一種雙通道數(shù)據(jù)鏈端機(jī)的多址接入方法設(shè)計(jì)

石偉明

（中國電子科技集團(tuán)公司第二十研究所，西安，710068）

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)議有效地鏈接各種作戰(zhàn)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)戰(zhàn)術(shù)信息處理和傳輸?shù)能娪脭?shù)據(jù)通信系統(tǒng)。數(shù)據(jù)鏈在現(xiàn)代信息化戰(zhàn)爭(zhēng)中起著神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的作用,能夠快速激活全維戰(zhàn)場(chǎng)中的各種作戰(zhàn)力量，對(duì)作戰(zhàn)能力的提升起到“黏合劑”和“倍增器”的作用，能夠有效地縮短傳感器到射手的反應(yīng)時(shí)間。

多址接入?yún)f(xié)議提供了一種信道共享的調(diào)度機(jī)制，確保多個(gè)通信節(jié)點(diǎn)間公平、高效地共享相同的無線信道資源，決定了節(jié)點(diǎn)業(yè)務(wù)量和網(wǎng)絡(luò)吞吐量，是數(shù)據(jù)鏈路層設(shè)計(jì)的重中之重。多址接入?yún)f(xié)議決定了分組接入信道的方式，確保多個(gè)通信節(jié)點(diǎn)間公平、高效地共享相同的無線信道資源，很大程度上影響了分組傳輸成功率和平均時(shí)延性能，是數(shù)據(jù)鏈路層設(shè)計(jì)的核心問題。

1 現(xiàn)有數(shù)據(jù)鏈接入?yún)f(xié)議

現(xiàn)有數(shù)據(jù)鏈數(shù)據(jù)鏈路層設(shè)計(jì)大多基于 TDMA或者SPMA接入體制。兩種體制分別有以下優(yōu)缺點(diǎn)：

TDMA協(xié)議屬于固定接入?yún)f(xié)議的一種，TDMA協(xié)議在節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)較少或信道帶寬較大時(shí)，可以滿足節(jié)點(diǎn)的業(yè)務(wù)量需求；并且由于各時(shí)隙間互不重疊且具有保護(hù)時(shí)隙，使用 TDMA協(xié)議可以避免多址干擾，保證分組傳輸?shù)某晒β省５?TDMA協(xié)議的信道利用率較低，不能根據(jù)節(jié)點(diǎn)業(yè)務(wù)需求的變化及時(shí)調(diào)整時(shí)隙分配方案，從而導(dǎo)致時(shí)隙分配不合理，造成資源浪費(fèi)[1]。

SPMA屬于隨機(jī)接入?yún)f(xié)議的一種，它是一種跨層協(xié)議，具有遠(yuǎn)距離、低時(shí)延、高速率的特點(diǎn)[2]。一方面，它需要物理層統(tǒng)計(jì)無線信道出現(xiàn)的分組總數(shù)，作為衡量信道負(fù)載擁塞情況的依據(jù)；另一方面，SPMA 支持多優(yōu)先級(jí)傳輸功能。SPMA協(xié)議根據(jù)當(dāng)前的信道負(fù)載統(tǒng)計(jì)信息和對(duì)應(yīng)的門限閾值來控制其是否接入網(wǎng)絡(luò)，視信道負(fù)載的升高來逐步減少低優(yōu)先級(jí)分組的發(fā)送機(jī)會(huì)，從而合理地控制信道負(fù)載，減少脈沖間發(fā)送碰撞的概率。但是在節(jié)點(diǎn)數(shù)多的情況下，碰撞不可避免，較 TDMA體制，傳輸成功率低。

現(xiàn)有 TDMA網(wǎng)絡(luò)具有傳輸?shù)目煽啃詤s無法保證信息傳送時(shí)延的問題，而SPMA網(wǎng)絡(luò)雖然具有很好的低時(shí)延性，但卻無法保證數(shù)據(jù)包傳輸?shù)目煽啃?，為了克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本協(xié)議提出并設(shè)計(jì)了一種基于SPMA與TDMA混合接入的自組織網(wǎng)絡(luò)體系的多址接入?yún)f(xié)議。

2 基于雙通道多址接入方法設(shè)計(jì)介紹

本協(xié)議采用物理層雙通道接收特性，建立2個(gè)物理隔離通道，分別用于TDMA和SPMA，每個(gè)成員同時(shí)在兩個(gè)通道上進(jìn)行數(shù)據(jù)收發(fā)。

圖1 TDMA發(fā)送管理

2.1 TDMA接入方法設(shè)計(jì)

TDMA多址接入方法主要維護(hù)網(wǎng)絡(luò)的可靠運(yùn)行，網(wǎng)絡(luò)分配的資源僅保留入網(wǎng)、PPLI、網(wǎng)管資源和相應(yīng)的中繼資源，采用預(yù)先分配的方式。為了保證組網(wǎng)靈活性僅設(shè)計(jì)大、中、小三種成員規(guī)模，網(wǎng)絡(luò)資源和平臺(tái)對(duì)應(yīng)關(guān)系采用平臺(tái) ID號(hào)實(shí)現(xiàn)方式，這些資源都是主網(wǎng)資源。保留時(shí)間基準(zhǔn)、輔助時(shí)間基準(zhǔn)、替補(bǔ)時(shí)間基準(zhǔn)、中繼等網(wǎng)絡(luò)責(zé)任。該通道僅限于組網(wǎng)使用，主要消息包括PPLI、入網(wǎng)、網(wǎng)管等，TDMA通道無層疊網(wǎng)，采用中繼的方式實(shí)現(xiàn)信息轉(zhuǎn)發(fā)。

在系統(tǒng)組網(wǎng)前，由網(wǎng)絡(luò)層向 TDMA資源管理器設(shè)置資源分配表。TDMA通道嚴(yán)格按照時(shí)隙起點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)，網(wǎng)絡(luò)層在網(wǎng)絡(luò)建立前將時(shí)隙分配方式下發(fā)到鏈路層，鏈路層根據(jù)時(shí)隙類型建立發(fā)送隊(duì)列。例如當(dāng)網(wǎng)絡(luò)層需要發(fā)送 NPG為入網(wǎng)消息類型的數(shù)據(jù)幀時(shí)，將產(chǎn)生的數(shù)據(jù)通過接口送往 TDMA發(fā)送管理模塊，TDMA發(fā)送管理模塊根據(jù)類型將該數(shù)據(jù)放入入網(wǎng)消息發(fā)送隊(duì)列，等待入網(wǎng)時(shí)隙的到來。當(dāng)從接收模塊接收到入網(wǎng)消息，將數(shù)據(jù)拷貝送往TDMA發(fā)送管理模塊，TDMA發(fā)送管理模塊的中繼過濾器判決是否轉(zhuǎn)發(fā)，如需轉(zhuǎn)發(fā)將數(shù)據(jù)幀放入入網(wǎng)中繼發(fā)送隊(duì)列。當(dāng)新的一個(gè)時(shí)隙到來時(shí)，根據(jù)下一時(shí)隙NPG類型從不同NPG隊(duì)列中獲取TDMA數(shù)據(jù)幀發(fā)送物理層，并向發(fā)送調(diào)度模塊發(fā)送 TDMA預(yù)約信號(hào)，物理層在下一個(gè)時(shí)隙到來時(shí)發(fā)送TDMA數(shù)據(jù)幀，數(shù)據(jù)發(fā)送完成后向發(fā)送調(diào)度模塊發(fā)送“信道釋放信號(hào)”。

2.2 SPMA接入方法設(shè)計(jì)

所有應(yīng)用層業(yè)務(wù)使用SPMA通道，采用SPMA調(diào)度算法實(shí)現(xiàn)信息收發(fā)，業(yè)務(wù)消息的超視距通信采用路由方式傳輸。SPMA接入方法設(shè)計(jì)主要由信道負(fù)載統(tǒng)計(jì)、多優(yōu)先級(jí)QoS及流量控制組成。

2.2.1 信道負(fù)載統(tǒng)計(jì)

信道占用狀態(tài)通過 SPMA協(xié)議的控制算法從物理層獲得，根據(jù)信道中檢測(cè)到的脈沖的數(shù)目和預(yù)先設(shè)定的閾值確定信道的占用狀態(tài)。通過在每個(gè)頻點(diǎn)上都分別統(tǒng)計(jì)信道占用狀態(tài)，最后得出整個(gè)可用時(shí)頻空間中的信道負(fù)載統(tǒng)計(jì)。從物理層獲得的信道負(fù)載統(tǒng)計(jì)還將通過網(wǎng)絡(luò)層的網(wǎng)絡(luò)感知消息（PPLI消息）進(jìn)行校準(zhǔn)，若兩者的測(cè)量結(jié)果之間的差距超過一定容限時(shí)，使用啟發(fā)式技術(shù)去估計(jì)實(shí)際的信道占用狀態(tài)。

2.2.2 多優(yōu)先級(jí)的QoS設(shè)計(jì)

SPMA協(xié)議采用了多優(yōu)先級(jí)的QoS機(jī)制[3]，總體的原則是高優(yōu)先級(jí)的包比低優(yōu)先級(jí)的包有更大的概率接入信道。根據(jù)信道負(fù)載統(tǒng)計(jì)，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載超過一定閾值時(shí)，SPMA協(xié)議將優(yōu)先保證高優(yōu)先級(jí)包的信道接入，而減少低優(yōu)先級(jí)包接入信道的機(jī)會(huì)。另外，低時(shí)延業(yè)務(wù)具有最高優(yōu)先級(jí)，不經(jīng)過SPMA調(diào)度算法協(xié)議直接進(jìn)入物理層發(fā)射。

2.2.3 流量控制機(jī)制

當(dāng)網(wǎng)絡(luò)超載時(shí)，SPMA協(xié)議將首先控制低優(yōu)先級(jí)數(shù)據(jù)的流量，減少低優(yōu)先級(jí)包接入信道的機(jī)會(huì)，直到網(wǎng)絡(luò)負(fù)載降低到一定水平以下時(shí)，再恢復(fù)低優(yōu)先級(jí)包的正常接入。如果網(wǎng)絡(luò)負(fù)載始終很高，SPMA協(xié)議會(huì)阻塞低優(yōu)先級(jí)包的發(fā)送；若網(wǎng)絡(luò)變得嚴(yán)重超載，會(huì)相繼阻塞高優(yōu)先級(jí)包的發(fā)送。這樣做的效果是，SPMA協(xié)議使得網(wǎng)絡(luò)中的各個(gè)節(jié)點(diǎn)具備了認(rèn)知屬性，可以根據(jù)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載狀態(tài)選擇是否接入信道，避免信道繁忙造成的碰撞丟包，實(shí)現(xiàn)“削峰填谷”讓網(wǎng)絡(luò)負(fù)載保持平穩(wěn)狀態(tài)。

2.3 發(fā)送調(diào)度設(shè)計(jì)

2.3.1 負(fù)載統(tǒng)計(jì)模塊

現(xiàn)有的負(fù)載統(tǒng)計(jì)是基于物理層獲取信道負(fù)載或者網(wǎng)絡(luò)層獲取信道負(fù)載統(tǒng)計(jì)，兩種方法各有優(yōu)缺點(diǎn)。在輕負(fù)載情況下，使用物理層獲得的信道負(fù)載統(tǒng)計(jì)值具有很高的準(zhǔn)確性，但重負(fù)載下同步信號(hào)嚴(yán)重丟失導(dǎo)致從物理層獲得的信道負(fù)載統(tǒng)計(jì)值比實(shí)際信道負(fù)載值偏小。網(wǎng)絡(luò)層負(fù)載統(tǒng)計(jì)對(duì)統(tǒng)計(jì)時(shí)效性比較差，但在重負(fù)載情況下具有較高的正確性。本文結(jié)合兩種方法的優(yōu)缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種準(zhǔn)確的混合式信道負(fù)載統(tǒng)計(jì)方法。

該統(tǒng)計(jì)方法在輕負(fù)載情況下，使用物理層獲得的信道負(fù)載統(tǒng)計(jì)值，在避免重負(fù)載下同步信號(hào)嚴(yán)重丟失導(dǎo)致從物理層獲得的信道負(fù)載統(tǒng)計(jì)值比實(shí)際信道負(fù)載值偏小，可以通過網(wǎng)絡(luò)層獲得的信道負(fù)載統(tǒng)計(jì)值進(jìn)行校準(zhǔn)，若兩者統(tǒng)計(jì)結(jié)果之間的差距超過一定容限時(shí)，從物理層獲得的信道負(fù)載統(tǒng)計(jì)值可信度較低，此時(shí)使用網(wǎng)絡(luò)層獲得的信道負(fù)載統(tǒng)計(jì)值進(jìn)行校準(zhǔn)。

2.3.2 發(fā)送決策模塊

網(wǎng)絡(luò)中真正存在的數(shù)據(jù)包個(gè)數(shù)是由網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)發(fā)送端決定的，因此每個(gè)發(fā)送端的數(shù)據(jù)包發(fā)送速率是網(wǎng)絡(luò)中真實(shí)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載的決定因素。因此采用基于發(fā)送端的網(wǎng)絡(luò)負(fù)載感知與控制方法。

首先，每個(gè)節(jié)點(diǎn)采用離線仿真的方法，獲取本節(jié)點(diǎn)傳輸覆蓋范圍內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)負(fù)載與丟包率、吞吐率等的映射關(guān)系，并確定出給定丟包率P下的節(jié)點(diǎn)發(fā)送速率之和UP；其次，每個(gè)節(jié)點(diǎn)根據(jù)負(fù)載統(tǒng)計(jì)模塊更新統(tǒng)計(jì)的網(wǎng)絡(luò)負(fù)載及發(fā)送速率，并預(yù)測(cè)其在下一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)的業(yè)務(wù)發(fā)送速率；然后，每個(gè)節(jié)點(diǎn)通過與其鄰節(jié)點(diǎn)交互各自預(yù)測(cè)的發(fā)送速率μ，獲知其傳輸覆蓋范圍內(nèi)其他鄰節(jié)點(diǎn)的發(fā)送速率；最后，每個(gè)節(jié)點(diǎn)在發(fā)送數(shù)據(jù)包時(shí)，根據(jù)下述公式計(jì)算當(dāng)前數(shù)據(jù)包的發(fā)送速率μ。

其中，數(shù)據(jù)包的發(fā)送速率μ的計(jì)算公式如下：

其中，Δ為速率變化的增量，Δ=0.1*Up total _ node。若連續(xù)兩次0μ+Δ，則Δ=2Δ；若連續(xù)兩次0μ-Δ，則Δ=Δ/2。稱為該節(jié)點(diǎn)處的剩余網(wǎng)絡(luò)負(fù)載容限，該值的大小決定了本節(jié)點(diǎn)在下一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)的發(fā)送速率。

式（1）是將剩余網(wǎng)絡(luò)負(fù)載容限與上個(gè)周期的數(shù)據(jù)包發(fā)送速率進(jìn)行比較，在原有的發(fā)送速率的基礎(chǔ)上進(jìn)行調(diào)整，保證發(fā)送速率不會(huì)有太大的波動(dòng)。

2.3.3 發(fā)送調(diào)度控制

由于端機(jī)發(fā)射機(jī)只有一個(gè)，應(yīng)優(yōu)先保障網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行正常，因此 TDMA通道數(shù)據(jù)發(fā)送優(yōu)先級(jí)最高，SPMA任何發(fā)送數(shù)據(jù)都需要避讓 TDMA發(fā)送的數(shù)據(jù)。其次才是采用 SPMA優(yōu)先級(jí)發(fā)送策略決定SPMA發(fā)送隊(duì)列中各優(yōu)先級(jí)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的發(fā)送順序。

發(fā)送調(diào)度控制示意圖如圖 2所示，當(dāng)有 TDM數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)，TDMA發(fā)送管理模塊提前一個(gè)時(shí)隙向調(diào)度模塊發(fā)送預(yù)約信號(hào)，預(yù)約信號(hào)可以在下一時(shí)隙暫停SPMA發(fā)送調(diào)度，待TDMA發(fā)送管理模塊發(fā)送“發(fā)送完成”信號(hào)，釋放信道資源后，調(diào)度模塊繼續(xù)工作。

圖2 發(fā)送調(diào)度示意圖

圖3 輕負(fù)載下負(fù)載統(tǒng)計(jì)

圖4 重負(fù)載下負(fù)載統(tǒng)計(jì)

負(fù)載統(tǒng)計(jì)模塊接收物理層和網(wǎng)絡(luò)層信道負(fù)載統(tǒng)計(jì)及本節(jié)點(diǎn)發(fā)送統(tǒng)計(jì)，當(dāng)兩者統(tǒng)計(jì)結(jié)果相近時(shí)，向發(fā)送決策模塊輸送物理層統(tǒng)計(jì)結(jié)果，當(dāng)物理層和網(wǎng)絡(luò)層統(tǒng)計(jì)相差達(dá)到一定門限是，說明網(wǎng)絡(luò)存在嚴(yán)重的沖突，向發(fā)送決策模塊輸送網(wǎng)絡(luò)層統(tǒng)計(jì)結(jié)果，降低各個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送速率，降低網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載。

發(fā)送決策模塊根據(jù)負(fù)載統(tǒng)計(jì)模塊統(tǒng)計(jì)結(jié)果用式（1）實(shí)時(shí)計(jì)算節(jié)點(diǎn)發(fā)送速率，即單位時(shí)間內(nèi)發(fā)送脈沖的個(gè)數(shù)。當(dāng)發(fā)送決策模塊可以發(fā)送SPMA數(shù)據(jù)時(shí)，根據(jù)優(yōu)先級(jí)選擇器輸出結(jié)果，調(diào)度相應(yīng)優(yōu)先級(jí)的SPMA數(shù)據(jù)。

3 仿真研究

3.1 發(fā)送速率UP

仿真得出在10、20、40和80個(gè)節(jié)點(diǎn)下丟包率為5%的情況下發(fā)送速率UP值如表1所示。

表1 不同節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)下丟包率5%的發(fā)送速率UP值（個(gè)/s）

3.2 混合式信道負(fù)載統(tǒng)計(jì)

圖3和圖4分別是輕負(fù)載和重負(fù)載下網(wǎng)絡(luò)層負(fù)載統(tǒng)計(jì)和物理層負(fù)載統(tǒng)計(jì)仿真圖。當(dāng)在輕負(fù)載下，物理層負(fù)載統(tǒng)計(jì)和網(wǎng)絡(luò)層負(fù)載統(tǒng)計(jì)結(jié)果基本一致，所以此時(shí)向發(fā)送調(diào)度模塊輸出的是物理層負(fù)載統(tǒng)計(jì)結(jié)果。當(dāng)在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載較重的擁塞情況下，信道由于沖突，從物理層獲得的信道負(fù)載統(tǒng)計(jì)值與實(shí)際信道負(fù)載值相比存在很大誤差，此時(shí)，使用網(wǎng)絡(luò)層獲得的信道負(fù)載統(tǒng)計(jì)值進(jìn)行校準(zhǔn)，向發(fā)送調(diào)度模塊輸出網(wǎng)絡(luò)層負(fù)載統(tǒng)計(jì)結(jié)果，發(fā)送調(diào)度模塊根據(jù)網(wǎng)絡(luò)當(dāng)前負(fù)載情況，降低本節(jié)點(diǎn)發(fā)送速率，從而限制網(wǎng)絡(luò)實(shí)際輸出負(fù)載到丟包率較小水平，使物理層信道負(fù)載統(tǒng)計(jì)恢復(fù)準(zhǔn)確，從而保障網(wǎng)絡(luò)不再擁塞進(jìn)入良好工作狀態(tài)。

4 結(jié)束語

本文主要介紹了利用TDMA和SPMA多址接入方法各自的優(yōu)點(diǎn)，創(chuàng)新性的將兩者結(jié)合起來的多址接入?yún)f(xié)議設(shè)計(jì)方法，該方法提供了一種信道共享的調(diào)度機(jī)制，確保多個(gè)通信節(jié)點(diǎn)間公平、高效地共享相同的無線信道資源，既保證組網(wǎng)的可靠性，又保證特殊業(yè)務(wù)對(duì)時(shí)延的要求。

本文介紹的多址接入方法已經(jīng)在原理樣機(jī)上實(shí)現(xiàn)，并多次進(jìn)行外場(chǎng)試飛實(shí)驗(yàn)，適合大規(guī)模多成員節(jié)點(diǎn)間組網(wǎng)，具有快速組網(wǎng)，實(shí)時(shí)傳送戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)的特點(diǎn)，還可以根據(jù)不同業(yè)務(wù)特性，使用不同的接入方式，可以靈活的為不同應(yīng)用的數(shù)據(jù)鏈實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)化定制。

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