基于SPMA協(xié)議的數(shù)據(jù)鏈信道負(fù)載統(tǒng)計算法

趙志勇 張 洋 劉錫國

1.海軍航空大學(xué) 山東煙臺 264001

數(shù)據(jù)鏈?zhǔn)菓?zhàn)場獲取信息優(yōu)勢的重要基礎(chǔ),是實現(xiàn)諸兵種作戰(zhàn)力量之間無縫鏈接的“紐帶”,是作戰(zhàn)武器裝備效能發(fā)揮的倍增器.采用何種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議構(gòu)建數(shù)據(jù)鏈作戰(zhàn)網(wǎng)絡(luò),對數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)容量、系統(tǒng)抗毀性、組網(wǎng)靈活性等都具有重要影響.因此,國內(nèi)外數(shù)據(jù)鏈領(lǐng)域非常重視數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的研究,這對于提高數(shù)據(jù)鏈的作戰(zhàn)效能具有重要意義.美軍的TTNT 數(shù)據(jù)鏈采用了統(tǒng)計優(yōu)先多址接入（statistic priority-based media access,SPMA）協(xié)議,大幅提升了數(shù)據(jù)鏈組網(wǎng)的靈活性[1-4],網(wǎng)內(nèi)各單元能夠?qū)崟r有效地共享戰(zhàn)場態(tài)勢信息,使以SPMA 協(xié)議為代表的隨機(jī)接入類協(xié)議在數(shù)據(jù)鏈領(lǐng)域展現(xiàn)出重要研究價值.

SPMA 協(xié)議采用統(tǒng)計優(yōu)先級方式實現(xiàn)信道接入控制,在發(fā)送某一優(yōu)先級分組時,SPMA 協(xié)議將信道負(fù)載統(tǒng)計值與對應(yīng)優(yōu)先級閾值進(jìn)行比較,從而判定該優(yōu)先級分組是否允許發(fā)送.當(dāng)全網(wǎng)業(yè)務(wù)量較大時,SPMA 協(xié)議采用退避低優(yōu)先級分組的方式,保證高優(yōu)先級分組傳輸?shù)膶崟r性,從而將信道占用控制在良好的狀態(tài),以解決隨機(jī)競爭類協(xié)議在全網(wǎng)業(yè)務(wù)量較大時由于信道碰撞導(dǎo)致的網(wǎng)絡(luò)性能惡化問題[5-7].由此可知,數(shù)據(jù)鏈信道負(fù)載統(tǒng)計是SPMA 協(xié)議控制數(shù)據(jù)鏈信息發(fā)送的關(guān)鍵.

在現(xiàn)有文獻(xiàn)中,關(guān)于數(shù)據(jù)鏈信道負(fù)載統(tǒng)計主要有兩類算法.一類算法是采用廣播消息的方式,網(wǎng)內(nèi)各節(jié)點通過廣播消息將近一段時間內(nèi)所發(fā)送的脈沖數(shù)廣播至網(wǎng)內(nèi)其他節(jié)點,以此判斷數(shù)據(jù)鏈信道狀態(tài).但所述廣播消息的發(fā)送,必然占用一定的信道帶寬和傳輸時間,降低了信道資源利用效率[8-12].另一類算法是通過統(tǒng)計物理層接收到的脈沖數(shù)量計算信道負(fù)載.由于該類方法便捷高效,使其在數(shù)據(jù)鏈信道負(fù)載統(tǒng)計領(lǐng)域占據(jù)了主導(dǎo)地位[10-15].但由于該類算法所得到的信道負(fù)載統(tǒng)計值是由單個節(jié)點設(shè)備獨立完成的,這使得信道負(fù)載統(tǒng)計值完全依賴于某個單一節(jié)點平臺特性.然而,數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點設(shè)備的物理特性差異較大,如數(shù)據(jù)鏈端機(jī)天線接收靈敏度、所處電磁環(huán)境、物理層器件老化程度等因素,都會導(dǎo)致數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點對當(dāng)前信道狀態(tài)的認(rèn)知存在較大偏差,甚至嚴(yán)重偏離信道的真實狀態(tài),造成網(wǎng)內(nèi)用戶數(shù)據(jù)鏈信息沖突,從而降低數(shù)據(jù)鏈信息發(fā)送的成功概率.

本文針對單節(jié)點基于物理層脈沖數(shù)統(tǒng)計類方法存在的不足,通過分析數(shù)據(jù)鏈的波形特征和脈沖參數(shù),優(yōu)化統(tǒng)計時間窗設(shè)置方法,改進(jìn)現(xiàn)有信道負(fù)載統(tǒng)計算法.在此基礎(chǔ)上,采用距離加權(quán)的方式,統(tǒng)計單跳范圍內(nèi)各節(jié)點的信道負(fù)載值,以克服現(xiàn)有算法對單節(jié)點設(shè)備依賴性大、信道資源利用率低的問題,使信道負(fù)載值能夠更準(zhǔn)確地反映信道真實狀態(tài),以提高網(wǎng)內(nèi)節(jié)點信息傳輸?shù)膶崟r性和可靠性.

1 單節(jié)點物理層信道負(fù)載統(tǒng)計算法

基于物理層脈沖數(shù)統(tǒng)計類方法是通過統(tǒng)計接收物理層脈沖數(shù)量來計算信道負(fù)載值.然而該算法在統(tǒng)計計算信道負(fù)載時,模型參數(shù)設(shè)置不合理,并未將脈沖間隔時間參數(shù)考慮在內(nèi),僅考慮了脈沖數(shù)據(jù)包長,這會使所計算的信道負(fù)載值減小,無法正確反映當(dāng)前的信道狀態(tài),進(jìn)行節(jié)點數(shù)據(jù)傳輸時,會造成網(wǎng)內(nèi)用戶沖突,將大大降低數(shù)據(jù)發(fā)送的成功概率.事實上,數(shù)據(jù)鏈設(shè)備的信息傳輸通常是采用脈沖形式傳輸,且脈沖間設(shè)置有傳輸間隔[13-15].如美軍的TTNT 數(shù)據(jù)鏈、Link-16數(shù)據(jù)鏈,數(shù)據(jù)鏈端機(jī)所輻射的射頻信號是成串的脈沖信號,每個脈沖的持續(xù)時間為6.4 μs,脈沖之間的間隔是6.6 μs.設(shè)置脈沖間隔的原因是對抗轉(zhuǎn)發(fā)式干擾,以提高數(shù)據(jù)鏈信號的可靠性.

基于上述分析,結(jié)合數(shù)據(jù)鏈的跳頻脈沖傳輸體制,本文對現(xiàn)有單節(jié)點物理層信道負(fù)載統(tǒng)計算法進(jìn)行改進(jìn),改進(jìn)后的信道負(fù)載Ck的表達(dá)式為：

其中,fi表示數(shù)據(jù)鏈的跳頻頻點,表示本數(shù)據(jù)鏈端機(jī)在跳頻頻點fi上統(tǒng)計接收到的其他節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)鏈脈沖個數(shù),表示統(tǒng)計本數(shù)據(jù)鏈端機(jī)在跳頻頻點fi上發(fā)送的數(shù)據(jù)鏈脈沖個數(shù),M 表示數(shù)據(jù)鏈端機(jī)的跳頻頻點數(shù),表示數(shù)據(jù)鏈脈沖持續(xù)時間長度,δ 表示數(shù)據(jù)鏈脈沖間隔時間長度,Ts表示統(tǒng)計時間窗長度.

在改進(jìn)后的信道負(fù)載統(tǒng)計算法中,數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)內(nèi)節(jié)點通過物理層統(tǒng)計各跳頻點fi上的數(shù)據(jù)鏈脈沖數(shù)量,包括在跳頻頻點fi上的發(fā)送數(shù)據(jù)鏈脈沖數(shù)和接收到的數(shù)據(jù)鏈脈沖數(shù),信道負(fù)載Ck不僅與脈沖時間參數(shù) 有關(guān),還與數(shù)據(jù)鏈脈沖間隔時間參數(shù)δ 有關(guān).

在現(xiàn)有算法中,用于信道負(fù)載統(tǒng)計算法的統(tǒng)計時間窗Ts固定設(shè)置為100 ms,無論當(dāng)前信道是擁堵還是空閑,統(tǒng)計時間窗大小不變.這種統(tǒng)計時間窗設(shè)計方法缺乏靈活性,不能根據(jù)信道狀態(tài)進(jìn)行適應(yīng)性調(diào)整.鑒于此,在本文中,所述統(tǒng)計時間窗的設(shè)計方法為：根據(jù)數(shù)據(jù)鏈端機(jī)天線的感應(yīng)信號啟動和停止統(tǒng)計時間窗；當(dāng)數(shù)據(jù)鏈端機(jī)天線感應(yīng)接收到數(shù)據(jù)鏈脈沖信號時,啟動所述統(tǒng)計時間窗計時；當(dāng)連續(xù)一個時間單元長度沒有感應(yīng)接收到數(shù)據(jù)鏈脈沖信號時,停止所述統(tǒng)計時間窗計時,從而得到所述統(tǒng)計時間窗Ts的時間長度大小.統(tǒng)計時間窗Ts可根據(jù)信道的忙閑變化自動調(diào)整,相對于固定統(tǒng)計時間窗來統(tǒng)計數(shù)據(jù)鏈脈沖數(shù)的方式來說,能夠更好地反映當(dāng)前信道狀況,有利于提高信道負(fù)載統(tǒng)計的準(zhǔn)確性和靈活性.

2 基于距離加權(quán)的信道負(fù)載統(tǒng)計算法

在現(xiàn)有物理層信道負(fù)載統(tǒng)計算法中,所述信道負(fù)載的統(tǒng)計都是由待發(fā)送數(shù)據(jù)鏈信息的節(jié)點計算得到的,即由單個節(jié)點設(shè)備獨立完成的,這使得信道負(fù)載統(tǒng)計值完全依賴于某個單一節(jié)點.然而,數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點的物理特性差異是較大的,如數(shù)據(jù)鏈端機(jī)天線接收靈敏度的差異會導(dǎo)致對信道中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)鏈脈沖數(shù)存在較大的統(tǒng)計誤差,從而存在相同信道狀態(tài)下不同節(jié)點統(tǒng)計得到不同信道負(fù)載值的現(xiàn)象.進(jìn)一步,在復(fù)雜電磁環(huán)境下,由于電磁干擾的來向和強(qiáng)度分布的不同,數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點受電磁干擾的程度也可能存在較大差別,從而使得不同節(jié)點對當(dāng)前數(shù)據(jù)鏈信道狀態(tài)的統(tǒng)計也存在較大差異.另外,由于網(wǎng)內(nèi)各節(jié)點數(shù)據(jù)鏈端機(jī)物理層器件老化程度差異性不同,在統(tǒng)計信道負(fù)載時也會存在較大差別.這些因素,都會導(dǎo)致數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點對當(dāng)前信道狀態(tài)的認(rèn)知存在較大偏差,甚至嚴(yán)重偏離信道的真實狀態(tài).因此,在現(xiàn)有算法中,由單個節(jié)點獨立完成信道負(fù)載統(tǒng)計的方法,會造成對信道負(fù)載統(tǒng)計值與真實值偏差較大,當(dāng)其用于控制數(shù)據(jù)鏈信息發(fā)送時,必然會造成網(wǎng)內(nèi)用戶數(shù)據(jù)鏈信息沖突,將大幅降低數(shù)據(jù)鏈信息發(fā)送的成功概率,無法將戰(zhàn)場信息實時共享交互.

為了克服數(shù)據(jù)鏈信道負(fù)載統(tǒng)計算法對單一節(jié)點設(shè)備的依賴性,本文提出了基于距離加權(quán)的信道負(fù)載統(tǒng)計算法.在該算法中,數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò)中的各節(jié)點分別在統(tǒng)計時間窗內(nèi),通過統(tǒng)計信道中數(shù)據(jù)鏈脈沖數(shù)量計算節(jié)點信道負(fù)載,再經(jīng)信道負(fù)載廣播消息,將所計算的節(jié)點信道負(fù)載周期性地向網(wǎng)內(nèi)節(jié)點廣播發(fā)送.在單跳范圍內(nèi),數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò)節(jié)點通過接收其他節(jié)點所發(fā)送的信道負(fù)載廣播消息,提取解讀所述節(jié)點信道負(fù)載,并按距離加權(quán)的方式計算綜合信道負(fù)載CZ,所述綜合信道負(fù)載CZ可表示為：

在本文所提出的信道負(fù)載統(tǒng)計算法中,所述距離加權(quán)系數(shù)ρj可表示為：

其中,Dj表示當(dāng)前節(jié)點與單跳范圍內(nèi)的其他節(jié)點的距離,N 表示單跳范圍內(nèi)的節(jié)點數(shù).在現(xiàn)有技術(shù)中,數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò)中的各節(jié)點能夠獲得與單跳范圍內(nèi)其他節(jié)點的距離信息,典型的如TTNT 數(shù)據(jù)鏈、Link-16 數(shù)據(jù)鏈,可通過接收PPLI（參與定位與識別）消息,獲得本節(jié)點與網(wǎng)內(nèi)其他節(jié)點的距離信息,亦可通過TOA（到達(dá)時間）測量獲得本節(jié)點與網(wǎng)內(nèi)其他節(jié)點的距離信息.

在本文所提出的信道負(fù)載統(tǒng)計算法中,所述信道負(fù)載的計算不再單獨依賴于某一個節(jié)點,而是單跳范圍內(nèi)的所有節(jié)點都參與信道負(fù)載統(tǒng)計.在此基礎(chǔ)上再進(jìn)行距離加權(quán),獲得信道負(fù)載統(tǒng)計值,使其避免了信道負(fù)載統(tǒng)計值與網(wǎng)內(nèi)某個平臺物理特性關(guān)聯(lián)性較大的問題出現(xiàn),解決了現(xiàn)有算法中信道負(fù)載統(tǒng)計依賴于某個單一平臺的問題,使所統(tǒng)計的信道負(fù)載能夠更準(zhǔn)確地反映信道真實狀態(tài).

3 理論分析與仿真驗證

本文采用OPENT 對該算法進(jìn)行仿真.仿真參數(shù)為：網(wǎng)內(nèi)節(jié)點為20 個,節(jié)點傳輸速率為2 Mbit/s,分組數(shù)據(jù)長度為500 bit,數(shù)據(jù)包到達(dá)時間間隔服從均值為λ 的泊松分布,系統(tǒng)負(fù)載為1 Mbit/s～10 Mbit/s,網(wǎng)內(nèi)各節(jié)點在區(qū)域范圍為200 km×200 km 內(nèi)隨機(jī)分布,優(yōu)先級由高至低為0～7（整數(shù)）.仿真分析了數(shù)據(jù)分組成功發(fā)送概率、端到端平均時延和系統(tǒng)吞吐量,分別如圖1～圖3所示.

如圖1所示,仿真分析了網(wǎng)內(nèi)端機(jī)性能下降節(jié)點數(shù)n 分別為3 和5 時,數(shù)據(jù)包分組成功發(fā)送概率隨業(yè)務(wù)量的變化曲線,并將本算法與原算法進(jìn)行了對比.通過分析圖1所示仿真結(jié)果可知,在本文所提出的算法中,其數(shù)據(jù)分組成功發(fā)送概率隨著業(yè)務(wù)量的增加而減小,這是由于業(yè)務(wù)量的增加會導(dǎo)致碰撞概率的增加,從而降低了數(shù)據(jù)分組的成功發(fā)送概率,這是與實際場景相適應(yīng)的.進(jìn)一步,當(dāng)網(wǎng)內(nèi)節(jié)點端機(jī)性能下降數(shù)n 增加時,數(shù)據(jù)分組的成功發(fā)送概率也隨著下降,這是由于端機(jī)性能下降會導(dǎo)致信道負(fù)載統(tǒng)計值與信道實際狀態(tài)發(fā)生偏差,錯誤控制用戶端機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)分組時機(jī),造成網(wǎng)內(nèi)用戶數(shù)據(jù)鏈信息沖突,從而降低數(shù)據(jù)鏈信息發(fā)送的成功概率.但是,通過本算法與原算法對比分析可知,本算法的數(shù)據(jù)發(fā)送成功概率遠(yuǎn)優(yōu)于原算法,這是由于原算法對信道負(fù)載統(tǒng)計完全依賴于某個單一平臺,節(jié)點端機(jī)的性能下降對信道負(fù)載統(tǒng)計值影響較大；而在本算法中,信道負(fù)載統(tǒng)計是由單跳范圍的節(jié)點按照距離加權(quán)的方式所得到的綜合信道負(fù)載,對某個節(jié)點端機(jī)性能的依賴性較小.

本文仿真分析了不同網(wǎng)內(nèi)端機(jī)性能下降節(jié)點數(shù)n 條件下,端到端平均時延與業(yè)務(wù)量變化的對應(yīng)關(guān)系,如圖2所示.

通過分析圖2所示仿真結(jié)果可知,端到端平均傳輸時延隨著業(yè)務(wù)量的增加而增加.通過對比本算法與原算法的端到端時延可知,即使當(dāng)端機(jī)性能下降節(jié)點數(shù)為5 時,端到端時延特性仍然優(yōu)于原算法.這是由于原算法對單一平臺依賴性較大,當(dāng)節(jié)點端機(jī)性能下降時,會導(dǎo)致網(wǎng)內(nèi)節(jié)點沖突概率增加,從而增加了端到端時延.而本算法通過距離加權(quán)的方式,弱化了單一平臺對綜合信道負(fù)載統(tǒng)計值的影響.

本文仿真分析了不同網(wǎng)內(nèi)端機(jī)性能下降節(jié)點數(shù)n 條件下,系統(tǒng)吞吐量與業(yè)務(wù)量變化的對應(yīng)關(guān)系,如圖3所示.

通過分析圖3所示仿真結(jié)果可知,系統(tǒng)吞吐量隨著業(yè)務(wù)量的增加迅速上升,并逐漸達(dá)到飽和狀態(tài).然而,在系統(tǒng)吞吐量的上升階段,本算法的上升速率明顯優(yōu)于原算法,當(dāng)業(yè)務(wù)量達(dá)到6 Mbit/s 左右時,就可達(dá)到飽和狀態(tài),原算法在業(yè)務(wù)量達(dá)到7 Mbit/s 左右時才達(dá)到飽和狀態(tài).這是由于原算法對單一平臺的依賴性導(dǎo)致信道負(fù)載統(tǒng)計值與信道真實狀態(tài)偏差較大,造成網(wǎng)內(nèi)節(jié)點之間信息沖突概率增加,從而影響系統(tǒng)吞吐量.

4 結(jié)論

本文通過對現(xiàn)有信道負(fù)載統(tǒng)計算法改進(jìn),網(wǎng)內(nèi)各節(jié)點分別統(tǒng)計節(jié)點信道負(fù)載值,并按距離加權(quán)的方式,統(tǒng)計單跳范圍內(nèi)節(jié)點的信道負(fù)載值獲得綜合信道負(fù)載.仿真驗證了數(shù)據(jù)分組成功發(fā)送概率、端到端平均時延和系統(tǒng)吞吐量隨著業(yè)務(wù)量的變化關(guān)系.仿真結(jié)果表明,本文所提出的信道負(fù)載統(tǒng)計算法明顯優(yōu)于原算法,克服了原算法對單節(jié)點設(shè)備依賴性大、信道資源利用率低的問題,使信道負(fù)載值能夠準(zhǔn)確地反映信道真實狀態(tài),提高了網(wǎng)內(nèi)節(jié)點信息傳輸?shù)膶崟r性和可靠性.