基于短波通信協(xié)議的分段幀長(zhǎng)研究

林夢(mèng)思，李遲生，李程文，吳小晴，張 軻

（南昌大學(xué) 信息工程學(xué)院，江西 南昌 330031）

0 引 言

隨著信息技術(shù)的快速發(fā)展，短波網(wǎng)絡(luò)通信[1?2]是一個(gè)重要的發(fā)展方向，為未來(lái)短波通信作出了貢獻(xiàn)，越來(lái)越受到廣泛的重視。為了適應(yīng)短波通信的網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展趨勢(shì)，短波通信協(xié)議制定了一系列數(shù)據(jù)傳輸標(biāo)準(zhǔn)，使得所有訪問(wèn)短波網(wǎng)絡(luò)的用戶能夠進(jìn)行互操作性的數(shù)據(jù)通信[3]。在短波通信中，短波信道具有時(shí)變的傳輸特點(diǎn)，存在多徑時(shí)延、衰落、多普勒頻移、天電干擾和電臺(tái)干擾等一系列復(fù)雜現(xiàn)象，從而導(dǎo)致信道質(zhì)量不穩(wěn)定、干擾嚴(yán)重等特點(diǎn)[4]。因此，需要在特定的信道特性中選擇合適的傳輸方式來(lái)保證系統(tǒng)性能最優(yōu)化。而在數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中數(shù)據(jù)幀所包含的分段幀長(zhǎng)也會(huì)對(duì)系統(tǒng)的吞吐率造成一定的影響，所以選擇合適的分段幀長(zhǎng)也是至關(guān)重要的[5]。

本文選擇合適的信道條件在短波網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，對(duì)短波通信協(xié)議的數(shù)據(jù)傳輸子層中數(shù)據(jù)幀的分段幀長(zhǎng)進(jìn)行研究。通過(guò)對(duì)系統(tǒng)的平均有效吞吐率表達(dá)式的分析，得到分段幀長(zhǎng)和系統(tǒng)平均有效吞吐率的關(guān)系，最后得出適合在數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中的分段幀長(zhǎng)。通過(guò)仿真驗(yàn)證，在一定條件下，最佳分段幀長(zhǎng)相比其他分段幀長(zhǎng)可以產(chǎn)生更高的吞吐率。

1 數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)的分析

數(shù)據(jù)傳輸子層[6]（Data Transfer Sublayer，DTS）是處理本節(jié)點(diǎn)到遠(yuǎn)程節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸，并為連接的客戶端提供可靠的數(shù)據(jù)鏈接服務(wù)。該層確?；跀?shù)據(jù)交換規(guī)則將D_PDU（DTS 協(xié)議數(shù)據(jù)單元）或“幀”傳送到遠(yuǎn)程節(jié)點(diǎn)。對(duì)數(shù)據(jù)傳輸子層的數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)[7]進(jìn)行分析，為最佳分段幀長(zhǎng)的選擇提供了理論基礎(chǔ)。用戶數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)上層傳遞后到達(dá)數(shù)據(jù)傳輸子層形成數(shù)據(jù)幀（D_PDU），該數(shù)據(jù)幀有兩種結(jié)構(gòu)：不能承載分段幀（C_PDU）的數(shù)據(jù)幀和能夠承載分段幀的數(shù)據(jù)幀。具體結(jié)構(gòu)如圖1 和圖2 所示。本文主要針對(duì)能夠承載分段幀的數(shù)據(jù)幀進(jìn)行研究。

圖1 不包含分段幀的D_PDU

圖2 包含分段幀的D_PDU

可以看到，不包含分段幀的D_PDU 主要由三部分組成，分別為：2 B 的同步序列、最大可承受38 B 的報(bào)頭和2 B 的報(bào)頭檢驗(yàn)碼CRC。

與不包含分段幀的D_PDU 相比，包含分段幀的D_PDU 增加了兩個(gè)部分：最大可承受1 023 B 的分段幀和4 B 的分段幀檢驗(yàn)碼CRC。

圖3 顯示了分段幀C_PDU 的分段過(guò)程。假設(shè)收到長(zhǎng)度為2 080 B 的C_PDU，由圖2 可知，數(shù)據(jù)幀D_PDU中最多可以承受1 023 B 的C_PDU，因此需要對(duì)該C_PDU 進(jìn)行分段。圖3 中取分段長(zhǎng)度為1 000 B，將C_PDU 分成3 段，每個(gè)分段都有一個(gè)序列號(hào)，目的是接收方收到數(shù)據(jù)后能夠正確重組，若取其他分段長(zhǎng)度也按照上述過(guò)程進(jìn)行分段。本文主要針對(duì)C_PDU 長(zhǎng)度進(jìn)行研究，選出最適合在進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)使用的分段幀長(zhǎng)度，從而提高系統(tǒng)的吞吐率。

圖3 C_PDU 的分段過(guò)程

2 仿真模型的建立

2.1 通信模型的建立

本文選用的通信模型是基于8PSK 調(diào)制的通信系統(tǒng)，信道為瑞利信道，收發(fā)雙方都使用8PSK 調(diào)制方式，接收端采用相干解調(diào)。

假設(shè)使用8PSK 調(diào)制方式，調(diào)制帶寬為3 kHz。選用兩種數(shù)據(jù)傳輸速率[8]：1 200 b/s 和2 400 b/s。在文獻(xiàn)[9]中，提出了對(duì)于MPSK 信號(hào)的誤符號(hào)率表達(dá)式。因此，可以得到8PSK 信號(hào)在瑞利信道下的誤符號(hào)率[9]公式如下：

式中：B 為8PSK 信號(hào)的調(diào)制帶寬（3 kHz）；Rb為數(shù)據(jù)傳輸速率；γ 為信號(hào)信噪比。將式（2）代入式（1）得到：

對(duì)于8PSK 信號(hào)在瑞利信道中特定速率條件下，平均符號(hào)差錯(cuò)率[10]為：

因?yàn)棣胹的矩母函數(shù)為：

而且在瑞利衰落信道中，存在：

將式（5）和式（6）代入式（4）可以得到：

最后，可以得到8PSK 信號(hào)在瑞利信道中特定數(shù)據(jù)傳輸速率情況下，平均誤比特率和平均分段交付率分別為：

式中L 為分段幀的長(zhǎng)度（比特）。

2.2 系統(tǒng)平均有效吞吐率數(shù)學(xué)模型的建立

吞吐率[11]是表示在傳輸時(shí)間內(nèi)系統(tǒng)正確接收到的有效數(shù)據(jù)量。本文用系統(tǒng)平均有效吞吐率ηs表示系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)男?，即單位時(shí)間內(nèi)數(shù)據(jù)幀中正確接收的分段幀的數(shù)量。

在短波通信協(xié)議中，DTS 層收到來(lái)自上層的數(shù)據(jù)，因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)在傳輸數(shù)據(jù)的過(guò)程中，數(shù)據(jù)如果比較大，不易處理，因此需要對(duì)數(shù)據(jù)幀進(jìn)行分段處理，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的有效傳輸[12]。在分段過(guò)程中，將收到的C_PDU 按照分段幀長(zhǎng)度分段成多個(gè)C_PDU，最后加上同步序列號(hào)、報(bào)頭和校驗(yàn)碼形成D_PDU 發(fā)送出去。在數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中，一個(gè)數(shù)據(jù)幀中包括分段幀的數(shù)量為N，分段幀的長(zhǎng)度為L(zhǎng) bit，分段中的有用數(shù)據(jù)幀長(zhǎng)度為L(zhǎng)Dbit，冗余數(shù)據(jù)長(zhǎng)度為L(zhǎng)rbit。在數(shù)據(jù)一次向前傳輸過(guò)程中，傳輸時(shí)間為Tr，鏈路輪回時(shí)間為Tl，ACK（Acknowledgement）確認(rèn)時(shí)間為TA。可以得到如下表示：

根據(jù)式（7）～式（9）可以得到在某一特定數(shù)據(jù)傳輸速率條件下系統(tǒng)平均有效吞吐率為：

式中：分段幀長(zhǎng)L 與分段數(shù)量N 是比例關(guān)系。分段幀長(zhǎng)越大，分段數(shù)量越少。

本文主要研究DTS 層收到長(zhǎng)度過(guò)長(zhǎng)的C_PDU 后將其按照分段幀長(zhǎng)進(jìn)行分段后封裝形成數(shù)據(jù)幀D_PDU，在特定數(shù)據(jù)傳輸速率和信噪比的情況下，分段幀長(zhǎng)L 對(duì)系統(tǒng)平均有效吞吐率的影響。

3 仿真與結(jié)果分析

在進(jìn)行仿真過(guò)程中，假設(shè)傳輸相同用戶信息，信號(hào)信噪比在0～30 dB 之間變化，假設(shè)選擇數(shù)據(jù)傳輸速率為1 200 b/s 和2 400 b/s，對(duì)以下7 種分段幀長(zhǎng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)仿真：50 B，100 B，200 B，400 B，800 B，1 000 B 和1 023 B（可承受的最大分段幀長(zhǎng)）。根據(jù)以上幾種分段幀長(zhǎng)，使用同一用戶數(shù)據(jù)在搭建的網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)上進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，假設(shè)A 節(jié)點(diǎn)與B 節(jié)點(diǎn)進(jìn)行交互，兩節(jié)點(diǎn)建立鏈路所產(chǎn)生的時(shí)間和A 節(jié)點(diǎn)將信息傳到B 節(jié)點(diǎn)后反饋信息回到A 節(jié)點(diǎn)所產(chǎn)生的時(shí)間如表1 所示。

表1 仿真中涉及的參數(shù)值

根據(jù)表1所得參數(shù)，首先選用數(shù)據(jù)傳輸速率2 400 b/s進(jìn)行仿真，在該條件下使用相同用戶數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸，得到7 種分段幀長(zhǎng)與系統(tǒng)平均有效吞吐率的仿真結(jié)果，如圖4 所示。

從圖4 中可以看出：在速率一定的條件下，7 種分段幀長(zhǎng)中50 B 所產(chǎn)生吞吐率最大，而且在速率一定且信噪比相同的情況下，分段幀長(zhǎng)越大，吞吐率越小。

圖5 表示數(shù)據(jù)傳輸速率為1 200 b/s 時(shí)得到的仿真結(jié)果，由圖5 可知，在特定速率且信噪比一定的條件下，幾種分段幀長(zhǎng)中同樣也是50 B 產(chǎn)生的吞吐率最大。與速率2 400 b/s 相比，該速率下產(chǎn)生的吞吐率相對(duì)較大。

圖4 速率為2 400 b/s 的系統(tǒng)平均有效吞吐率

圖5 速率為1 200 b/s 的系統(tǒng)平均有效吞吐率

通過(guò)表1 可知，冗余長(zhǎng)度也會(huì)影響數(shù)據(jù)傳輸?shù)男阅埽趥鬏斚嗤脩魯?shù)據(jù)時(shí)，分段幀的長(zhǎng)度越短，分段的數(shù)量越多，冗余數(shù)據(jù)長(zhǎng)度也就相對(duì)越長(zhǎng)。因此，根據(jù)有效數(shù)據(jù)長(zhǎng)度與數(shù)據(jù)總長(zhǎng)度的比值得到有效吞吐率。根據(jù)分段幀長(zhǎng)與有效吞吐率的關(guān)系，對(duì)7 種分段幀長(zhǎng)進(jìn)行仿真，結(jié)果如圖6 所示。

圖6 分段幀長(zhǎng)與有效吞吐率的關(guān)系

由圖6 可知，分段幀長(zhǎng)越長(zhǎng)，有效吞吐率越大。分段幀長(zhǎng)為50 B 時(shí)，有效吞吐率反而最??；分段幀長(zhǎng)為1 023 B 時(shí)，有效吞吐率卻最大。由此可得出，冗余數(shù)據(jù)長(zhǎng)度對(duì)數(shù)據(jù)傳輸性能有一定影響。

通過(guò)圖4 和圖5 可以得到，在一定速率和信噪比情況下，分段幀長(zhǎng)為50 B 時(shí)所產(chǎn)生吞吐率最大。結(jié)合圖6分析可知，在考慮冗余數(shù)據(jù)長(zhǎng)度的影響下，分段幀長(zhǎng)為50 B 時(shí)的有效吞吐率卻最小。因此，對(duì)比7 種分段幀的長(zhǎng)度在圖4～圖6 所產(chǎn)生的有效吞吐率可得，取分段中間長(zhǎng)度200 B 是折中的選擇，既保證了在一定傳輸速率和信噪比下的有效吞吐率，也保證了在受到冗余數(shù)據(jù)長(zhǎng)度影響情況下的有效吞吐率。最終得出結(jié)論，在一定條件下，分段幀長(zhǎng)為200 B 是最佳分段幀長(zhǎng)，對(duì)系統(tǒng)吞吐率的提高有一定的參考價(jià)值。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)短波通信協(xié)議的研究，發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)幀中的分段幀大小對(duì)系統(tǒng)的吞吐率有一定的影響，分析數(shù)據(jù)傳輸子層的數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)，結(jié)合分段幀的分段過(guò)程，根據(jù)系統(tǒng)的平均有效吞吐率的表達(dá)式對(duì)不同分段幀長(zhǎng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)仿真，經(jīng)仿真驗(yàn)證表明，在一定情況下，最佳分段幀長(zhǎng)為200 B。相比其他幾種分段幀長(zhǎng)，最佳分段幀長(zhǎng)對(duì)系統(tǒng)的有效吞吐率有一定的優(yōu)勢(shì)。