數(shù)據(jù)鏈輪詢多網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計方法研究*

夏白樺 李洪業(yè) 張 海

(通信指揮學(xué)院 武漢 430012)

1 引言

描述數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò)性能主要用系統(tǒng)響應(yīng)時間、消息更新率、網(wǎng)絡(luò)容量、多網(wǎng)能力等[1]。這些指標(biāo)從不同側(cè)面描述了數(shù)據(jù)鏈的作戰(zhàn)能力,但它們之間往往存在著相互影響和制約的關(guān)系。如為了降低數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)響應(yīng)時間以提高作戰(zhàn)反應(yīng)速度,可能需要降低網(wǎng)絡(luò)容量[2],使得網(wǎng)絡(luò)的潛力不能充分地發(fā)揮出來。為了保證在滿足實時性要求前提下提高網(wǎng)絡(luò)資源的利用率,王瑩提出了由從站申請、主站根據(jù)從站要求動態(tài)改變輪詢表,使某個需要發(fā)送高實時性消息的從站立刻獲得呼叫的策略[3]。但該策略的技術(shù)實現(xiàn)難度較大。張海等人則提出根據(jù)各成員的呼叫時限(成員所發(fā)消息的最小響應(yīng)時間)要求,通過合理設(shè)置成員在一個輪詢周期內(nèi)的呼叫次數(shù),構(gòu)建了單網(wǎng)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)鏈輪詢網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化設(shè)計理論[4]。利用該理論對Link-11的優(yōu)化設(shè)計表明,分析計算簡單易行,網(wǎng)絡(luò)容量及網(wǎng)絡(luò)資源利用率都大幅提升,系統(tǒng)的整體性能得到優(yōu)化。數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò)也可以采用輪詢多網(wǎng)方式組網(wǎng),但網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化設(shè)計更加復(fù)雜。本文將在分析輪詢多網(wǎng)數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò)特點的基礎(chǔ)上,結(jié)合文獻(xiàn)[4]輪詢單網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計理論,給出輪詢多網(wǎng)的優(yōu)化設(shè)計方法。

2 輪詢網(wǎng)絡(luò)及工作方式[5]

數(shù)據(jù)鏈輪詢單網(wǎng)由一個主站和一個或多個從站組成,如圖1所示。所有網(wǎng)絡(luò)成員使用相同的頻率、波形、加密信息等網(wǎng)絡(luò)運行參數(shù),共享系統(tǒng)資源。網(wǎng)絡(luò)工作時,主站依次呼叫各從站以及主站自身,被呼者根據(jù)要求應(yīng)答并報告消息。在通常的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計方法中,每個從站(包括主站)在一個輪詢周期內(nèi)均只被呼叫一次,以此方式循環(huán)往復(fù)。

圖1 數(shù)據(jù)鏈輪詢單網(wǎng)示意圖

圖2 數(shù)據(jù)鏈輪詢多網(wǎng)示意圖

圖2所示為數(shù)據(jù)鏈輪詢多網(wǎng)示意圖。其中,主網(wǎng)由一個主站和若干個次主站組成,子網(wǎng)由一個主/次主站和若干從站組成。主站和次主站都具有雙重身份。主站是主網(wǎng)和子網(wǎng)的主站,而次主站既是各子網(wǎng)的主站,又是主網(wǎng)的從站。主網(wǎng)和子網(wǎng)不同時運行,但為了提高時間資源的利用率,各子網(wǎng)應(yīng)同時運行。這樣,主網(wǎng)運行時,由主站輪詢呼叫各次主站(包括主站自身),被呼者應(yīng)答。呼叫完畢后主網(wǎng)工作模式被切換到子網(wǎng)工作模式,由主/次主站輪詢呼叫各子網(wǎng)從站以及主/次主站自身,被呼者應(yīng)答,然后再將子網(wǎng)工作模式切換到主網(wǎng)工作模式。

主網(wǎng)與每個子網(wǎng)都采用不同的頻率、波形、加密信息等網(wǎng)絡(luò)參數(shù)進行區(qū)分,子網(wǎng)之間通過主網(wǎng)協(xié)同通信。

子網(wǎng)中的各從站可以參加多個子網(wǎng),但這會增加網(wǎng)絡(luò)控制的復(fù)雜度,圖2中未給出這種情況。另外,圖2中所示是三層結(jié)構(gòu)的輪詢網(wǎng),多于三層的輪詢網(wǎng)因為太復(fù)雜,實際應(yīng)用中可能難以運轉(zhuǎn),這里也不作討論。

3 輪詢多網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計理論

輪詢多網(wǎng)雖然在形式上是由多個輪詢單網(wǎng)組成,但與輪詢單網(wǎng)有很大的不同,因此優(yōu)化設(shè)計方法較之單網(wǎng)也有很大的不同。

假設(shè)輪詢多網(wǎng)中的主網(wǎng)有m+1個成員。不失一般性,定義第0個成員為主站,其余第1至第m個成員為次主站,且共有m+1個子網(wǎng)。令nl(l=0,1,…,m)表示第l個子網(wǎng)的成員數(shù)(若nl=1則表示主/次主站 l下沒有從站),且用 p(p=0,…,nl-1)表示子網(wǎng)中的成員。不失一般性,定義p=0對應(yīng)各子網(wǎng)中的主/次主站。

1)子網(wǎng)成員呼叫時限。子網(wǎng)中每個成員發(fā)送的幾類不同消息的響應(yīng)時間要求各不相同[6]。每個成員相隔多長時間需要呼叫一次,取決于其中的最小響應(yīng)時間要求,稱為呼叫時限。令τ子lp表示子網(wǎng)l中成員p的呼叫時限,即表示該成員在τ子lp時間內(nèi)必須獲得一次呼叫。如果同一子網(wǎng)中的τ子lp彼此間相差很大,對不同成員的呼叫要求很不相同,給網(wǎng)絡(luò)設(shè)計帶來很大困難,系統(tǒng)的運行效率也大為降低。在實際作戰(zhàn)中,各個子網(wǎng)對應(yīng)的可能是一個作戰(zhàn)飛機編隊或水面艦艇編隊,成員性質(zhì)相同或相近,它們所發(fā)消息的實時性要求也相同或相近。所以這里給出:

假定一 子網(wǎng)內(nèi)所有從站可近似當(dāng)成同一種平臺處理。

由此得子網(wǎng)l的呼叫時限為:

由假定一知,在子網(wǎng)l的一個輪詢周期內(nèi),每個成員(包括主/次主站)只需呼叫一次。如果給出各成員所傳送的消息類別及其響應(yīng)時間,就可計算出τ子lp值。假如成員p總共傳送n類消息,每類消息的響應(yīng)時間為τ子lpq(q=1,…,n),由此得到[4]:

結(jié)合式(1)和式(2),便可求得τ子l。

2)子網(wǎng)工作時間。令 T子l表示子網(wǎng)l的輪詢周期(即子網(wǎng)輪詢完網(wǎng)內(nèi)全部成員的時間),T子lp表示子網(wǎng)l輪詢時,每一次呼叫成員p的輪詢時隙(p=0表示發(fā)送次主站報告時間),故有:

供子網(wǎng)工作的時間由(T子0,…,T子m)中的最大值確定,這樣可確保各子網(wǎng)輪詢完網(wǎng)內(nèi)全部成員。所以,如果某個子網(wǎng)的 T子l值很大,其它子網(wǎng)很快輪詢完,該子網(wǎng)還在工作,將造成網(wǎng)絡(luò)資源的浪費。為此,這里給出:

假定二 各子網(wǎng)輪詢周期相近或相差較小。

我感到一股熱血呼呼地沖上了頭頂，把我的頭脹得大了一圈兒。里面山呼海嘯巨浪滔天。我覺得自己應(yīng)該毫不猶豫地沖過去，啪啪啪啪，朝李老黑的臉上一陣耳刮子，把那張黑臉揍個七歪八扭皮開肉綻。或者飛起一腳把李老黑踹倒，再撲過去一頓拳打腳踢，乒乒乓乓，然后在李老黑痛苦的呻吟聲里揚長而去。

由此得到分配給子網(wǎng)的工作時間 Δ t2為:

在實際組網(wǎng)運用中,如果個別子網(wǎng)成員較多,輪詢周期(每個成員只呼叫一次)與其他子網(wǎng)相比過長,可以將這樣的子網(wǎng)拆分成幾個子網(wǎng),使其滿足第二條假設(shè)的要求。

如果給出子網(wǎng)內(nèi)各成員所傳送的消息量及成員數(shù),就可計算出 T子lp值,從而得到 Δ t2。以 Link-11為例,其計算公式如下[4]:

式中bp為子網(wǎng)工作時,成員p發(fā)送消息的總幀數(shù),Rbp為發(fā)送消息的速率,常設(shè)定為75幀/s。

式中Δ t1表示子網(wǎng)暫停時間,該時間用于主網(wǎng)輪詢次主站。

5)主網(wǎng)成員輪詢表[4]。分析完子網(wǎng)并設(shè)定虛擬從站后,對網(wǎng)絡(luò)的分析就回到了主網(wǎng)并參考單網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計理論進行。假定成員(此時指主/次主站及虛擬從站)i(i=0,1,…,m+1,其中 i=m+1對應(yīng)為虛擬從站)的輪詢時隙為 Ti,且在一個輪詢周期內(nèi)每個成員被呼叫ki次,則主網(wǎng)輪詢周期T為:

圖3 輪詢多網(wǎng)簡化為輪詢單網(wǎng)示意圖

若每個成員的呼叫時限用 τi表示,且τij(j=1,2,…,n)為成員i傳送j類消息的響應(yīng)時間,則有:

取ki的全部初始值為 1,將式(7)、(8)迭代計算。若τi≥T,則在一個輪詢周期內(nèi),成員 i被呼叫ki次不變,否則,應(yīng)增加一次呼叫,即ki→ki+1,最后得到網(wǎng)絡(luò)的輪詢周期及各成員在一個周期內(nèi)的呼叫次數(shù)。根據(jù)輪詢次數(shù),可安排它們在一個輪詢周期內(nèi)的輪詢順序,得到輪詢表。

子網(wǎng)的呼叫時限Δ t1不能太小,否則就不能給主網(wǎng)留有較多的時間輪詢次主站,導(dǎo)致以上的計算結(jié)果不能收斂。在網(wǎng)絡(luò)設(shè)計時,可根據(jù)實際情況,通過減少子網(wǎng)中的從站數(shù)量,或減少次主站數(shù)目等方式進行調(diào)整,使其收斂。

4 網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化設(shè)計示例

1)模型建立。這里以Link-11組建輪詢多網(wǎng)為例。假設(shè)主網(wǎng)中有1個主站和6個次主站,其中次主站1、次主站2和次主站3下分別設(shè)置3個、3個和4個完全相同的從站。另外,這簡單起見,假定每個成員只傳輸3類消息,每次呼叫時發(fā)送的消息量及響應(yīng)時間等如表1所示(表中0/500表示該成員不發(fā)送該類消息。為了方便分析,將響應(yīng)時間設(shè)為500s)。

表1 各成員發(fā)送的戰(zhàn)術(shù)消息量/響應(yīng)時間

2)計算結(jié)果及分析。根據(jù)表1的數(shù)據(jù)及上述分析理論,計算得到網(wǎng)絡(luò)輪詢周期為19.656s,各主/次主站及虛擬從站的輪詢時隙、呼叫時限和一個周期內(nèi)的呼叫次數(shù)如表2所示。呼叫時限小的成員在一個周期內(nèi)的呼叫次數(shù)多。根據(jù)各成員的呼叫次數(shù)安排呼叫順序,便可以實現(xiàn)各成員間消息的實時傳送。

表2 計算結(jié)果

5 結(jié)語

論文在分析了數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)特點的基礎(chǔ)上,提出利用網(wǎng)絡(luò)成員所傳送消息的響應(yīng)時間作為網(wǎng)絡(luò)設(shè)計的基本要求,建立了輪詢多網(wǎng)的優(yōu)化設(shè)計理論。在該理論中,通過分析計算子網(wǎng)的輪詢時間和子網(wǎng)兩次呼叫的間隔時間,將子網(wǎng)輪詢和等待的過程看作是主網(wǎng)對一個虛擬從站的輪詢,從而將輪詢多網(wǎng)問題轉(zhuǎn)變成輪詢單網(wǎng)問題,并繼承了輪詢單網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計理論的優(yōu)點:網(wǎng)絡(luò)容量和網(wǎng)絡(luò)利用率均得到提高。通過一個示例的計算表明,輪詢多網(wǎng)的優(yōu)化設(shè)計理論簡單易行,可用于數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計工作。

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