莫代會，胡 飛

（1.軍事科學(xué)院系統(tǒng)工程研究院，北京 100039；2.中國電子科技集團第三十研究所，成都 610021）

0 引言

目前，超視頻數(shù)據(jù)鏈主要有衛(wèi)星和短波兩種，其中衛(wèi)星數(shù)據(jù)鏈可以將衛(wèi)星通信信道作為傳統(tǒng)數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)的傳輸通道［1］，雖然具有覆蓋范圍廣、信息速率高等優(yōu)勢，但也存在抗干擾能力弱、易被摧毀等問題，因此，短波數(shù)據(jù)鏈具有衛(wèi)星數(shù)據(jù)鏈不可替代的地位。航空短波通信的應(yīng)用主要以短波話音為主，其中主要存在傳輸速率低、建鏈時間長及支持業(yè)務(wù)單一等問題。短波話音通信有發(fā)展到短波數(shù)據(jù)通信的需求。短波數(shù)據(jù)鏈可以有效地實現(xiàn)超視距數(shù)據(jù)信息交換，但短波頻段窄，傳輸速率低，短波資源的動態(tài)使用可以有效地提高短波通信的運行效率。

民用地空短波數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)［2］GLOBALink/HFDL（High Frequency Data Link）是民用航空系統(tǒng)通信基礎(chǔ)設(shè)施的主要手段之一。HFDL 用于飛機航跡報告和態(tài)勢信息的傳遞，與民用航空衛(wèi)星數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)功能互補。HFDL 系統(tǒng)已建成15 個HF 地面站，可支持包括兩極地域在內(nèi)的全球覆蓋。HFDL 電臺通過固定掃描和自動頻率選擇為飛機提供最合適的接入頻點，提高短波傳輸?shù)目煽啃?，HFDL 系統(tǒng)的可用性基本接近衛(wèi)星數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)。

短波數(shù)據(jù)鏈的組網(wǎng)技術(shù)主要以輪詢［3］、令牌環(huán)［4］以及TDMA（Time Division Multiple Access）［5-7］為主。輪詢方式時延大，不能有效地滿足大實時業(yè)務(wù)量傳輸?shù)男枨?。令牌環(huán)方式在令牌丟失時給系統(tǒng)控制帶來了很大的復(fù)雜度。和其他接入機制相比，TDMA 機制由于按照時間關(guān)系協(xié)調(diào)了節(jié)點占用信道的機會，因此，各節(jié)點不會發(fā)生碰撞，效率得到提高。而動態(tài)的資源分配策略更能滿足短波信道帶寬窄、資源有限的情況。增加了動態(tài)時隙分配策略，可以有效地保證信息傳輸?shù)臅r效性。

針對航空短波數(shù)據(jù)鏈的應(yīng)用特點，本文提出了航空短波數(shù)據(jù)鏈動態(tài)TDMA 協(xié)議。通過動態(tài)TDMA機制的使用，可以使得網(wǎng)絡(luò)能適應(yīng)業(yè)務(wù)量的實時變化，短波信道的資源能得到動態(tài)調(diào)整和利用。根據(jù)航空短波數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)的設(shè)計需求，一方面，動態(tài)TDMA 協(xié)議的時隙長度應(yīng)該能滿足波形體制的要求；另一方面，TDMA 協(xié)議保證網(wǎng)絡(luò)節(jié)點之間能實現(xiàn)對資源的調(diào)度協(xié)商，自適應(yīng)地對短波資源的實時動態(tài)利用，提高信道利用率。

1 動態(tài)TDMA 時隙結(jié)構(gòu)設(shè)計

為了減少每次網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃的復(fù)雜度，使用固定的TDMA 時元長度，即每次網(wǎng)絡(luò)初始化時都采用固定長度的TDMA 時元長度，只是按照當前入網(wǎng)節(jié)點的個數(shù)，對TDMA 的微時隙進行動態(tài)分配。初始化組網(wǎng)時都采用固定的TDMA 時元長度，按照節(jié)點需求對每個節(jié)點的時隙進行動態(tài)配置，可以減少系統(tǒng)初始規(guī)劃的復(fù)雜度。

設(shè)計單頻單子網(wǎng)最大支持16 個節(jié)點，網(wǎng)絡(luò)循環(huán)時間（即TDMA 時元）大致的時間為10 s。按照每個微時隙（MS）長度112.5 ms 計算，每個節(jié)點可以平均分配4 個微時隙?？紤]子網(wǎng)最大支持16 個節(jié)點，每個節(jié)點平均分配4 個微時隙，中斷時隙分配4 個微時隙，地面管理站點分配6 個微時隙，則全網(wǎng)對應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)TDMA 時元為16×4×0.112 5+4×0.112 5=7.875 s≈8 s。

中斷時隙為預(yù)留時隙，主要實現(xiàn)兩個主要功能：一是緊急業(yè)務(wù)的發(fā)送時隙，二是用于頻率質(zhì)量的探測，實現(xiàn)頻率自適應(yīng)的功能，頻率自適應(yīng)功能不在本文研究范圍內(nèi)。

不管當前網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃中的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點個數(shù)，通過初始算法，將TDMA 時元中的時隙全部占用完畢。TDMA 的時元結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 航空短波數(shù)據(jù)鏈時隙時元結(jié)構(gòu)

如圖1 所示，一個TDMA 時元由17 個TDMA時隙組成，每個TDMA 時隙包括若干個微時隙組成。普通的一個TDMA 時隙分配4 個微時隙，子網(wǎng)管理節(jié)點的TDMA 時隙分配6 個微時隙。因此，一個TDMA 時元為15×4+6+4=70 個微時隙，時元長度為7.875 s。

為了減少網(wǎng)絡(luò)設(shè)計，尤其在軟件設(shè)計上的復(fù)雜度，每次網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃時，都采用固定的TDMA 時元長度，只是在每個時隙的配置方式上采用動態(tài)分配方式。不管網(wǎng)絡(luò)初始化時網(wǎng)絡(luò)內(nèi)配置了多少入網(wǎng)節(jié)點，都在配置的TXT 文件里，將TDMA 時元全部分配完，子網(wǎng)管理節(jié)點分配更多的時隙，后續(xù)網(wǎng)絡(luò)運行過程中，都由管理節(jié)點對全部時隙進行分配管理。

為了便于對TDMA 時隙的管理，動態(tài)時隙的配置以一個TDMA 時隙為單位進行分配，而不對單個微時隙進行配置。初始的時隙配置方式如表1 所示，初始的時隙分配原則：地面管理節(jié)點可能會對空中節(jié)點的數(shù)據(jù)消息進行轉(zhuǎn)發(fā)，因此，分配更多的時隙，而空中節(jié)點的時隙均勻分配，這樣可以簡化時隙的規(guī)劃。

初始網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃時，按照時隙分配原則對網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的節(jié)點進行時隙配置，在配置的TXT 文件里設(shè)置相應(yīng)的時隙配置參數(shù)，每個節(jié)點按照TXT 文件配置的時隙，運行TDMA 協(xié)議。

表1 中的分配原則用公式表示為：N管理+（M-1）×N空中=16。式（16）表示一個TDMA 時元的有效時隙數(shù)。為了便于波形的實現(xiàn)，每個節(jié)點分配的時隙保證連續(xù)性。區(qū)別于LINK16 的TDMA 時隙塊的分配，LINK16 的時隙塊可以分配在一個時元中的不同時域內(nèi)。根據(jù)表1 的初始時隙分配原則，圖2所示為5 個節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)TDMA 時元結(jié)構(gòu)，圖3 為10個節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)TDMA 時元結(jié)構(gòu)。

表1 初始時隙分配原則

圖2 網(wǎng)絡(luò)中有5 個節(jié)點的時隙配置方式

圖3 網(wǎng)絡(luò)中有10 個節(jié)點的時隙配置方式

TDMA 的時幀結(jié)構(gòu)按照最大16 個節(jié)點方式產(chǎn)生，如果網(wǎng)內(nèi)最大16 個節(jié)點，則至少保證在一個時幀周期內(nèi)每個節(jié)點有一個時隙可使用。當網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點業(yè)務(wù)量過大時，可以向主節(jié)點或其他具有多個動態(tài)時隙的節(jié)點申請時隙，申請過程采用申請-響應(yīng)-使用-釋放的流程。

2 動態(tài)時隙分配流程

動態(tài)TDMA 的時隙分配流程如圖4 所示。

圖4 動態(tài)TDMA 的時隙分配流程

流程說明如下：1）申請階段：節(jié)點1 在時幀n時查找發(fā)送隊列，當前的發(fā)送隊列長度超過配置值，則觸發(fā)動態(tài)時隙的申請。2）響應(yīng)階段：節(jié)點2 在時隙2 內(nèi)對節(jié)點1 的動態(tài)時隙進行回復(fù)，并更新本地的時隙分配表。3）時隙使用階段：在下一個時幀n+1 中，節(jié)點1 開始占有動態(tài)時隙，并且直到本地的發(fā)送隊列為空。4）時隙釋放階段：在時幀n+2 中，節(jié)點1 的發(fā)送隊列為空，則在本地時隙內(nèi)發(fā)出動態(tài)時隙釋放，并更新本地的時隙分配表。節(jié)點2 接收到時隙申請信令，則在本地時隙內(nèi)回復(fù)時隙釋放響應(yīng)，節(jié)點2 又重新占有動態(tài)配置的時隙。

2.1 申請階段

2.1.1 動態(tài)時隙申請觸發(fā)條件

當節(jié)點全部入網(wǎng)后，在一個TDMA 時幀內(nèi)，每個節(jié)點至少占有一個TDMA 時隙（包含4 個微時隙）。按照表1 中的時隙配置原則，網(wǎng)絡(luò)初始化完成時，網(wǎng)絡(luò)中的所有節(jié)點全部占用完一個時元的所有時隙。按照報文（一條報文可以由多個格式化消息組成）優(yōu)先等級，可以分為緊急、優(yōu)先和普通3 個等級。分別將不同等級的報文放入優(yōu)先級隊列中，不同優(yōu)先級隊列的調(diào)度方式如下：

每次調(diào)度都先查找緊急報文隊列，如果有緊急報文，則向信道上發(fā)送，如果沒有緊急報文，則查找其他優(yōu)先報文隊列和普通報文隊列。優(yōu)先報文隊列和普通報文隊列按照一定的概率查找。優(yōu)先級報文按照70%的概率向信道上發(fā)送數(shù)據(jù)，普通報文按照30%的概率向信道上發(fā)送數(shù)據(jù)。不同優(yōu)先級隊列的調(diào)度方式如圖5 所示。

圖5 不同優(yōu)先級報文的調(diào)度策略

動態(tài)時隙的申請觸發(fā)條件：優(yōu)先級報文隊列和緊急報文隊列長度總和超過了門限（該門限值可配置），則本地節(jié)點觸發(fā)動態(tài)時隙的申請。動態(tài)時隙的申請只針對空中節(jié)點向地面管理站點進行申請，由地面管理站點統(tǒng)一對TDMA 時隙進行管理，對所占用的時隙進行配置。動態(tài)時隙的釋放條件：當優(yōu)先級報文隊列長度為空后，就需要釋放掉使用的動態(tài)時隙。

2.1.2 動態(tài)時隙申請個數(shù)策略設(shè)計

申請動態(tài)時隙的個數(shù)需要與業(yè)務(wù)量的大小有關(guān)。借鑒不同優(yōu)先級報文消息的更新時間，緊急消息更新時間為12 s，優(yōu)先目標的更新時間為96 s?？紤]在傳輸延時條件下，緊急報文消息傳輸延時為45 s，優(yōu)先級報文的傳輸時延要求為96 s，根據(jù)上述的基本條件，設(shè)置動態(tài)時隙個數(shù)的設(shè)計策略（設(shè)置隊列長度為50）為：

緊急報文隊列長度為N，N＞2，則申請（N-1）個時隙。

普通優(yōu)先級報文不申請動態(tài)時隙。

2.2 響應(yīng)階段

動態(tài)時隙的響應(yīng)主要是節(jié)點對不同優(yōu)先級報文消息、不同節(jié)點類型以及不同業(yè)務(wù)量的條件下，將動態(tài)時隙應(yīng)該交給什么節(jié)點使用的過程。該協(xié)議使用兩種不同的時隙分配策略。

簡化時隙分配策略：簡化的時隙分配策略按照誰先申請，就先給誰分配的原則。該方式實現(xiàn)簡單，也適合空-地短波通信的特點（所有節(jié)點都向地面管理節(jié)點申請動態(tài)時隙的使用，地面管理節(jié)點對所有時隙進行統(tǒng)一管理和配置）。

優(yōu)先級時隙分配策略：當多個節(jié)點根據(jù)業(yè)務(wù)量大小導(dǎo)致多個節(jié)點都需要觸發(fā)動態(tài)時隙申請時，節(jié)點就需要運行動態(tài)時隙分配算法，而獲得當前時隙該回復(fù)給哪個節(jié)點使用。

2.3 釋放階段

動態(tài)時隙釋放由空中節(jié)點發(fā)起，空中節(jié)點-＞地面管理節(jié)點。空中節(jié)點在接收到地面管理節(jié)點的釋放響應(yīng)消息后，才更新本地的時隙配置表。

動態(tài)時隙釋放響應(yīng)由地面管理節(jié)點接收到動態(tài)時隙釋放消息后，地面管理節(jié)點發(fā)送給空中節(jié)點，地面管理節(jié)點-＞空中節(jié)點。地面管理節(jié)點發(fā)出釋放響應(yīng)消息后，就更新本地的時隙配置表。

3 系統(tǒng)仿真分析

3.1 仿真業(yè)務(wù)設(shè)置

采用OPNET 網(wǎng)絡(luò)仿真軟件對航空短波數(shù)據(jù)鏈的動態(tài)TDMA 協(xié)議進行仿真。業(yè)務(wù)系統(tǒng)模擬民用數(shù)據(jù)鏈消息系統(tǒng)，產(chǎn)生72 bit 的格式化報文，每個態(tài)勢信息有3 個72 bit 報文組成，一共是27 個字節(jié)。

高優(yōu)先級飛機（高優(yōu)先級業(yè)務(wù)）消息系統(tǒng)平均間隔3 s（參數(shù)可變）產(chǎn)生一批（27 Byte）態(tài)勢信息。普通飛機消息系統(tǒng)平均間隔10 s（參數(shù)可變）產(chǎn)生一批（27 Byte）態(tài)勢信息。根據(jù)動態(tài)TDMA 時隙申請策略，高優(yōu)先級飛機每次根據(jù)自己的發(fā)送批次量詢問消息業(yè)務(wù)系統(tǒng)，如果每次都滿額發(fā)送，連續(xù)10（參數(shù)可變）個時幀都滿額發(fā)送，則觸發(fā)動態(tài)時隙的申請。

3.2 仿真拓撲結(jié)構(gòu)

仿真拓撲結(jié)構(gòu)如圖6 所示，設(shè)置1 個地面管理站點，其他節(jié)點模擬飛機的分布情況，拓撲結(jié)構(gòu)分別模擬4 節(jié)點和8 節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)。在兩種網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)中，0 號節(jié)點都設(shè)置為高優(yōu)先級飛機，其他編號的飛機為普通飛機類型。

3.3 性能參數(shù)定義

性能參數(shù)定義如表2 所示。

表2 性能參數(shù)定義

3.4 仿真結(jié)果分析

從圖7 中的左圖可以看出，高優(yōu)先級業(yè)務(wù)在8 min 左右觸發(fā)了動態(tài)時隙的申請，傳輸時延明顯下降，而不申請動態(tài)時隙的傳輸時延明顯較高。但是由于業(yè)務(wù)量沒有使得網(wǎng)絡(luò)飽和，因此，態(tài)勢信息的傳輸時延仍然保持平滑趨勢。

圖6 網(wǎng)絡(luò)規(guī)模4 節(jié)點和8 節(jié)點的仿真拓撲結(jié)構(gòu)

圖7 傳輸時延（網(wǎng)絡(luò)節(jié)點4 個，2 400 b/s）和傳輸態(tài)勢信息量（網(wǎng)絡(luò)8 節(jié)點，2 400 b/s）對比

從下頁圖8 中可以看出，高優(yōu)先級業(yè)務(wù)在5 min左右觸發(fā)了動態(tài)時隙的申請，傳輸時延明顯下降，而不申請動態(tài)時隙的傳輸時延明顯較高。但是由于在傳輸速率為1 800 b/s 時，業(yè)務(wù)量又使得網(wǎng)絡(luò)飽和，因此，不使用動態(tài)時隙時，態(tài)勢信息的傳輸時延呈現(xiàn)上升趨勢，而采用了動態(tài)時隙，高優(yōu)先級飛機可以占用更多的信道資源，傳輸時延會出現(xiàn)平滑的趨勢。由于高優(yōu)先級飛機占用了更多的信道資源，

圖8 傳輸時延對比（網(wǎng)絡(luò)8 節(jié)點，2 400 b/s）

因此，可以發(fā)送更多的態(tài)勢信息，如圖7 右圖所示。

3.5 仿真結(jié)論

通過仿真驗證了動態(tài)TDMA 協(xié)議在短波數(shù)據(jù)鏈中的應(yīng)用可行性。驗證了設(shè)計的時隙長度能滿足實際態(tài)勢信息傳輸?shù)男枨?。仿真參?shù)可以進行配置，后續(xù)在已建立的仿真模型基礎(chǔ)上，配置不同的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)評估動態(tài)TDMA 協(xié)議的可行性。

4 結(jié)論

短波是實現(xiàn)超視距通信傳輸?shù)闹饕侄沃?，但是短波頻段窄、資源有限、傳輸速率低等特點，采用資源的動態(tài)分配可以有效地提高短波信道的利用效率。因此，針對航空短波數(shù)據(jù)鏈的應(yīng)用特點，設(shè)計了地空短波通信的動態(tài)TDMA 協(xié)議，通過由地面管理節(jié)點的時隙分配，為每架飛機提供可用的動態(tài)時隙資源，充分提高了短波信道的利用效率。通過仿真，該動態(tài)TDMA 協(xié)議能滿足航空短波數(shù)據(jù)鏈的設(shè)計要求。短波頻率自適應(yīng)機制，是航空短波數(shù)據(jù)鏈有效利用的基礎(chǔ)，TDMA 協(xié)議預(yù)留了頻率探測的資源，將作為進一步研究的重點。