郜林

(1.天津財經(jīng)大學 理工學院，天津300222;2.天津大學 電子信息工程學院，天津300072)

為了適應空中交通管理的發(fā)展需要，國際民航組織提出了建立航空電信網(wǎng)(ATN)的目標.ATN可實現(xiàn)全球無縫隙覆蓋，將成為未來民用航空通信的基礎網(wǎng)絡.目前，VDL2已在國際上被確定為向ATN過渡的主流地空數(shù)據(jù)鏈，并已在歐洲得到部分應用［1］.我國也正在積極部署從現(xiàn)有的飛機通信選址報告系統(tǒng)(ACARS)到VDL2的轉(zhuǎn)型工作［2］.

VDL2采用半雙工工作方式，工作于VHF頻段(118 ～136.975 MHz)，帶寬為 25kHz，協(xié)議棧包括物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和子網(wǎng)層［3］.數(shù)據(jù)鏈路層又分為兩個子層和一個實體:①介質(zhì)訪問控制子層(MAC)，實現(xiàn)P堅持載波偵聽多路訪問(PCSMA);②數(shù)據(jù)鏈路服務子層(DLS)，實現(xiàn)AVLC;③甚高頻鏈路管理實體(VME)，完成鏈路建立與切換［4］.

作為航空數(shù)據(jù)鏈協(xié)議，AVLC在幀結(jié)構(gòu)和控制方式上對高級數(shù)據(jù)鏈路控制(HDLC)都具有很大的繼承性，可視為HDLC的一個子集.AVLC對HDLC最明顯的改進是應用了信道估計算法，可自適應地調(diào)整發(fā)送重傳時間.

目前，對AVLC的直接研究較少見到，主要以HDLC的研究成果作為AVLC的應用基礎.Jacques等［5］應用排隊論方法，得出了對等節(jié)點非空條件下的HDLC最大吞吐量和非飽和鏈路條件下的響應時間.Daniel等［6］應用自動驗證系統(tǒng)，證明了HDLC協(xié)議的邏輯正確性.Lv等［7］推導出HDLC幀調(diào)整對SDH骨干網(wǎng)POS信號的影響關(guān)系.在應用方面，宋飛等［8］基于FPGA實現(xiàn)了HDLC.

鑒于協(xié)議棧的復雜性，目前對VDL2的相關(guān)研究主要采用網(wǎng)絡仿真方法.北京航空航天大學的專家學者作了大量工作，并取得了一定的研究成果.賈旭光等［9］通過基于OPNET的仿真，分析了VDL2中平均鏈路層延時與飛機數(shù)量之間的關(guān)系.韓亞啟等［10］對 VDL2的 MAC子層建立了OPNET仿真模型，分析了MAC子層中媒體接入概率p和最大信道訪問次數(shù)Ml對系統(tǒng)性能的影響.王曉琳等［11］建立了完整的VDL2三層協(xié)議模型，基于不同的飛機數(shù)量與報文特性分析了網(wǎng)絡吞吐量及端到端的網(wǎng)絡延遲性能.

本文將AVLC發(fā)送方重傳的自適應信道估計算法應用于接收方，提出基于自適應信道估計的監(jiān)督幀定時算法.通過網(wǎng)絡仿真建模和實驗，驗證該算法對系統(tǒng)性能的改進作用.

1 自適應信道估計算法

VDL2主要承擔空管業(yè)務，對可靠性和實時性有很高的要求.同時，作為地空數(shù)據(jù)鏈，VDL2的帶寬資源嚴重受限，從而限制了最大傳碼率.改進AVLCHDLC的重傳算法為解決VDL2帶寬受限與高業(yè)務要求矛盾提供了一條有效途徑.

1.1 HDLC數(shù)據(jù)鏈路控制

HDLC使用了序號和確認方式，可提供無差錯、無丟失、無重復的可靠傳輸［12］.HDLC幀由地址域、控制域、信息域、幀檢驗序列以及兩個標志字段組成.依據(jù)控制域前兩位的比特取值，HDLC幀可分為信息幀(I幀)、起確認作用的監(jiān)督幀(S幀)和起控制作用的無編號幀(U幀).在HDLC控制規(guī)程中，為了減少應答次數(shù)，提高傳輸效率，引入了滑動窗口和捎帶應答:

1)在最大窗口長度(默認值為7)內(nèi)，通信雙方可連續(xù)發(fā)送未被確認的I幀，由控制域的N(R)位確認［N(R)－1］mod8各幀;

2)允許在反向傳輸?shù)腎幀中附帶確認信息.

為了防止發(fā)送方無期限地等待接收方的確認，HDLC引入了超時重發(fā)［13］:在發(fā)送方(強制策略)，每發(fā)送一個I幀后計時，直到收到接收方的確認(包括捎帶應答);若超時，則重發(fā).在接收方(可選策略)，若正確接收到I幀，計時;若在一定的時間內(nèi)未收到后繼信息，則發(fā)S幀，準備接收，并告訴發(fā)送方前面已接收到.

1.2 AVLC對HDLC協(xié)議的發(fā)展

在HDLC固定時長的重傳定時控制下:當信道利用率很高時，在固定時長后重發(fā)數(shù)據(jù)幀，很容易出現(xiàn)碰撞(對P-CSMA而言)，并進一步加劇信道負擔.反之，當信道利用率較低時，在固定時長后重發(fā)，又可能導致延時的無謂增大.

為了解決HDLC重發(fā)定時中的問題，AVLC基于信道估計，增加了自適應的重傳定時算法.基本思路是:認為信道特性具有連續(xù)性，用當前的信道利用率，預測未來的信道利用率.從而，用該預測值調(diào)整重發(fā)定時器的超時值(T1)，以期減小包(為了簡化問題，本文將包與幀等同)碰撞概率，提高系統(tǒng)性能.具體算法如下:

式中，μ(0≤μ≤1)為信道利用率的值，可由物理層的參數(shù)測試報告得到;TM1和M1為MAC子層的P-CSMA參數(shù)，TM1表示偵聽信道的時間間隔，默認值為4.5 ms，M1表示最大發(fā)送嘗試次數(shù)，默認值為135;TD99為在99%置信度下的傳輸延遲估計值，該值反映了由于發(fā)包碰撞而在P-CSMA作用下產(chǎn)生的等待時間.

式中，retrans為最大的重傳次數(shù)，AVLC協(xié)議默認值為6;T1mult，T1exp為可配置參數(shù).

式中，u(x)為從0～x之間滿足平均分布的隨機數(shù);T1min，T1max為可配置參數(shù).

由式(1)～式(3)可知，隨著μ的增大，傳輸延遲估計值TD99增大，并且x增大.隨著x的增大，u(x)依平均分布概率而增大.而且，重傳計時器T1值依概率增加.因此T1與μ成同向變化.亦即:信道利用率高時重發(fā)幀慢發(fā)，信道利用率低時重發(fā)幀快發(fā).

1.3 自適應S幀定時算法

AVLC所采用的自適應重傳算法是從發(fā)送方出發(fā)，而對HDLC進行的改進.事實上，在接收方也存在信道估計的問題.在接收方重發(fā)控制上，AVLC繼承了HDLC，可選擇固定時長的S幀確認方式:在正確接收到I幀后，開啟S幀定時器.若在一個預定的固定時長內(nèi)，未收到來自發(fā)送方的后繼信息，則S幀定時器超時，從而觸發(fā)向發(fā)送方的S幀確認.這種固定時長方式，未考慮S幀定時與重發(fā)定時以及稍帶應答間隔(TR)之間的關(guān)系，會產(chǎn)生如下問題:①當固定時長(記作TS)取值過大時，有可能超過某一時刻自適應算法所計算的T1值.若接收方已成功接收到信息包，且在T1內(nèi)發(fā)送方由于未收到有效信息包而不能通過稍帶應答得到確認，則此時由于TS＞T1，發(fā)送方也不能通過S幀在T1內(nèi)得到確認.在此情況下，發(fā)送方重發(fā)計時器將超時，從而啟動重發(fā).而這種重發(fā)是由于S幀不能對已成功接收包進行及時確認而產(chǎn)生的誤重發(fā).誤重發(fā)將增大信道負擔，降低系統(tǒng)容量.②當TS取值過小時，稍帶應答的作用將被削弱，而確認將以S幀為主要方式.S幀密度的增加將加劇S幀對I幀的信道搶占，降低發(fā)送信息對信道的占用比率.

為了解決AVLC協(xié)議S幀確認中存在的問題，必須將TS與T1以及TR的關(guān)系加以考慮:一方面，TS不能取得過大，必須小于T1，否則將引起誤重發(fā);另一方面，TS又不能取得過小，必須大于TR，否則將使稍帶應答失效.因此TS必須滿足:

由于在AVLC重發(fā)控制中T1是隨信道利用率自適應變化的，且TS必須滿足TS＜T1，因而TS也應隨信道利用率自適應變化.本文將AVLC重發(fā)算法應用于S幀重發(fā)控制中，提出了基于自適應信道估計的S幀定時算法:

由式(4)，可知:

應該指出，在以上分析中未考慮傳播時延問題.這是由于AVLC無需逐幀確認，而采用稍帶應答和重傳相結(jié)合的方式，從而AVLC的確認時間間隔是以發(fā)包間隔來量度的.根據(jù)VDL2業(yè)務情況，發(fā)包間隔在10－1數(shù)量級上.而VDL2工作在巨區(qū)(100～500 km)范圍內(nèi)，電磁波(光速)的傳播時延在10－3數(shù)量級上，與發(fā)包間隔比較可忽略不計.

2 VDL2仿真建模

本節(jié)將基于OPNET仿真平臺，以實現(xiàn)自適應算法的DLS子層為重點，描述VDL2的建模過程.建模中應用了OPNET三級建模機制:網(wǎng)絡級，用子網(wǎng)、節(jié)點、鏈路以及地理背景描述網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu);節(jié)點級，用功能實體以及它們之間的數(shù)據(jù)流描述節(jié)點內(nèi)部結(jié)構(gòu);進程級，用有限狀態(tài)機和可擴展高級語言定義進程行為.

2.1 建模總體描述

VDL2網(wǎng)絡可分為地面網(wǎng)和空中網(wǎng):前者由固定的地面站(GS)節(jié)點構(gòu)成;后者由可移動的飛機(AC)節(jié)點構(gòu)成.GS間可相互通信;AC只能與GS實現(xiàn)通信，AC之間不能通信.本文建立了單個GS和多個AC(16架飛機)的VDL2場景，作為仿真實驗的網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu).

由于自適應算法在數(shù)據(jù)鏈路控制(DLS子層)層面上，本文未考慮AC在多個GS間的切換問題，只建立了一個GS節(jié)點，且假設GS僅占用一個25 kHz的VHF頻段，并屏蔽了地空兩側(cè)的VME實體.又由于自適應算法是以信道利用率為基礎的，與物理層和MAC子層直接相關(guān);本文對物理層和MAC子層作了完整實現(xiàn)，并建立了多個AC節(jié)點，以模擬信道的搶用競爭.

在物理層模塊中，本文采用了OPNET收發(fā)信機機制，可提供內(nèi)建的信道忙閑統(tǒng)計量:當信道由空閑變?yōu)檎加脮r，仿真內(nèi)核將產(chǎn)生信道忙統(tǒng)計量;反之，當信道由占用變?yōu)榭臻e時，仿真內(nèi)核將產(chǎn)生信道閑統(tǒng)計量.通過建立收發(fā)信機與DLS模塊的統(tǒng)計量通信，可將當前信道忙閑統(tǒng)計量傳遞給DLS，為自適應算法提供數(shù)據(jù).此外，使用頻率和發(fā)送功率等主要屬性的配置也是在收發(fā)信機中完成的［14］.

數(shù)據(jù)鏈路層分為 MAC模塊和 DLS模塊.MAC模塊實現(xiàn)P-CSMA協(xié)議，其接收來自DLS模塊的AVLC數(shù)據(jù)幀，但僅作訪問控制，不作任何修改.DLS模塊實現(xiàn)AVLC協(xié)議以及本文的S幀改進算法.DLS的源數(shù)據(jù)流是由子網(wǎng)層模塊提供的，數(shù)據(jù)流分布滿足泊松分布.

AC高速移動會帶來信噪比變化和多普勒效應，將對系統(tǒng)性能產(chǎn)生很大影響，從而弱化數(shù)據(jù)鏈路控制對系統(tǒng)性能的作用效果.為了消除干擾因素，本文實驗將飛機節(jié)點設置為靜止.又根據(jù)民用航空實際情況，在仿真場景中設置AC的飛行高度為10 km，GS的收發(fā)機高度為30 m.

2.2 DLS 進程

在DLS進程級模型中，要對GS和AC節(jié)點分別建模.以GS側(cè)DLS為例，根據(jù)VDL2協(xié)議，GS側(cè)DLS由多實體的DLE和單實體LLC以及發(fā)送隊列構(gòu)成.一個DLE實體對應于GS和AC之間的一條邏輯連接鏈路，控制信息流量，完成I幀和S幀的接收.而LLC負責邏輯鏈路的管理，主要完成U幀的接收和處理.為了簡化進程和提高仿真效率，本文采用動態(tài)進程方法實現(xiàn)上述關(guān)系:首先建立DLS父進程，再由父進程在初始狀態(tài)(INIT)中建立LLC和DLE兩類子進程.DLE子進程根據(jù)由VME發(fā)送的鏈路信息，動態(tài)管理進程:當某鏈路建立時，產(chǎn)生一個對應的DLE子進程;當該鏈路釋放時，銷毀所對應的子進程［15］.

DLS父進程如圖1所示:狀態(tài)u_UPDATE通過處理來自物理層的信道忙閑統(tǒng)計量，估算當前的信道利用率μ.狀態(tài)pro_doy負責根據(jù)鏈路信息，動態(tài)銷毀DLE子進程.狀態(tài)INVOKE主要根據(jù)觸發(fā)中斷的幀類型，調(diào)用相應的子進程.ENDSIM負責收集仿真統(tǒng)計量.

在DLE子線程進程中，待發(fā)送的I幀加入到發(fā)送隊列排隊.在AVLC協(xié)議作用下，以FIFO方式向MAC子層發(fā)送數(shù)據(jù).子線程有限狀態(tài)機如圖2所示:T1重傳定時和S幀確認自適應算法分別在I_RETRANS和S_SEND狀態(tài)中實現(xiàn).

圖1 GS側(cè)DLS子層DLE父進程Fig.1 GS DLS sub-layer DLE father process

圖2 GS側(cè)DLS子層DLE子進程Fig.2 GS DLS sub-layer DLE child process

AC側(cè)DLS子層與GS側(cè)在DLE上基本相似，二者主要區(qū)別于LLC:在不考慮信道切換情況下，AC側(cè)僅存在一條邏輯連接鏈路.

3 仿真實驗

通過對比仿真實驗，驗證自適應信道估計算法在重傳定時和S幀定時中對系統(tǒng)性能的改進作用，并討論S_PARA的選取問題.

3.1 評價性能指標

選取吞吐量和包延時作為性能評價指標如下.

定義1 吞吐量是成功發(fā)送的比特速率與信道容量之比.信道容量表征系統(tǒng)的最大傳輸速率;在一定帶寬下，必須滿足奈奎斯特定理或奈氏一、二準則條件，從而保證不產(chǎn)生碼間串擾.

定義2 成功發(fā)包延時是從發(fā)送方產(chǎn)生數(shù)據(jù)包到接收方成功接收到該包的時間間隔.

上述指標反映了系統(tǒng)的整體性能，是多協(xié)議層共同作用的結(jié)果.為了分析自適應算法對系統(tǒng)性能的影響，本文將AC設置為靜止，并屏蔽了VME，從而消除了移動節(jié)點和切換所帶來的干擾.

3.2 系統(tǒng)仿真條件

選定和設置以下仿真參數(shù):①假設任意節(jié)點的發(fā)包均符合泊松分布，且發(fā)送強度λ相同.記發(fā)包間隔為a，則由泊松過程可知:a=1/λ.②根據(jù)協(xié)議中對包長度的規(guī)定，假設數(shù)據(jù)包的信息長度符合0～8192bit上的均勻分布.③MAC子層參數(shù)均取為協(xié)議默認值:P-CSMA媒介接入概率p為13/256，最大發(fā)送嘗試次數(shù)M1為135.④DLS子層參數(shù)均取為默認值:最大重傳次數(shù)N2為6，滑動窗口長度為4.⑤T1計時器的可配置參數(shù)設定為默認值:T1min=1 s，T1max=15 s，T1mult=1.45 s，T1exp=1.7 s.

3.3 信道估計算法在重發(fā)過程中的有效性驗證

本實驗目的是驗證自適應信道估計算法對HDLC重傳定時的改進作用.實驗設定了布爾型全局仿真量 I_RETRAN_DYNAMIC_or_not，用以控制在重發(fā)過程中是否采用信道自適應估計算法:該仿真量為0對應于HDLC，表示采用了以0.1 s為間隔的固定重發(fā)定時;該仿真量為1對應于AVLC，表示采用了式(1)～式(3)的重傳自適應算法.仿真結(jié)果如圖3所示，每個仿真點的仿真時間為30 min.

圖3(a)為自適應信道估計與固定間隔兩種重發(fā)控制方法對吞吐量的影響對比:自適應算法吞吐量曲線中的所有點都處于靜態(tài)吞吐量曲線之上，應用自適應算法后吞吐量均值改善了7.6%.圖3(b)為成功發(fā)包的平均延時對比，結(jié)果表明:使用自適應算法后平均延時縮小了910 μs.

值得注意的是，當靜態(tài)值為0.6時，系統(tǒng)在吞吐量和延遲兩方面都表現(xiàn)出良好的特性.仿真數(shù)據(jù)表明，在本文特定場景下，該點以大概率接近于自適應算法的估算值，從而達到了與仿真參數(shù)的良好匹配.由于不作信道估計，其延時甚至優(yōu)于自適應算法.但在現(xiàn)實中，由于AC數(shù)量與位置等因素的隨機變化，該靜態(tài)點并不能穩(wěn)定存在.改變接入概率值，仿真結(jié)果與13/256時相類似.實驗結(jié)果表明，在HDLC重傳中加入自適應定時算法，可有效改善系統(tǒng)性能.

圖3 重傳自適應算法對性能的影響Fig.3 Effect of retransmission adaptive algorithm on performance

3.4 S幀自適應算法對系統(tǒng)性能的影響

本實驗目的是驗證S幀算法對AVLC的改進作用，并分析S_PARA的選取問題.作為S幀算法的實驗基礎，文中還驗證了S幀重發(fā)控制的有效性.

基于實驗目的，設計了兩組仿真實驗:①無S幀和AVLC中S幀固定間隔重發(fā)控制(靜態(tài)算法)的性能對比(圖4:以0.1 s為間隔作抽樣仿真，橫軸表示固定間隔);②無S幀和S幀自適應算法的性能對比(圖5:以0.1 s為間隔，取 S_PARA作抽樣仿真).

為了研究S幀對性能的影響，實驗中設定了S_SET布爾型全局仿真量，用以開關(guān)S幀重發(fā)控制:S_SET=1，打開;S_SET=0，關(guān)閉.在以上實驗中，對應每個仿真點的仿真時間為30 min.

圖4顯示:S幀在固定間隔小于0.7的范圍內(nèi)可提高吞吐量，在所有的仿真點上都可縮短延時.圖5顯示:S幀自適應算法較無S幀情形可明顯提高系統(tǒng)性能.綜上所述，在S幀作用下，系統(tǒng)性能在總體上優(yōu)于無S幀情況.

圖4 靜態(tài)算法對性能的影響Fig.4 Effect of static algorithm on performance

圖5 自適應算法對性能的影響Fig.5 Effect of adaptive algorithm on performance

在S幀重發(fā)控制下，對圖4和圖5中的吞吐量和延時做對比分析，表明S幀自適應算法較靜態(tài)算法有明顯的性能改善，吞吐量均值高出0.009，平均延時減小了 30 μs.此外，S 幀自適應算法在總體上表現(xiàn)出了良好的性能穩(wěn)定性.

觀察圖5中S_SET=1下曲線:在S_PARA到達0.2之前，兩種性能指標都表現(xiàn)出高頻次的振蕩特征.這是因為:在S_PARA＜0.2區(qū)間內(nèi)，S幀發(fā)送很早，引起:①較少啟動I幀重發(fā)和稍帶應答;②S幀發(fā)送頻繁，增加了與I幀的碰撞概率.在①和②的共同作用下，系統(tǒng)性能會不穩(wěn)定，表現(xiàn)為強烈的振蕩.隨著S_PARA的增大，將引起捎帶應答比例不斷增加和S幀的發(fā)送頻次持續(xù)降低，從而信道的負荷減小，導致系統(tǒng)性能趨穩(wěn)，表現(xiàn)為振蕩趨于緩和.在分區(qū)點0.2以后，系統(tǒng)趨于穩(wěn)定，曲線隨著S_PARA的增大而緩慢減小，具有良好的平坦特性.由于筆者希望系統(tǒng)工作在平穩(wěn)狀態(tài)，并結(jié)合式(6)，可知:在本實驗仿真環(huán)境下，區(qū)間(0.2，1)是S_PARA的合理取值范圍.

進一步實驗表明:改變多個飛行場景后，S幀自適應算法性能曲線仍呈先震蕩后平坦的特點，只是分區(qū)點發(fā)生了偏移.為了保證離開振蕩區(qū)域，可將S_PARA取較大值，如在(0.5，1)范圍取值.

4 結(jié)論

本文基于AVLC/HDLC提出了S幀定時自適應算法，并開展了仿真建模與實驗.結(jié)果表明:

1)在吞吐量和包延時兩方面，AVLC性能均明顯優(yōu)于HDLC.AVLC重傳信道估計算法具有有效性.

2)加入S幀后，無論是原AVLC/HDLC算法還是自適應算法，均可在總體上改善系統(tǒng)性能.

3)S幀自適應算法較原AVLC算法在吞吐量和包延時性能上均有明顯的改善.在乘系數(shù)取值為(0.2，1)的合理區(qū)間內(nèi)，S幀自適應算法表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性.

仿真表明，本文所提出的S幀自適應算法明顯優(yōu)于原AVLC算法，可應用于VDL2系統(tǒng)中.由于本文算法在數(shù)學形式上是以簡單的系數(shù)乘實現(xiàn)的，具有較大的局限性.事實上，可嘗試用更一般的函數(shù)關(guān)系逼近，以期得到更好的改善效果.

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