一種競爭型的臨近空間通信網(wǎng)多址接入?yún)f(xié)議仿真*

(空軍工程大學 電訊工程學院,西安 710077)

1 引 言

自美軍2005年2月在“施里弗-3”空間戰(zhàn)模擬演習過程中首次將臨近空間納入作戰(zhàn)視野以來，臨近空間這一領域已引起世界各國的關注并成為近期的研究熱點[1]。所謂臨近空間是指距地面20～100 km的空域，這一范圍既不屬于航天范疇，也不屬于航空范疇，它對于情報收集和監(jiān)視以及通信保障有著重大的發(fā)展應用前景[2]。

在臨近空間通信網(wǎng)絡中，不同的用戶，尤其是高速移動終端，要通過競爭共享帶寬有限的無線信道，因此需要設計一種競爭型的多址接入?yún)f(xié)議，以便適應動態(tài)組網(wǎng)的需要。傳統(tǒng)的多址接入?yún)f(xié)議主要分為固定分配多址接入?yún)f(xié)議(如TDMA、FDMA、CDMA等)、按需分配多址接入?yún)f(xié)議(如PRMA等)和隨機分配多址接入?yún)f(xié)議(如ALOHA、CSMA等)。固定分配協(xié)議中，每個終端固定分配一定數(shù)量的帶寬，適用于終端數(shù)量有限和業(yè)務負載穩(wěn)定的網(wǎng)絡，難以適應突發(fā)業(yè)務；按需分配協(xié)議中，根據(jù)需求為每個終端分配系統(tǒng)資源，適用于相對穩(wěn)定的數(shù)據(jù)傳輸如語音和視頻業(yè)務，但是并不太適用于寬帶低時延業(yè)務；而隨機分配協(xié)議能支持突發(fā)業(yè)務和未定比特率業(yè)務，比較適用于動態(tài)的網(wǎng)絡拓撲結構。

在隨機分配多址接入?yún)f(xié)議中，采用ALOHA協(xié)議的網(wǎng)絡中的節(jié)點不考慮當前信道是忙還是閑，一旦有分組到達就獨自決定將分組發(fā)送到信道，節(jié)點間發(fā)送沖突的概率很大。而CSMA協(xié)議采用了附加的硬件裝置，使每個節(jié)點都能夠在發(fā)送分組前檢測(偵聽)到信道上有無分組在傳輸，從而減少了發(fā)生沖突的概率。因此，本文將基于競爭機制的CSMA協(xié)議引入臨近空間通信網(wǎng)中，以適應動態(tài)多變的網(wǎng)絡拓撲結構。

2 性能分析

吞吐量S等于發(fā)送時間T0內成功發(fā)送的平均幀數(shù)。在穩(wěn)定情況下，在時間T0內到達系統(tǒng)的平均幀數(shù)應等于吞吐量S。

網(wǎng)絡負載G等于發(fā)送時間T0內發(fā)送的平均幀數(shù)，包括發(fā)送成功的和沖突重發(fā)的幀。顯然有：G≥S，在不發(fā)生沖突時G=S。

在穩(wěn)定情況下，吞吐量S和網(wǎng)絡負載G之間有：S=G×P{發(fā)送成功}，其中P{發(fā)送成功}為分組發(fā)送成功的概率。

假設幀的到達服從泊松分布，有：a(t)=λe-λt，其中λ是幀的平均到達率，λ=G/T0。如果忽略傳播時延的影響，可推導得[3]：

S=G(1+G)e-G/(G+e-G)

(1)

3 臨近空間通信網(wǎng)模型[4]

本文利用OPNET網(wǎng)絡仿真軟件建立了臨近空間通信網(wǎng)模型。該軟件常用的編輯器主要有項目編輯器、節(jié)點模型編輯器和進程模型編輯器，相應的要建立網(wǎng)絡模型、節(jié)點模型和進程模型。

3.1 網(wǎng)絡模型

網(wǎng)絡模型主要用來指定通信網(wǎng)的拓撲結構，從而確定各個節(jié)點的位置。臨近空間通信網(wǎng)由地面節(jié)點和臨近空間平臺節(jié)點構成，臨近空間平臺實現(xiàn)信息的轉發(fā)功能。平臺通信覆蓋范圍可以由如下近似公式給出:

(2)

式中，d表示通信半徑(km)，R=6 378 km為地球半徑，α表示天線仰角(rad)，h表示平臺高度(km)。

當平臺高度定為100 km、天線仰角為3°時，可以算出通信半徑為836.315 km。為確保通信質量，本文設計的場景為10個地面站隨機分布在700 km×700 km的地域內，臨近空間平臺位于100 km的高空，確保各個地面站之間通過平臺轉發(fā)能實現(xiàn)互相通信。網(wǎng)絡拓撲結構如圖1所示。

圖1 網(wǎng)絡模型

3.2 節(jié)點模型

3.2.1地面節(jié)點模型

地面節(jié)點模型如圖2所示。地面節(jié)點的功能為將gen模塊產(chǎn)生的分組發(fā)送到無線發(fā)射機r-tx模塊，調制后通過天線tx-ant模塊發(fā)送到臨近空間平臺。如果檢測到無線信道中有分組存在，則在發(fā)送處理模塊tx-proc中等待，直到檢測到無線信道中沒有分組，立即發(fā)送分組。與此同時接收臨近空間平臺轉發(fā)的分組，送到rx-proc模塊對網(wǎng)絡的端到端時延和分組數(shù)進行統(tǒng)計。圖中從r-rx模塊指向tx-proc模塊的統(tǒng)計線用來指示無線信道的忙閑狀態(tài)，以便于tx-proc模塊決定是否發(fā)送分組。

圖2 地面節(jié)點模型

3.2.2臨近空間平臺節(jié)點模型

臨近空間平臺節(jié)點模型如圖3所示。臨近空間平臺節(jié)點的功能為接收地面節(jié)點發(fā)送的分組，并以廣播的形式發(fā)送給其覆蓋區(qū)域內的所有節(jié)點。在節(jié)點編輯器中分別放置一個全向接收天線rx-ant模塊、一個無線接收機r-rx模塊、一個具有信息轉發(fā)功能的near-space模塊、一個無線發(fā)射機r-tx模塊和一個全向發(fā)射天線tx-ant模塊。

圖3 臨近空間平臺節(jié)點模型

3.3 進程模型

Proto-C語言是進程模型中支持各種協(xié)議實現(xiàn)的OPNET獨有的語言，它利用狀態(tài)和轉移圖形表示算法，并在狀態(tài)的入口執(zhí)行和出口執(zhí)行處編寫代碼完成協(xié)議算法。本文采用CSMA作為臨近空間通信網(wǎng)的多址接入?yún)f(xié)議，具體是通過CSMA進程模型來實現(xiàn)的，如圖4所示。

圖4 CSMA進程模型

4 仿真分析

4.1 仿真參數(shù)設置

本仿真采用衛(wèi)星通信系統(tǒng)中常用的Ka頻段，具體仿真環(huán)境如表1所示。

表1 仿真參數(shù)配置

4.2 仿真結果分析

4.2.1吞吐量與網(wǎng)絡負載的關系

吞吐量S與網(wǎng)絡負載G的關系仿真結果如圖5所示，通過MATLAB繪制公式(1)得到的理論結果如圖6所示。通過公式(1)得到最大吞吐量的理論值為0.538 2，而從圖5中得到的仿真值約為0.530 3，與理論結果基本一致。

圖5 吞吐量-網(wǎng)絡負載仿真結果圖

圖6 吞吐量-網(wǎng)絡負載理論結果圖

4.2.2端到端時延

當?shù)孛嬲緮?shù)量為10個時，仿真結果如圖7所示，得到的平均端到端時延約為1.245 2 s。為了進一步分析網(wǎng)絡時延與用戶數(shù)量的關系，本文又分別取地面站數(shù)量為20、40、60和80進行了仿真，結果如圖8～11所示。從仿真結果可以看出，隨著用戶數(shù)量的增加，網(wǎng)絡時延越來越大；而當用戶數(shù)量達到60個時，網(wǎng)絡時延出現(xiàn)了抖動；到用戶數(shù)量為80個時，抖動已經(jīng)相當明顯。由此可以看出：CSMA協(xié)議可以很好地應用于常規(guī)的臨近空間通信網(wǎng)，而當用戶數(shù)量很多時，需要對協(xié)議進行改進，以保證系統(tǒng)的穩(wěn)定和較低的網(wǎng)絡時延。

圖7 用戶數(shù)取10時的平均時延

圖8 用戶數(shù)為20時的平均時延

圖9 用戶數(shù)為40時的平均時延

圖10 用戶數(shù)為60時的平均時延

圖11 用戶數(shù)為80時的平均時延

5 結 論

針對隨機變化的網(wǎng)絡拓撲結構，本文提出將基于競爭機制的CSMA協(xié)議引入臨近空間通信網(wǎng)。在對CSMA協(xié)議進行理論分析的基礎上，建立了基于CSMA的臨近空間通信網(wǎng)的OPNET模型。仿真分析了吞吐量與網(wǎng)絡負載、平均端到端時延與用戶數(shù)量之間的關系，可以看出，在常規(guī)的用戶數(shù)量下，CSMA協(xié)議能夠保證較大的吞吐量和較低的端到端時延，從而可以很好地應用于臨近空間通信網(wǎng)。下一步的工作是研究如何對協(xié)議進行改進，使網(wǎng)絡在保證較高的系統(tǒng)利用率和較低的端到端時延的基礎上，能夠容納更多的用戶。

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