，進(jìn)程首先處于init狀態(tài)，初始化仿真參數(shù)，獲取上行鏈路幀長(zhǎng)、傳輸速率、帶寬以及組成上行幀結(jié)構(gòu)的預(yù)約和固定時(shí)隙數(shù)量等仿真屬性值，同時(shí)對(duì)各個(gè)統(tǒng)計(jì)量進(jìn)行聲明。

idle狀態(tài)是一個(gè)過渡狀態(tài)，其中沒有任何代碼，主要作用是作為連接其他各個(gè)狀態(tài)的樞紐，從任一狀態(tài)轉(zhuǎn)移到另一個(gè)狀態(tài)幾乎都需要先經(jīng)過idle狀態(tài)，這樣就避免了狀態(tài)直連而導(dǎo)致的連接線的可視復(fù)雜性。

queue狀態(tài)由流中斷PKT_ARRVL觸發(fā)，獲取輸入流的數(shù)據(jù)包，并插入子隊(duì)列中。

slotassign狀態(tài)由遠(yuǎn)程中斷RX_ALLOC觸發(fā)，獲得遠(yuǎn)程中斷的接口控制信息ICI的指針，判斷是否為本節(jié)點(diǎn)信息，如果是則根據(jù)所分配時(shí)隙的幀數(shù)和時(shí)隙數(shù)，計(jì)算下一次數(shù)據(jù)包發(fā)送的時(shí)間，并預(yù)設(shè)中斷時(shí)間。

在data狀態(tài)中，由自中斷TX_PKT觸發(fā)后，將位于子隊(duì)列頭部的數(shù)據(jù)包取出并發(fā)送，同時(shí)將隊(duì)列時(shí)延寫入統(tǒng)計(jì)量。

req狀態(tài)是體現(xiàn)低優(yōu)先級(jí)節(jié)點(diǎn)預(yù)約方式的核心部分，由自中斷TX_RES觸發(fā)后，根據(jù)隊(duì)列中等待發(fā)送的數(shù)據(jù)包個(gè)數(shù)，隨機(jī)選擇競(jìng)爭(zhēng)預(yù)約時(shí)隙發(fā)送。具體由以下代碼實(shí)現(xiàn)：

/*獲取當(dāng)前仿真時(shí)間*/

current_time=op_sim_time();

/*生成隨機(jī)時(shí)隙序號(hào)*/

num_res=(int)rand()%numnodes;

/*計(jì)算隨機(jī)預(yù)約時(shí)間和下一幀開始時(shí)間*/

restime=k*frameduration+uldataslots*uldataslotduration+num_res*ulresslotduration;

restime2=k*frameduration+uldataslots*uldataslotduration+numnodes*ulresslotduration;

/*隨機(jī)預(yù)約時(shí)隙到來(預(yù)留的預(yù)約時(shí)間與當(dāng)前仿真時(shí)間之差很小)*/

if(fabs(restime-current_time)<0.00000001){

/*獲取隊(duì)列中等待發(fā)送的數(shù)據(jù)包數(shù)量*/

numpktsqueued=(int)op_subq_stat(0,OPC_QSTAT_PKSIZE);

/*如果隊(duì)列中有等待發(fā)送的數(shù)據(jù)包*/

if(numpktsqueued>0) {

/*需要預(yù)約的數(shù)據(jù)包數(shù)量=等待發(fā)送的總數(shù)據(jù)包數(shù)量-已經(jīng)預(yù)約成功但未發(fā)送的數(shù)據(jù)包數(shù)量*/

numreqslots=numpktsqueued-numawaitedslots;

/*創(chuàng)建上行鏈路預(yù)約包*/

pktptr=op_pk_create_fmt("damapkt_ulres");

/*將本節(jié)點(diǎn)ID寫入預(yù)約包*/

op_pk_nfd_set(pktptr,"src_id",node_id);

/*將需要預(yù)約的數(shù)據(jù)包數(shù)量寫入預(yù)約包*/

op_pk_nfd_set(pktptr,"req_slots",numreqslots);

/*發(fā)送預(yù)約包*/

op_pk_send(pktptr,OUT_STRM);

}

}

/*本幀時(shí)隙結(jié)束*/

if(fabs(restime2-current_time)<0.00000001){

/*幀序號(hào)加1*/

k=k+1;

}

2.3.2 near_space模塊的進(jìn)程模型

臨近空間平臺(tái)near_space模塊主進(jìn)程模型由init、allocate、tx_slotassign、end這4種轉(zhuǎn)移狀態(tài)和相關(guān)轉(zhuǎn)移連接線組成。主要功能有接收上行鏈路的預(yù)約包和數(shù)據(jù)包、完成預(yù)約時(shí)隙分配、向下行鏈路發(fā)送時(shí)隙分配包和數(shù)據(jù)包等。為有效使用內(nèi)存，在設(shè)計(jì)時(shí)采用進(jìn)程調(diào)用的方法進(jìn)行。在init狀態(tài)，初始化仿真參數(shù)，獲取下行鏈路幀長(zhǎng)、傳輸速率、帶寬以及組成上行鏈路幀結(jié)構(gòu)的預(yù)約和固定時(shí)隙數(shù)量等仿真屬性值，給預(yù)約分配列表分配內(nèi)存，并設(shè)置調(diào)用子進(jìn)程的代碼。在allocate狀態(tài)中，獲取預(yù)約包隊(duì)列長(zhǎng)度，判斷每一幀預(yù)約區(qū)間是否結(jié)束。tx_slotassign狀態(tài)是預(yù)約時(shí)隙的分配階段，首先從預(yù)約分配表中獲取預(yù)約信息(預(yù)約時(shí)隙個(gè)數(shù)、預(yù)約節(jié)點(diǎn)ID等)，然后創(chuàng)建下行時(shí)隙分配幀，將預(yù)約信息寫入下行幀中，最后為下行幀預(yù)設(shè)中斷，并發(fā)送。end狀態(tài)結(jié)束仿真，并統(tǒng)計(jì)。

near_space模塊的子進(jìn)程模型由init、idle、receive這 3 種轉(zhuǎn)移狀態(tài)和相關(guān)轉(zhuǎn)移連接線組成。首先，在init狀態(tài)中完成變量初始化，并由觸發(fā)中斷直接進(jìn)入idle狀態(tài)；idle狀態(tài)屬于非強(qiáng)制狀態(tài)，內(nèi)部沒有代碼，各個(gè)強(qiáng)制狀態(tài)執(zhí)行完畢后都回到這個(gè)狀態(tài)，在由流中斷RX_PKT觸發(fā)后進(jìn)入receive狀態(tài)；在receive狀態(tài)中，判斷接收的上行包格式，如果是預(yù)約包則將預(yù)約信息插入時(shí)隙分配列表，如果是數(shù)據(jù)包則直接轉(zhuǎn)發(fā)。

3 仿真分析

3.1 仿真環(huán)境

本仿真采用衛(wèi)星通信系統(tǒng)中常用的C波段，具體仿真環(huán)境配置如表1所示。

表1 仿真環(huán)境

3.2 仿真結(jié)果分析

平均時(shí)延和吞吐量是衡量網(wǎng)絡(luò)性能的重要指標(biāo)，也是網(wǎng)絡(luò)中關(guān)于各種業(yè)務(wù)服務(wù)質(zhì)量的主要評(píng)估參數(shù)。因此，為實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的最佳性能，在仿真過程中，將平均時(shí)延和吞吐量作為統(tǒng)計(jì)量，分別選取0.024s、0.048s、0.072s和0.096s這4個(gè)時(shí)幀長(zhǎng)度，分析不同時(shí)幀長(zhǎng)度對(duì)平均時(shí)延和吞吐量的影響。

3.2.1 平均時(shí)延

在上述環(huán)境下對(duì)該網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了仿真，對(duì)平均時(shí)延統(tǒng)計(jì)量結(jié)果進(jìn)行了收集，得到網(wǎng)絡(luò)負(fù)載與平均時(shí)延的關(guān)系圖，如圖2~圖5所示。可以看出，網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載越大，平均時(shí)延越大；相同負(fù)載的情況下，選取的時(shí)幀長(zhǎng)度越大，平均時(shí)延也越大。

圖2 幀長(zhǎng)為0.024s時(shí)的平均時(shí)延曲線

圖3 幀長(zhǎng)為0.048s時(shí)的平均時(shí)延曲線

圖4 幀長(zhǎng)為0.072s時(shí)的平均時(shí)延曲線

圖5 幀長(zhǎng)為0.096s時(shí)的平均時(shí)延曲線

3.2.2 吞吐量

為了比較不同業(yè)務(wù)量的情況下時(shí)幀長(zhǎng)度對(duì)平均時(shí)延的影響，同樣選取4個(gè)不同的時(shí)幀周期，觀察網(wǎng)絡(luò)負(fù)載與吞吐量的關(guān)系圖。仿真結(jié)果如圖6~圖9所示，當(dāng)幀長(zhǎng)分別為0.024s、0.048s、0.072s和0.096s時(shí)，網(wǎng)絡(luò)的飽和吞吐量約分別為3000 packets/s、1550 packets/s、1030 packets/s和 780 packets/s。由此可見，隨著幀長(zhǎng)的增加，網(wǎng)絡(luò)的飽和吞吐量逐漸減小，系統(tǒng)利用率降低。

圖6 幀長(zhǎng)為0.024s時(shí)的吞吐量曲線

圖7 幀長(zhǎng)為0.048s時(shí)的吞吐量曲線

圖8 幀長(zhǎng)為0.072s時(shí)的吞吐量曲線

圖9 幀長(zhǎng)為0.096s時(shí)的吞吐量曲線

仿真結(jié)果表明，該仿真場(chǎng)景在選擇較小的時(shí)幀長(zhǎng)度時(shí)，能夠保證較穩(wěn)定的系統(tǒng)利用率和較低的端到端時(shí)延，因此可以作為抗洪搶險(xiǎn)、抗震救災(zāi)等用戶數(shù)量不確定時(shí)應(yīng)急通信的有效手段之一。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種適用于移動(dòng)終端的臨近空間通信網(wǎng)MAC協(xié)議，解決了移動(dòng)終端動(dòng)態(tài)接入臨近空間通信網(wǎng)的問題，并運(yùn)用 OPNET軟件建立了基于移動(dòng)終端的臨近空間通信網(wǎng)仿真模型，分析了不同時(shí)幀長(zhǎng)度對(duì)平均時(shí)延和吞吐量的影響。論文的研究為應(yīng)急通信提供了一種有效手段，適用于移動(dòng)終端等用戶隨機(jī)入/退網(wǎng)的應(yīng)用場(chǎng)景。論文的研究是對(duì)臨近空間通信網(wǎng)中競(jìng)爭(zhēng)型MAC協(xié)議的初探，下一步的工作是研究如何給不同的移動(dòng)終端設(shè)置優(yōu)先級(jí)，以滿足其不同的業(yè)務(wù)需求。

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