衛星高速數據鏈中MF－TDMA協議改進研究

王 偉，梁 俊，賈 偉，趙尚弘

（空軍工程大學電訊工程學院，陜西西安 710077）

高速數據鏈專門用于分發對帶寬要求高的數據信息，如圖像、視頻、高速數據流等，以滿足現代戰爭情報實時分發的需求。隨著遠程殺傷性武器及高機動戰術在戰場的應用，現代戰場的規模逐步擴大，戰場偵察情報服務范圍已遠遠超出了視距范圍。利用高軌衛星實現真正的超視距（BLOS）寬帶傳輸已經成為高速數據鏈研究的一個新領域。衛星高速數據鏈具有一系列優點，如超視距、高帶寬、適應復雜地理環境和抗干擾、傳輸信道穩定可靠等。

多終端要共享帶寬有限的無線信道，需要有效的多址接入協議來更好地利用信道資源并滿足不同的需求。傳統的衛星數據鏈多采用單一時分多址（TDMA）工作方式［1－2］，頻帶利用率低，不能有效地滿足多種業務的接入需求，在現代衛星帶寬不敷使用的情況下，已經遠遠不能滿足信息化戰爭的需要。本文參考現代寬帶通信衛星系統，在衛星高速數據鏈系統中引入了多載頻時分多址（MF－TDMA）協議。該協議采用頻分和時分相結合的二維多址方式，具有高效性和靈活性，可以實現信道資源的動態調整和對帶寬的高利用率。同時，為了滿足不同優先等級用戶的使用需求，引入優先級機制，提出了一種具有優先級的MF－TDMA協議，該協議通過在隨機預約區間增加固定預約時隙，來實現高優先級節點預約請求的發送。理論分析和仿真結果表明，具有優先級的MF－TDMA協議在保證了較高吞吐量的基礎上，能夠有效地降低高優先級用戶的平均等待時延，系統性能得到了明顯提高。

1 MF－TDMA協議描述

MF－TDMA多址接入協議是一種按需分配的多址方式，用戶根據業務需求動態地向衛星申請上行鏈路信道，衛星上存有時隙分配表，在執行完時隙分配后通過下行鏈路向各個用戶廣播時隙分配信息，這樣用戶才能在屬于自己的發送時隙發送數據包。協議重點在于時隙分配算法的實現，其過程可以分為兩步:第1步是確定在哪個載波信道中為用戶分配資源;第2步是如何在該信道中確定分配給用戶的可用時隙資源［3－4］。具體的時隙分配流程如圖1所示。

首先，用戶在預約時隙通過上行鏈路向衛星發送預約包，衛星收到預約包后從中獲得該用戶的預約信息，然后將預約信息插入時隙分配表中。

其次，衛星根據用戶資源申請要求，選擇相應的載波信道，判斷該載波信道是否有足夠的時隙，如果滿足用戶請求分配的時隙，則繼續進行時隙分配;如果不能夠滿足用戶的需求，則進行載波調整，為用戶選擇其他載波信道。

圖1 時隙分配流程

在時隙分配階段，時隙以時隙塊的方式被分配給用戶，采用倒序編號資源二叉樹作為時隙管理模型，在資源樹的各層中查找最合適的節點，然后將其代表的時隙組分配給該用戶。如果符合用戶要求的時隙組沒有被占用，則直接分配;如果該組內有被其他用戶占用的資源，則進行時隙塊調整，若調整成功，那么分配該時隙組，若調整不成功，重新進行載波信道的選擇。

最后，衛星通過下行鏈路發送時隙分配包告知用戶時隙分配情況，以便使各用戶能在規定的數據時隙發送數據包。

2 性能分析

為了提高幀效率，MF－TDMA多址協議將用戶的業務申請時隙安排在幾個幀內傳輸，這幾個幀又組成一個超幀，如圖2所示，以一個典型的MF－TDMA系統為例，一個超幀由5幀構成。時隙分配時，將用戶請求的時隙數進行劃分成符合二叉樹各層時隙組大小的塊，即分成若干個2x的和（即N=2k+2l+…+2m，其中lb N＞k＞l＞m＞0）。在倒序資源樹結構的每一層中，分別對各塊進行資源搜索，并對相應的時隙進行分配。

2.1 延時分析

衛星數據傳輸的時延主要是從發送終端產生發送數據到接收終端收到全部信息的時間間隔，通常由4個部分構成:傳播時延、傳輸時延、排隊時延和處理時延。為簡化分析，本文僅考慮從用戶發送業務申請到數據包開始發送之間的等待時延，而不考慮發送端數據包的傳輸時延和傳播時延［5－7］。

采用固定幀長的方案，每一個用戶在預約時隙中以S－ALOHA競爭的形式進行預約。設隨機預約區間長度為D=mv，數據區間長度為U，則幀長為T=D+U。系統總的平均等待時延W為隨機預約時延W1與數據傳輸等待時延W2之和。

1）隨機預約時延

假設某用戶的一個預約分組在某幀中隨機選擇一個預約時隙發送，若成功到達，則進行數據時隙分配;若在規定的時間Twait內未正確接收到CTS幀，就認為發生碰撞，那么，該預約分組再隨機選擇一個預約時隙重發，直至發送成功。

隨機預約時延主要由4部分組成:

（1）重發時延t1。若用N表示重發的次數，那么重發需要的平均時延為t1=N·Twait。

（2）傳輸時延t2。一個預約請求的傳輸時間就是一個預約時隙，則t2=（N+1）·（D/m）。

（4）傳播時延t。傳播時延為用戶發送的預約請求經過衛星轉發后回到該終端的時間，若定義τ為預約請求在衛星與終端之間單程傳播的時間，則t=2τ。

隨機預約時延為上述4部分之和，即

2）數據傳輸等待時延

系統總的平均等待時延W為隨機預約時延W1與數據傳輸等待時延W2之和，即

其中帶寬分配為Q個時隙/幀，即μ=Q/（T－D）。進一步假設分配給業務平均帶寬為B的α倍（令α為帶寬分配比例因子），即每幀分配時隙數N=α·B，其中B=T·λ。

考慮到不同用戶終端對話音、圖像、視屏等不同業務的需求，引入了高低兩種優先級，本文通過在預約區間增加固定時隙，來實現高優先級節點預約請求的發送。優先級幀結構如圖3所示。設固定預約區間長度為A，隨機預約區間長度為B，數據區間長度為U，則幀長為A+B+U。固定預約區間由m個固定預約時隙構成，不需要競爭就可預約到數據發送時隙，因此適用于優先級較高的終端站;隨機預約區間由s個隨機預約時隙構成，終端站通過S－ALOHA方式競爭預約時隙用來傳輸上行預約幀，適用于優先級較低的終端站。

圖3 優先級幀結構

（1）低優先級節點時延分析

在對低優先級節點時延進行分析的過程中，可以將固定預約區間看作是閑期，那么低優先節點的時延就可以用隨機預約條件下MF－TDMA協議增加了一段閑期的平均等待時延近似地估計。數據預約區間為B，由公式（3）就可以得到低優先級節點的平均等待時延公式

（2）高優先級節點時延分析

由于隨機預約包的發送與固定預約包的發送是一個相對獨立的過程，不影響固定預約區間預約包的發送，而且隨機預約區間在整個時幀中所占的比例很小，因此可將隨機預約區間看作固定預約區間中無預約包發送的區間，那么高優先節點的時延就可以用固定預約條件下MFTDMA協議的平均等待時延近似地估計。

若幀長為T，則預約期占的比例β=mv/T。現在假定把系統的帶寬分為兩部分:一部分用于預約分組的傳輸，其所占帶寬比例為β;另一部分用于數據分組的傳輸，所占帶寬比例為1－β，如圖4所示。

可以看出，每個預約分組的傳輸時間為T/m，接收到預約分配應答信息所需的時延約為衛星鏈路來回傳播時延即2τ。因此一個分組從它到達系統至獲得預約分配信息的預約時延為2τ+T/m。

圖4 假定模型

式中:r為數據區間在時幀中所占的比例。

因此，系統總的等待時延為該等待時延與預約時延之和為

應注意，因為在MF－TDMA協議中，時隙是均勻分配的，所以式（6）中變量值為均值。

2.2 吞吐量分析

評價MF－TDMA協議性能的一個重要指標是飽和吞吐量，吞吐量是指單位時間內網絡中實際傳輸的業務量的大小。為分析方便，有時也用單位時間內網絡中實際傳輸的業務量與信道允許的最大業務量之比來評價網絡的性能，稱為歸一化吞吐量。歸一化吞吐量是多址接入方式性能評價中的重要標準之一，反映了網絡中信道資源的有效利用程度。在給定傳輸信道容量的前提下，較高的吞吐量意味著支持接入更多的用戶數量或在相同數量用戶時提供更高的數據速率。網絡的歸一化飽和吞吐量可以由數據區間在整個上行信道時幀結構中所占的比例來表示，由衛星高速數據鏈上行鏈路的時幀結構可以看出，當預約區間為D，數據區間長度為U時，網絡的歸一化飽和吞吐量為

如果一幀中數據包的發送時隙越多，則數據區間所占的比例就越大，幀的開銷就越小，網絡的歸一化飽和吞吐量就越大。

3 仿真結果與分析

為了直觀地看出系統的平均等待時延性能以及與歸一化吞吐量的關系，更好地對比不同條件下系統的時延性能，采用Matlab進行了仿真分析。假設一個超幀由5幀構成，每幀中預約區間D有7個預約時隙，其中2個固定預約時隙，5個隨機預約時隙，預約時隙長度為2 ms，帶寬分配比例因子α=2，平均包到達速率λ=50 Packet/s（包/秒），Twait=250 ms，N=2。根據前面對平均時延近似計算公式的推導結果，得到圖5和圖6所示的結果。

圖5給出了系統平均等待時延特性曲線，可以看出，在衛星高速數據鏈系統中，系統的平均時延主要是傳播時延。如圖5所示，系統的平均等待時延對幀長不敏感，這是因為在MF－TDMA協議中時隙是均勻分配所致;低優先級節點的平均時延比不區分優先級節點的略高;高優先級節點的平均等待時延明顯要低于低優先級節點和MFTDMA協議的平均時延。從而可以這樣認為，MF－TDMA協議高優先級節點較小的平均時延是以犧牲低優先級節點的時延性能為代價的。

從圖6可以直觀地看出，在相同優先級的情況下，節點的平均時延隨著吞吐量的增大而逐漸增加;在不同優先級的情況下，在吞吐量未達到飽和之前，高優先級節點的平均等待時延明顯低于低優先級節點。這主要是因為在協議設計中，高優先級的節點在每幀中都被分配了一個固定的預約時隙，節點只要有數據包發送，就能通過分配的預約時隙發送預約包，無需競爭，節省了預約等待的時間;而低優先級的節點每次發送預約包都要競爭有限的預約時隙，若發生碰撞還要重發，直到成功為止，由此可見，低優先級的節點是以降低接入時延性能為代價來換取入網的靈活性。

4 結論

本文將MF－TDMA多址接入協議引入到衛星高速數據鏈系統中，并針對不同用戶的使用需求引入了優先級機制，結合排隊理論建立模型，推導了不同條件下MF－TDMA協議的平均等待時延公式，并在對協議進行理論分析的基礎上，利用Matlab仿真軟件繪制了吞吐量和時延關系曲線，直觀地分析了平均等待時延性能以及與吞吐量的關系。結果表明，具有優先級的MF－TDMA協議在保證了低優先級用戶較高的吞吐量和較低的平均時延的基礎上，能夠有效地降低高優先級用戶的平均等待時延。

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