基于時分多址的網(wǎng)絡(luò)時隙資源分配研究

劉懷遠(yuǎn)，陳志為，王 柯

(中國電子科技集團(tuán)公司第二十研究所，陜西 西安710068)

0 引 言

Link 16是保密、大容量、抗干擾的無節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)鏈，設(shè)計目的是要滿足現(xiàn)代戰(zhàn)爭絕大多數(shù)作戰(zhàn)任務(wù)的戰(zhàn)術(shù)信息交換需求。Link 16是美國防部用于指揮、控制和情報的主要戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈，支持監(jiān)視數(shù)據(jù)、電子戰(zhàn)數(shù)據(jù)、戰(zhàn)斗任務(wù)、武器分配和控制數(shù)據(jù)的交換。Link16自研制以來，所進(jìn)行的持續(xù)改進(jìn)主要包括提高抗干擾能力、增強(qiáng)保密性、提高數(shù)據(jù)率、提高使用靈活性、減小數(shù)據(jù)終端尺寸等。目前，美軍裝備Link 16數(shù)據(jù)鏈的飛機(jī)主要包括空軍的E-3、E-8預(yù)警機(jī)、A-10攻擊機(jī)、F-15和F-16戰(zhàn)斗機(jī)、各類轟炸機(jī)、偵察機(jī)、加油機(jī)和其他特種飛機(jī)，海軍的E-2預(yù)警機(jī)、F-14和F-18戰(zhàn)斗機(jī)。同時，與飛機(jī)配套使用的地面指揮所、機(jī)動控制分隊(duì)、戰(zhàn)術(shù)空軍控制組和空戰(zhàn)支援中心，也都裝備了Link 16數(shù)據(jù)鏈。

Link16是一種無中心節(jié)點(diǎn)的系統(tǒng)，采用時分多址(TDMA)方式工作，把整個時間軸按時間段劃分，最小的時間段稱為時隙。網(wǎng)絡(luò)中的每個多功能信息分發(fā)系統(tǒng)(MIDS)端機(jī)都分配有互不重疊的時隙用于發(fā)射數(shù)據(jù)，各個端機(jī)發(fā)射的信號由此不會產(chǎn)生沖突，因此其時隙資源的分配尤為重要。

1 時隙分配概述

Link16是以網(wǎng)絡(luò)參與組[1]的形式為網(wǎng)內(nèi)成員按重要性、信息交互功能需求與資源數(shù)量需求分配時隙，例如參與組的數(shù)量和類型、網(wǎng)絡(luò)參與組接入頻率、預(yù)測的數(shù)據(jù)大小、信息更新率、中繼需求等，為網(wǎng)內(nèi)成員進(jìn)行時隙分配時需要考慮平臺類型(指控平臺、武器平臺)與時隙接入方式，其中時隙接入方式又可分為專用接入方式、競爭接入方式、時隙再分配接入方式。

2 專用接入方式

專用接入方式[2]是在一個周期內(nèi)把指定的時隙分配給指定的作戰(zhàn)成員，該成員可不受限制地接入為其分配的時隙。專用接入方式的優(yōu)點(diǎn)是能夠確保作戰(zhàn)成員有足夠可用的發(fā)送時隙資源，且可以保證一個時隙內(nèi)的消息收發(fā)沒有沖突。但由于實(shí)際使用時可能會有非固定或動態(tài)周期性信息的傳輸需求，此時只用到所分配時隙的一小部分，會造成系統(tǒng)容量的浪費(fèi)。

圖1 專用接入方式

3 競爭接入方式

競爭接入方式[3]允許每個作戰(zhàn)成員根據(jù)需求從參與組中偽隨機(jī)地選擇發(fā)送時隙，爭用資源，參與組資源數(shù)量的多少取決于接入速率。在突發(fā)傳輸或由響應(yīng)時間驅(qū)動消息傳輸?shù)那闆r下，這種接入方式可以節(jié)省更多的系統(tǒng)容量。但是，由于在視距范圍內(nèi)的多個作戰(zhàn)成員有可能在相同的時隙、相同的網(wǎng)號中發(fā)送消息，而此時接收成員僅能接收距離自己更近成員的信息，因此消息到達(dá)其預(yù)定目的端的概率會降低。

圖2 競爭接入方式

4 時隙再分配接入方式

時隙再分配接入方式[4]下，作戰(zhàn)成員可以周期地重新分配共享時隙池，每個成員能根據(jù)其預(yù)期的需求和其它成員通告的需求，為自己不斷地更新時隙資源。在某個特定的網(wǎng)絡(luò)參與組中，不同成員共享和分配用于信息交換的時隙共享池被稱為再分配時隙池。如果全體成員對時隙的總需求超過了再分配時隙池的總?cè)萘浚總€成員將根據(jù)需求按公共因子比例縮減分配給自己的時隙，保證分配的總時隙不超過再分配池的容量。這種接入方式可以根據(jù)預(yù)期的需求總?cè)萘?，調(diào)整再分配池的大小以節(jié)省系統(tǒng)容量的開銷，而不再考慮所有參與成員峰值容量需求的總和。這種接入方式主要用于連通性較差或時隙超載荷等情況，此時由于時隙沖突導(dǎo)致消息接收受到影響，信息傳輸?shù)某晒β蕰眲∠陆?，在用戶?shù)量變化且用戶對系統(tǒng)容量的需求波動較大，或當(dāng)用戶數(shù)量和需求在初始化階段無法預(yù)測時，也常使用這種接入方式。

每個作戰(zhàn)成員要確定每個間隔(稱作再分配周期)的時隙需求，并在消息中預(yù)告其在下一個再分配周期內(nèi)將要使用的時隙占再分配時隙池時隙的百分比。再分配周期可按預(yù)期的需求進(jìn)行調(diào)整，一般為6～48 s。

實(shí)現(xiàn)時隙再分配的作戰(zhàn)成員至少能夠同時在兩個再分配時隙池工作。每個再分配時隙池只能與一個網(wǎng)絡(luò)參與組有關(guān)，該時隙池的時隙只能用于該網(wǎng)絡(luò)參與組的消息發(fā)送。單個網(wǎng)絡(luò)參與組則可以同時使用多個再分配時隙池，但是在這個網(wǎng)絡(luò)參與組中，一個作戰(zhàn)成員只能同時在某一個再分配時隙池內(nèi)發(fā)送消息。

圖3 時隙再分配接入方式

4.1 時隙再分配池的建立

時隙再分配池的建立[5]是在系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計階段完成。它根據(jù)預(yù)估的時隙需求及用戶容量來設(shè)計并確定各個網(wǎng)絡(luò)參與組的時隙再分配池，時隙再分配池的主要設(shè)計原則如下：

(1)每個再分配時隙池只能與一個網(wǎng)絡(luò)參與組(NPG)有關(guān)。

(2)每個再分配時隙池只能進(jìn)行與該再分配時隙池相關(guān)網(wǎng)絡(luò)參與組的消息發(fā)送。

(3)單個網(wǎng)絡(luò)參與組可以同時使用多個再分配時隙池。

再分配時隙池參數(shù)主要包括再分配時隙池號、時隙塊數(shù)、時隙塊參數(shù)等信息。設(shè)計好的再分配時隙池參數(shù)包含在JIDS網(wǎng)絡(luò)初始化數(shù)據(jù)文件中，隨網(wǎng)絡(luò)初始化時加載到各個用戶端機(jī)中。

4.2 時隙再分配池的初始接入

參與使用時隙再分配接入方式網(wǎng)絡(luò)參與組的每個作戰(zhàn)成員，必須在專用接入時隙首先交互時隙再分配消息，從時隙共享池中請求占用時隙的百分?jǐn)?shù)，并發(fā)布其它作戰(zhàn)成員的請求。

參與再分配池的作戰(zhàn)成員應(yīng)以每個再分配周期發(fā)送一條消息的速率，發(fā)送一條包含其自身請求的時隙再分配消息。如果接收到組內(nèi)其它作戰(zhàn)成員的請求，同時也可以報告組內(nèi)其它作戰(zhàn)成員的請求，作戰(zhàn)成員應(yīng)根據(jù)時隙再分配消息更新其數(shù)據(jù)庫。

如果沒有給作戰(zhàn)成員分配專用接入方式時隙，則在初始接入的一個時隙發(fā)送。初始接入時隙分配一般采用時隙可復(fù)用的專用接入方式進(jìn)行分配。尚未加入再分配時隙池的作戰(zhàn)成員，可使用專用接入方式分配的一個時隙，發(fā)布在下一個再分配周期中所需的時隙占再分配時隙池時隙數(shù)的百分比。在參與組中已經(jīng)分配了專用接入方式時隙的作戰(zhàn)成員必須在專用接入方式時隙發(fā)送接入消息，而不需要競爭使用初始接入時隙。

4.3 時隙申請

當(dāng)一個作戰(zhàn)成員需要占用再分配時隙池時，應(yīng)在接入時隙廣播時隙再分配消息，以便于其他加入該時隙池的作戰(zhàn)成員接收，時隙再分配消息包括本身的時隙需求以及接收到組內(nèi)其他作戰(zhàn)成員的需求信息。時隙再分配消息的主要參數(shù)如下：

(1)再分配池號；

(2)自身需求，請求在下一個再分配周期中分配的時隙數(shù)占再分配池時隙的百分?jǐn)?shù)；

(3)自身接收數(shù)，已經(jīng)收到的需要從該再分配池中分配時隙的參與者數(shù)。

同時，當(dāng)在初始接入時隙中接收到其他作戰(zhàn)成員的時隙再分配消息時，存入本地的數(shù)據(jù)鏈表中，并在本作戰(zhàn)成員發(fā)送時隙再分配消息時將接收到的信息向系統(tǒng)內(nèi)發(fā)送出去，讓更多的用戶了解接入再分配池的參與者數(shù)及需求。

4.4 時隙占用及動態(tài)調(diào)整接入時隙

作戰(zhàn)成員根據(jù)自身需求和其它組內(nèi)成員的需求劃分容量。由于作戰(zhàn)成員預(yù)先衡量過它們的需求，因此總的需求預(yù)算不會超過時隙池的容量。作戰(zhàn)成員用偽隨機(jī)算法選擇時隙，但要避免計算出的時隙與已分配給了在選擇順序中優(yōu)先等級較高的作戰(zhàn)成員產(chǎn)生沖突。選擇順序是基于一個指定作戰(zhàn)成員以直接、中繼或相互發(fā)布的任一方式接收到其它作戰(zhàn)成員的需求量。報告最低需求量的作戰(zhàn)成員首先選擇時隙。

如果組內(nèi)作戰(zhàn)成員需要的時隙總和超過再分配資源池的容量，則各作戰(zhàn)成員按需要成比例地給自己分配時隙，而且會按一個公因數(shù)成比例地減少，以便整個分配容量在再分配資源池容量之內(nèi)。因?yàn)樾枰臅r隙是可以周期調(diào)整的，所以使用時隙再分配方式可通過按預(yù)計總?cè)萘啃枨蠓峙鋾r隙，達(dá)到節(jié)省系統(tǒng)容量的目的。

5 結(jié)束語

本文介紹了Link16中基于TDMA 的時隙接入算法，重點(diǎn)介紹了時隙再分配接入方式，可以最大限度地保證用戶在有限資源條件下的靈活接入。該方法對我國基于TDMA體系的各項(xiàng)工程均有借鑒意義。