一種短波數(shù)據(jù)鏈的動態(tài)TDMA協(xié)議

左 衛(wèi)

(海軍駐成都地區(qū)通信軍事代表室，四川成都610041)

0 引言

短波數(shù)據(jù)鏈可以有效地實現(xiàn)超視距戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)信息交換，但短波頻段窄，傳輸速率低，短波資源的動態(tài)使用可以有效地提高短波通信的運行效率。短波數(shù)據(jù)鏈的組網(wǎng)技術(shù)主要以輪詢［1］、令牌環(huán)［2］以及TDMA(Time Division Multiple Access)［3－4］為主。輪詢方式時延大，不能有效地滿足大實時業(yè)務(wù)量傳輸?shù)男枨蟆Ａ钆骗h(huán)方式在令牌丟失時給系統(tǒng)控制帶來了很大的復(fù)雜度。和其他接入機制相比，TDMA機制由于按照時間關(guān)系協(xié)調(diào)了節(jié)點占用信道的機會，因此各節(jié)點不會發(fā)生碰撞，效率得到提高。而動態(tài)的資源分配策略更能滿足短波信道帶寬窄、資源有限的情況。增加了動態(tài)時隙分配策略，可以有效地保證信息傳輸?shù)臅r效性。短波傳輸受到帶寬窄的能力限制，使得應(yīng)用于超短波的TDMA協(xié)議不能直接應(yīng)用于短波信道，短波TDMA協(xié)議設(shè)計應(yīng)該適應(yīng)信道傳輸?shù)奶攸c。

目前，國外先進短波數(shù)據(jù)鏈以Link系列的22號鏈為主。Link22的［5－6］網(wǎng)絡(luò)部分主要工作特點是采用了時分多址或動態(tài)時分多址的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，北約和美軍已經(jīng)將該組網(wǎng)體制編入了STANAG 5522標準［7］，明確了動態(tài)TDMA協(xié)議是新一代短波數(shù)據(jù)鏈的支撐技術(shù)。但是5522標準沒有描述動態(tài)TDMA協(xié)議的細節(jié)，只是建議了時隙分配框架。

針對短波數(shù)據(jù)鏈的應(yīng)用特點，文中提出了分布式的短波動態(tài)TDMA(HF－DTDMA，High Frequency Dynamic Time Division Multiple Access)協(xié)議。采用的時隙分配策略可以滿足短波資源動態(tài)分配的要求，更能適應(yīng)短波通信的環(huán)境，利用分布式應(yīng)用場景，滿足節(jié)點的大業(yè)務(wù)量傳輸需求，有效地占用更多的信道資源，提高信道利用率。

1 動態(tài)時隙分配原理

一個TDMA超幀將時隙分為固定時隙與動態(tài)時隙，為了保證網(wǎng)絡(luò)運行的可靠性，TDMA時元的結(jié)構(gòu)固定。固定時隙分配給網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的每個節(jié)點，如果是遲入網(wǎng)節(jié)點，則在一個時元的時隙中為遲入網(wǎng)節(jié)點預(yù)留。動態(tài)時隙主要用于分配給網(wǎng)絡(luò)中的緊急業(yè)務(wù)，同時該業(yè)務(wù)為有效時間最短。也可以作為中斷時隙，用于節(jié)點遲入網(wǎng)。動態(tài)時隙采用申請－分配－占用－釋放的機制，由全網(wǎng)進行控制。一個時元的時隙結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 動態(tài)時隙分配原理(以4節(jié)點為例)Fig.1 Theory of dynamic slot distribution(for 4 nodes)

組網(wǎng)中配置一個節(jié)點為主節(jié)點，備份節(jié)點主要在主節(jié)點損毀后作為主節(jié)點使用。主節(jié)點的主要工作是對全網(wǎng)的動態(tài)時隙進行分配，并將分配結(jié)果廣播給全網(wǎng)。其他節(jié)點獲知后續(xù)動態(tài)時隙的使用情況，從而能更新本地的時隙分配表。

當其他節(jié)點需要動態(tài)時隙時，首先在自己的時隙內(nèi)發(fā)送動態(tài)時隙的使用申請信息，主節(jié)點在動態(tài)時隙的第一時隙內(nèi)進行申請時隙的回復(fù)，并且讓網(wǎng)絡(luò)中其他節(jié)點能獲知當前動態(tài)時隙的使用情況。因此，動態(tài)時隙的使用策略采用申請－分配－占用－釋放的機制流程。

每個時隙保證可以傳輸一個或多個格式化報文，因此，時隙長度應(yīng)該考慮報文的長度，同時也應(yīng)該與底波形設(shè)計相結(jié)合;另一方面，一個時隙可以傳輸多個格式化報文，但必須保證一個時隙內(nèi)能把一個完整的消息傳輸完畢，因此，多個格式化報文組成了一個完整消息。

2 HF－DTDMA協(xié)議描述

2.1 動態(tài)時隙分配流程

HF－DTDMA動態(tài)時隙的分配流程如圖2所示。

圖2 HF－DTDMA的動態(tài)時隙分配流程Fig.2 Process of HF － DTDMA distributing dynamic slots

圖2中，①～⑤的流程說明如下:

①:節(jié)點2在自己的時隙(如圖2中的2號時隙)內(nèi)發(fā)送格式化報文信息，并且計算在該時隙結(jié)束后，本地的發(fā)送隊列格式化信息的有效時間。如果剩余的格式化報文信息中，有效時間在T(下一個T超時時刻是當前T加上一個TDMA超幀的時間)時刻超時，或者在下一個2號時隙到來之前超時，則需要申請動態(tài)時隙，并且計算得出需要的動態(tài)時隙數(shù);節(jié)點2將動態(tài)時隙請求信息攜帶在數(shù)據(jù)信息格式中，一起發(fā)送出去。

②:主節(jié)點接收到動態(tài)時隙請求信息，根據(jù)當前動態(tài)時隙的分配情況，在指定的5號時隙中回復(fù)動態(tài)時隙的申請，圖2中，節(jié)點2獲得了7和8號時隙。同時，其他節(jié)點接收到動態(tài)時隙的分配情況后，獲知了當前時隙分配的情況。

③:節(jié)點2獲得了7和8號時隙，在該分配的時隙中，將快要到期的格式化報文信息發(fā)送出去，保證該類信息的有效性。

④:下一個TDMA超幀開始時，2號節(jié)點釋放掉占用的動態(tài)時隙，同時，在新的一個TDMA超幀中發(fā)送格式化報文。

⑤:如果節(jié)點4又有快到期的格式化報文發(fā)送，則在對應(yīng)的4號時隙內(nèi)，申請動態(tài)時隙，流程如上所述。

2.2 動態(tài)時隙分配策略

動態(tài)時隙由主節(jié)點規(guī)劃分配，因此，存在以下幾種分配情況:①主節(jié)點需要動態(tài)時隙資源;②多個節(jié)點同時申請動態(tài)時隙資源;③沒有節(jié)點申請動態(tài)時隙。基于以上幾種描述，動態(tài)時隙的分配策略如下。

主節(jié)點在動態(tài)時隙的第一個時隙內(nèi)廣播當前的動態(tài)時隙分配情況，將動態(tài)時隙的分配表廣播給周圍鄰居節(jié)點。動態(tài)時隙的分配原則是主節(jié)點優(yōu)先，然后根據(jù)先申請先分配的原則進行，即先滿足主節(jié)點對動態(tài)時隙的資源需求，然后根據(jù)其他鄰居節(jié)點對動態(tài)時隙的申請情況、動態(tài)時隙已占有情況，對后續(xù)的動態(tài)時隙進行分配。

主節(jié)點在動態(tài)時隙中的廣播時隙除了對動態(tài)時隙的響應(yīng)外，也可以發(fā)送本地的格式化報文信息。

3 HF－DTDMA協(xié)議參數(shù)

協(xié)議參數(shù)主要為了實現(xiàn)所要求的網(wǎng)絡(luò)性能而提出了一些必要的參考值。根據(jù)仿真結(jié)果，協(xié)議參數(shù)可進行調(diào)整以適應(yīng)設(shè)計的需求。HF－DTDMA協(xié)議的參數(shù)如表1所示。

表1 HF－DTDMA協(xié)議主要參數(shù)及說明Table 1 Main parameters and descriptions of HF－DTDMA

4 HF－DTDMA仿真分析

4.1 數(shù)據(jù)鏈性能指標定義

基于短波數(shù)據(jù)鏈的網(wǎng)絡(luò)性能指標包括網(wǎng)絡(luò)規(guī)模、端到端時延、系統(tǒng)吞吐量。

1)網(wǎng)絡(luò)規(guī)模:滿足一定性能要求，數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)能支持的節(jié)點數(shù)量。

2)端到端時延:從發(fā)送方MAC層接收到網(wǎng)絡(luò)層的消息字開始，直到該消息字被預(yù)定接收方MAC層成功交付給其網(wǎng)絡(luò)層時為止的一段時間。

3)系統(tǒng)吞吐量:在一定的確定時間段內(nèi)，該數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)中所有成員成功接收和處理的消息字總量與時間的比值。

4.2 仿真模型

利用OPNET仿真工具對HF－DTDMA與固定TDMA協(xié)議進行了仿真對比。仿真軟件建立了應(yīng)用層、鏈路層和物理層模型，如圖3所示。

圖3 OPNET仿真模型Fig.3 Simulation model in OPNET

1)應(yīng)用層模型封裝為格式化報文信息，并且通過軟件模擬鏈路傳遞給鏈路層協(xié)議。

2)在鏈路層建立了固定TDMA與HF－DTDMA協(xié)議的OPNET進程模型，接收來自于業(yè)務(wù)層的格式化報文，按照TDMA時鐘調(diào)度傳遞給信道模型。

3)信道模型模擬短波信道條件，無線收發(fā)數(shù)據(jù)信息，結(jié)合仿真結(jié)果分析鏈路層協(xié)議性能。

4.3 仿真結(jié)果分析

主要仿真參數(shù)見表1。考慮在不同節(jié)點數(shù)情況下的網(wǎng)絡(luò)端到端吞吐量以及最小傳輸時延。不同網(wǎng)絡(luò)規(guī)模條件下的仿真結(jié)果如圖4所示。

圖4 HF－DTDMA與固定TDMA協(xié)議的性能對比Fig.4 Performance between HF － DTDMA and fixed TDMA

從圖4中可以看出，隨著節(jié)點數(shù)的增加，固定TDMA與動態(tài)HF－DTDMA協(xié)議在性能上都會降級。當節(jié)點數(shù)在10～20之間時，信道利用率和接入時延性能上，HF－DTDMA仍然優(yōu)于固定TDMA時隙分配機制。

在節(jié)點數(shù)超過20以上時，端到端的傳輸時延仍然保持在100 s以內(nèi)，當網(wǎng)絡(luò)節(jié)點數(shù)在20個時，端到端時延遲大致為48 s，可以滿足近實時格式化消息傳輸?shù)男枨蟆?/p>

需要注意的是，上述的動態(tài)時隙分配策略以單信道傳輸體制為主，而且每個節(jié)點在一次傳輸機會中發(fā)送的數(shù)據(jù)量受到時隙長度的限制，如何將動態(tài)的TDMA分配策略擴展到多信道傳輸體制下，同時依據(jù)短波波形體制和傳輸分組大小，確定TDMA時隙長度，保證在TDMA機制下的最優(yōu)化傳輸性能是需要進一步解決的重點。

另外，由于實際的短波網(wǎng)絡(luò)環(huán)境具有業(yè)務(wù)量動態(tài)變化的特點，如何根據(jù)每個節(jié)點的業(yè)務(wù)量大小建立業(yè)務(wù)傳輸?shù)膭討B(tài)時隙分配競爭機制，保證優(yōu)先級高的節(jié)點更快地接入信道，實現(xiàn)信息的實時傳輸，需要進一步的研究。

5 結(jié)語

短波數(shù)據(jù)鏈可以實現(xiàn)超視距傳輸?shù)墓δ堋５嵌滩l段窄，傳輸速率低，短波資源的動態(tài)使用可以有效地提高短波通信的運行效率。因此，結(jié)合短波數(shù)據(jù)鏈的應(yīng)用需求，提出了HF－DTDMA協(xié)議，該協(xié)議通過同時時隙分配策略，實現(xiàn)對短波資源的動態(tài)分配，充分提高了短波信道的利用效率。通過仿真結(jié)果，提出的HF－DTDMA協(xié)議能滿足短波數(shù)據(jù)鏈的設(shè)計要求。多信道的動態(tài)時隙分配策略以及動態(tài)時隙的競爭使用策略還有待進一步研究。

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