一種新型VHF/UHF數(shù)據(jù)鏈中的時隙分配策略

梁 爽，趙偉光

（空軍工程大學 理學院，陜西 西安 710051）

時隙分配算法對充分提高系統(tǒng)資源利用率，縮短系統(tǒng)響應時間、提高整個網(wǎng)絡(luò)的運行效率均具有重要意義[1-3]。本文在VHF/UHF數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，首先通過對常用時隙分配策略的分析和比較，提出了一種新型時隙分配高層算法——漸變分配策略，之后，給出了算法所用競爭信道的優(yōu)化方案，并證明它優(yōu)于另外兩種優(yōu)化方案。

1 常用時隙分配策略的比較

目前，常用時隙分配策略有固定、動態(tài)、競爭以及預約等分配策略。

固定分配，根據(jù)用戶最大需求量，通信前將所有時隙一次性分配給用戶。它適用于信道容量足夠大或用戶數(shù)量不多的情況。該方法實現(xiàn)簡單，且不會出現(xiàn)多址干擾。但信道利用率過低。動態(tài)分配，則是根據(jù)用戶容量和業(yè)務量的大小變化來實時改變其時隙分配的多少，以提高資源使用效率。但實現(xiàn)比較復雜，并要為傳輸新的分配而開銷信道。競爭分配就是用戶在每時隙內(nèi)采用ALOHA方式搶占該時隙，如果只有一個用戶發(fā)送信息則發(fā)送成功，反之產(chǎn)生碰撞。用戶檢測到碰撞后，各自隨機延遲后重發(fā)。由于采用吞吐率不高的ALOHA方式，該方法不適合較大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)使用。預約分配，是對競爭分配的改進。用戶需要發(fā)送信息時，首先在專用信道中向網(wǎng)管中心預約，網(wǎng)管中心按照收到預約申請的先后順序給各申請用戶分配特定時隙。但這種分配策略實現(xiàn)起來較復雜[6-10]。

基于上述分析可見，預約分配策略對地空通信的可靠性要求過高，不適用于當前時隙分配策略。固定分配策略相對不夠靈活，容易造成時隙浪費或信息阻塞的可能。動態(tài)分配雖然可以提高用戶時隙的使用率，但實現(xiàn)過于復雜，所消耗的額外開銷太多（因為需要強運算能力以應對隨時出現(xiàn)的時隙釋放和時隙再分配）；同時，該策略還將占用很多通信資源來通知用戶新分配的時隙塊。而競爭分配策略在競爭用戶過多時，碰撞概率將大大增高，因而不適合較大規(guī)模的網(wǎng)絡(luò)使用。

2 漸變策略的基本思想

漸變分配策略預先利用固定分配方式為用戶分配時隙塊，同時再分配一個時隙塊作為所有用戶的公共信道，該信道所用時隙塊的大小可根據(jù)突發(fā)性信息的多少來確定，所有用戶可以采用競爭方式來使用該公共信道。由于競爭信道的存在，在分配時隙塊時，僅提供該用戶分配一個較小的時隙塊，將其他的信息傳輸任務交由競爭信道完成。如果用戶的信息傳輸高峰只持續(xù)較短時間，并且出現(xiàn)高峰概率較低時，這兩種分配方式便有機地結(jié)合在一起。但是，在某些特殊情況下，用戶的信息傳輸量需要大于設(shè)定量，且傳輸時間較長，如果有多個用戶出現(xiàn)這種情況，這時的競爭信道可能就會因碰撞概率過大而無法正常工作。鑒于此，再引入動態(tài)分配策略的思想：如果用戶使用競爭信道的時間越過一定值時，將給它動態(tài)地增加時隙；否則，將動態(tài)地減小其所屬時隙塊的尺寸。由于有競爭信道作緩沖，不必頻繁地動態(tài)調(diào)整用戶的時隙塊尺寸，進而克服了動態(tài)分配策略使用資源過多的缺點。

3 競爭信道

在漸變分配策略中，采用了競爭分配技術(shù)，利用競爭信道可以為多個用戶提供臨時的信息傳輸通道。

3.1 使用方式

通過載波監(jiān)聽多址接入（CSMA）使用競爭信道，但在目前現(xiàn)有設(shè)備的條件下，用戶采取CSMA方式使用競爭信道的同時會出現(xiàn)這樣的問題：飛機上的設(shè)備無法同時發(fā)送與接收信號。這就意味著用戶在發(fā)送信息時，無法檢測是否發(fā)生碰撞。為此，利用處于競爭信道某一發(fā)送時隙及其下一發(fā)送時隙之間的時隙，來負責檢測碰撞。如果一旦出現(xiàn)碰撞，則在它的消息尾部加一標識符，該標識符表明是否處于碰撞狀態(tài)。

3.2 優(yōu)化方案

為了降低競爭信道的碰撞概率，在文獻[4-5]中提出了兩種方案：優(yōu)先級檢測方案和優(yōu)先級預分配方案。

對于前者，如果用戶有信道可以通告其他用戶自身優(yōu)先級的話，那么它完全可以直接利用該信道發(fā)送消息而不必再使用競爭信道，鑒于此，其優(yōu)先級檢測部分無法實現(xiàn)。

對于后者，可通過如下證明來說明它不可能同時降低兩個優(yōu)先級的碰撞概率，而只能是：在提高其中一個競爭信道碰撞概率的同時，降低另一競爭信道的碰撞概率。

證明：為了簡化證明過程，作如下假設(shè)：競爭信道中的時隙間隔是均勻的，在兩個競爭時隙之間突發(fā)信息產(chǎn)生的概率遠遠小于1。

設(shè)Ai= {在第i-1個時隙到第i個時隙期間產(chǎn)生突發(fā)信息的事件}；

Di= {在第i-1個時隙到第i個時隙期間所產(chǎn)生的突發(fā)信息發(fā)生傳輸碰撞的事件}；

Fi={第i個時隙產(chǎn)生傳輸碰撞的事件}；

Ei= {第i個時隙的前k個競爭時隙有沖突發(fā)生并有1個突發(fā)信息順延到第i個時隙的事件}；

Pk表示第i個時隙產(chǎn)生沖突后，后k個競爭時隙中任選一個時隙被作為下一次發(fā)送時隙的概率。

由式（3）～式（6）可以看出，在第i個時隙發(fā)生傳輸碰撞的概率只與兩個競爭時隙間突發(fā)信息產(chǎn)生的概率P{Ai}有關(guān)：當P{Ai}減小時，P{Fi}減小；而當 P{Ai}增大時，P{Fi}也增大。

將競爭信道按圖1所示劃分為高低優(yōu)先級兩個信道，假設(shè)高低優(yōu)先級的突發(fā)信息產(chǎn)生概率P{A1i’}和P{A2i’}是相同的，則：

圖1 競爭信道的優(yōu)先級劃分Fig.1 Priority partition of competation channel

雖然，通過將突發(fā)信息劃分為高低兩類將它們的發(fā)生概率降低了一倍，但是競爭的劃分又將時隙間隔增大了一倍。所以劃分后的兩個競爭信道，其時隙間突發(fā)信息產(chǎn)生的概率分別為P{A1i}和P{A2i}，它們與劃分前的競爭信道，其時隙間突發(fā)信息產(chǎn)生的概率P{Ai}是完全相同的，即：

而第i個時隙發(fā)生碰撞的概率只與兩個競爭時隙間突發(fā)信息產(chǎn)生的概率P{A1i}或P{A2i}有關(guān)，因此，將信道劃分為高低兩個優(yōu)先級并不能降低碰撞的概率。

如果高低優(yōu)先級的突發(fā)信息的產(chǎn)生概率不同，可以證明：劃分后用于傳輸突發(fā)信息產(chǎn)生概率低的競爭信道，其碰撞概率將比劃分前低，而劃分后用于傳輸突發(fā)信息產(chǎn)生概率高的競爭信道，其碰撞概率將比劃分前高。綜上所述，通過優(yōu)先級的劃分無法同時降低兩個劃分后信道的碰撞概率。

雖然劃分高低優(yōu)先級別無法同時降低兩個劃分后信道的碰撞概率，但劃分優(yōu)先級別可對劃分后兩個信道的碰撞概率進行調(diào)整。本文利用該特性對競爭信道進行了優(yōu)化：首先，將競爭信道劃分為高低優(yōu)先級兩種競爭信道，高優(yōu)先級別的競爭信道用于傳輸高優(yōu)先級別的消息，而低優(yōu)先級別的競爭信道用于傳輸?shù)蛢?yōu)先級別的消息。因為高優(yōu)先級別的消息發(fā)生概率小于低優(yōu)先級別，所以高優(yōu)先級競爭信道的碰撞概率小于低優(yōu)先級，進而使高優(yōu)先級消息能更快地發(fā)送出去。其次，還須對競爭時隙塊的尺寸引入動態(tài)調(diào)整機制，進而實現(xiàn)競爭信道的動態(tài)優(yōu)化：當競爭信道的碰撞概率長時間大于某一門限值時或長時間小于某一門限值時，將相應地調(diào)整競爭時隙塊尺寸的大小，其實現(xiàn)流程如圖2所示。

4 結(jié) 論

本文針對地空數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)的特點，在比較常用時隙分配策略優(yōu)缺點的基礎(chǔ)上，提出了一種新的高層時隙分配算法——漸變分配策略。它主要是以固定分配方式為主，以競爭分配和動態(tài)分配為輔的一種新的時隙分配策略，兼有固定分配、競爭分配以及動態(tài)分配的優(yōu)點，同時又盡可能地避免它們的缺點，以最小代價換來最大成效。同時，在競爭信道方面，給出了競爭信道的使用方式及其優(yōu)化的具體方案，并且通過證明得出兩種方案的缺陷。參考文獻:

圖2 競爭信道的優(yōu)化方案Fig.2 Priority method of competition channel

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