衛(wèi)星高速數(shù)據(jù)鏈中MF－TDMA協(xié)議改進(jìn)研究

王 偉，梁 俊，賈 偉，趙尚弘

（空軍工程大學(xué)電訊工程學(xué)院，陜西西安 710077）

高速數(shù)據(jù)鏈專門用于分發(fā)對帶寬要求高的數(shù)據(jù)信息，如圖像、視頻、高速數(shù)據(jù)流等，以滿足現(xiàn)代戰(zhàn)爭情報實時分發(fā)的需求。隨著遠(yuǎn)程殺傷性武器及高機動戰(zhàn)術(shù)在戰(zhàn)場的應(yīng)用，現(xiàn)代戰(zhàn)場的規(guī)模逐步擴大，戰(zhàn)場偵察情報服務(wù)范圍已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了視距范圍。利用高軌衛(wèi)星實現(xiàn)真正的超視距（BLOS）寬帶傳輸已經(jīng)成為高速數(shù)據(jù)鏈研究的一個新領(lǐng)域。衛(wèi)星高速數(shù)據(jù)鏈具有一系列優(yōu)點，如超視距、高帶寬、適應(yīng)復(fù)雜地理環(huán)境和抗干擾、傳輸信道穩(wěn)定可靠等。

多終端要共享帶寬有限的無線信道，需要有效的多址接入?yún)f(xié)議來更好地利用信道資源并滿足不同的需求。傳統(tǒng)的衛(wèi)星數(shù)據(jù)鏈多采用單一時分多址（TDMA）工作方式［1－2］，頻帶利用率低，不能有效地滿足多種業(yè)務(wù)的接入需求，在現(xiàn)代衛(wèi)星帶寬不敷使用的情況下，已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足信息化戰(zhàn)爭的需要。本文參考現(xiàn)代寬帶通信衛(wèi)星系統(tǒng)，在衛(wèi)星高速數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)中引入了多載頻時分多址（MF－TDMA）協(xié)議。該協(xié)議采用頻分和時分相結(jié)合的二維多址方式，具有高效性和靈活性，可以實現(xiàn)信道資源的動態(tài)調(diào)整和對帶寬的高利用率。同時，為了滿足不同優(yōu)先等級用戶的使用需求，引入優(yōu)先級機制，提出了一種具有優(yōu)先級的MF－TDMA協(xié)議，該協(xié)議通過在隨機預(yù)約區(qū)間增加固定預(yù)約時隙，來實現(xiàn)高優(yōu)先級節(jié)點預(yù)約請求的發(fā)送。理論分析和仿真結(jié)果表明，具有優(yōu)先級的MF－TDMA協(xié)議在保證了較高吞吐量的基礎(chǔ)上，能夠有效地降低高優(yōu)先級用戶的平均等待時延，系統(tǒng)性能得到了明顯提高。

1 MF－TDMA協(xié)議描述

MF－TDMA多址接入?yún)f(xié)議是一種按需分配的多址方式，用戶根據(jù)業(yè)務(wù)需求動態(tài)地向衛(wèi)星申請上行鏈路信道，衛(wèi)星上存有時隙分配表，在執(zhí)行完時隙分配后通過下行鏈路向各個用戶廣播時隙分配信息，這樣用戶才能在屬于自己的發(fā)送時隙發(fā)送數(shù)據(jù)包。協(xié)議重點在于時隙分配算法的實現(xiàn)，其過程可以分為兩步:第1步是確定在哪個載波信道中為用戶分配資源;第2步是如何在該信道中確定分配給用戶的可用時隙資源［3－4］。具體的時隙分配流程如圖1所示。

首先，用戶在預(yù)約時隙通過上行鏈路向衛(wèi)星發(fā)送預(yù)約包，衛(wèi)星收到預(yù)約包后從中獲得該用戶的預(yù)約信息，然后將預(yù)約信息插入時隙分配表中。

其次，衛(wèi)星根據(jù)用戶資源申請要求，選擇相應(yīng)的載波信道，判斷該載波信道是否有足夠的時隙，如果滿足用戶請求分配的時隙，則繼續(xù)進(jìn)行時隙分配;如果不能夠滿足用戶的需求，則進(jìn)行載波調(diào)整，為用戶選擇其他載波信道。

圖1 時隙分配流程

在時隙分配階段，時隙以時隙塊的方式被分配給用戶，采用倒序編號資源二叉樹作為時隙管理模型，在資源樹的各層中查找最合適的節(jié)點，然后將其代表的時隙組分配給該用戶。如果符合用戶要求的時隙組沒有被占用，則直接分配;如果該組內(nèi)有被其他用戶占用的資源，則進(jìn)行時隙塊調(diào)整，若調(diào)整成功，那么分配該時隙組，若調(diào)整不成功，重新進(jìn)行載波信道的選擇。

最后，衛(wèi)星通過下行鏈路發(fā)送時隙分配包告知用戶時隙分配情況，以便使各用戶能在規(guī)定的數(shù)據(jù)時隙發(fā)送數(shù)據(jù)包。

2 性能分析

為了提高幀效率，MF－TDMA多址協(xié)議將用戶的業(yè)務(wù)申請時隙安排在幾個幀內(nèi)傳輸，這幾個幀又組成一個超幀，如圖2所示，以一個典型的MF－TDMA系統(tǒng)為例，一個超幀由5幀構(gòu)成。時隙分配時，將用戶請求的時隙數(shù)進(jìn)行劃分成符合二叉樹各層時隙組大小的塊，即分成若干個2x的和（即N=2k+2l+…+2m，其中l(wèi)b N＞k＞l＞m＞0）。在倒序資源樹結(jié)構(gòu)的每一層中，分別對各塊進(jìn)行資源搜索，并對相應(yīng)的時隙進(jìn)行分配。

2.1 延時分析

衛(wèi)星數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r延主要是從發(fā)送終端產(chǎn)生發(fā)送數(shù)據(jù)到接收終端收到全部信息的時間間隔，通常由4個部分構(gòu)成:傳播時延、傳輸時延、排隊時延和處理時延。為簡化分析，本文僅考慮從用戶發(fā)送業(yè)務(wù)申請到數(shù)據(jù)包開始發(fā)送之間的等待時延，而不考慮發(fā)送端數(shù)據(jù)包的傳輸時延和傳播時延［5－7］。

采用固定幀長的方案，每一個用戶在預(yù)約時隙中以S－ALOHA競爭的形式進(jìn)行預(yù)約。設(shè)隨機預(yù)約區(qū)間長度為D=mv，數(shù)據(jù)區(qū)間長度為U，則幀長為T=D+U。系統(tǒng)總的平均等待時延W為隨機預(yù)約時延W1與數(shù)據(jù)傳輸?shù)却龝r延W2之和。

1）隨機預(yù)約時延

假設(shè)某用戶的一個預(yù)約分組在某幀中隨機選擇一個預(yù)約時隙發(fā)送，若成功到達(dá)，則進(jìn)行數(shù)據(jù)時隙分配;若在規(guī)定的時間Twait內(nèi)未正確接收到CTS幀，就認(rèn)為發(fā)生碰撞，那么，該預(yù)約分組再隨機選擇一個預(yù)約時隙重發(fā)，直至發(fā)送成功。

隨機預(yù)約時延主要由4部分組成:

（1）重發(fā)時延t1。若用N表示重發(fā)的次數(shù)，那么重發(fā)需要的平均時延為t1=N·Twait。

（2）傳輸時延t2。一個預(yù)約請求的傳輸時間就是一個預(yù)約時隙，則t2=（N+1）·（D/m）。

（4）傳播時延t。傳播時延為用戶發(fā)送的預(yù)約請求經(jīng)過衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)后回到該終端的時間，若定義τ為預(yù)約請求在衛(wèi)星與終端之間單程傳播的時間，則t=2τ。

隨機預(yù)約時延為上述4部分之和，即

2）數(shù)據(jù)傳輸?shù)却龝r延

系統(tǒng)總的平均等待時延W為隨機預(yù)約時延W1與數(shù)據(jù)傳輸?shù)却龝r延W2之和，即

其中帶寬分配為Q個時隙/幀，即μ=Q/（T－D）。進(jìn)一步假設(shè)分配給業(yè)務(wù)平均帶寬為B的α倍（令α為帶寬分配比例因子），即每幀分配時隙數(shù)N=α·B，其中B=T·λ。

考慮到不同用戶終端對話音、圖像、視屏等不同業(yè)務(wù)的需求，引入了高低兩種優(yōu)先級，本文通過在預(yù)約區(qū)間增加固定時隙，來實現(xiàn)高優(yōu)先級節(jié)點預(yù)約請求的發(fā)送。優(yōu)先級幀結(jié)構(gòu)如圖3所示。設(shè)固定預(yù)約區(qū)間長度為A，隨機預(yù)約區(qū)間長度為B，數(shù)據(jù)區(qū)間長度為U，則幀長為A+B+U。固定預(yù)約區(qū)間由m個固定預(yù)約時隙構(gòu)成，不需要競爭就可預(yù)約到數(shù)據(jù)發(fā)送時隙，因此適用于優(yōu)先級較高的終端站;隨機預(yù)約區(qū)間由s個隨機預(yù)約時隙構(gòu)成，終端站通過S－ALOHA方式競爭預(yù)約時隙用來傳輸上行預(yù)約幀，適用于優(yōu)先級較低的終端站。

圖3 優(yōu)先級幀結(jié)構(gòu)

（1）低優(yōu)先級節(jié)點時延分析

在對低優(yōu)先級節(jié)點時延進(jìn)行分析的過程中，可以將固定預(yù)約區(qū)間看作是閑期，那么低優(yōu)先節(jié)點的時延就可以用隨機預(yù)約條件下MF－TDMA協(xié)議增加了一段閑期的平均等待時延近似地估計。數(shù)據(jù)預(yù)約區(qū)間為B，由公式（3）就可以得到低優(yōu)先級節(jié)點的平均等待時延公式

（2）高優(yōu)先級節(jié)點時延分析

由于隨機預(yù)約包的發(fā)送與固定預(yù)約包的發(fā)送是一個相對獨立的過程，不影響固定預(yù)約區(qū)間預(yù)約包的發(fā)送，而且隨機預(yù)約區(qū)間在整個時幀中所占的比例很小，因此可將隨機預(yù)約區(qū)間看作固定預(yù)約區(qū)間中無預(yù)約包發(fā)送的區(qū)間，那么高優(yōu)先節(jié)點的時延就可以用固定預(yù)約條件下MFTDMA協(xié)議的平均等待時延近似地估計。

若幀長為T，則預(yù)約期占的比例β=mv/T?，F(xiàn)在假定把系統(tǒng)的帶寬分為兩部分:一部分用于預(yù)約分組的傳輸，其所占帶寬比例為β;另一部分用于數(shù)據(jù)分組的傳輸，所占帶寬比例為1－β，如圖4所示。

可以看出，每個預(yù)約分組的傳輸時間為T/m，接收到預(yù)約分配應(yīng)答信息所需的時延約為衛(wèi)星鏈路來回傳播時延即2τ。因此一個分組從它到達(dá)系統(tǒng)至獲得預(yù)約分配信息的預(yù)約時延為2τ+T/m。

圖4 假定模型

式中:r為數(shù)據(jù)區(qū)間在時幀中所占的比例。

因此，系統(tǒng)總的等待時延為該等待時延與預(yù)約時延之和為

應(yīng)注意，因為在MF－TDMA協(xié)議中，時隙是均勻分配的，所以式（6）中變量值為均值。

2.2 吞吐量分析

評價MF－TDMA協(xié)議性能的一個重要指標(biāo)是飽和吞吐量，吞吐量是指單位時間內(nèi)網(wǎng)絡(luò)中實際傳輸?shù)臉I(yè)務(wù)量的大小。為分析方便，有時也用單位時間內(nèi)網(wǎng)絡(luò)中實際傳輸?shù)臉I(yè)務(wù)量與信道允許的最大業(yè)務(wù)量之比來評價網(wǎng)絡(luò)的性能，稱為歸一化吞吐量。歸一化吞吐量是多址接入方式性能評價中的重要標(biāo)準(zhǔn)之一，反映了網(wǎng)絡(luò)中信道資源的有效利用程度。在給定傳輸信道容量的前提下，較高的吞吐量意味著支持接入更多的用戶數(shù)量或在相同數(shù)量用戶時提供更高的數(shù)據(jù)速率。網(wǎng)絡(luò)的歸一化飽和吞吐量可以由數(shù)據(jù)區(qū)間在整個上行信道時幀結(jié)構(gòu)中所占的比例來表示，由衛(wèi)星高速數(shù)據(jù)鏈上行鏈路的時幀結(jié)構(gòu)可以看出，當(dāng)預(yù)約區(qū)間為D，數(shù)據(jù)區(qū)間長度為U時，網(wǎng)絡(luò)的歸一化飽和吞吐量為

如果一幀中數(shù)據(jù)包的發(fā)送時隙越多，則數(shù)據(jù)區(qū)間所占的比例就越大，幀的開銷就越小，網(wǎng)絡(luò)的歸一化飽和吞吐量就越大。

3 仿真結(jié)果與分析

為了直觀地看出系統(tǒng)的平均等待時延性能以及與歸一化吞吐量的關(guān)系，更好地對比不同條件下系統(tǒng)的時延性能，采用Matlab進(jìn)行了仿真分析。假設(shè)一個超幀由5幀構(gòu)成，每幀中預(yù)約區(qū)間D有7個預(yù)約時隙，其中2個固定預(yù)約時隙，5個隨機預(yù)約時隙，預(yù)約時隙長度為2 ms，帶寬分配比例因子α=2，平均包到達(dá)速率λ=50 Packet/s（包/秒），Twait=250 ms，N=2。根據(jù)前面對平均時延近似計算公式的推導(dǎo)結(jié)果，得到圖5和圖6所示的結(jié)果。

圖5給出了系統(tǒng)平均等待時延特性曲線，可以看出，在衛(wèi)星高速數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)中，系統(tǒng)的平均時延主要是傳播時延。如圖5所示，系統(tǒng)的平均等待時延對幀長不敏感，這是因為在MF－TDMA協(xié)議中時隙是均勻分配所致;低優(yōu)先級節(jié)點的平均時延比不區(qū)分優(yōu)先級節(jié)點的略高;高優(yōu)先級節(jié)點的平均等待時延明顯要低于低優(yōu)先級節(jié)點和MFTDMA協(xié)議的平均時延。從而可以這樣認(rèn)為，MF－TDMA協(xié)議高優(yōu)先級節(jié)點較小的平均時延是以犧牲低優(yōu)先級節(jié)點的時延性能為代價的。

從圖6可以直觀地看出，在相同優(yōu)先級的情況下，節(jié)點的平均時延隨著吞吐量的增大而逐漸增加;在不同優(yōu)先級的情況下，在吞吐量未達(dá)到飽和之前，高優(yōu)先級節(jié)點的平均等待時延明顯低于低優(yōu)先級節(jié)點。這主要是因為在協(xié)議設(shè)計中，高優(yōu)先級的節(jié)點在每幀中都被分配了一個固定的預(yù)約時隙，節(jié)點只要有數(shù)據(jù)包發(fā)送，就能通過分配的預(yù)約時隙發(fā)送預(yù)約包，無需競爭，節(jié)省了預(yù)約等待的時間;而低優(yōu)先級的節(jié)點每次發(fā)送預(yù)約包都要競爭有限的預(yù)約時隙，若發(fā)生碰撞還要重發(fā)，直到成功為止，由此可見，低優(yōu)先級的節(jié)點是以降低接入時延性能為代價來換取入網(wǎng)的靈活性。

4 結(jié)論

本文將MF－TDMA多址接入?yún)f(xié)議引入到衛(wèi)星高速數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)中，并針對不同用戶的使用需求引入了優(yōu)先級機制，結(jié)合排隊理論建立模型，推導(dǎo)了不同條件下MF－TDMA協(xié)議的平均等待時延公式，并在對協(xié)議進(jìn)行理論分析的基礎(chǔ)上，利用Matlab仿真軟件繪制了吞吐量和時延關(guān)系曲線，直觀地分析了平均等待時延性能以及與吞吐量的關(guān)系。結(jié)果表明，具有優(yōu)先級的MF－TDMA協(xié)議在保證了低優(yōu)先級用戶較高的吞吐量和較低的平均時延的基礎(chǔ)上，能夠有效地降低高優(yōu)先級用戶的平均等待時延。

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