肖雷蕾,張衡陽,毛玉泉,程國兵,朱慶

(空軍工程大學(xué)信息與導(dǎo)航學(xué)院, 710077, 西安)

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一種區(qū)分優(yōu)先級自適應(yīng)抖動的媒質(zhì)接入控制協(xié)議

肖雷蕾,張衡陽,毛玉泉,程國兵,朱慶

(空軍工程大學(xué)信息與導(dǎo)航學(xué)院, 710077, 西安)

針對軍事航空通信系統(tǒng)中隨機接入類協(xié)議不支持多優(yōu)先級且在重負載時傳輸性能急劇惡化問題,提出一種區(qū)分優(yōu)先級自適應(yīng)抖動的多信道媒質(zhì)接入控制(MAC)協(xié)議PAJ_MAC。協(xié)議基于隨機接入機制,采用為各個優(yōu)先級設(shè)置不同最大抖動階段的方法來區(qū)分各優(yōu)先級業(yè)務(wù)的QoS,通過估計信道忙閑程度并根據(jù)估計值調(diào)節(jié)抖動階段轉(zhuǎn)移概率自適應(yīng)因子,使協(xié)議具備業(yè)務(wù)負載自適應(yīng)能力。分別建立了分組等待階段發(fā)送緩沖區(qū)的M/G/1/K排隊模型、信道接入階段抖動狀態(tài)的二維馬爾科夫鏈模型和傳播階段的突發(fā)包碰撞模型,得到了協(xié)議各項性能指標的理論表達式,并通過編程求出了自適應(yīng)因子在保證最高優(yōu)先級可靠性需求下隨業(yè)務(wù)負載變化的最優(yōu)解。仿真表明,該協(xié)議支持多優(yōu)先級業(yè)務(wù),并始終保證最高優(yōu)先級業(yè)務(wù)的低時延(端到端時延<10 ms)、高可靠(成功傳輸概率≥95%)傳輸以及系統(tǒng)吞吐量的穩(wěn)定。

航空通信;隨機接入;媒質(zhì)接入控制協(xié)議;自適應(yīng)抖動;優(yōu)先級

打擊時敏目標的作戰(zhàn)任務(wù)具有時間約束嚴格、信息交互質(zhì)量要求高的特性,因此對作戰(zhàn)平臺間信息交互共享能力提出了很高的要求。目前的軍事航空通信網(wǎng)絡(luò)大多采用集中式接入控制方式,如美軍的Link11數(shù)據(jù)鏈使用的輪詢機制媒質(zhì)接入控制(MAC)協(xié)議、Link-16數(shù)據(jù)鏈使用的TDMA協(xié)議等,都存在端到端時延大、可擴展性和抗毀性差等缺點。Link22采用動態(tài)TDMA機制,具有了一定的靈活性和可擴展性,但信息共享的時延一般在秒級,難以滿足時敏性業(yè)務(wù)的毫秒級傳輸時延的要求。因此,美軍正在發(fā)展一種基于自組織網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)的新型高速、寬帶、低時延的戰(zhàn)術(shù)網(wǎng)絡(luò)瞄準技術(shù)(tactical targeting network technology,TTNT)[1],其MAC協(xié)議的設(shè)計緊緊圍繞著打擊時敏目標的要求而展開。

航空自組網(wǎng)具有部署靈活、快速自組、分布式、高抗毀性等特點[2-4]。MAC協(xié)議作為航空自組網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)之一,直接影響著航空自組網(wǎng)的時效性、可靠性及系統(tǒng)吞吐量[5]。航空自組網(wǎng)具有多種業(yè)務(wù)類型,如何保證打擊時敏目標的緊急業(yè)務(wù)傳輸?shù)臅r效性、可靠性是MAC協(xié)議亟待解決的問題[6]?，F(xiàn)有航空自組網(wǎng)的典型MAC協(xié)議主要有以下3種:①以TDMA及其相關(guān)改進的時隙分配類協(xié)議[7-8],具有系統(tǒng)吞吐量大、時隙固定和可動態(tài)調(diào)整的特點,但這類協(xié)議的時隙長度設(shè)置需要考慮最大傳播時延和時延抖動等因素,僅適合于對時效性要求不高的通信系統(tǒng);②以IEEE 802.11 DCF及相關(guān)改進的時隙預(yù)約類協(xié)議[9-11],適用于分布式網(wǎng)絡(luò),但每個節(jié)點需要通過RTS/CTS控制幀的交互來競爭預(yù)約時隙,在大尺度的航空節(jié)點分場景下,這種交互引入的傳播時延對信息時效性帶來了嚴重影響,也不能支持面向時敏目標打擊的業(yè)務(wù)信息傳輸;③以Aloha及其相關(guān)改進的隨機接入類協(xié)議[12-14],大大降低了接入時延。例如:戰(zhàn)術(shù)網(wǎng)絡(luò)瞄準技術(shù)的基于優(yōu)先級統(tǒng)計的媒質(zhì)接入(statistical priority based media access,SPMA)控制協(xié)議[12],采用多信道、信道忙閑統(tǒng)計等技術(shù),可將100 n mile內(nèi)的信息傳輸時延降低到2 ms以內(nèi),分組一次接入成功率達到99%;文獻[13]提出一種Aloha改進MAC協(xié)議(FH_MAC),在Aloha隨機接入基礎(chǔ)上,采用跳頻、Turbo編碼、猝發(fā)等技術(shù)以減小信道碰撞概率并提高數(shù)據(jù)包的發(fā)送成功率,FH_MAC協(xié)議在保持低時延特性的同時大大提高了傳輸成功率,但在重負載時性能嚴重惡化,且不支持多優(yōu)先級業(yè)務(wù);文獻[14]提出一種改進的MAC協(xié)議(AFH_MAC),針對FH_MAC協(xié)議中吞吐量-業(yè)務(wù)負載呈拋物線關(guān)系提出了一種自適應(yīng)機制,主要是通過設(shè)置突發(fā)包接入信道的權(quán)限來控制網(wǎng)絡(luò)負載數(shù)量,協(xié)議能有效維持重負載時系統(tǒng)吞吐量的穩(wěn)定,但是未考慮航空通信網(wǎng)絡(luò)中多優(yōu)先級業(yè)務(wù)的情況。

本文在文獻[13-14]的研究基礎(chǔ)上,提出了區(qū)分優(yōu)先級的自適應(yīng)抖動媒質(zhì)接入控制(prioritized adaptive jitter based media access control,PAJ_MAC)協(xié)議,旨在提供區(qū)分優(yōu)先級服務(wù)且為最高優(yōu)先級業(yè)務(wù)提供嚴格的時效性和可靠性保障,同時解決隨機接入類MAC協(xié)議重負載時性能惡化的問題。

1 協(xié)議描述

1.1 協(xié)議框架

本文提出的PAJ_MAC協(xié)議框架如圖1所示。其中:分組發(fā)送時,上層產(chǎn)生的業(yè)務(wù)分組經(jīng)過FIFO排隊、突發(fā)包產(chǎn)生和自適應(yīng)抖動模塊后接入網(wǎng)絡(luò),完成發(fā)送過程;分組接收時,接收到的數(shù)據(jù)通過分組重組模塊進行譯碼重組,恢復(fù)出完整的分組后,完成接收過程。

圖1 PAJ_MAC協(xié)議框架

圖1中各模塊功能具體介紹如下。

(1)排隊過程:分組到達后按照各自優(yōu)先級排隊,排隊規(guī)則為FIFO,隊列飽和時分組自動丟棄。

(2)突發(fā)包產(chǎn)生模塊:對分組進行1/3效率Turbo編碼,然后等長拆分為若干個突發(fā)包,在每個突發(fā)包中加入相應(yīng)身份信息(包括分組序號和突發(fā)包序號)。

(3)分組重組模塊:根據(jù)接收到的突發(fā)包身份信息對其進行譯碼重組,根據(jù)Turbo編碼原理,只需成功接收一半以上突發(fā)包就能成功恢復(fù)分組。

(4)信道占用統(tǒng)計模塊:統(tǒng)計一段時間內(nèi)各個信道上的突發(fā)包數(shù)量,對信道忙閑程度進行量化表示,將該值反饋給自適應(yīng)抖動機制并作為其抖動階段轉(zhuǎn)移概率設(shè)置依據(jù)。

(5)自適應(yīng)抖動機制:每個突發(fā)包在發(fā)送前先進行自適應(yīng)抖動,然后在頻率庫中隨機選擇一個頻點完成發(fā)送過程。該機制可以實現(xiàn)為不同優(yōu)先級業(yè)務(wù)提供不同的QoS。

1.2 自適應(yīng)抖動算法

在自適應(yīng)抖動算法中,網(wǎng)絡(luò)節(jié)點為每個優(yōu)先級業(yè)務(wù)維持著一張抖動階段轉(zhuǎn)移圖。圖2為優(yōu)先級n(n=1,2,3,…)的抖動階段轉(zhuǎn)移圖,共包含m+1個抖動階段,不同優(yōu)先級的最大抖動階段m取值不同。每個抖動階段都對應(yīng)一個抖動窗口,Wi表示抖動階段i對應(yīng)的抖動窗口,W0為最小抖動窗口,各優(yōu)先級具有相同的最小抖動窗口,且大小為W0=10δ(δ為抖動時隙)。抖動窗口隨抖動階段線性增加,后一個抖動階段的抖動窗口比前一個增加W0,Wi=(i+1)W0,0≤i≤m。

圖2 自適應(yīng)抖動算法抖動階段轉(zhuǎn)移圖

不同優(yōu)先級突發(fā)包的自適應(yīng)抖動機制同時獨立運行,當突發(fā)包到達時,算法開始啟動。以優(yōu)先級n做具體說明:如突發(fā)包到達時的當前抖動階段為i(0

2 協(xié)議建模

2.1 二維馬爾科夫鏈模型

接下來采用二維馬爾科夫鏈對自適應(yīng)抖動算法進行建模。以數(shù)組(i,j)表示節(jié)點的抖動狀態(tài),其中,i為抖動階段,i∈[0,m],j為抖動計數(shù)器的計數(shù)值,j∈[0,Wi-1],那么節(jié)點的抖動狀態(tài)空間為Ω={(i,j)|i∈[0,m],j∈[0,Wi-1]}。圖3為算法的二維馬爾科夫鏈狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖。設(shè)(s(t),b(t))表示在t時刻節(jié)點所處的抖動狀態(tài),那么二維隨機過程(s(t),b(t))是狀態(tài)空間為Ω的離散二維馬爾科夫鏈。

圖3 自適應(yīng)抖動算法的二維馬爾科夫鏈狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖

(1)

(2)

(3)

bi,j=

(4)

由式(1)～式(4)可得

(5)

根據(jù)二維馬爾科夫鏈的歸一化條件可得

(6)

為表達方便,令H=p/(1-p),進而求出

(2W0+W0m+1)Hm+1-H+W0+1]

(7)

將所得b0,0代入式(1)～式(3),即可求得二維馬爾科夫鏈的所有穩(wěn)定狀態(tài)概率值。

(8)

將式(8)對變量i求和,得到bur(i,j)的關(guān)于j的邊緣概率密度函數(shù),表示突發(fā)包接入信道前抖動j個時隙的概率,如下式

(9)

假設(shè)一個分組被拆分的突發(fā)包數(shù)量為Nbur個。定義bur(jk),表示分組中第k(k=1,2,…,Nbur)個突發(fā)包,抖動時間為jk(1≤jk≤Wm)個時隙,則Nbur個突發(fā)包關(guān)于抖動時間的聯(lián)合概率密度函數(shù)為

(10)

定義分組的服務(wù)時間為Tpac(J),那么,其大小是Jδ(Nbur≤J≤WmNbur)的概率為

(11)

則分組的平均服務(wù)時間為

(12)

2.2 分組排隊模型

對于單個節(jié)點中的長度為K的發(fā)送緩沖隊列,網(wǎng)絡(luò)層以泊松過程到達的分組與節(jié)點處理這些分組的過程構(gòu)成M/G/1/K排隊系統(tǒng)。設(shè)分組到達率為λ(不同優(yōu)先級取值不同),pk為穩(wěn)態(tài)情況下隊列中有k個分組的概率(k=0,1,2,…,K),πk表示穩(wěn)態(tài)情況下分組接受完服務(wù)離開發(fā)送緩沖區(qū)時緩沖區(qū)隊列中有k個分組的概率,則根據(jù)文獻[15]有

(13)

式中:ρ為業(yè)務(wù)強度,可表示為

(14)

設(shè)向量π=[π0,π1,…,πk,…,πK-1],則πk可以通過下式表示的線性方程組求得

π(M-E)=0

(15)

(16)式中:E為單位矩陣;ak為一個分組服務(wù)時間Tpac(J)內(nèi)有k個分組到達的概率

k=0,1,…

(17)

其中P(Tpac(J))已由式(11)求得。

聯(lián)立式(13)～式(17)可解出所有pk值。定義pempty=p0,表示隊列為空,同時自適應(yīng)抖動算法處于未啟動狀態(tài);定義poverflow=pK,表示隊列飽和,到達分組溢出的概率。

2.3 信道碰撞模型

(18)

定義Rin為網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點突發(fā)包接入總速率,Nnode為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點數(shù)量,則網(wǎng)絡(luò)中突發(fā)包接入總速率為

(19)

考慮到隨機接入網(wǎng)絡(luò)中的突發(fā)包會在時域上、頻域上發(fā)生碰撞,因此,為使突發(fā)包在信道中成功傳輸,突發(fā)包與其相鄰的前、后一個突發(fā)包的間隔需同時大于一個突發(fā)包的發(fā)送脈沖寬度Tbur_send。假設(shè)單個信道中,接入網(wǎng)絡(luò)中的突發(fā)包時間間隔服從參數(shù)為λper_channel的指數(shù)分布,突發(fā)包發(fā)送頻點在Nchannel個信道中隨機選擇,則λper_channel=(Nchannel/Rin)-1,由此可知,在任一信道中的突發(fā)包時間間隔概率密度函數(shù)為

(20)

定義pbur_right表示在信道傳播過程中單個突發(fā)包成功接入的概率,則

(21)

定義ppac_right,表示在信道傳播過程中分組成功接入的概率。根據(jù)Turbo編碼原理,一個分組中只要有Mbur個突發(fā)包能夠成功接收,接收機就能夠恢復(fù)該分組,根據(jù)排列組合可得分組成功傳播概率為

(22)

3 性能分析

(23)

令Tpropagate表示分組傳播時間,則可得優(yōu)先級n分組的平均時延為

(24)

(25)

定義C為系統(tǒng)吞吐量,表示單位時間內(nèi)網(wǎng)絡(luò)中正確傳輸?shù)姆纸M比特數(shù),令Lpac為分組長度(單位bit),則

(26)

(a)自適應(yīng)因子p=0.35

(b)自適應(yīng)因子p=0.65

(c)自適應(yīng)因子p=0.35

(d)自適應(yīng)因子p=0.65 圖4 在不同自適應(yīng)因子下各優(yōu)先級平均時延和成功傳輸概率隨負載變化的關(guān)系圖

在表1中給定的參數(shù)條件下,系統(tǒng)性能還與業(yè)務(wù)負載和自適應(yīng)因子的大小有關(guān)。分別作出了不同自適應(yīng)因子取值下分組成功傳輸概率和平均時延隨業(yè)務(wù)負載的變化關(guān)系,如圖4所示。對比圖4a、4b可以看出,隨著業(yè)務(wù)負載的增加,各優(yōu)先級分組平均時延也相應(yīng)增加,且隨著自適應(yīng)因子的增大,低優(yōu)先級分組平均時延增長加快。對比圖4c、4d可以看出,隨著業(yè)務(wù)負載的增加,各優(yōu)先級分組的成功傳輸概率迅速降低,而在自適應(yīng)因子取值較大時,高優(yōu)先級的成功傳輸概率有了較大提高。從而可得出:在p取值較小時,輕負載時各優(yōu)先級業(yè)務(wù)具有較好的可靠性和時效性,但是在業(yè)務(wù)負載較重時各優(yōu)先級業(yè)務(wù)的可靠性極低;p取值較大時,重負載時高優(yōu)先級業(yè)務(wù)可靠性有了較大提高,但是在輕負載時低優(yōu)先級業(yè)務(wù)可靠性和時效性過低。

4 自適應(yīng)因子p的最優(yōu)取值

自適應(yīng)因子p是信道占用統(tǒng)計模塊針對信道忙閑程度的量化表示值。通過性能分析可知,在p取值較小時,可保證輕負載時各優(yōu)先級業(yè)務(wù)具有較好的可靠性和時效性,但在負載較重時各優(yōu)先級業(yè)務(wù)可靠性很難保障;p取值較大時,可提高重負載時高優(yōu)先級業(yè)務(wù)可靠性,但在輕負載時低優(yōu)先級業(yè)務(wù)可靠性和時效性過低。為保證最高優(yōu)先級業(yè)務(wù)低時延和高可靠的同時提高通信的整體效益,自適應(yīng)因子p須根據(jù)業(yè)務(wù)負載自適應(yīng)調(diào)整,以實現(xiàn)2個目的:①始終保證最高優(yōu)先級業(yè)務(wù)的實時可靠傳輸;②在輕負載時,提高低優(yōu)先級業(yè)務(wù)的通信質(zhì)量。

表1 仿真參數(shù)

圖5 最優(yōu)自適應(yīng)因子與最高優(yōu)先級成功傳輸概率的 變化關(guān)系

從圖5可知,不同曲線間,對最高優(yōu)先級業(yè)務(wù)最低成功傳輸概率要求越高,自適應(yīng)因子p在相同業(yè)務(wù)負載下的取值越大;單個曲線中,隨著業(yè)務(wù)量的增加,自適應(yīng)因子p取值越大。

5 仿真分析

圖6 仿真場景示意圖

(b)各優(yōu)先級分組平均時延

(c)各優(yōu)先級分組丟包率

(d)系統(tǒng)吞吐量和分組成功傳輸概率圖7 本文協(xié)議性能的理論和仿真曲線

從圖7a、7b可知:當系統(tǒng)為輕負載時,各個優(yōu)先級都具有較高的成功傳輸概率和較低的平均時延,且差異較小;處于重負載時,最高優(yōu)先級業(yè)務(wù)的信息傳輸質(zhì)量保持不變,成功傳輸概率為0.95,分組平均時延在7 ms左右。從圖7c可知,在輕負載時,各優(yōu)先級分組丟包率基本為0;在重負載時,丟包率不斷增加,但最高優(yōu)先級的丟包率始終為0。從圖7d可知,分組成功傳輸概率在輕負載時較大,且隨著負載增加最終維持在0.95,系統(tǒng)吞吐量在重負載時也保持在最大值。

仿真結(jié)果分析:①當系統(tǒng)處于輕負載時,自適應(yīng)因子p取值較小,自適應(yīng)抖動機制作用效果弱,從而使各優(yōu)先級之間的QoS差異較小,使得輕負載時低優(yōu)先級業(yè)務(wù)也能具有較高的信息傳輸質(zhì)量;②當系統(tǒng)處于重負載時,信道質(zhì)量變差,自適應(yīng)因子p的取值變大,優(yōu)先級低的分組服務(wù)時間變大,分組溢出概率增加,限制了低優(yōu)先級分組的接入,避免了信道質(zhì)量的繼續(xù)惡化;③PAJ_MAC協(xié)議的理論和仿真結(jié)果一致,始終保證最高優(yōu)先級業(yè)務(wù)的實時可靠傳輸,且提高了輕負載時低優(yōu)先級業(yè)務(wù)的通信質(zhì)量,證明了最優(yōu)自適應(yīng)因子理論計算值的正確性以及自適應(yīng)抖動機制的有效性。

6 結(jié)束語

為面向“時敏目標”打擊的航空自組網(wǎng)設(shè)計了一種基于自適應(yīng)抖動且支持多優(yōu)先級業(yè)務(wù)類型的MAC協(xié)議,采用無線網(wǎng)絡(luò)性能分析中成熟和通用的二維馬爾科夫鏈模型,重點研究分析并仿真了自適應(yīng)抖動機制對MAC協(xié)議的實時性、可靠性的影響。協(xié)議采用自適應(yīng)抖動機制為各個優(yōu)先級設(shè)置不同最大抖動階段,以提供不同優(yōu)先級業(yè)務(wù)的QoS保障,通過信道占用統(tǒng)計模塊提供的自適應(yīng)因子p的反饋調(diào)節(jié)作用,使協(xié)議具備業(yè)務(wù)負載自適應(yīng)能力,即輕負載時各優(yōu)先級業(yè)務(wù)均能高效、可靠地傳輸,重負載時以犧牲低優(yōu)先級業(yè)務(wù)通信質(zhì)量為代價,保證了高優(yōu)先級分組的低時延和高可靠性。最后,通過仿真驗證了PAJ_MAC協(xié)議自適應(yīng)抖動機制的有效性和建模分析的準確性。

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(編輯 劉楊)

An Adaptive Jitter Based Media Access Control Protocol with Priorities

XIAO Leilei,ZHANG Hengyang,MAO Yuquan,CHENG Guobing,ZHU Qing

(Information and Navigation College, Air Force Engineering University, Xi’an 710077, China)

A prioritized adaptive jitter media access control protocol (PAJ_MAC) based on multi-channel random access mechanism is proposed to solve the issues of multi-priority traffic differentiation and poor performance under heavy loads in military aeronautical communication. The protocol bases on the random access mechanism and classifies QoS for multiple priorities by setting different maximum jitter stages. It adaptively implements traffic loads by regulating the jitter stage transition probability based on continuous feedback of channel occupation statistic. All of the protocol performance expressions are deduced through building three models. These models are a queuing process model with M/G/1/K theory, an adaptive jitter mechanism model with 2-D Markov chain and a propagation process model with burst collision. The optimal adaptive factor to guarantee the reliability of the highest priority traffic under different traffic loads is derived through programming. Simulation results show that the protocol provides correct traffic differentiation, guarantees the timeliness and reliability of the highest priority traffic (i.e. the time delay is less than 10 ms and the successful transmission probability is more than 95%), and maintains the stability of the system throughput all the time.

aeronautical communication; random access; media access control protocol; adaptive jitter; priority

2015-04-01。

肖雷蕾(1991—),男,碩士生;張衡陽(通信作者),男,副教授。

國家自然科學(xué)基金資助項目(61202490);航空科學(xué)基金資助項目(2013ZC15008)。

時間:2015-07-23

10.7652/xjtuxb201510020

TP393

A

0253-987X(2015)10-0123-07

網(wǎng)絡(luò)出版地址:http://www.cnki.net/kcms/detail/61.1069.T.20150723.0922.014.html