一種短波數(shù)據(jù)鏈的動(dòng)態(tài)TDMA協(xié)議

左 衛(wèi)

(海軍駐成都地區(qū)通信軍事代表室，四川成都610041)

0 引言

短波數(shù)據(jù)鏈可以有效地實(shí)現(xiàn)超視距戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)信息交換，但短波頻段窄，傳輸速率低，短波資源的動(dòng)態(tài)使用可以有效地提高短波通信的運(yùn)行效率。短波數(shù)據(jù)鏈的組網(wǎng)技術(shù)主要以輪詢［1］、令牌環(huán)［2］以及TDMA(Time Division Multiple Access)［3－4］為主。輪詢方式時(shí)延大，不能有效地滿足大實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)量傳輸?shù)男枨?。令牌環(huán)方式在令牌丟失時(shí)給系統(tǒng)控制帶來(lái)了很大的復(fù)雜度。和其他接入機(jī)制相比，TDMA機(jī)制由于按照時(shí)間關(guān)系協(xié)調(diào)了節(jié)點(diǎn)占用信道的機(jī)會(huì)，因此各節(jié)點(diǎn)不會(huì)發(fā)生碰撞，效率得到提高。而動(dòng)態(tài)的資源分配策略更能滿足短波信道帶寬窄、資源有限的情況。增加了動(dòng)態(tài)時(shí)隙分配策略，可以有效地保證信息傳輸?shù)臅r(shí)效性。短波傳輸受到帶寬窄的能力限制，使得應(yīng)用于超短波的TDMA協(xié)議不能直接應(yīng)用于短波信道，短波TDMA協(xié)議設(shè)計(jì)應(yīng)該適應(yīng)信道傳輸?shù)奶攸c(diǎn)。

目前，國(guó)外先進(jìn)短波數(shù)據(jù)鏈以Link系列的22號(hào)鏈為主。Link22的［5－6］網(wǎng)絡(luò)部分主要工作特點(diǎn)是采用了時(shí)分多址或動(dòng)態(tài)時(shí)分多址的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，北約和美軍已經(jīng)將該組網(wǎng)體制編入了STANAG 5522標(biāo)準(zhǔn)［7］，明確了動(dòng)態(tài)TDMA協(xié)議是新一代短波數(shù)據(jù)鏈的支撐技術(shù)。但是5522標(biāo)準(zhǔn)沒(méi)有描述動(dòng)態(tài)TDMA協(xié)議的細(xì)節(jié)，只是建議了時(shí)隙分配框架。

針對(duì)短波數(shù)據(jù)鏈的應(yīng)用特點(diǎn)，文中提出了分布式的短波動(dòng)態(tài)TDMA(HF－DTDMA，High Frequency Dynamic Time Division Multiple Access)協(xié)議。采用的時(shí)隙分配策略可以滿足短波資源動(dòng)態(tài)分配的要求，更能適應(yīng)短波通信的環(huán)境，利用分布式應(yīng)用場(chǎng)景，滿足節(jié)點(diǎn)的大業(yè)務(wù)量傳輸需求，有效地占用更多的信道資源，提高信道利用率。

1 動(dòng)態(tài)時(shí)隙分配原理

一個(gè)TDMA超幀將時(shí)隙分為固定時(shí)隙與動(dòng)態(tài)時(shí)隙，為了保證網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行的可靠性，TDMA時(shí)元的結(jié)構(gòu)固定。固定時(shí)隙分配給網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的每個(gè)節(jié)點(diǎn)，如果是遲入網(wǎng)節(jié)點(diǎn)，則在一個(gè)時(shí)元的時(shí)隙中為遲入網(wǎng)節(jié)點(diǎn)預(yù)留。動(dòng)態(tài)時(shí)隙主要用于分配給網(wǎng)絡(luò)中的緊急業(yè)務(wù)，同時(shí)該業(yè)務(wù)為有效時(shí)間最短。也可以作為中斷時(shí)隙，用于節(jié)點(diǎn)遲入網(wǎng)。動(dòng)態(tài)時(shí)隙采用申請(qǐng)－分配－占用－釋放的機(jī)制，由全網(wǎng)進(jìn)行控制。一個(gè)時(shí)元的時(shí)隙結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 動(dòng)態(tài)時(shí)隙分配原理(以4節(jié)點(diǎn)為例)Fig.1 Theory of dynamic slot distribution(for 4 nodes)

組網(wǎng)中配置一個(gè)節(jié)點(diǎn)為主節(jié)點(diǎn)，備份節(jié)點(diǎn)主要在主節(jié)點(diǎn)損毀后作為主節(jié)點(diǎn)使用。主節(jié)點(diǎn)的主要工作是對(duì)全網(wǎng)的動(dòng)態(tài)時(shí)隙進(jìn)行分配，并將分配結(jié)果廣播給全網(wǎng)。其他節(jié)點(diǎn)獲知后續(xù)動(dòng)態(tài)時(shí)隙的使用情況，從而能更新本地的時(shí)隙分配表。

當(dāng)其他節(jié)點(diǎn)需要?jiǎng)討B(tài)時(shí)隙時(shí)，首先在自己的時(shí)隙內(nèi)發(fā)送動(dòng)態(tài)時(shí)隙的使用申請(qǐng)信息，主節(jié)點(diǎn)在動(dòng)態(tài)時(shí)隙的第一時(shí)隙內(nèi)進(jìn)行申請(qǐng)時(shí)隙的回復(fù)，并且讓網(wǎng)絡(luò)中其他節(jié)點(diǎn)能獲知當(dāng)前動(dòng)態(tài)時(shí)隙的使用情況。因此，動(dòng)態(tài)時(shí)隙的使用策略采用申請(qǐng)－分配－占用－釋放的機(jī)制流程。

每個(gè)時(shí)隙保證可以傳輸一個(gè)或多個(gè)格式化報(bào)文，因此，時(shí)隙長(zhǎng)度應(yīng)該考慮報(bào)文的長(zhǎng)度，同時(shí)也應(yīng)該與底波形設(shè)計(jì)相結(jié)合;另一方面，一個(gè)時(shí)隙可以傳輸多個(gè)格式化報(bào)文，但必須保證一個(gè)時(shí)隙內(nèi)能把一個(gè)完整的消息傳輸完畢，因此，多個(gè)格式化報(bào)文組成了一個(gè)完整消息。

2 HF－DTDMA協(xié)議描述

2.1 動(dòng)態(tài)時(shí)隙分配流程

HF－DTDMA動(dòng)態(tài)時(shí)隙的分配流程如圖2所示。

圖2 HF－DTDMA的動(dòng)態(tài)時(shí)隙分配流程Fig.2 Process of HF － DTDMA distributing dynamic slots

圖2中，①～⑤的流程說(shuō)明如下:

①:節(jié)點(diǎn)2在自己的時(shí)隙(如圖2中的2號(hào)時(shí)隙)內(nèi)發(fā)送格式化報(bào)文信息，并且計(jì)算在該時(shí)隙結(jié)束后，本地的發(fā)送隊(duì)列格式化信息的有效時(shí)間。如果剩余的格式化報(bào)文信息中，有效時(shí)間在T(下一個(gè)T超時(shí)時(shí)刻是當(dāng)前T加上一個(gè)TDMA超幀的時(shí)間)時(shí)刻超時(shí)，或者在下一個(gè)2號(hào)時(shí)隙到來(lái)之前超時(shí)，則需要申請(qǐng)動(dòng)態(tài)時(shí)隙，并且計(jì)算得出需要的動(dòng)態(tài)時(shí)隙數(shù);節(jié)點(diǎn)2將動(dòng)態(tài)時(shí)隙請(qǐng)求信息攜帶在數(shù)據(jù)信息格式中，一起發(fā)送出去。

②:主節(jié)點(diǎn)接收到動(dòng)態(tài)時(shí)隙請(qǐng)求信息，根據(jù)當(dāng)前動(dòng)態(tài)時(shí)隙的分配情況，在指定的5號(hào)時(shí)隙中回復(fù)動(dòng)態(tài)時(shí)隙的申請(qǐng)，圖2中，節(jié)點(diǎn)2獲得了7和8號(hào)時(shí)隙。同時(shí)，其他節(jié)點(diǎn)接收到動(dòng)態(tài)時(shí)隙的分配情況后，獲知了當(dāng)前時(shí)隙分配的情況。

③:節(jié)點(diǎn)2獲得了7和8號(hào)時(shí)隙，在該分配的時(shí)隙中，將快要到期的格式化報(bào)文信息發(fā)送出去，保證該類信息的有效性。

④:下一個(gè)TDMA超幀開(kāi)始時(shí)，2號(hào)節(jié)點(diǎn)釋放掉占用的動(dòng)態(tài)時(shí)隙，同時(shí)，在新的一個(gè)TDMA超幀中發(fā)送格式化報(bào)文。

⑤:如果節(jié)點(diǎn)4又有快到期的格式化報(bào)文發(fā)送，則在對(duì)應(yīng)的4號(hào)時(shí)隙內(nèi)，申請(qǐng)動(dòng)態(tài)時(shí)隙，流程如上所述。

2.2 動(dòng)態(tài)時(shí)隙分配策略

動(dòng)態(tài)時(shí)隙由主節(jié)點(diǎn)規(guī)劃分配，因此，存在以下幾種分配情況:①主節(jié)點(diǎn)需要?jiǎng)討B(tài)時(shí)隙資源;②多個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)申請(qǐng)動(dòng)態(tài)時(shí)隙資源;③沒(méi)有節(jié)點(diǎn)申請(qǐng)動(dòng)態(tài)時(shí)隙?；谝陨蠋追N描述，動(dòng)態(tài)時(shí)隙的分配策略如下。

主節(jié)點(diǎn)在動(dòng)態(tài)時(shí)隙的第一個(gè)時(shí)隙內(nèi)廣播當(dāng)前的動(dòng)態(tài)時(shí)隙分配情況，將動(dòng)態(tài)時(shí)隙的分配表廣播給周?chē)従庸?jié)點(diǎn)。動(dòng)態(tài)時(shí)隙的分配原則是主節(jié)點(diǎn)優(yōu)先，然后根據(jù)先申請(qǐng)先分配的原則進(jìn)行，即先滿足主節(jié)點(diǎn)對(duì)動(dòng)態(tài)時(shí)隙的資源需求，然后根據(jù)其他鄰居節(jié)點(diǎn)對(duì)動(dòng)態(tài)時(shí)隙的申請(qǐng)情況、動(dòng)態(tài)時(shí)隙已占有情況，對(duì)后續(xù)的動(dòng)態(tài)時(shí)隙進(jìn)行分配。

主節(jié)點(diǎn)在動(dòng)態(tài)時(shí)隙中的廣播時(shí)隙除了對(duì)動(dòng)態(tài)時(shí)隙的響應(yīng)外，也可以發(fā)送本地的格式化報(bào)文信息。

3 HF－DTDMA協(xié)議參數(shù)

協(xié)議參數(shù)主要為了實(shí)現(xiàn)所要求的網(wǎng)絡(luò)性能而提出了一些必要的參考值。根據(jù)仿真結(jié)果，協(xié)議參數(shù)可進(jìn)行調(diào)整以適應(yīng)設(shè)計(jì)的需求。HF－DTDMA協(xié)議的參數(shù)如表1所示。

表1 HF－DTDMA協(xié)議主要參數(shù)及說(shuō)明Table 1 Main parameters and descriptions of HF－DTDMA

4 HF－DTDMA仿真分析

4.1 數(shù)據(jù)鏈性能指標(biāo)定義

基于短波數(shù)據(jù)鏈的網(wǎng)絡(luò)性能指標(biāo)包括網(wǎng)絡(luò)規(guī)模、端到端時(shí)延、系統(tǒng)吞吐量。

1)網(wǎng)絡(luò)規(guī)模:滿足一定性能要求，數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)能支持的節(jié)點(diǎn)數(shù)量。

2)端到端時(shí)延:從發(fā)送方MAC層接收到網(wǎng)絡(luò)層的消息字開(kāi)始，直到該消息字被預(yù)定接收方MAC層成功交付給其網(wǎng)絡(luò)層時(shí)為止的一段時(shí)間。

3)系統(tǒng)吞吐量:在一定的確定時(shí)間段內(nèi)，該數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)中所有成員成功接收和處理的消息字總量與時(shí)間的比值。

4.2 仿真模型

利用OPNET仿真工具對(duì)HF－DTDMA與固定TDMA協(xié)議進(jìn)行了仿真對(duì)比。仿真軟件建立了應(yīng)用層、鏈路層和物理層模型，如圖3所示。

圖3 OPNET仿真模型Fig.3 Simulation model in OPNET

1)應(yīng)用層模型封裝為格式化報(bào)文信息，并且通過(guò)軟件模擬鏈路傳遞給鏈路層協(xié)議。

2)在鏈路層建立了固定TDMA與HF－DTDMA協(xié)議的OPNET進(jìn)程模型，接收來(lái)自于業(yè)務(wù)層的格式化報(bào)文，按照TDMA時(shí)鐘調(diào)度傳遞給信道模型。

3)信道模型模擬短波信道條件，無(wú)線收發(fā)數(shù)據(jù)信息，結(jié)合仿真結(jié)果分析鏈路層協(xié)議性能。

4.3 仿真結(jié)果分析

主要仿真參數(shù)見(jiàn)表1?？紤]在不同節(jié)點(diǎn)數(shù)情況下的網(wǎng)絡(luò)端到端吞吐量以及最小傳輸時(shí)延。不同網(wǎng)絡(luò)規(guī)模條件下的仿真結(jié)果如圖4所示。

圖4 HF－DTDMA與固定TDMA協(xié)議的性能對(duì)比Fig.4 Performance between HF － DTDMA and fixed TDMA

從圖4中可以看出，隨著節(jié)點(diǎn)數(shù)的增加，固定TDMA與動(dòng)態(tài)HF－DTDMA協(xié)議在性能上都會(huì)降級(jí)。當(dāng)節(jié)點(diǎn)數(shù)在10～20之間時(shí)，信道利用率和接入時(shí)延性能上，HF－DTDMA仍然優(yōu)于固定TDMA時(shí)隙分配機(jī)制。

在節(jié)點(diǎn)數(shù)超過(guò)20以上時(shí)，端到端的傳輸時(shí)延仍然保持在100 s以內(nèi)，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)在20個(gè)時(shí)，端到端時(shí)延遲大致為48 s，可以滿足近實(shí)時(shí)格式化消息傳輸?shù)男枨蟆?/p>

需要注意的是，上述的動(dòng)態(tài)時(shí)隙分配策略以單信道傳輸體制為主，而且每個(gè)節(jié)點(diǎn)在一次傳輸機(jī)會(huì)中發(fā)送的數(shù)據(jù)量受到時(shí)隙長(zhǎng)度的限制，如何將動(dòng)態(tài)的TDMA分配策略擴(kuò)展到多信道傳輸體制下，同時(shí)依據(jù)短波波形體制和傳輸分組大小，確定TDMA時(shí)隙長(zhǎng)度，保證在TDMA機(jī)制下的最優(yōu)化傳輸性能是需要進(jìn)一步解決的重點(diǎn)。

另外，由于實(shí)際的短波網(wǎng)絡(luò)環(huán)境具有業(yè)務(wù)量動(dòng)態(tài)變化的特點(diǎn)，如何根據(jù)每個(gè)節(jié)點(diǎn)的業(yè)務(wù)量大小建立業(yè)務(wù)傳輸?shù)膭?dòng)態(tài)時(shí)隙分配競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制，保證優(yōu)先級(jí)高的節(jié)點(diǎn)更快地接入信道，實(shí)現(xiàn)信息的實(shí)時(shí)傳輸，需要進(jìn)一步的研究。

5 結(jié)語(yǔ)

短波數(shù)據(jù)鏈可以實(shí)現(xiàn)超視距傳輸?shù)墓δ?。但是短波頻段窄，傳輸速率低，短波資源的動(dòng)態(tài)使用可以有效地提高短波通信的運(yùn)行效率。因此，結(jié)合短波數(shù)據(jù)鏈的應(yīng)用需求，提出了HF－DTDMA協(xié)議，該協(xié)議通過(guò)同時(shí)時(shí)隙分配策略，實(shí)現(xiàn)對(duì)短波資源的動(dòng)態(tài)分配，充分提高了短波信道的利用效率。通過(guò)仿真結(jié)果，提出的HF－DTDMA協(xié)議能滿足短波數(shù)據(jù)鏈的設(shè)計(jì)要求。多信道的動(dòng)態(tài)時(shí)隙分配策略以及動(dòng)態(tài)時(shí)隙的競(jìng)爭(zhēng)使用策略還有待進(jìn)一步研究。

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