盧 翰，田沿平，傅 偉

（1.海軍航空大學(xué)青島校區(qū)，山東 青島 264000；2.91206 部隊，山東 青島 264000）

0 引言

現(xiàn)代戰(zhàn)爭是系統(tǒng)間、體系間的對抗，以高度信息化的聯(lián)合作戰(zhàn)為基本樣式，包含多軍種、兵種的共同協(xié)作，統(tǒng)一的指揮、調(diào)度、控制等諸多問題都要建立在及時、準(zhǔn)確的信息傳遞基礎(chǔ)上。戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈的出現(xiàn)使各個獨立的作戰(zhàn)平臺相互鏈接，是自動化指揮系統(tǒng)的重要組成部分[1]。數(shù)據(jù)鏈作為現(xiàn)代戰(zhàn)爭的“倍增器”，是信息化作戰(zhàn)的“戰(zhàn)術(shù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)”，在多場現(xiàn)代化戰(zhàn)爭中大放異彩[2]。但是，隨著數(shù)據(jù)鏈的不斷使用，越來越多的問題隨之暴露出來，其中節(jié)點的入退網(wǎng)時隙分配是一個關(guān)鍵問題。本文基于排隊論提出一種數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò)節(jié)點入退網(wǎng)時隙分配算法。

1 算法設(shè)計

1.1 算法總體設(shè)計思路

首先，將用戶節(jié)點的信息優(yōu)先級作為算法設(shè)計的重要參考指標(biāo)。在數(shù)據(jù)鏈的實際運用中，優(yōu)先級的評估要根據(jù)節(jié)點位于網(wǎng)內(nèi)的戰(zhàn)略地位進(jìn)行重要程度排序。地位越重要的節(jié)點，其信息越需要優(yōu)先傳遞。通常情況下，指控中心或主控站等節(jié)點負(fù)責(zé)整個戰(zhàn)場態(tài)勢，擔(dān)負(fù)戰(zhàn)場的統(tǒng)籌、調(diào)度、指揮任務(wù)，需要保證優(yōu)先發(fā)送；而負(fù)責(zé)戰(zhàn)術(shù)偵察的各種偵察機、預(yù)警機等節(jié)點，由于其擔(dān)負(fù)著警戒、偵察、巡邏、預(yù)警等任務(wù)，因此應(yīng)當(dāng)配置位于上層的優(yōu)先級數(shù)，使得態(tài)勢情況可以及時匯報給主控站；各種戰(zhàn)斗機、運輸機、轟炸機等因為多數(shù)時刻處于接收、執(zhí)行指令信息的狀態(tài)，需要上報的信息量少，而且實時性的需求往往偏弱一些，所以往往可以分配較低的優(yōu)先級[3]。

其次，優(yōu)先級并不是一成不變的，在戰(zhàn)場上隨著戰(zhàn)場局勢的變化，各個節(jié)點的作用也會有所改變，導(dǎo)致節(jié)點的優(yōu)先級發(fā)生變化。同時，在算法設(shè)計的時候要盡量考慮因高優(yōu)先級節(jié)點占據(jù)大量時隙導(dǎo)致低優(yōu)先級節(jié)點出現(xiàn)“包餓死”的情況。

最后，當(dāng)網(wǎng)內(nèi)有節(jié)點增減后，需要依據(jù)節(jié)點的優(yōu)先級進(jìn)行排隊分配時隙資源[4]。

1.2 算法具體設(shè)計

本算法具體設(shè)計的步驟如下：

（1）進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)的初始化，設(shè)定劃分總時隙的個數(shù)為N，網(wǎng)絡(luò)初始節(jié)點數(shù)為X，平均每段時隙長度為L；

（2）約定一個周期的時間T，則一個周期的時隙數(shù)目為T/L；

（3）在t時刻，1 個節(jié)點入網(wǎng)或退網(wǎng)，統(tǒng)計需要發(fā)送信息節(jié)點總數(shù)。如果沒有數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，算法自動跳過下面的步驟，默認(rèn)完成分配周期，不分配，算法結(jié)束；如果總數(shù)不為0，代表此時存在信息任務(wù)，則按照優(yōu)先級先高后低的順序排序，形成一個分配順序表，依次對每個節(jié)點劃分一個數(shù)據(jù)時隙，依次分配至最低優(yōu)先級節(jié)點分得時隙，一輪分配結(jié)束；

（4）一輪分配結(jié)束后，開始第二輪分配，同樣按照分配順序表的安排為節(jié)點各分配一個時隙，方法同步驟（3）；

（5）按序執(zhí)行多輪時隙分配至最后一個時隙分配完畢，一個周期內(nèi)的時隙分配完成；

（6）若在一個周期內(nèi)時隙分配完成后，存在一個節(jié)點在連續(xù)兩輪未分配時隙的情況，則進(jìn)行節(jié)點的優(yōu)先級動態(tài)調(diào)整；

（7）進(jìn)行節(jié)點優(yōu)先級調(diào)整后再進(jìn)行多輪時隙分配；若出現(xiàn)步驟（6）的情況，對節(jié)點優(yōu)先級進(jìn)行再調(diào)整和多輪時隙分配；

（8）時隙分配完畢。

整體算法流程如圖1 所示。

圖1 時隙分配算法流程圖

為了保證在時隙分配的過程中不出現(xiàn)較高的優(yōu)先級節(jié)點分配時隙時總是率先將時隙分配占有完畢而下層優(yōu)先級的數(shù)據(jù)分不到時隙的情況[5]，特別規(guī)定數(shù)據(jù)鏈節(jié)點優(yōu)先級動態(tài)修正原則如下。

（1）依據(jù)節(jié)點優(yōu)先級進(jìn)行排序，形成時隙分配順序表。節(jié)點優(yōu)先級分為1～5 的級別，5 最高，1 最低，5 級作為應(yīng)急特需優(yōu)先級。

（2）若出現(xiàn)1 個節(jié)點連續(xù)2 輪時隙分配過程皆未分配到時隙的情況，則將該節(jié)點優(yōu)先級提高1 級。

2 算法仿真模型構(gòu)建

本文主要采用OPNET 軟件進(jìn)行算法建模仿真分析。由于節(jié)點退網(wǎng)建模模型與入網(wǎng)模型基本一致，本文主要介紹節(jié)點入網(wǎng)算法仿真模型。

設(shè)置網(wǎng)絡(luò)環(huán)境為：plane_0～plane_3 共4 個飛行節(jié)點組成初始數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò)，且設(shè)置它們的優(yōu)先級分別為5、4、3、1。因此可以得到這4 個節(jié)點的時隙分配順序為plane_0 →plane_1 →plane_2 →plane_3。

在工作一段時間后，新節(jié)點plane_4 入網(wǎng)，其優(yōu)先級為2，則形成的新的時隙分配順序為plane_0 →plane_1→plane_2→plane_4→plane_3。根據(jù)環(huán)境描述，建立的新的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境如圖2 所示。

圖2 基于排隊論的算法網(wǎng)絡(luò)域建模圖

2.1 節(jié)點模型構(gòu)建

網(wǎng)內(nèi)節(jié)點應(yīng)當(dāng)具備以下模塊以實現(xiàn)不同功能。

（1）network 模塊。對應(yīng)網(wǎng)絡(luò)層，作為實現(xiàn)入退網(wǎng)管理過程的最主要模塊。將依據(jù)節(jié)點優(yōu)先級排列分配表的功能放在此模塊。網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的產(chǎn)生、包創(chuàng)建、包處理也在這里進(jìn)行。

（2）mac 模塊。mac 模塊作為mac 層，但該模塊的功能有所縮減，時隙劃分放在上一層進(jìn)行，本模塊僅起上下層模塊間數(shù)據(jù)包的中繼、轉(zhuǎn)發(fā)的作用。

（3）phy 模塊。對應(yīng)物理層，控制收發(fā)信機及天線。

（4）rec 模塊和trans 模塊。對應(yīng)收發(fā)信機，其多項物理工作特性均由phy 模塊控制。

（5）ant 模塊。對應(yīng)天線，完成收發(fā)及轉(zhuǎn)換，可以在全向與定向之間轉(zhuǎn)換。

本文建立的節(jié)點域模型如圖3 所示。

圖3 基于排隊論的算法節(jié)點域建模圖

2.2 模塊模型構(gòu)建

2.2.1 network 模塊

network 模塊用于產(chǎn)生網(wǎng)絡(luò)戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)，按照網(wǎng)內(nèi)節(jié)點及相應(yīng)要求劃分時隙段，對節(jié)點的優(yōu)先級予以認(rèn)定。在新節(jié)點進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)后，network 模塊形成新的時隙分配順序表，控制多輪對各節(jié)點的時隙劃分。同時需要考慮增加對特殊優(yōu)先級的判斷與設(shè)定進(jìn)程，以達(dá)到優(yōu)先級動態(tài)提升的要求[6-7]?；谂抨犝摰乃惴╪etwork 模塊進(jìn)程如圖4 所示。

圖4 基于排隊論的算法network 模塊進(jìn)程圖

網(wǎng)絡(luò)運行工作時，首先啟動init 狀態(tài)將各變量進(jìn)行初始化，包括節(jié)點優(yōu)先級的確認(rèn)，都在此處完成。其中，對于普通節(jié)點優(yōu)先級的設(shè)置將按照要求設(shè)置為1～4。new 狀態(tài)代表接收到來自上級的包含有特殊任務(wù)的指令，經(jīng)判斷滿足judgement 要求后，啟用特殊優(yōu)先級5，初始化完成后，進(jìn)入wait 狀態(tài)等待其他驅(qū)動指令。new 狀態(tài)代表有新節(jié)點入網(wǎng)，在經(jīng)過認(rèn)證運行滿足judgement 條件后，運行入網(wǎng)，還在init 狀態(tài)確定節(jié)點優(yōu)先級等信息，且在new_init 狀態(tài)完成初始變量的更新[8]。完成后運送data產(chǎn)生的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)經(jīng)過divide 狀態(tài)統(tǒng)計時隙段數(shù)量并完成時隙段劃分后，形成order 狀態(tài)內(nèi)的時隙分配順序，同時要將此輪分配的具體情況傳至special狀態(tài)審定后按順序進(jìn)行數(shù)據(jù)運送與信息交流。如果存在算法中規(guī)定的“低優(yōu)先級節(jié)點連續(xù)兩次分得的時隙資源為0 或請求等待時間超過預(yù)定的時間長度”的promote 條件，則在new_init 狀態(tài)內(nèi)將該節(jié)點優(yōu)先級提升1 級。

2.2.2 mac 模塊

mac 模塊進(jìn)程處于phy 模塊和network 模塊之間，任務(wù)相對輕松，作為中轉(zhuǎn)模塊，其負(fù)責(zé)包流的存儲和轉(zhuǎn)發(fā)[9]。mac 模塊進(jìn)程如圖5 所示。

圖5 基于排隊論的算法mac 模塊進(jìn)程圖

節(jié)點最初在init 狀態(tài)進(jìn)行變量初始化。初始化完成后，節(jié)點始終處于idle狀態(tài)，這是一個空閑狀態(tài)。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)層和物理層上下層之間有包傳遞交流時，由強制狀態(tài)init_pk 狀態(tài)進(jìn)行包處理，結(jié)束后進(jìn)入end狀態(tài)。

2.2.3 phy 模塊

phy 模塊根據(jù)上層指令對收發(fā)機和天線等物理設(shè)備進(jìn)行工作參數(shù)的調(diào)節(jié)，指令通過包流內(nèi)的信息進(jìn)行傳達(dá)。同時，phy 模塊還承擔(dān)將系統(tǒng)接收到的包轉(zhuǎn)發(fā)至上層的任務(wù)。phy 模塊進(jìn)程如圖6 所示。

圖6 基于排隊論的算法phy 模塊進(jìn)程圖

網(wǎng)絡(luò)工作時，INIT 狀態(tài)負(fù)責(zé)對網(wǎng)元節(jié)點的天線參數(shù)、工作狀態(tài)以及收發(fā)頻率進(jìn)行初始配置。下一步進(jìn)入IDLE 狀態(tài)，等待網(wǎng)內(nèi)節(jié)點發(fā)送中斷狀態(tài)作為進(jìn)行下一步的驅(qū)動力。如果有其他節(jié)點傳來數(shù)據(jù)包信息，在LOW 狀態(tài)解析處理數(shù)據(jù)包。如果是上層模塊的數(shù)據(jù)包時，到HIGH 狀態(tài)按照數(shù)據(jù)包內(nèi)的信息指示更改天線的參數(shù)和狀態(tài)，按指示把數(shù)據(jù)包發(fā)給指定節(jié)點。節(jié)點可以在SETMOD 狀態(tài)通過設(shè)置天線的指向等參數(shù)進(jìn)行對準(zhǔn)，定向接收數(shù)據(jù)[10]。

3 仿真結(jié)果與分析

初始網(wǎng)絡(luò)由4 架戰(zhàn)機組成，分別為plane_0、plane_1、plane_2、plane_3。在某一時刻，新節(jié)點plane_4 進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)。飛機的飛行方向為太平洋海域。假定每個節(jié)點的信號發(fā)射功率足夠大，任意兩個節(jié)點都可以通信。仿真環(huán)境的基本情況如表1 所示。

表1 網(wǎng)絡(luò)環(huán)境參數(shù)

在進(jìn)行本文提出的基于排隊論的數(shù)據(jù)鏈節(jié)點入退網(wǎng)時隙分配算法仿真的同時，對目前數(shù)據(jù)鏈?zhǔn)褂玫幕谳喸儥C制數(shù)據(jù)鏈節(jié)點入退網(wǎng)時隙分配算法進(jìn)行仿真，并依據(jù)網(wǎng)絡(luò)吞吐量、隊列時延、時隙利用率這3 個指標(biāo)對網(wǎng)絡(luò)QoS 性能進(jìn)行判斷。網(wǎng)絡(luò)吞吐量指單位時間內(nèi)網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點接收到數(shù)據(jù)的平均速率，隊列時延指每個數(shù)據(jù)包從進(jìn)入緩存到調(diào)度出去的平均時間，時隙利用率指網(wǎng)絡(luò)時隙發(fā)送數(shù)據(jù)包的比例。

3.1 網(wǎng)絡(luò)吞吐量

網(wǎng)絡(luò)吞吐量指單位時間內(nèi)網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點接收到數(shù)據(jù)的平均速率?；谳喸儥C制數(shù)據(jù)鏈節(jié)點入退網(wǎng)時隙分配算法和基于排隊論的數(shù)據(jù)鏈節(jié)點入退網(wǎng)時隙分配算法的網(wǎng)絡(luò)吞吐量分別如圖7、圖8 所示?？梢钥闯觯谳喸兊墓?jié)點入網(wǎng)時隙分配算法的網(wǎng)絡(luò)吞吐量在0.18 Mb·s-1左右，而基于排隊論機制網(wǎng)絡(luò)吞吐量平均在0.52 Mb·s-1左右。據(jù)此可以得出結(jié)論，排隊機制論的網(wǎng)絡(luò)吞吐量遠(yuǎn)大于輪詢機制，同時輪詢機制和排隊論機制的網(wǎng)絡(luò)吞吐量波動較少，整體較為穩(wěn)定，說明排隊論機制更適合大信息量數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò)。

圖7 輪詢機制網(wǎng)絡(luò)吞吐量

圖8 排隊論機制網(wǎng)絡(luò)吞吐量

3.2 隊列時延

輪詢機制和排隊論機制的隊列時延情況分別如圖9 和圖10 所示。隊列時延指每個數(shù)據(jù)包從進(jìn)入緩存到調(diào)度出去的平均時間[11]。從圖9可以看出，輪詢機制的隊列時延大約在0.32 s 左右，波動較小且較為平穩(wěn)。從圖10 可以看出，排隊論機制的隊列時延大約在0.21 s 左右，在網(wǎng)絡(luò)形成初期波動較大，但逐漸趨于平穩(wěn)。通過分析可知，排隊論的隊列時延明顯小于輪詢機制，說明排隊論網(wǎng)絡(luò)較為暢通，數(shù)據(jù)傳輸速率快，實時性高。

圖9 輪詢機制隊列時延

圖10 排隊論機制隊列時延

3.3 時隙率利用率

輪詢機制和排隊論機制的時隙利用率對比情況如圖11 所示，其中，紅色線為基于輪詢機制數(shù)據(jù)鏈節(jié)點入退網(wǎng)時隙分配算法的時隙利用率，為60%，藍(lán)色線為基于排隊論機制數(shù)據(jù)鏈節(jié)點入退網(wǎng)時隙分配算法的時隙利用率，為75%?？梢?，排隊論的節(jié)點優(yōu)先級確定時隙分配和優(yōu)先級動態(tài)調(diào)整的機制可以使得網(wǎng)絡(luò)中時隙資源的分配更加科學(xué)。通過優(yōu)先級動態(tài)變化的機制適時增長高優(yōu)先級節(jié)點的時延，適當(dāng)縮短低優(yōu)先級節(jié)點的時延，高優(yōu)先級節(jié)點“犧牲”時效，但更滿足作戰(zhàn)行動中整體的信息交互要求。

圖11 輪詢機制與排隊論機制時隙利用率對比

4 結(jié)語

本文主要提出一種基于排隊論的數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò)節(jié)點入退網(wǎng)時隙分配算法。在設(shè)計思路上，一是利用排隊論的思想進(jìn)行時隙分配設(shè)計，二是設(shè)置最高特情優(yōu)先級以應(yīng)對戰(zhàn)場隨時會發(fā)生的特殊情況，三是規(guī)定優(yōu)先級的動態(tài)修正原則防止低優(yōu)先級節(jié)點分配不到時隙資源而造成的資源浪費，使網(wǎng)絡(luò)對于節(jié)點優(yōu)先級的管理更加靈活，在時隙資源分配上更加合理，這防止了網(wǎng)絡(luò)節(jié)點資源分配出現(xiàn)“兩極分化”的趨勢。

通過與傳統(tǒng)數(shù)據(jù)鏈?zhǔn)褂玫妮喸儥C制時隙分配算法進(jìn)行仿真分析對比可以得出，在網(wǎng)絡(luò)吞吐量上排隊論為0.52 Mb·s-1，輪詢機制為0.18 Mb·s-1，排隊論遠(yuǎn)大于輪詢機制；在隊列時延上排隊論為0.21 s，輪詢機制為0.32 s，排隊論網(wǎng)絡(luò)的實時性比輪詢機制高；在時隙利用率上，相比于輪詢的60%的利用率，排隊論利用率更高，為75%。綜合來看，基于排隊論的數(shù)據(jù)鏈節(jié)點入退網(wǎng)時隙分配算法的時隙資源分配率較高，且算法對節(jié)點優(yōu)先級較為敏感。算法適用于網(wǎng)絡(luò)節(jié)點數(shù)目多且具備鮮明優(yōu)先級關(guān)系的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。短時間內(nèi)，時延特性迅速穩(wěn)定，可迅速投入戰(zhàn)斗使用，滿足對網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性的較高要求。