海戰(zhàn)場(chǎng)電子戰(zhàn)數(shù)據(jù)鏈時(shí)隙分配技術(shù)研究

范彰宇

中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七二三研究所 江蘇揚(yáng)州 225000

海戰(zhàn)場(chǎng)電子戰(zhàn)數(shù)據(jù)鏈時(shí)隙分配技術(shù)研究

范彰宇

中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七二三研究所 江蘇揚(yáng)州 225000

伴隨電磁技術(shù)和用頻設(shè)備的廣泛應(yīng)用，戰(zhàn)場(chǎng)電磁環(huán)境變得日益復(fù)雜，特別是在信息化元素非常豐富的海戰(zhàn)場(chǎng)，復(fù)雜電磁環(huán)境給海上作戰(zhàn)只會(huì)提出了更高的挑戰(zhàn)，作為大容量、高速度、抗干擾、高保密的戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈在海上戰(zhàn)爭(zhēng)中的應(yīng)用也越來(lái)越廣泛，目前美國(guó)在各種數(shù)據(jù)鏈研制方面仍處于領(lǐng)先地位，時(shí)隙分配是影響戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈性能優(yōu)劣的重要因素，混合時(shí)隙分配方式兼顧固態(tài)與動(dòng)態(tài)時(shí)隙分配的優(yōu)點(diǎn)，本文試從仿真研究角度分析該時(shí)隙分配的策略。

海戰(zhàn)場(chǎng)；電子戰(zhàn)；混合時(shí)隙分配；戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈

在現(xiàn)代信息化的海戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境下，復(fù)雜多變的戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)對(duì)于戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈的要求越來(lái)越高，對(duì)于戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈在抗干擾、容量、速度、保密方面都提出了更高的需求。目前美國(guó)在諸如Link16/JTIDS等各種數(shù)據(jù)鏈上的研制依然處于領(lǐng)先地位，TDMA技術(shù)作為一種將時(shí)間信道分割利用的多址方式，也被用于美軍的link16、link22等戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈當(dāng)中，TDMA數(shù)據(jù)鏈在運(yùn)用于突發(fā)性戰(zhàn)術(shù)報(bào)文中具有更加優(yōu)秀的實(shí)施性支持效果，而且戰(zhàn)術(shù)報(bào)文占用時(shí)隙信道進(jìn)行傳輸能夠獲得更強(qiáng)的抗干擾和抗截獲的能力。

目前在TDMA戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈的時(shí)隙分配所面臨的最大問(wèn)題是如何在利用每個(gè)數(shù)據(jù)鏈節(jié)點(diǎn)分配一定時(shí)隙資源滿(mǎn)足節(jié)點(diǎn)報(bào)文發(fā)送的基本需求外，如何實(shí)現(xiàn)最高的時(shí)隙利用率、最低的報(bào)文沖突概率和最短的傳輸延誤時(shí)間。

TDMA數(shù)據(jù)鏈時(shí)隙分配方式可分為三類(lèi)：固定時(shí)隙分配：數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)運(yùn)行前，根據(jù)各節(jié)點(diǎn)預(yù)先估計(jì)的時(shí)隙需求分配一定數(shù)量無(wú)沖突的時(shí)隙資源，該方式對(duì)時(shí)隙利用率較低，靈活性差，處理周期長(zhǎng)；動(dòng)態(tài)時(shí)隙分配：僅在節(jié)點(diǎn)需要發(fā)送報(bào)文時(shí)進(jìn)行分配時(shí)隙，該方式時(shí)隙利用率高，但容易產(chǎn)生沖突，可靠性差；混合時(shí)隙分配：綜合固定時(shí)隙分配與動(dòng)態(tài)時(shí)隙分配的優(yōu)點(diǎn)，在保證發(fā)文傳輸?shù)那疤嵯拢尤雽?duì)突發(fā)性報(bào)文的處理機(jī)制。

本研究將網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)分為NTR節(jié)點(diǎn)、優(yōu)先節(jié)點(diǎn)和非優(yōu)先節(jié)點(diǎn)，嘗試提出一種以?xún)?yōu)先級(jí)為基礎(chǔ)的混合時(shí)隙分配新策略：

典型的TDMA戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈，采用無(wú)中心節(jié)點(diǎn)控制的分布式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，通過(guò)固定時(shí)隙分配方式為各節(jié)點(diǎn)預(yù)先分配一定數(shù)量的時(shí)隙，若某一節(jié)點(diǎn)在分配給它的時(shí)隙中正好沒(méi)有戰(zhàn)術(shù)報(bào)文需要發(fā)送，則會(huì)造成時(shí)隙資源的浪費(fèi)，而有一些可以預(yù)先估計(jì)并需定時(shí)發(fā)送的報(bào)文，如狀態(tài)報(bào)文、同步報(bào)文等，又不得不占用該時(shí)隙進(jìn)行傳輸，不能將其釋放。因此可將這兩類(lèi)報(bào)文分開(kāi)考慮，需定時(shí)發(fā)送的報(bào)文按預(yù)估計(jì)的分布和數(shù)量來(lái)預(yù)先分配合適的數(shù)目的時(shí)隙，除此之外的戰(zhàn)術(shù)報(bào)文都?xì)w納為突發(fā)報(bào)文，在戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈運(yùn)行過(guò)程中通過(guò)競(jìng)爭(zhēng)獲取剩余時(shí)隙。

網(wǎng)絡(luò)時(shí)間基準(zhǔn)（NTR）是TDMA數(shù)據(jù)鏈中用于發(fā)送初始入網(wǎng)消息，使其他節(jié)點(diǎn)與之同步的一個(gè)網(wǎng)絡(luò)成員。每個(gè)TDMA數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò)只能有一個(gè)網(wǎng)絡(luò)時(shí)間基準(zhǔn)，常選取網(wǎng)絡(luò)中與各節(jié)點(diǎn)連通性最好的一個(gè)截點(diǎn)擔(dān)任此角色。本研究提出的混合時(shí)隙分配策略，需指定一個(gè)網(wǎng)絡(luò)成員來(lái)處理動(dòng)態(tài)時(shí)隙分配階段來(lái)自其它節(jié)點(diǎn)的時(shí)隙申請(qǐng)，考慮到NTR節(jié)點(diǎn)連通性好的特點(diǎn)，選取它來(lái)承擔(dān)該任務(wù)。

一、固態(tài)時(shí)隙分配的報(bào)文時(shí)延分析如下：

假設(shè)節(jié)點(diǎn)的固定報(bào)文產(chǎn)生服從泊松分布，到達(dá)率為λa，服務(wù)時(shí)間設(shè)為定長(zhǎng)E（S）=1/μ，μ為服務(wù)速率，則任意一固定報(bào)文到達(dá)，其等待時(shí)間由等待中的報(bào)文服務(wù)時(shí)間總和以及正在接受服務(wù)的報(bào)文剩余服務(wù)時(shí)間組成，其中M為報(bào)文到達(dá)時(shí)隊(duì)列中等待服務(wù)的節(jié)點(diǎn)報(bào)文數(shù)目，E（Sm）為正在接受服務(wù)的報(bào)文剩余服務(wù)時(shí)間。

通過(guò)對(duì)服務(wù)x時(shí)間后剩余的時(shí)間S-x積分，可得平均剩余服務(wù)時(shí)間為：

報(bào)文產(chǎn)生呈播送分布，由Little定理可得E（M）=Ntλa

最終可計(jì)算出固定時(shí)隙分配階段，節(jié)點(diǎn)產(chǎn)的固定報(bào)文平均時(shí)延為

二、動(dòng)態(tài)時(shí)隙分配的報(bào)文時(shí)延分析如下：

動(dòng)態(tài)分配問(wèn)題中，各節(jié)點(diǎn)的時(shí)隙請(qǐng)求按優(yōu)先級(jí)分別被安排在優(yōu)先和非優(yōu)先兩個(gè)隊(duì)列中，NTR節(jié)點(diǎn)的報(bào)文加入擁有最高優(yōu)先級(jí)的隊(duì)列，采用搶占優(yōu)先模式，其服務(wù)規(guī)則為：①優(yōu)先級(jí)高的隊(duì)列先進(jìn)行服務(wù)，同一隊(duì)列中遵循先到先服務(wù)規(guī)則；②若NTR節(jié)點(diǎn)有報(bào)文到達(dá)，且NTR節(jié)點(diǎn)的隊(duì)列中無(wú)等待的報(bào)文，則立即搶占正在服務(wù)的時(shí)隙，將正在接受服務(wù)的報(bào)文返回該隊(duì)列的頭；③優(yōu)先報(bào)文到達(dá)，需等待NTR節(jié)點(diǎn)的隊(duì)列服務(wù)和優(yōu)先隊(duì)列服務(wù)全部結(jié)束后才能開(kāi)始接受服務(wù)，并允許NTR節(jié)點(diǎn)的報(bào)文搶占，但是可以搶占正在服務(wù)非優(yōu)先報(bào)文，規(guī)則如②、④非優(yōu)先報(bào)文到達(dá)，需等待3個(gè)隊(duì)列中所有報(bào)文服務(wù)結(jié)束才能進(jìn)行服務(wù)，并允許高優(yōu)先級(jí)報(bào)文的搶占。

設(shè)TOMA網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)數(shù)為N，其中NTR節(jié)點(diǎn)l個(gè)，優(yōu)先節(jié)點(diǎn)n個(gè)，非優(yōu)先節(jié)點(diǎn)有（N-n-1）個(gè)，各節(jié)點(diǎn)的報(bào)文到達(dá)率都服從參數(shù)為λ的泊松分布，產(chǎn)生的報(bào)文優(yōu)先級(jí)與節(jié)點(diǎn)優(yōu)先級(jí)相對(duì)應(yīng)，則各優(yōu)先級(jí)的報(bào)文到達(dá)率為NTR節(jié)點(diǎn)的報(bào)文到達(dá)，其等待時(shí)間為NTR節(jié)點(diǎn)報(bào)文隊(duì)列中的服務(wù)時(shí)間綜合，即其中E（S1m）為正在接受服務(wù)的NTR節(jié)點(diǎn)報(bào)文的剩余服務(wù)時(shí)間，E（M1）為平均排隊(duì)隊(duì)長(zhǎng)，可求得NTR節(jié)點(diǎn)報(bào)文的時(shí)延。

隨著信息化戰(zhàn)爭(zhēng)的深入發(fā)展，TDMA戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈的各方面性能需求日益彰顯。文中提出一種基于優(yōu)先級(jí)的混合時(shí)隙分配策略，通過(guò)在動(dòng)態(tài)時(shí)隙分配階段加入優(yōu)先級(jí)機(jī)制，使高優(yōu)先級(jí)的報(bào)文能獲得更好的時(shí)延特性以及丟包率保證。復(fù)雜環(huán)境中的TDMA戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈，報(bào)文突發(fā)率較高，該時(shí)隙分配策略能體現(xiàn)一定的優(yōu)勢(shì)。

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