短波數(shù)傳電臺(tái)輪詢組網(wǎng)性能分析

黃佑強(qiáng)，胡義祥，董毅恒，柳虔林

（1.云南省軍區(qū)，云南 昆明 650051；2.清華大學(xué)自動(dòng)化系，北京 100084）

0 引言

近年來(lái)，光纖通信、移動(dòng)通信和衛(wèi)星通信技術(shù)的迅猛發(fā)展，為相關(guān)行業(yè)、部門提供了可靠的通信保障。然而，在某些特定任務(wù)地域會(huì)在出現(xiàn)光纖通信支線難以引接，移動(dòng)通信信號(hào)難以覆蓋，衛(wèi)星通信便攜站因地勢(shì)地貌等因素影響難以開設(shè)等現(xiàn)實(shí)問題[1]，在一定程度上制約著森林防火、礦山開發(fā)、野外施工以及應(yīng)急處突、反恐穩(wěn)維等通信保障要求，而短波通信因機(jī)動(dòng)靈活、組網(wǎng)快捷，即使在信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)非常發(fā)達(dá)的國(guó)家也在研究應(yīng)用，原因在于無(wú)線電臺(tái)能夠在特定地域發(fā)揮支撐保障作用[2，3]。無(wú)線電臺(tái)是相關(guān)行業(yè)、部門配備的重要通信裝備，大多具備數(shù)據(jù)傳輸功能，探討采用無(wú)線電臺(tái)在特定地域組網(wǎng)具有重要而現(xiàn)實(shí)的意義。本文將輪詢系統(tǒng)理論引入無(wú)線電臺(tái)組網(wǎng)研究，對(duì)其輪詢組網(wǎng)性能進(jìn)行分析，為相關(guān)行業(yè)、部門科學(xué)制定組網(wǎng)方案及開展通信保障提供理論支撐和技術(shù)保障。

1 輪詢組網(wǎng)模型建立

無(wú)線電臺(tái)在相關(guān)行業(yè)、部門現(xiàn)有短波綜合業(yè)務(wù)網(wǎng)、分組無(wú)線網(wǎng)中發(fā)揮著重要作用，其中分組無(wú)線網(wǎng)應(yīng)用終端軟件支持現(xiàn)有多種電臺(tái)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)數(shù)傳、點(diǎn)對(duì)點(diǎn)輪詢和無(wú)線分組三種工作模式，支持報(bào)文傳輸業(yè)務(wù)[1，3]。在點(diǎn)對(duì)點(diǎn)輪詢模式中，采用簡(jiǎn)單輪詢R R（Rou nd Robin）控制機(jī)制，實(shí)現(xiàn)中心站與遠(yuǎn)端站文本、表格等數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)傳輸功能[4]。針對(duì)相關(guān)行業(yè)、部門在特定地域遇到光纖通信、移動(dòng)通信以及衛(wèi)星通信均難以實(shí)施保障的技術(shù)問題，依托無(wú)線電臺(tái)，采用輪詢多址通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，構(gòu)建通信站點(diǎn) 輪詢組網(wǎng)模型，具體如圖1所示。

圖1 基于數(shù)傳電臺(tái)的輪詢組網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖

根據(jù)特定行業(yè)、部門通信保障要求[1，3，4]，考慮多個(gè)行動(dòng)小組攜帶數(shù)傳電臺(tái)分別到達(dá)指定地域開設(shè)通信站點(diǎn)時(shí)，采用圖1所示的輪詢組網(wǎng)結(jié)構(gòu)，將指揮中心和分布在指定地域的通信站點(diǎn)進(jìn)行組網(wǎng)，確保各通信站點(diǎn)的信息能夠?qū)崟r(shí)、高效傳輸?shù)街笓]中心控制服務(wù)器，為指揮中心的領(lǐng)導(dǎo)同志提供決策參考。

2 輪詢組網(wǎng)模型分析

根據(jù)圖1所示指揮中心與各通信站點(diǎn)信息傳輸控制組網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，現(xiàn)采用輪詢系統(tǒng)理論[5，6]，通過設(shè)定工作條件，解析系統(tǒng)平均循環(huán)周期、信息分組平均排隊(duì)隊(duì)長(zhǎng)、系統(tǒng)吞吐量等特性參數(shù)，采用理論計(jì)算與模擬仿真實(shí)驗(yàn)等步驟，對(duì)該組網(wǎng)模型進(jìn)行性能分析。

2.1 工作條件設(shè)定

結(jié)合圖1所示控制機(jī)制和特點(diǎn)，對(duì)系統(tǒng)工作條件作如下設(shè)定：

（1）進(jìn)入各通信站點(diǎn)存儲(chǔ)器內(nèi)等待發(fā)送的信息分組數(shù)的隨機(jī)變量是相互獨(dú)立且服從相同的概率分布，其概率母函數(shù)、均值和方差分別為和。

（2）任何一個(gè)通信站點(diǎn)在接受服務(wù)時(shí)發(fā)送信息分組所需時(shí)間的隨機(jī)變量是相互獨(dú)立且服從相同的概率分布，其概率母函數(shù)、均值和方差分別為和。

（3）任何兩個(gè)相鄰?fù)ㄐ耪军c(diǎn)之間的輪詢轉(zhuǎn)換時(shí)間的隨機(jī)變量是相互獨(dú)立且服從相同的概率分布，其分布的概率母函數(shù)、均值和方差分別為和。

（4）各通信站點(diǎn)的存儲(chǔ)器容量足夠大，不會(huì)產(chǎn)生信息分組丟失；站點(diǎn)存儲(chǔ)器內(nèi)的信息分組按先進(jìn)行出順序規(guī)則進(jìn)行服務(wù)，系統(tǒng)工作在離散時(shí)間狀態(tài)，時(shí)間軸按單位時(shí)隙劃分，系統(tǒng)的平均循環(huán)周期為。

從上述系統(tǒng)工作條件中可以看出，該系統(tǒng)模型的調(diào)度控制包含以下三個(gè)相互獨(dú)立的隨機(jī)過程：一是通信站點(diǎn)中信息分組的到達(dá)過程；二是通信站點(diǎn)中信息分組的傳輸服務(wù)過程；三是相鄰?fù)ㄐ耪军c(diǎn)之間的輪詢轉(zhuǎn)換過程。根據(jù)上述系統(tǒng)工作條件，在tn時(shí)刻，該系統(tǒng)中的N個(gè)系統(tǒng)狀態(tài)變量構(gòu)成嵌入式Markov鏈；（其中的條件下，系統(tǒng)的概率分布達(dá)到穩(wěn)態(tài)，此時(shí)系統(tǒng)狀態(tài)變量的概率分布函數(shù)為：

當(dāng)指揮中心服務(wù)器在tn+1時(shí)刻開始對(duì)第i+1號(hào)通信站點(diǎn)服務(wù)時(shí)，系統(tǒng)狀態(tài)變量在tn+1時(shí)刻的概率母函數(shù)為：

2.2 特性參數(shù)解析

定義在tn時(shí)刻第i 號(hào)通信站點(diǎn)開始接受服務(wù)時(shí)，第j號(hào)通信站點(diǎn)存儲(chǔ)器中平均存儲(chǔ)的信息分組數(shù)，即信息分組的平均排隊(duì)隊(duì)長(zhǎng)為gi（j），則有：

2.2.1 平均排隊(duì)隊(duì)長(zhǎng)

由式（4）求偏導(dǎo)并循環(huán)化簡(jiǎn)計(jì)算得該系統(tǒng)各通信站點(diǎn)信息分組的平均排隊(duì)隊(duì)長(zhǎng)為：

2.2.2 平均循環(huán)周期

該系統(tǒng)的平均循環(huán)周期為指揮中心服務(wù)器對(duì)系統(tǒng)中的N個(gè)通信站點(diǎn)按服務(wù)規(guī)則完成一次服務(wù)所用時(shí)間的統(tǒng)計(jì)平均值，它由服務(wù)時(shí)間和輪詢轉(zhuǎn)換時(shí)間所組成。利用平均循環(huán)周期與平均排隊(duì)隊(duì)長(zhǎng)的關(guān)系得：

2.2.3 系統(tǒng)吞吐量

系統(tǒng)吞吐量是指單位時(shí)間內(nèi)該系統(tǒng)所能傳輸?shù)男畔⒎纸M數(shù)，相應(yīng)的表達(dá)式為：

2.3 組網(wǎng)性能分析

現(xiàn)結(jié)合所提出的輪詢組網(wǎng)系統(tǒng)模型，提出相應(yīng)的計(jì)算機(jī)仿真算法，并采用MATLAB編制計(jì)算機(jī)仿真程序，對(duì)該系統(tǒng)模型進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，在系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境和初始參數(shù)相同的情況下，從輪詢站點(diǎn)數(shù)量以及信息分組到達(dá)率變化兩方面來(lái)對(duì)該系統(tǒng)模型的性能進(jìn)行比較分析。其中，模擬實(shí)驗(yàn)采用專門設(shè)計(jì)的prand（mu，v）函數(shù)來(lái)生成信息分組到達(dá)分布，而服務(wù)過程和輪詢轉(zhuǎn)換過程可直接由MATLAB自帶函數(shù)生成。

圖2 輪詢組網(wǎng)算法流程圖

基于這種輪詢組網(wǎng)接入控制機(jī)制，在對(duì)圖1組網(wǎng)模型進(jìn)行理論分析基礎(chǔ)上，提出基于計(jì)算機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)的輪詢組網(wǎng)算法流程，具體如圖2所示。

在計(jì)算機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)中，假定系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)各通信站點(diǎn)中信息分組的到達(dá)過程為泊松分布，信息分組傳輸服務(wù)過程為一般分布，相鄰站點(diǎn)輪詢轉(zhuǎn)換過程為一般分布，對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行了計(jì)算機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)。

表1 系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置表

其中，理論計(jì)算與計(jì)算機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)采用相同參數(shù)值，并按表1所示數(shù)值進(jìn)行歸一化設(shè)置，從信息分組到達(dá)率變化來(lái)對(duì)系統(tǒng)的平均循環(huán)周期、各站點(diǎn)信息分組的平均排隊(duì)隊(duì)長(zhǎng)以及系統(tǒng)吞吐率曲線來(lái)對(duì)組網(wǎng)模型作性能分析。根據(jù)圖2所示算法流程圖，通過高性能PC機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)而得出系統(tǒng)特性參數(shù)曲線，具體如圖3至5所示。

圖3 平均循環(huán)周期隨通信站點(diǎn)采集信息分組到達(dá)率變化曲線

圖4 平均排隊(duì)隊(duì)長(zhǎng)隨通信站點(diǎn)采集信息分組到達(dá)率變化曲線

從圖3至圖5可看出：假設(shè)指揮中心外圍通信站點(diǎn)為9個(gè)，整個(gè)傳輸網(wǎng)絡(luò)的傳輸性能主要取決于中心站與各通信站點(diǎn)之間信息傳輸量的大小。在信息分組傳輸時(shí)間控制為500 ms，輪詢轉(zhuǎn)換時(shí)間控制為50 ms，時(shí)隙為50 ms，傳輸速率為2400 b/s的情況下，當(dāng)通信站點(diǎn)信息分組到達(dá)率為0.001分組/時(shí)隙時(shí)，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)輪詢周期約為490ms，系統(tǒng)吞吐率為0.09，通信站點(diǎn)的信息分組平均排隊(duì)隊(duì)長(zhǎng)約為0.008個(gè)分組；當(dāng)通信站點(diǎn)信息分組到達(dá)率為0.005分組/時(shí)隙時(shí)，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)輪詢周期約為800 ms，系統(tǒng)吞吐率為0.45，通信站點(diǎn)的信息分組平均排隊(duì)隊(duì)長(zhǎng)約為0.08個(gè)分組；當(dāng)信息分組到達(dá)率為0.01分組/時(shí)隙時(shí)，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)輪詢周期約為4，500 ms，系統(tǒng)吞吐率為0.90，通信站點(diǎn)的信息分組平均排隊(duì)隊(duì)長(zhǎng)約為0.88個(gè)分組。

從網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸性能分析來(lái)看，在定時(shí)聯(lián)絡(luò)情況下，該組網(wǎng)方式能夠滿足各通信站點(diǎn)數(shù)據(jù)信息傳輸要求，不致于發(fā)生基于隨機(jī)多址傳輸控制中的數(shù)據(jù)發(fā)送沖突情況，這正是得益于該組網(wǎng)模型所具有的避免沖突接入控制效能。

圖5 系統(tǒng)吞吐率隨通信站點(diǎn)采集信息分組到達(dá)率變化曲線

3 結(jié)束語(yǔ)

本文結(jié)合相關(guān)行業(yè)、部門在特定地域?qū)嵤┩ㄐ疟Ｕ弦?，結(jié)合現(xiàn)有短波數(shù)傳電臺(tái)工作性能，構(gòu)建符合指揮通信保障的輪詢組網(wǎng)模型，通過輪詢系統(tǒng)理論分析，得出相關(guān)系統(tǒng)特性參數(shù)解析式，并采用MATLAB仿真實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，為科學(xué)制定組網(wǎng)方案及實(shí)施通信保障提供理論支撐和技術(shù)保障。