石偉明

（中國電子科技集團公司第二十研究所，西安，710068）

0 引言

數(shù)據(jù)鏈是采用網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)和應(yīng)用協(xié)議有效地鏈接各種作戰(zhàn)平臺，實現(xiàn)戰(zhàn)術(shù)信息處理和傳輸?shù)能娪脭?shù)據(jù)通信系統(tǒng)。數(shù)據(jù)鏈在現(xiàn)代信息化戰(zhàn)爭中起著神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的作用,能夠快速激活全維戰(zhàn)場中的各種作戰(zhàn)力量，對作戰(zhàn)能力的提升起到“黏合劑”和“倍增器”的作用，能夠有效地縮短傳感器到射手的反應(yīng)時間。

多址接入?yún)f(xié)議提供了一種信道共享的調(diào)度機制，確保多個通信節(jié)點間公平、高效地共享相同的無線信道資源，決定了節(jié)點業(yè)務(wù)量和網(wǎng)絡(luò)吞吐量，是數(shù)據(jù)鏈路層設(shè)計的重中之重。多址接入?yún)f(xié)議決定了分組接入信道的方式，確保多個通信節(jié)點間公平、高效地共享相同的無線信道資源，很大程度上影響了分組傳輸成功率和平均時延性能，是數(shù)據(jù)鏈路層設(shè)計的核心問題。

1 現(xiàn)有數(shù)據(jù)鏈接入?yún)f(xié)議

現(xiàn)有數(shù)據(jù)鏈數(shù)據(jù)鏈路層設(shè)計大多基于 TDMA或者SPMA接入體制。兩種體制分別有以下優(yōu)缺點：

TDMA協(xié)議屬于固定接入?yún)f(xié)議的一種，TDMA協(xié)議在節(jié)點個數(shù)較少或信道帶寬較大時，可以滿足節(jié)點的業(yè)務(wù)量需求；并且由于各時隙間互不重疊且具有保護時隙，使用 TDMA協(xié)議可以避免多址干擾，保證分組傳輸?shù)某晒β省５?TDMA協(xié)議的信道利用率較低，不能根據(jù)節(jié)點業(yè)務(wù)需求的變化及時調(diào)整時隙分配方案，從而導致時隙分配不合理，造成資源浪費[1]。

SPMA屬于隨機接入?yún)f(xié)議的一種，它是一種跨層協(xié)議，具有遠距離、低時延、高速率的特點[2]。一方面，它需要物理層統(tǒng)計無線信道出現(xiàn)的分組總數(shù)，作為衡量信道負載擁塞情況的依據(jù)；另一方面，SPMA 支持多優(yōu)先級傳輸功能。SPMA協(xié)議根據(jù)當前的信道負載統(tǒng)計信息和對應(yīng)的門限閾值來控制其是否接入網(wǎng)絡(luò)，視信道負載的升高來逐步減少低優(yōu)先級分組的發(fā)送機會，從而合理地控制信道負載，減少脈沖間發(fā)送碰撞的概率。但是在節(jié)點數(shù)多的情況下，碰撞不可避免，較 TDMA體制，傳輸成功率低。

現(xiàn)有 TDMA網(wǎng)絡(luò)具有傳輸?shù)目煽啃詤s無法保證信息傳送時延的問題，而SPMA網(wǎng)絡(luò)雖然具有很好的低時延性，但卻無法保證數(shù)據(jù)包傳輸?shù)目煽啃?，為了克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本協(xié)議提出并設(shè)計了一種基于SPMA與TDMA混合接入的自組織網(wǎng)絡(luò)體系的多址接入?yún)f(xié)議。

2 基于雙通道多址接入方法設(shè)計介紹

本協(xié)議采用物理層雙通道接收特性，建立2個物理隔離通道，分別用于TDMA和SPMA，每個成員同時在兩個通道上進行數(shù)據(jù)收發(fā)。

圖1 TDMA發(fā)送管理

2.1 TDMA接入方法設(shè)計

TDMA多址接入方法主要維護網(wǎng)絡(luò)的可靠運行，網(wǎng)絡(luò)分配的資源僅保留入網(wǎng)、PPLI、網(wǎng)管資源和相應(yīng)的中繼資源，采用預先分配的方式。為了保證組網(wǎng)靈活性僅設(shè)計大、中、小三種成員規(guī)模，網(wǎng)絡(luò)資源和平臺對應(yīng)關(guān)系采用平臺 ID號實現(xiàn)方式，這些資源都是主網(wǎng)資源。保留時間基準、輔助時間基準、替補時間基準、中繼等網(wǎng)絡(luò)責任。該通道僅限于組網(wǎng)使用，主要消息包括PPLI、入網(wǎng)、網(wǎng)管等，TDMA通道無層疊網(wǎng)，采用中繼的方式實現(xiàn)信息轉(zhuǎn)發(fā)。

在系統(tǒng)組網(wǎng)前，由網(wǎng)絡(luò)層向 TDMA資源管理器設(shè)置資源分配表。TDMA通道嚴格按照時隙起點發(fā)送數(shù)據(jù)，網(wǎng)絡(luò)層在網(wǎng)絡(luò)建立前將時隙分配方式下發(fā)到鏈路層，鏈路層根據(jù)時隙類型建立發(fā)送隊列。例如當網(wǎng)絡(luò)層需要發(fā)送 NPG為入網(wǎng)消息類型的數(shù)據(jù)幀時，將產(chǎn)生的數(shù)據(jù)通過接口送往 TDMA發(fā)送管理模塊，TDMA發(fā)送管理模塊根據(jù)類型將該數(shù)據(jù)放入入網(wǎng)消息發(fā)送隊列，等待入網(wǎng)時隙的到來。當從接收模塊接收到入網(wǎng)消息，將數(shù)據(jù)拷貝送往TDMA發(fā)送管理模塊，TDMA發(fā)送管理模塊的中繼過濾器判決是否轉(zhuǎn)發(fā)，如需轉(zhuǎn)發(fā)將數(shù)據(jù)幀放入入網(wǎng)中繼發(fā)送隊列。當新的一個時隙到來時，根據(jù)下一時隙NPG類型從不同NPG隊列中獲取TDMA數(shù)據(jù)幀發(fā)送物理層，并向發(fā)送調(diào)度模塊發(fā)送 TDMA預約信號，物理層在下一個時隙到來時發(fā)送TDMA數(shù)據(jù)幀，數(shù)據(jù)發(fā)送完成后向發(fā)送調(diào)度模塊發(fā)送“信道釋放信號”。

2.2 SPMA接入方法設(shè)計

所有應(yīng)用層業(yè)務(wù)使用SPMA通道，采用SPMA調(diào)度算法實現(xiàn)信息收發(fā)，業(yè)務(wù)消息的超視距通信采用路由方式傳輸。SPMA接入方法設(shè)計主要由信道負載統(tǒng)計、多優(yōu)先級QoS及流量控制組成。

2.2.1 信道負載統(tǒng)計

信道占用狀態(tài)通過 SPMA協(xié)議的控制算法從物理層獲得，根據(jù)信道中檢測到的脈沖的數(shù)目和預先設(shè)定的閾值確定信道的占用狀態(tài)。通過在每個頻點上都分別統(tǒng)計信道占用狀態(tài)，最后得出整個可用時頻空間中的信道負載統(tǒng)計。從物理層獲得的信道負載統(tǒng)計還將通過網(wǎng)絡(luò)層的網(wǎng)絡(luò)感知消息（PPLI消息）進行校準，若兩者的測量結(jié)果之間的差距超過一定容限時，使用啟發(fā)式技術(shù)去估計實際的信道占用狀態(tài)。

2.2.2 多優(yōu)先級的QoS設(shè)計

SPMA協(xié)議采用了多優(yōu)先級的QoS機制[3]，總體的原則是高優(yōu)先級的包比低優(yōu)先級的包有更大的概率接入信道。根據(jù)信道負載統(tǒng)計，當網(wǎng)絡(luò)的負載超過一定閾值時，SPMA協(xié)議將優(yōu)先保證高優(yōu)先級包的信道接入，而減少低優(yōu)先級包接入信道的機會。另外，低時延業(yè)務(wù)具有最高優(yōu)先級，不經(jīng)過SPMA調(diào)度算法協(xié)議直接進入物理層發(fā)射。

2.2.3 流量控制機制

當網(wǎng)絡(luò)超載時，SPMA協(xié)議將首先控制低優(yōu)先級數(shù)據(jù)的流量，減少低優(yōu)先級包接入信道的機會，直到網(wǎng)絡(luò)負載降低到一定水平以下時，再恢復低優(yōu)先級包的正常接入。如果網(wǎng)絡(luò)負載始終很高，SPMA協(xié)議會阻塞低優(yōu)先級包的發(fā)送；若網(wǎng)絡(luò)變得嚴重超載，會相繼阻塞高優(yōu)先級包的發(fā)送。這樣做的效果是，SPMA協(xié)議使得網(wǎng)絡(luò)中的各個節(jié)點具備了認知屬性，可以根據(jù)網(wǎng)絡(luò)負載狀態(tài)選擇是否接入信道，避免信道繁忙造成的碰撞丟包，實現(xiàn)“削峰填谷”讓網(wǎng)絡(luò)負載保持平穩(wěn)狀態(tài)。

2.3 發(fā)送調(diào)度設(shè)計

2.3.1 負載統(tǒng)計模塊

現(xiàn)有的負載統(tǒng)計是基于物理層獲取信道負載或者網(wǎng)絡(luò)層獲取信道負載統(tǒng)計，兩種方法各有優(yōu)缺點。在輕負載情況下，使用物理層獲得的信道負載統(tǒng)計值具有很高的準確性，但重負載下同步信號嚴重丟失導致從物理層獲得的信道負載統(tǒng)計值比實際信道負載值偏小。網(wǎng)絡(luò)層負載統(tǒng)計對統(tǒng)計時效性比較差，但在重負載情況下具有較高的正確性。本文結(jié)合兩種方法的優(yōu)缺點，設(shè)計了一種準確的混合式信道負載統(tǒng)計方法。

該統(tǒng)計方法在輕負載情況下，使用物理層獲得的信道負載統(tǒng)計值，在避免重負載下同步信號嚴重丟失導致從物理層獲得的信道負載統(tǒng)計值比實際信道負載值偏小，可以通過網(wǎng)絡(luò)層獲得的信道負載統(tǒng)計值進行校準，若兩者統(tǒng)計結(jié)果之間的差距超過一定容限時，從物理層獲得的信道負載統(tǒng)計值可信度較低，此時使用網(wǎng)絡(luò)層獲得的信道負載統(tǒng)計值進行校準。

2.3.2 發(fā)送決策模塊

網(wǎng)絡(luò)中真正存在的數(shù)據(jù)包個數(shù)是由網(wǎng)絡(luò)中的每個發(fā)送端決定的，因此每個發(fā)送端的數(shù)據(jù)包發(fā)送速率是網(wǎng)絡(luò)中真實網(wǎng)絡(luò)負載的決定因素。因此采用基于發(fā)送端的網(wǎng)絡(luò)負載感知與控制方法。

首先，每個節(jié)點采用離線仿真的方法，獲取本節(jié)點傳輸覆蓋范圍內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)負載與丟包率、吞吐率等的映射關(guān)系，并確定出給定丟包率P下的節(jié)點發(fā)送速率之和UP；其次，每個節(jié)點根據(jù)負載統(tǒng)計模塊更新統(tǒng)計的網(wǎng)絡(luò)負載及發(fā)送速率，并預測其在下一個時鐘周期內(nèi)的業(yè)務(wù)發(fā)送速率；然后，每個節(jié)點通過與其鄰節(jié)點交互各自預測的發(fā)送速率μ，獲知其傳輸覆蓋范圍內(nèi)其他鄰節(jié)點的發(fā)送速率；最后，每個節(jié)點在發(fā)送數(shù)據(jù)包時，根據(jù)下述公式計算當前數(shù)據(jù)包的發(fā)送速率μ。

其中，數(shù)據(jù)包的發(fā)送速率μ的計算公式如下：

其中，Δ為速率變化的增量，Δ=0.1*Up total _ node。若連續(xù)兩次0μ+Δ，則Δ=2Δ；若連續(xù)兩次0μ-Δ，則Δ=Δ/2。稱為該節(jié)點處的剩余網(wǎng)絡(luò)負載容限，該值的大小決定了本節(jié)點在下一個時鐘周期內(nèi)的發(fā)送速率。

式（1）是將剩余網(wǎng)絡(luò)負載容限與上個周期的數(shù)據(jù)包發(fā)送速率進行比較，在原有的發(fā)送速率的基礎(chǔ)上進行調(diào)整，保證發(fā)送速率不會有太大的波動。

2.3.3 發(fā)送調(diào)度控制

由于端機發(fā)射機只有一個，應(yīng)優(yōu)先保障網(wǎng)絡(luò)運行正常，因此 TDMA通道數(shù)據(jù)發(fā)送優(yōu)先級最高，SPMA任何發(fā)送數(shù)據(jù)都需要避讓 TDMA發(fā)送的數(shù)據(jù)。其次才是采用 SPMA優(yōu)先級發(fā)送策略決定SPMA發(fā)送隊列中各優(yōu)先級數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的發(fā)送順序。

發(fā)送調(diào)度控制示意圖如圖 2所示，當有 TDM數(shù)據(jù)發(fā)送時，TDMA發(fā)送管理模塊提前一個時隙向調(diào)度模塊發(fā)送預約信號，預約信號可以在下一時隙暫停SPMA發(fā)送調(diào)度，待TDMA發(fā)送管理模塊發(fā)送“發(fā)送完成”信號，釋放信道資源后，調(diào)度模塊繼續(xù)工作。

圖2 發(fā)送調(diào)度示意圖

圖3 輕負載下負載統(tǒng)計

圖4 重負載下負載統(tǒng)計

負載統(tǒng)計模塊接收物理層和網(wǎng)絡(luò)層信道負載統(tǒng)計及本節(jié)點發(fā)送統(tǒng)計，當兩者統(tǒng)計結(jié)果相近時，向發(fā)送決策模塊輸送物理層統(tǒng)計結(jié)果，當物理層和網(wǎng)絡(luò)層統(tǒng)計相差達到一定門限是，說明網(wǎng)絡(luò)存在嚴重的沖突，向發(fā)送決策模塊輸送網(wǎng)絡(luò)層統(tǒng)計結(jié)果，降低各個節(jié)點發(fā)送速率，降低網(wǎng)絡(luò)的負載。

發(fā)送決策模塊根據(jù)負載統(tǒng)計模塊統(tǒng)計結(jié)果用式（1）實時計算節(jié)點發(fā)送速率，即單位時間內(nèi)發(fā)送脈沖的個數(shù)。當發(fā)送決策模塊可以發(fā)送SPMA數(shù)據(jù)時，根據(jù)優(yōu)先級選擇器輸出結(jié)果，調(diào)度相應(yīng)優(yōu)先級的SPMA數(shù)據(jù)。

3 仿真研究

3.1 發(fā)送速率UP

仿真得出在10、20、40和80個節(jié)點下丟包率為5%的情況下發(fā)送速率UP值如表1所示。

表1 不同節(jié)點個數(shù)下丟包率5%的發(fā)送速率UP值（個/s）

3.2 混合式信道負載統(tǒng)計

圖3和圖4分別是輕負載和重負載下網(wǎng)絡(luò)層負載統(tǒng)計和物理層負載統(tǒng)計仿真圖。當在輕負載下，物理層負載統(tǒng)計和網(wǎng)絡(luò)層負載統(tǒng)計結(jié)果基本一致，所以此時向發(fā)送調(diào)度模塊輸出的是物理層負載統(tǒng)計結(jié)果。當在整個網(wǎng)絡(luò)負載較重的擁塞情況下，信道由于沖突，從物理層獲得的信道負載統(tǒng)計值與實際信道負載值相比存在很大誤差，此時，使用網(wǎng)絡(luò)層獲得的信道負載統(tǒng)計值進行校準，向發(fā)送調(diào)度模塊輸出網(wǎng)絡(luò)層負載統(tǒng)計結(jié)果，發(fā)送調(diào)度模塊根據(jù)網(wǎng)絡(luò)當前負載情況，降低本節(jié)點發(fā)送速率，從而限制網(wǎng)絡(luò)實際輸出負載到丟包率較小水平，使物理層信道負載統(tǒng)計恢復準確，從而保障網(wǎng)絡(luò)不再擁塞進入良好工作狀態(tài)。

4 結(jié)束語

本文主要介紹了利用TDMA和SPMA多址接入方法各自的優(yōu)點，創(chuàng)新性的將兩者結(jié)合起來的多址接入?yún)f(xié)議設(shè)計方法，該方法提供了一種信道共享的調(diào)度機制，確保多個通信節(jié)點間公平、高效地共享相同的無線信道資源，既保證組網(wǎng)的可靠性，又保證特殊業(yè)務(wù)對時延的要求。

本文介紹的多址接入方法已經(jīng)在原理樣機上實現(xiàn)，并多次進行外場試飛實驗，適合大規(guī)模多成員節(jié)點間組網(wǎng)，具有快速組網(wǎng)，實時傳送戰(zhàn)場態(tài)勢的特點，還可以根據(jù)不同業(yè)務(wù)特性，使用不同的接入方式，可以靈活的為不同應(yīng)用的數(shù)據(jù)鏈實現(xiàn)動態(tài)化定制。

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