吳翔宇,廖育榮,倪淑燕
(中國人民解放軍裝備學(xué)院 光電裝備系,北京 101416)
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基于改進(jìn)MF-TDMA的臨近空間通信網(wǎng)協(xié)議設(shè)計(jì)與仿真
吳翔宇,廖育榮,倪淑燕
(中國人民解放軍裝備學(xué)院 光電裝備系,北京101416)
臨近空間通信系統(tǒng)作為無線通信新的分支面臨著為混合業(yè)務(wù)提供支持的問題,為此需要設(shè)計(jì)一種高效的多址接入?yún)f(xié)議以滿足復(fù)雜的通信需求;在多頻時(shí)分多址接入(MF-TDMA)協(xié)議的基礎(chǔ)上提出了一種改進(jìn)協(xié)議,通過對(duì)幀時(shí)隙進(jìn)行功能劃分,提出了固定時(shí)隙段加動(dòng)態(tài)時(shí)隙段的設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)了對(duì)不同類型、不同速率業(yè)務(wù)的支持;利用OPNET仿真軟件進(jìn)行了系統(tǒng)建模和協(xié)議性能仿真,仿真結(jié)果驗(yàn)證了協(xié)議設(shè)計(jì)的合理性和有效性。
臨近空間通信系統(tǒng);多頻時(shí)分多址;接入?yún)f(xié)議;OPNET仿真
本文引用格式:吳翔宇,廖育榮,倪淑燕.基于改進(jìn)MF-TDMA的臨近空間通信網(wǎng)協(xié)議設(shè)計(jì)與仿真[J].兵器裝備工程學(xué)報(bào),2016(8):131-136.
臨近空間通信系統(tǒng)是近年來受到廣泛關(guān)注的新興通信系統(tǒng),它以高空通信平臺(tái)為核心,配備一定數(shù)量的通信設(shè)施,工作在距地面17~22 km處,提供高速率大容量的通信服務(wù)[1],具有費(fèi)用低、部署快、組網(wǎng)靈活、抗毀性強(qiáng)、全天候工作能力以及區(qū)域性應(yīng)用優(yōu)勢等諸多優(yōu)點(diǎn)[2],適用于應(yīng)急通信及中等規(guī)模的軍事通信。作為無線通信系統(tǒng)新的分支,臨近空間通信系統(tǒng)將多種業(yè)務(wù)綜合到一個(gè)網(wǎng)絡(luò)中,同時(shí)支持語音、數(shù)據(jù)、視頻、圖像等業(yè)務(wù)的傳輸[3],具備實(shí)現(xiàn)面向綜合業(yè)務(wù)的點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)通信能力。為此需要設(shè)計(jì)一種高效的多址接入?yún)f(xié)議,在保證服務(wù)品質(zhì)(QoS)的同時(shí)實(shí)現(xiàn)多種業(yè)務(wù)的支持。本文在多頻時(shí)分多址接入(MF-TDMA)協(xié)議的基礎(chǔ)上提出了一種固定時(shí)隙段加動(dòng)態(tài)時(shí)隙段的多址協(xié)議設(shè)計(jì),在為用戶提供最低業(yè)務(wù)保障的同時(shí)通過充分復(fù)用動(dòng)態(tài)時(shí)隙實(shí)現(xiàn)對(duì)高比特率業(yè)務(wù)的支持。
多頻時(shí)分多址接入(MF-TDMA)是混合多址技術(shù)的一種,它將FDMA和TDMA相結(jié)合,通過在時(shí)間維度和頻率維度上的綜合調(diào)度實(shí)現(xiàn)資源的靈活分配[4-5]。MF-TDMA作為寬帶多媒體衛(wèi)星通信系統(tǒng)中的主流上行體制,能夠根據(jù)不同類型的終端和不同需求的業(yè)務(wù)靈活分配不同速率的載波和時(shí)隙資源,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)多用戶、多業(yè)務(wù)和多種速率帶寬要求的靈活支持[6]。在寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)中,MF-TDMA的引入主要是為了解決TDMA體制系統(tǒng)擴(kuò)容不方便和大、小口徑地球站混合組網(wǎng)能力不足的問題[7],通過配置帶寬、速率不同的載波來實(shí)現(xiàn)不同口徑的地球站的混合接入。
臨近空間通信系統(tǒng)在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和組成上與寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)存在一定相似性,在用戶構(gòu)成和業(yè)務(wù)類型上也面臨支持多用戶、混合業(yè)務(wù)傳輸?shù)膯栴},因此本文在傳統(tǒng)MF-TDMA協(xié)議基礎(chǔ)之上提出了一種固定時(shí)隙段加動(dòng)態(tài)時(shí)隙段的上行MF-TDMA設(shè)計(jì)。新的協(xié)議具備動(dòng)態(tài)時(shí)隙分配的功能,適用于負(fù)載較重、傳輸混合業(yè)務(wù)和實(shí)現(xiàn)復(fù)雜功能的網(wǎng)絡(luò)[8],其幀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1所示。
系統(tǒng)以超幀為基本單位循環(huán),一個(gè)超幀劃分為m個(gè)幀,對(duì)應(yīng)m個(gè)子載波(F0~Fm-1),子載波可以根據(jù)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)用戶具體的數(shù)量、收發(fā)能力、類型等按需設(shè)置速率,也可以不對(duì)子載波速率進(jìn)行區(qū)分。在一幀之內(nèi)劃分n個(gè)子幀(T0~Tn-1),每子幀長16 ms,一個(gè)時(shí)幀長n×16 ms,這樣,m個(gè)子載波共n×m個(gè)子幀。子幀內(nèi)的時(shí)隙劃分分為固定時(shí)隙段和動(dòng)態(tài)時(shí)隙段,固定時(shí)隙段作為節(jié)點(diǎn)的專有時(shí)隙固定分配給用戶,為用戶提供最低業(yè)務(wù)保障,實(shí)現(xiàn)控制信息、語音業(yè)務(wù)和低速率數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的傳輸;動(dòng)態(tài)時(shí)隙段則由全網(wǎng)用戶競爭使用,用戶發(fā)送動(dòng)態(tài)時(shí)隙申請,系統(tǒng)按照一定的時(shí)隙分配算法為用戶分配動(dòng)態(tài)時(shí)隙,實(shí)現(xiàn)對(duì)中等數(shù)據(jù)率和高數(shù)據(jù)率綜合業(yè)務(wù)的支持。子幀編號(hào)按照“載波號(hào)_幀號(hào)”唯一確定,如F0_T1子幀提供用戶1的接入服務(wù)。系統(tǒng)支持的總用戶數(shù)目為n×m-1。以F0載波內(nèi)的n個(gè)子幀為例,具體子幀結(jié)構(gòu)如圖2所示。
圖1 改進(jìn)的MF-TDMA幀結(jié)構(gòu)
圖2 子幀時(shí)隙劃分
每個(gè)子幀分為16個(gè)時(shí)隙,每時(shí)隙長1 ms,按TS-0至TS-15編號(hào)。其中,TS-0至TS-4共5個(gè)時(shí)隙為固定時(shí)隙,即用戶專用時(shí)隙,保證用戶的時(shí)敏業(yè)務(wù)、周期性上報(bào)數(shù)據(jù)、低速數(shù)據(jù)和信令信息的傳遞。TS-5至TS-15為動(dòng)態(tài)時(shí)隙,按需分配,主要保證高速業(yè)務(wù)(圖像業(yè)務(wù)、視頻業(yè)務(wù)等)的傳遞。考慮臨近空間通信網(wǎng)終端用戶的特殊性以及軍事通信的特殊性(終端需要周期性上報(bào)遙測信息或位置信息),在傳統(tǒng)控制時(shí)隙的基礎(chǔ)上將固定時(shí)隙段劃分為3類時(shí)隙,各類時(shí)隙負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)不同的功能。
第1類為用戶專用控制時(shí)隙,占據(jù)TS-0,用于各類控制信息的傳送。包括測距突發(fā)、管理應(yīng)答、與中心站間的控制信息等。這類信息多為信令信息,數(shù)據(jù)量較小,且為按需發(fā)送,因此分配一個(gè)時(shí)隙。另外,用戶的動(dòng)態(tài)時(shí)隙申請也在專用控制時(shí)隙內(nèi)發(fā)送,每經(jīng)過一個(gè)時(shí)幀周期,用戶可按需發(fā)送動(dòng)態(tài)時(shí)隙申請。
第2類為用戶周期性上報(bào)時(shí)隙,占據(jù)TS-1和TS-2,用于各類用戶周期性數(shù)據(jù)到中心站的傳送。對(duì)高速移動(dòng)用戶(如飛機(jī)、導(dǎo)彈等)而言,該時(shí)隙用于上報(bào)周期性遙測數(shù)據(jù);對(duì)其他用戶而言,該時(shí)隙用于上報(bào)用戶位置變化信息,保證系統(tǒng)對(duì)各類用戶狀態(tài)的實(shí)時(shí)感知。這類信息或?yàn)橹芷谛孕畔ⅲ驗(yàn)闀r(shí)敏信息,相比普通業(yè)務(wù)更加重要,因此分配兩個(gè)時(shí)隙,確保這類信息的高QoS。
第3類為用戶低速業(yè)務(wù)時(shí)隙,占據(jù)TS-3和TS-4,用于低速業(yè)務(wù)(語音、IP數(shù)據(jù)等)的傳遞。用戶通過這兩個(gè)低速業(yè)務(wù)時(shí)隙實(shí)現(xiàn)一定數(shù)據(jù)率的低速業(yè)務(wù)傳輸。
實(shí)際上,固定時(shí)隙段的個(gè)數(shù)、作用等可以根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的實(shí)際情況進(jìn)行更改,例如將固定時(shí)隙段中的一部分作為視頻業(yè)務(wù)的預(yù)留時(shí)隙,當(dāng)用戶有視頻業(yè)務(wù)產(chǎn)生時(shí)預(yù)留時(shí)隙優(yōu)先用來傳輸視頻業(yè)務(wù),以保證視頻業(yè)務(wù)穩(wěn)定的周期性[3]等等。
TS-5至TS-15共11個(gè)時(shí)隙為動(dòng)態(tài)時(shí)隙,用戶通過申請獲得,用于大容量高數(shù)據(jù)率需求的業(yè)務(wù)傳輸。系統(tǒng)在每一子幀結(jié)束時(shí)按照一定的策略對(duì)該子幀內(nèi)收到的動(dòng)態(tài)時(shí)隙申請作出分配,以保證動(dòng)態(tài)時(shí)隙的最大化利用。
在上述劃分中,通過時(shí)隙TS-0的設(shè)置完成了控制信道的部分功能,除此之外系統(tǒng)之中還應(yīng)當(dāng)有一個(gè)特殊的控制信道,用作處理用戶的入(退)網(wǎng)申請。入(退)網(wǎng)申請不同于動(dòng)態(tài)時(shí)隙申請,系統(tǒng)對(duì)入(退)網(wǎng)申請作出反應(yīng),判決接收入網(wǎng)或拒絕入網(wǎng)。這一特殊的信道表現(xiàn)在幀結(jié)構(gòu)中就是一個(gè)特殊的幀,稱之為公用接入控制幀。該幀位于F0載波的第一個(gè)子幀,其位置如圖1所示(幀結(jié)構(gòu)左下角)。
在公用接入控制幀內(nèi),用戶發(fā)送入網(wǎng)申請。公用接入控制幀的時(shí)隙劃分如圖3所示,其時(shí)隙劃分可以按照16個(gè)時(shí)隙的劃分,也可以劃分出更多的微時(shí)隙,理論上當(dāng)微時(shí)隙數(shù)目越多時(shí),用戶入網(wǎng)申請的碰撞概率就越小。入網(wǎng)申請以接入突發(fā)的格式在時(shí)隙內(nèi)發(fā)送。系統(tǒng)在接收到接入申請后,查看時(shí)隙分配表CAL(Channel Allocation List),若還有信道資源可供分配,則允許用戶入網(wǎng),向其分配某幀中的固定時(shí)隙段,用戶入網(wǎng)成功,同時(shí)為其分配ID、幀號(hào),用戶獲得固定時(shí)隙。若查看CAL后發(fā)現(xiàn)當(dāng)前已沒有信道資源可供分配,則用戶入網(wǎng)請求失敗,在執(zhí)行退避后,將重新發(fā)起申請。用戶在公用接入控制幀內(nèi)的信令交互過程基于ALOHA的方式進(jìn)行。
圖3 公用接入控制幀時(shí)隙劃分示意圖
OPNET是一款功能強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)仿真軟件,它采用分層建模的方式實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)建模和仿真[9-11]。本文利用OPNET仿真軟件建立了臨近空間通信系統(tǒng)模型并對(duì)文中提出的上行MF-TDMA協(xié)議性能進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。主要考察了系統(tǒng)時(shí)延、低速業(yè)務(wù)和高速業(yè)務(wù)的傳輸性能以及協(xié)議中時(shí)幀設(shè)計(jì)及時(shí)隙段功能劃分的合理性和有效性。
2.1網(wǎng)絡(luò)模型及參數(shù)設(shè)置
網(wǎng)絡(luò)模型及拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖4所示。系統(tǒng)由中心站節(jié)點(diǎn)、臨近空間平臺(tái)節(jié)點(diǎn)(飛艇)和地面用戶節(jié)點(diǎn)組成,網(wǎng)絡(luò)覆蓋采用蜂窩網(wǎng)絡(luò),為簡化模型,僅設(shè)置7個(gè)宏蜂窩,由平臺(tái)節(jié)點(diǎn)上的多波束天線產(chǎn)生,蜂窩之間采用空分復(fù)用(SDMA)方式。中心站節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)管理功能,包括用戶的入、退網(wǎng)控制,載波和時(shí)隙的分配等等,臨近空間平臺(tái)節(jié)點(diǎn)主要實(shí)現(xiàn)中繼轉(zhuǎn)發(fā)功能。用戶節(jié)點(diǎn)模擬實(shí)際用戶實(shí)現(xiàn)信息交互,其編號(hào)采用“飛艇號(hào)_波束號(hào)_節(jié)點(diǎn)號(hào)”的方式,例如“a1_b1_node1”表示飛艇a1下第一個(gè)波束(小區(qū))覆蓋范圍內(nèi)的節(jié)點(diǎn)1。仿真參數(shù)配置如表1所示。
圖4 網(wǎng)絡(luò)模型
仿真參數(shù)值仿真參數(shù)值超幀長/幀長128ms時(shí)隙長1ms載波數(shù)/幀數(shù)10單載波速率614kbps單載波子幀數(shù)8載波總速率6.1Mbps子幀總數(shù)80單時(shí)隙支持速率4.8kbps時(shí)隙數(shù)16系統(tǒng)用戶數(shù)553固定時(shí)隙數(shù)5上行體制MF-TDMA動(dòng)態(tài)時(shí)隙數(shù)11下行體制TDM每小區(qū)用戶數(shù)79
仿真過程中系統(tǒng)采用MF-TDMA/TDM體制,利用平臺(tái)上的再生式轉(zhuǎn)發(fā)器,下行將上行鏈路的多個(gè)窄帶載波合成一個(gè)高速TDM寬帶載波,通過TDM,對(duì)單載波進(jìn)行調(diào)制,作為下行鏈路信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)給終端。
2.2仿真場景設(shè)置及結(jié)果分析
2.2.1接入時(shí)延
仿真目的:在單個(gè)小區(qū)內(nèi)分別對(duì)多個(gè)節(jié)點(diǎn)接入的過程進(jìn)行仿真,統(tǒng)計(jì)入網(wǎng)信令接入時(shí)延,驗(yàn)證時(shí)幀設(shè)計(jì)是否能支持高效率的節(jié)點(diǎn)接入過程。
場景設(shè)置:設(shè)置3個(gè)場景,發(fā)起入網(wǎng)申請的節(jié)點(diǎn)數(shù)目分別為10個(gè)、79個(gè)和100個(gè)。統(tǒng)計(jì)10個(gè)、79個(gè)節(jié)點(diǎn)的接入時(shí)延以及3個(gè)場景的接入時(shí)延對(duì)比。
仿真結(jié)果:對(duì)節(jié)點(diǎn)的接入時(shí)延進(jìn)行統(tǒng)計(jì),接入時(shí)延是指上層申請報(bào)文從進(jìn)入節(jié)點(diǎn)MAC層開始,到申請報(bào)文離開MAC層發(fā)送到物理信道為止,仿真結(jié)果如圖5所示。
從圖5(a)可以看出,10個(gè)節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)時(shí),對(duì)10個(gè)節(jié)點(diǎn)接入時(shí)延做平均,結(jié)果在64 ms左右波動(dòng)。這是因?yàn)楦鶕?jù)時(shí)幀設(shè)計(jì),公共接入控制幀每128 ms來到一次,節(jié)點(diǎn)僅在控制幀到來時(shí)發(fā)送接入申請,然而入網(wǎng)申請報(bào)文產(chǎn)生時(shí)間是隨機(jī)的,若此時(shí)控制時(shí)隙沒有到來,報(bào)文將不能發(fā)送。節(jié)點(diǎn)在一個(gè)超幀內(nèi)產(chǎn)生的入網(wǎng)申請報(bào)文平均排隊(duì)等待時(shí)間為超幀長度的一半,即64 ms,仿真結(jié)果與分析相符。
圖5(b)顯示的是79個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)入網(wǎng)的時(shí)延。仿真結(jié)果顯示,79個(gè)節(jié)點(diǎn)平均接入時(shí)延與10個(gè)節(jié)點(diǎn)接入時(shí)延相比并沒有增加。這是因?yàn)?9個(gè)節(jié)點(diǎn)數(shù)目仍然在網(wǎng)絡(luò)所支持的固定用戶數(shù)量范圍內(nèi),飛艇對(duì)每一個(gè)節(jié)點(diǎn)的入網(wǎng)申請回復(fù)都是允許入網(wǎng),節(jié)點(diǎn)的接入時(shí)延不會(huì)增加。
圖5(c)是10、79和100個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)入網(wǎng)的接入時(shí)延對(duì)比圖。結(jié)果顯示,當(dāng)有100個(gè)節(jié)點(diǎn)申請入網(wǎng)時(shí),其接入時(shí)延先在較短的一段時(shí)間內(nèi)維持在64 ms左右,隨后不斷增大,遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過64 ms的數(shù)量級(jí)。這是因?yàn)?00節(jié)點(diǎn)數(shù)目已經(jīng)超過網(wǎng)絡(luò)所支持的用戶數(shù)量,當(dāng)100個(gè)節(jié)點(diǎn)中的79個(gè)節(jié)點(diǎn)陸續(xù)入網(wǎng)之后,飛艇下發(fā)拒絕申請包,告知節(jié)點(diǎn)拒絕接受入網(wǎng)申請。對(duì)節(jié)點(diǎn)而言,未發(fā)送的入網(wǎng)申請報(bào)文將在MAC層積累無法發(fā)送,導(dǎo)致接入時(shí)延統(tǒng)計(jì)結(jié)果持續(xù)增大。
圖5 接入時(shí)延仿真結(jié)果
2.2.2低速數(shù)據(jù)通信
仿真目的:對(duì)用戶利用固定業(yè)務(wù)時(shí)隙進(jìn)行低速率業(yè)務(wù)通信的功能進(jìn)行驗(yàn)證。
場景設(shè)置:在同一飛艇a1覆蓋范圍內(nèi),仿真不同小區(qū)的用戶之間數(shù)據(jù)通信業(yè)務(wù),以b1_node1、b6_node9節(jié)點(diǎn)和b3_node4、b6_node10兩對(duì)節(jié)點(diǎn)間的雙向通信為例。業(yè)務(wù)配置為均值9.6 kbps的低速語音業(yè)務(wù)。
仿真結(jié)果:仿真結(jié)果如圖6所示。圖6(a)是b1_node1節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)率和b6_node9節(jié)點(diǎn)接收數(shù)據(jù)率;圖6(b)是b1_node1節(jié)點(diǎn)接收數(shù)據(jù)率和b6_node9節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)率??梢钥闯?,在仿真時(shí)間內(nèi),兩個(gè)節(jié)點(diǎn)的發(fā)送、接收數(shù)據(jù)率均維持在9.6 kbps左右,說明不同小區(qū)間的固定用戶能夠通過固定時(shí)隙建立有效的低速數(shù)據(jù)鏈路,系統(tǒng)具備低速業(yè)務(wù)通信的能力。b3_node4、b6_node10節(jié)點(diǎn)的仿真結(jié)果與此相同。
圖6 固定用戶間低速通信仿真結(jié)果
圖7顯示的是仿真過程中對(duì)時(shí)隙申請及獲取過程和時(shí)隙占用情況的打印。這里僅給出了b1_node1節(jié)點(diǎn)的結(jié)果,b6_node9節(jié)點(diǎn)的時(shí)隙申請及占用過程與此相同。
圖7(a)是仿真過程中節(jié)點(diǎn)與ID的對(duì)應(yīng)圖。OPNET在仿真過程中會(huì)自動(dòng)為節(jié)點(diǎn)分配ID號(hào),其對(duì)應(yīng)關(guān)系需要在仿真窗口查看。圖7(a)可以看出b1_node1節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的ID分別為3。圖7(b)是仿真開始后各個(gè)節(jié)點(diǎn)的入網(wǎng)及時(shí)隙申請過程,節(jié)點(diǎn)在每一個(gè)公共控制幀到來時(shí)發(fā)送入網(wǎng)申請,然后在獲取的固定時(shí)隙中的0號(hào)時(shí)隙發(fā)送動(dòng)態(tài)時(shí)隙申請。公共控制幀每0.128 s到來一次,持續(xù)0.016 s,可以得出公共控制幀的到來時(shí)間依次為0.001-0.016 s、0.128-0.144 s、0.256-0.272 s、0.384-0.400 s、0.512-0.528 s往后類推,圖中b1_node1、b3_node4、和b6_node10申請固定時(shí)隙的時(shí)間均落在公共控制幀到來的時(shí)間段之內(nèi),證明了公共控制幀設(shè)計(jì)的有效性。
圖7(c)是b1_node1節(jié)點(diǎn)的時(shí)隙占用情況,運(yùn)用OPNET的打印功能顯示??梢钥闯鏊@取了該小區(qū)內(nèi)的F0-T1子幀。打印結(jié)果中的時(shí)隙號(hào)0~15對(duì)應(yīng)時(shí)幀設(shè)計(jì)中每個(gè)子幀的時(shí)隙劃分,其中0~4號(hào)為固定時(shí)隙,5~15號(hào)為動(dòng)態(tài)時(shí)隙。打印結(jié)果中每個(gè)時(shí)隙號(hào)冒號(hào)后面的數(shù)字表示當(dāng)前該時(shí)隙是由哪個(gè)節(jié)點(diǎn)占用的,-1表示未占用??梢钥闯?,仿真過程中,b1_node1節(jié)點(diǎn)占用了所獲得子幀中的固定時(shí)隙,這與本文第2節(jié)關(guān)于時(shí)隙功能的設(shè)計(jì)相吻合。除此之外,節(jié)點(diǎn)還申請了一個(gè)動(dòng)態(tài)時(shí)隙,這是由于實(shí)際業(yè)務(wù)包速率大于9.6 kbps,為了避免信息累積,系統(tǒng)為節(jié)點(diǎn)優(yōu)先分配了同一子幀中的動(dòng)態(tài)時(shí)隙。
圖7 固定用戶間低速通信時(shí)隙占用情況打印
2.2.3高速數(shù)據(jù)傳輸
仿真目的:驗(yàn)證用戶進(jìn)行高速數(shù)據(jù)傳輸時(shí),申請動(dòng)態(tài)時(shí)隙以實(shí)現(xiàn)4 Mbps的傳輸數(shù)據(jù)率。即驗(yàn)證系統(tǒng)能否支持高速業(yè)務(wù)的傳輸。
場景設(shè)置:以小區(qū)b1為仿真場景,僅激活b1_node1節(jié)點(diǎn)。仿真開始后節(jié)點(diǎn)b1_node1產(chǎn)生圖像數(shù)據(jù)上傳需求,通過申請并獲得動(dòng)態(tài)時(shí)隙以實(shí)現(xiàn)4 Mbps的數(shù)據(jù)率。仿真開始后,對(duì)節(jié)點(diǎn)b1_node1的發(fā)送數(shù)據(jù)率進(jìn)行統(tǒng)計(jì),并打印時(shí)隙占用情況表。
仿真結(jié)果:仿真結(jié)果如圖8所示。圖8(a)是節(jié)點(diǎn)b1_node1的發(fā)送數(shù)據(jù)率統(tǒng)計(jì)圖,仿真開始后第100 s節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生大容量數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)率為4 Mbps,并維持至仿真結(jié)束,證明系統(tǒng)能夠支持高達(dá)4 Mbps的高速業(yè)務(wù)傳輸,驗(yàn)證了系統(tǒng)對(duì)高速業(yè)務(wù)的支持。
圖8(b)是b1_node1節(jié)點(diǎn)在仿真開始后的接入及動(dòng)態(tài)時(shí)隙申請過程,可以看出節(jié)點(diǎn)在仿真開始100 s后申請動(dòng)態(tài)時(shí)隙,根據(jù)業(yè)務(wù)量大小共申請829個(gè)動(dòng)態(tài)時(shí)隙,幾乎占據(jù)了時(shí)隙資源塊中的全部動(dòng)態(tài)時(shí)隙,動(dòng)態(tài)時(shí)隙的位置從F0-T1開始一直到F9-T5,這與設(shè)計(jì)和理論分析相符。圖8(c)和(d)是仿真過程中的時(shí)隙占用情況打印圖,由于一個(gè)小區(qū)內(nèi)存在80個(gè)子幀,無法全部打印,在此僅打印了部分占用情況。從圖中可以看出,F(xiàn)0頻率和F3頻率內(nèi)的所有動(dòng)態(tài)時(shí)隙均被ID3號(hào)節(jié)點(diǎn)即節(jié)點(diǎn)b1_node1占用,而固定時(shí)隙則未占用,證明系統(tǒng)能夠通過分配動(dòng)態(tài)時(shí)隙實(shí)現(xiàn)對(duì)高速大容量業(yè)務(wù)的支持,從而驗(yàn)證了時(shí)幀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和時(shí)隙分配合理有效。
圖8 高速數(shù)據(jù)傳輸仿真結(jié)果
臨近空間通信系統(tǒng)作為新興的無線移動(dòng)通信系統(tǒng),勢必會(huì)受到越來越多的關(guān)注和研究。在面向多用戶混合業(yè)務(wù)傳輸需求的背景之下,本文提出了一種改進(jìn)的MF-TDMA協(xié)議,該協(xié)議通過固定時(shí)隙段的設(shè)計(jì)保證了用戶的最低傳輸性能,實(shí)現(xiàn)了對(duì)低速業(yè)務(wù)的支持;通過動(dòng)態(tài)時(shí)隙段的充分復(fù)用實(shí)現(xiàn)了對(duì)高速業(yè)務(wù)的支持。不同時(shí)隙段的劃分將業(yè)務(wù)分離,降低了不同類型業(yè)務(wù)的接入碰撞,提高了信道利用率。最后通過OPNET完成了系統(tǒng)建模和協(xié)議性能仿真,仿真結(jié)果表明新的協(xié)議能夠按照設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)從超幀到幀再到時(shí)隙不同層次的功能,系統(tǒng)支持不同類型、不同速率業(yè)務(wù)的傳輸,驗(yàn)證了協(xié)議設(shè)計(jì)的合理性和有效性。
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(責(zé)任編輯楊繼森)
Access Protocol Design and OPNET Simulation of Near Space Communication System Based on MF-TDMA
WU Xiang-yu, LIAO Yu-rong, NI Shu-yan
(Department of Photoelectricity Equipment, Equipment Academy of PLA, Beijing 101416, China)
As a new branch of wireless communication system, near space communication system faced the problem of providing support for multi services, therefore, it is necessary to design an efficient multiple access protocol to meet the complex communication needs. An improved protocol based on multi-frequency division multiple access (MF-TDMA) was proposed, by dividing the time slots in two different parts, the design of fixed slots segment and the dynamic slots segment were proposed, which realizes the protocol well supports of the mixed services of different types and different rates according to different fuctions. OPNET simulation software was used to finish the system modeling and protocol performance simulation, and the simulation results verify the rationality and effectiveness of the protocol design.
near space communication system; MF-TDMA; access protocol; OPNET simulation
2016-02-18;
2016-03-19
吳翔宇(1991—),男,碩士研究生,主要從事無線通信網(wǎng)絡(luò)研究。
10.11809/scbgxb2016.08.030
format:WU Xiang-yu, LIAO Yu-rong, NI Shu-yan.Access Protocol Design and OPNET Simulation of Near Space Communication System Based on MF-TDMA[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2016(8):131-136.
TN925.93
A
2096-2304(2016)08-0131-06
【信息科學(xué)與控制工程】