◆鄒 健 劉藍(lán)田

?

航空自組網(wǎng)拓?fù)渫该鲿r(shí)分多址接入?yún)f(xié)議設(shè)計(jì)與建模優(yōu)化分析

◆鄒 健 劉藍(lán)田

（中國(guó)電子科技集團(tuán)第二十八研究所 江蘇 210007）

航空自組網(wǎng)允許節(jié)點(diǎn)通過(guò)兩種方式直接通信，即單跳式和多跳式，其不需要依賴(lài)于地面控制中心，即可為航空通信提供靈活網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。以此為基礎(chǔ)，改設(shè)計(jì)能夠自行組織多址接入?yún)f(xié)議——TDMA。在拓?fù)渫该鲿r(shí)和時(shí)隙自組織的基礎(chǔ)上，通過(guò)引入時(shí)隙二次分配形式，能夠保障網(wǎng)絡(luò)時(shí)針保持空閑與沖突時(shí)隙。通過(guò)數(shù)字模塊分析二次節(jié)點(diǎn)競(jìng)爭(zhēng)中的最佳概率，能夠使保障時(shí)隙的最佳利用率。

航空自組網(wǎng)；時(shí)隙利用率；自組織時(shí)分多址接口；二次分配

0 引言

隨著我國(guó)移動(dòng)自組網(wǎng)不斷發(fā)展與革新，該技術(shù)在航空通信領(lǐng)域中的應(yīng)用愈加廣泛，進(jìn)而形成航空自主網(wǎng)。在該網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點(diǎn)是通過(guò)自組織的形式形成自發(fā)組網(wǎng)，該通信方式不需要依賴(lài)地面控制中心，并通過(guò)單跳式和多跳式實(shí)現(xiàn)兩種直通通信。航空自組網(wǎng)具備靈活、效率高、可靠性高、抗沖擊等優(yōu)點(diǎn)，能夠有效滿(mǎn)足未來(lái)飛行器的運(yùn)行需求，該技術(shù)無(wú)論在民航還是軍用航空都具備廣闊前景，具有重要的應(yīng)用價(jià)值和理論研究?jī)r(jià)值。

1 STDMA協(xié)議

STDMA是當(dāng)今航空領(lǐng)域應(yīng)用比較廣的技術(shù)，其每個(gè)節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)所選的時(shí)隙數(shù)量，要以自身報(bào)文報(bào)告率決定——。以現(xiàn)有的STDMA協(xié)議分析，該節(jié)點(diǎn)自組織選取傳輸時(shí)隙主要有以下四種階段：

1.1 初始階段

在該階段中，節(jié)點(diǎn)通過(guò)偵聽(tīng)其它節(jié)點(diǎn)中的報(bào)文形成系統(tǒng)時(shí)隙狀態(tài)，進(jìn)而預(yù)設(shè)選擇最優(yōu)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。

1.2 入網(wǎng)階段

節(jié)點(diǎn)在確定為最優(yōu)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)后，會(huì)根據(jù)時(shí)隙狀態(tài)選擇第一個(gè)傳輸時(shí)隙，并且通過(guò)網(wǎng)絡(luò)定位來(lái)傳輸自身的位置信息，并告知其它節(jié)點(diǎn)加入本節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)。節(jié)點(diǎn)首先要根據(jù)網(wǎng)絡(luò)時(shí)幀中的總時(shí)隙S與的比例指來(lái)確定時(shí)隙間隔。待到確定后，要根據(jù)時(shí)隙狀態(tài)表中的時(shí)隙占有率來(lái)選擇最優(yōu)可傳輸時(shí)隙，并根據(jù)時(shí)隙來(lái)確定后續(xù)的選擇基準(zhǔn)。

1.3 第一時(shí)幀階段

待到節(jié)點(diǎn)選擇萬(wàn)后續(xù)傳輸時(shí)隙時(shí)，要定義NTS中心時(shí)隙選擇窗口——，窗口大小為1/5。在每個(gè)中，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都會(huì)在空閑時(shí)選擇最優(yōu)傳輸時(shí)隙。待到節(jié)點(diǎn)前一個(gè)時(shí)隙接受時(shí)，會(huì)自動(dòng)廣播下一個(gè)時(shí)隙信息。待到第一時(shí)幀完畢之后，即進(jìn)入后續(xù)時(shí)幀階段。

1.4 后續(xù)時(shí)幀階段

待到第一時(shí)幀階段結(jié)束之后，該節(jié)點(diǎn)會(huì)繼續(xù)使用第一時(shí)幀階段來(lái)播放傳輸時(shí)隙未來(lái)的預(yù)約信息。

2 ESTDMA協(xié)議

2.1 網(wǎng)絡(luò)時(shí)幀結(jié)構(gòu)定義

ESTDMA協(xié)議將網(wǎng)絡(luò)時(shí)幀時(shí)隙劃分為四個(gè)階段，即首次分配階段、二次分配階段、數(shù)據(jù)傳輸階段、收方應(yīng)答階段。其中，首次、二次分配階段還能夠進(jìn)一步劃分為預(yù)約請(qǐng)求RTR與預(yù)約應(yīng)答CTR。

2.2 自組織時(shí)隙選取中的時(shí)隙首次分配

節(jié)點(diǎn)選擇要根據(jù)STDMA中的時(shí)隙選擇法，進(jìn)而選擇自身的信息傳遞時(shí)隙。當(dāng)新時(shí)隙到來(lái)之時(shí)，節(jié)點(diǎn)可自主判斷當(dāng)前所選時(shí)隙是否滿(mǎn)足預(yù)設(shè)時(shí)隙效果。如果所選時(shí)隙符合標(biāo)準(zhǔn)，則將該時(shí)隙設(shè)置成待發(fā)狀態(tài)，進(jìn)而對(duì)廣播發(fā)送時(shí)隙進(jìn)行分組，或者預(yù)約當(dāng)前時(shí)隙。如果節(jié)點(diǎn)內(nèi)容為廣播業(yè)務(wù)，則需要將廣播數(shù)據(jù)進(jìn)行分組；如果節(jié)點(diǎn)內(nèi)容為單播任務(wù)，則可以在首次分配階段發(fā)送RTR幀來(lái)預(yù)約當(dāng)前時(shí)隙。待到接收點(diǎn)接受到RTR時(shí)幀后，要對(duì)CTR幀給予回復(fù)。如發(fā)送點(diǎn)接受到CTR數(shù)據(jù)，則代表間隙預(yù)約成功，所發(fā)送的節(jié)點(diǎn)可以在實(shí)習(xí)數(shù)據(jù)傳輸中無(wú)沖突的發(fā)送數(shù)據(jù)分組信息。如果節(jié)點(diǎn)時(shí)隙在首次分配階段出現(xiàn)問(wèn)題，則代表在同一網(wǎng)絡(luò)中有多個(gè)節(jié)點(diǎn)選擇了同一時(shí)隙，造成預(yù)約擁堵或預(yù)約沖突，這時(shí)即可采用二次分配手段讓節(jié)點(diǎn)再次競(jìng)爭(zhēng)時(shí)隙。在時(shí)隙選擇過(guò)程中，如果節(jié)點(diǎn)所選時(shí)隙不是預(yù)設(shè)時(shí)隙，那么該節(jié)點(diǎn)所發(fā)送的認(rèn)為即為單播任務(wù)，節(jié)點(diǎn)在首次分配階段CTR階段監(jiān)聽(tīng)信道，如果該信道保持空閑，那么節(jié)點(diǎn)即可采用二次分配時(shí)隙競(jìng)爭(zhēng)策略來(lái)預(yù)測(cè)當(dāng)前時(shí)隙。

2.3 競(jìng)爭(zhēng)時(shí)隙時(shí)的二次分配測(cè)量

在特定的網(wǎng)絡(luò)條件下，節(jié)點(diǎn)通過(guò)建模分析技術(shù)來(lái)確定網(wǎng)絡(luò)吞吐最大值，進(jìn)而獲取二次分配階段預(yù)約時(shí)隙最大概率P。如果節(jié)點(diǎn)在首次分配階段沒(méi)有成功獲取時(shí)隙，或者首次肥培階段的CTR監(jiān)聽(tīng)通道空閑，那么該幾點(diǎn)要進(jìn)入二次競(jìng)爭(zhēng)配分節(jié)點(diǎn)，并將最大概率P值發(fā)送到RTR中，待到RTR受到指令后進(jìn)行競(jìng)爭(zhēng)二次預(yù)約時(shí)隙。接受節(jié)點(diǎn)受到RTR命令后，要給CTR發(fā)送應(yīng)答信息。如果節(jié)點(diǎn)在競(jìng)爭(zhēng)中的二次分配中預(yù)約成功，那么當(dāng)前時(shí)隙數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)會(huì)無(wú)沖突地傳輸數(shù)據(jù)信息。

3 二次分配節(jié)點(diǎn)節(jié)點(diǎn)競(jìng)爭(zhēng)預(yù)約時(shí)隙模塊優(yōu)化

二次分配節(jié)點(diǎn)競(jìng)爭(zhēng)預(yù)約時(shí)隙最大概率是影響預(yù)約成功率（P）的關(guān)鍵因素，因此，為了能夠提高最大預(yù)約率P可以從以下幾點(diǎn)出發(fā)：

當(dāng)發(fā)送節(jié)點(diǎn)在首次配分選擇時(shí)隙向接受節(jié)點(diǎn)發(fā)送時(shí)隙預(yù)約時(shí)，如果發(fā)送節(jié)點(diǎn)臨據(jù)節(jié)點(diǎn)同時(shí)向接受節(jié)點(diǎn)發(fā)送預(yù)約指令時(shí)，要進(jìn)行廣播數(shù)據(jù)分組，由于預(yù)約節(jié)點(diǎn)過(guò)多，會(huì)使首次預(yù)約間隙發(fā)生沖突，導(dǎo)致發(fā)送節(jié)點(diǎn)時(shí)隙預(yù)約失敗。假設(shè)網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)預(yù)約成功率相同、時(shí)隙選擇窗口相同時(shí)，則預(yù)約節(jié)點(diǎn)時(shí)隙和選擇窗口會(huì)有一個(gè)重復(fù)率。則會(huì)出現(xiàn)首次分配預(yù)約率吞吐量T1與二次預(yù)約成功吞吐量T2，因此，想要提高首次分配成功率可以提高發(fā)送節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)量，減少其他發(fā)送節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)量；二次競(jìng)爭(zhēng)時(shí)隙預(yù)約要重點(diǎn)提高競(jìng)爭(zhēng)預(yù)約率P，將競(jìng)爭(zhēng)預(yù)約時(shí)隙獲得系統(tǒng)中最大的單播吞吐量，進(jìn)而提高競(jìng)爭(zhēng)預(yù)約成功率。

4 結(jié)果比較分析

本文重點(diǎn)提出了ESTDMA 協(xié)議與 STDMA 協(xié)議，二者作為兩種不同的通信協(xié)議，通過(guò)二者進(jìn)行比較能夠選擇最優(yōu)的通信協(xié)議。

4.1 模型驗(yàn)證

在不同發(fā)送節(jié)點(diǎn)條件下，能夠得到單播吞吐量與最大預(yù)約量之間的關(guān)系。通過(guò)二者能夠的競(jìng)爭(zhēng)最大預(yù)約概率P，并將ESTDMA 協(xié)議與 STDMA 協(xié)議中的P進(jìn)行對(duì)比，由于ESTDMA通過(guò)多次預(yù)約，并且能夠融入多個(gè)發(fā)送節(jié)點(diǎn)，因此在發(fā)送節(jié)點(diǎn)相同的情況下，在二次分配中競(jìng)爭(zhēng)節(jié)點(diǎn)中，ESTDMA的預(yù)約時(shí)隙最佳概率最大，即在二次分配中ESTDMA預(yù)約成功率最大。

通過(guò)對(duì)二次分配階段預(yù)約時(shí)隙所獲得的最大吞吐量值與ESTDMA的最大吞吐量進(jìn)行對(duì)比。我們從中可以分析到，在不同的發(fā)送節(jié)點(diǎn)條件下，ESTDMA所得出的最大單播吞吐量能夠與理論最大吞吐量保持一致。無(wú)論是實(shí)驗(yàn)值還是仿真值，都能夠說(shuō)明ESTDMA協(xié)議在特定的發(fā)送節(jié)點(diǎn)條件下，能夠保障最大吞吐量。

4.2 協(xié)議性能評(píng)估

通過(guò)對(duì)發(fā)送節(jié)點(diǎn)數(shù)量、預(yù)約最大概率、播放組概率分析比較，能夠得出，在節(jié)點(diǎn)數(shù)量與播放組概率相同時(shí)，發(fā)送節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)為單播業(yè)務(wù)概率越大，ESTDMA 協(xié)議與 STDMA 協(xié)議所獲得單播吞吐量越大。如果發(fā)送節(jié)點(diǎn)數(shù)量與預(yù)約量一定時(shí)，則網(wǎng)絡(luò)層隊(duì)列中的數(shù)據(jù)組發(fā)送概率越大，ESTDMA 協(xié)議與 STDMA 協(xié)議的獲得單播吞吐量就越大，因此，發(fā)送節(jié)點(diǎn)數(shù)量與單播最大吞吐量有直接關(guān)系。這是由于播放組概率和最大預(yù)約率與網(wǎng)絡(luò)層隊(duì)列單播數(shù)據(jù)組為正比，數(shù)據(jù)組越多，發(fā)送的單播數(shù)組組的概率越大，因此2中協(xié)議會(huì)獲得最大吞吐量。由于ESTDMA中存有二次競(jìng)爭(zhēng)預(yù)約技術(shù)，如果首次分配出現(xiàn)問(wèn)題會(huì)進(jìn)行二次競(jìng)爭(zhēng)分配，因此，ESTDMA 協(xié)議與 STDMA 協(xié)議相比，ESTDMA能夠獲得更好的單播吞吐性能。隨著發(fā)送節(jié)點(diǎn)不斷增加，2中協(xié)議的單播吞吐量也隨之減少，但ESTDMA依然更勝一籌。

5 結(jié)束語(yǔ)

航空自組網(wǎng)在航空通信領(lǐng)域中有著廣闊的應(yīng)用前景。本文介紹了ESTDMA 協(xié)議與 STDMA 協(xié)議，其中，ESTDMA引入了二次競(jìng)爭(zhēng)預(yù)約方案，能夠?qū)崿F(xiàn)時(shí)隙利用率的最大化。因此，ESTDMA是航空通信領(lǐng)域應(yīng)用與發(fā)展的一大趨勢(shì)。希望相關(guān)部門(mén)、相關(guān)人員結(jié)合節(jié)點(diǎn)不同服務(wù)需求與類(lèi)型，不斷研究時(shí)隙最佳優(yōu)化方法，推動(dòng)我國(guó)航空通信發(fā)展。

[1]李斌，李文鋒.WSN與RFID 技術(shù)的融合研究[J].計(jì)算機(jī)工程，2013．

[2]紀(jì)志成，趙祥.基于改進(jìn)遺傳算法的集成網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)部署優(yōu)化[J].控制工程，2012．

[3]任劍鋒，張永強(qiáng).一種改進(jìn)粒子群迭代優(yōu)化的集成網(wǎng)絡(luò)智能節(jié)點(diǎn)部署算法[J].計(jì)算機(jī)科學(xué)，2013．

[4]劉鷹，趙小晴，張開(kāi)偉.基于粒子群與圖著色的RFID閱讀器網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化[J].計(jì)算機(jī)工程與設(shè)計(jì)，2014．

[5]江銘炎，袁東風(fēng).人工蜂群算法及應(yīng)用[M].北京：科學(xué)出版社，2014．