一種用于數(shù)據(jù)鏈自組網(wǎng)的MAC協(xié)議

侯延順+孫甲琦+王曉波

摘 要： 戰(zhàn)爭(zhēng)形式的轉(zhuǎn)變推動(dòng)了數(shù)據(jù)鏈組網(wǎng)技術(shù)的轉(zhuǎn)變，最新一代的數(shù)據(jù)鏈開始采用自組網(wǎng)技術(shù)，這也代表了數(shù)據(jù)鏈未來的發(fā)展方向。MAC協(xié)議是數(shù)據(jù)鏈自組網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)之一，數(shù)據(jù)鏈自組網(wǎng)的MAC協(xié)議急需提高抗干擾能力和安全性，增強(qiáng)對(duì)突發(fā)業(yè)務(wù)的支持，據(jù)此，提出了HPRMA協(xié)議。在此對(duì)協(xié)議的跳頻處理增益和抗轉(zhuǎn)發(fā)式干擾的效能進(jìn)行了分析，論證了協(xié)議的高抗干擾能力和可實(shí)現(xiàn)性。通過仿真，驗(yàn)證了該協(xié)議對(duì)突發(fā)業(yè)務(wù)的支持。

關(guān)鍵詞： 數(shù)據(jù)鏈； 自組網(wǎng)； 多址接入； HPRMA

中圖分類號(hào)： TN915?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2014）22?0042?06

MAC protocol for TADILs Ad Hoc network

HOU Yan?shun， SUN Jia?qi， WANG Xiao?bo

（Telemetry Technology Research Institute of Beijing， Beijing 100076， China）

Abstract： The evolvement of the war form promotes the evolvement of TADILs networking techniques， so the up to date TADIL has adopted Ad Hoc techniques， which indicates the future trend of TADIL. MAC protocol is one of the key techniques of TADILs networking with ad hoc techniques， and needs to improve security and antijamming capability of MAC protocol urgently. Hereby， HPRMA protocol is put forward in this paper. The frequency hopping processing gain and effectiveness in allusion to forwarding interference are analyzed. The high antijamming capability and realizability of the protocol was demonstrated. The simulation results validate that this protocol can provide quick access for emergency business.

Keywords： TADIL； Ad Hoc network； MAC； HPRMA

0 引 言

在幾次局部戰(zhàn)爭(zhēng)中的成功應(yīng)用使數(shù)據(jù)鏈（Tactical Digital Information Link，TADIL）獲得了“戰(zhàn)斗能力倍增器”的美譽(yù)。戰(zhàn)爭(zhēng)形式從傳統(tǒng)作戰(zhàn)到平臺(tái)中心戰(zhàn)，進(jìn)而到網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)的演變，對(duì)數(shù)據(jù)鏈的組網(wǎng)方式、網(wǎng)絡(luò)規(guī)模、網(wǎng)絡(luò)管理方式、數(shù)據(jù)傳輸速率、機(jī)動(dòng)性、抗毀性等提出了越來越高的要求。傳統(tǒng)的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、輪詢、TDMA多址接入等組網(wǎng)技術(shù)已經(jīng)無法滿足要求[1?4]。美軍最新一代的戰(zhàn)術(shù)目標(biāo)瞄準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)（Tactical Target Network Technology，TTNT）數(shù)據(jù)鏈采用了自組網(wǎng)技術(shù)，全方面提升了數(shù)據(jù)鏈的性能，這也代表了數(shù)據(jù)鏈未來的發(fā)展方向[5?10]。

多址接入是數(shù)據(jù)鏈自組網(wǎng)中的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，其實(shí)現(xiàn)是由數(shù)據(jù)鏈路層的介質(zhì)接入控制（Medium Access Control，MAC）協(xié)議完成的。本文從提高數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)的抗干擾能力和安全性、增強(qiáng)對(duì)突發(fā)業(yè)務(wù)的支持出發(fā)，提出了一種基于跳擴(kuò)頻的MAC協(xié)議——跳頻圖案預(yù)留多址接入（Hop?Pattern Reservation Multiple Access，HPRMA）協(xié)議，并進(jìn)行了理論分析和仿真驗(yàn)證。

1 協(xié)議描述

數(shù)據(jù)鏈自組網(wǎng)的MAC協(xié)議照某種算法或安排給網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)分配信道接入權(quán)，實(shí)現(xiàn)有序、高效的通信。MAC協(xié)議的設(shè)計(jì)面臨很多問題，既包括隱含和暴露終端、沖突避免和處理、公平性保障和優(yōu)先級(jí)支持等一般自組網(wǎng)固有的典型問題，還包括由數(shù)據(jù)鏈設(shè)備較大的發(fā)射功率和移動(dòng)速度所造成的新問題，以及更高的抗毀性和安全性需求等。在閱讀大量文獻(xiàn)后，作者發(fā)現(xiàn)，當(dāng)前數(shù)據(jù)鏈自組網(wǎng)MAC協(xié)議的設(shè)計(jì)面臨兩個(gè)迫切需求：

（1） 安全性需求。數(shù)據(jù)鏈的工作環(huán)境使其面臨著復(fù)雜多樣的干擾，還存在被敵方截獲的危險(xiǎn)，因此，必須提高其抗干擾、抗偵聽、抗截獲能力，增強(qiáng)安全性。

（2） 對(duì)突發(fā)業(yè)務(wù)的支持。戰(zhàn)術(shù)作戰(zhàn)平臺(tái)承擔(dān)著特殊的任務(wù)，需要處理多種突發(fā)事件，因此，數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)中的業(yè)務(wù)具有很強(qiáng)的突發(fā)特性，這些突發(fā)業(yè)務(wù)往往來源于指揮控制信息、緊急事件和意外情況的發(fā)生等，如果得不到及時(shí)處理，將會(huì)造成嚴(yán)重后果。因此，MAC協(xié)議必須為此類突發(fā)業(yè)務(wù)提供優(yōu)先級(jí)支持，使其能夠盡快接入信道，獲得及時(shí)處理，以提高數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)處理突發(fā)業(yè)務(wù)、應(yīng)對(duì)緊急事件的能力。對(duì)于其他問題，已經(jīng)有很多研究者給出了相應(yīng)的解決方案[11?30]。

因此，本文從提高數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)的安全性、增強(qiáng)對(duì)突發(fā)業(yè)務(wù)的支持出發(fā)，提出一種基于跳擴(kuò)頻的MAC協(xié)議——跳頻圖案預(yù)留多址接入（Hop?Pattern Reservation Multiple Access，HPRMA）協(xié)議。

該協(xié)議將跳頻圖案分為兩類：公共跳頻圖案和子跳頻圖案。公共跳頻圖案用于公共信息、控制信息的交互和子跳頻圖案的預(yù)約。除了公共跳頻圖案以外的其他跳頻圖案稱為子跳頻圖案，當(dāng)一對(duì)節(jié)點(diǎn)成功完成子圖案的預(yù)留以后，在子跳頻圖案上進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的跳頻通信。初始化時(shí)，所有的子跳頻圖案均為可用狀態(tài)，在工作過程中，節(jié)點(diǎn)通過偵聽控制分組來更新本地的子跳頻圖案狀態(tài)。

1.1 公共跳頻圖案上的時(shí)隙結(jié)構(gòu)

公共跳頻圖案上的每個(gè)時(shí)隙對(duì)應(yīng)一個(gè)頻率，每個(gè)時(shí)隙分為同步管理階段和圖案預(yù)留階段，如圖1所示。

圖1 公共跳頻圖案上的時(shí)隙結(jié)構(gòu)

（1） 同步管理階段。同步管理階段用于同步信息、控制信息、管理信息、廣播信息等的交互。

（2） 圖案預(yù)留階段。有分組要發(fā)送的節(jié)點(diǎn)，若正處于退避過程中，或者沒有可用的跳頻圖案，就繼續(xù)退避；若不在退避過程中，且有跳頻圖案為可用時(shí)，就持續(xù)偵聽信道一段隨機(jī)時(shí)間，若偵聽信道為空閑，就向接收節(jié)點(diǎn)發(fā)送請(qǐng)求發(fā)送（Request To Send，RTS）分組。RTS分組中的業(yè)務(wù)優(yōu)先級(jí)別與當(dāng)前待發(fā)送的最高級(jí)別的分組一致；若偵聽到分組，則根據(jù)偵聽到的分組的目標(biāo)節(jié)點(diǎn)和業(yè)務(wù)優(yōu)先級(jí)別，進(jìn)行退避或者回應(yīng)。沒有分組要發(fā)送的節(jié)點(diǎn)，收到控制分組以后，根據(jù)分組類型和目標(biāo)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行退避或回應(yīng)。

目標(biāo)節(jié)點(diǎn)收到RTS分組以后，查看RTS中的可用跳頻圖案索引，并結(jié)合本地的跳頻圖案狀態(tài)，確定兩者之間進(jìn)行通信的跳頻圖案索引；復(fù)制RTS分組中的占用時(shí)間估計(jì)；將發(fā)送節(jié)點(diǎn)ID、跳頻圖案索引、占用時(shí)間估計(jì)，寫允許發(fā)送分組（Clear to Send，CTS）分組中，發(fā)送出去，然后調(diào)整到對(duì)應(yīng)頻率上，設(shè)定計(jì)時(shí)器，等待數(shù)據(jù)分組的到來。若上一次使用過的跳頻圖案為可用狀態(tài)，就優(yōu)先選用此圖案。這樣，當(dāng)跳頻圖案的數(shù)目足夠時(shí)，該協(xié)議趨向于為每一對(duì)節(jié)點(diǎn)“軟預(yù)留”一個(gè)跳頻圖案。若接收節(jié)點(diǎn)發(fā)現(xiàn)沒有可供二者共用的跳頻圖案，就不進(jìn)行回應(yīng)。

節(jié)點(diǎn)發(fā)送完任何一個(gè)控制分組以后，都要設(shè)定計(jì)時(shí)器，等待目標(biāo)分組的到來。若目標(biāo)分組沒有及時(shí)到來，則認(rèn)為此次交互失敗，進(jìn)入退避狀態(tài)。當(dāng)為了發(fā)送一個(gè)數(shù)據(jù)分組所經(jīng)歷的交互失敗次數(shù)達(dá)到某一上限或者某一數(shù)據(jù)分組在MAC層滯留時(shí)間超過某一上限以后，丟棄該分組。

1.2 子跳頻圖案上的通信過程

發(fā)送節(jié)點(diǎn)發(fā)送完RTS分組后設(shè)定計(jì)時(shí)器，若在計(jì)時(shí)器超時(shí)前收到來自接收節(jié)點(diǎn)的CTS分組，就按照約定好的跳頻圖案發(fā)送數(shù)據(jù)。當(dāng)上層傳遞過來的分組較長(zhǎng)，無法在一個(gè)時(shí)隙中發(fā)送完畢時(shí)，就把這個(gè)分組拆分為較短的分組，在多個(gè)時(shí)隙內(nèi)進(jìn)行發(fā)送。節(jié)點(diǎn)發(fā)送完CTS分組以后，把收發(fā)信機(jī)頻率調(diào)整到子圖案的第一個(gè)頻點(diǎn)上，等待數(shù)據(jù)分組的到來，若數(shù)據(jù)分組及時(shí)到來，則進(jìn)入雙向通信過程，接收數(shù)據(jù)；若數(shù)據(jù)分組沒有及時(shí)到來，則認(rèn)為交互失敗，進(jìn)行退避。發(fā)送節(jié)點(diǎn)發(fā)送完最后一個(gè)分組以后，暫時(shí)停留在此頻率上，等待確認(rèn)分組，若確認(rèn)分組及時(shí)到來，則通知上層并調(diào)整時(shí)間返回公共跳頻圖案；若確認(rèn)分組沒有及時(shí)到來，則設(shè)定退避時(shí)間并返回公共跳頻圖案。

1.3 協(xié)議工作過程

綜上，協(xié)議完整的工作過程如圖2所示。

2 協(xié)議抗干擾能力分析

2.1 處理增益

相對(duì)于普通通信方式，跳頻通信系統(tǒng)的強(qiáng)抗干擾能力直接體現(xiàn)在其處理增益上。跳頻處理增益可以定義為：

[GFH=10lgBsBm] （1）

式中：[Bs]為跳頻信號(hào)占用帶寬；[Bm]為一個(gè)頻點(diǎn)占用的帶寬。當(dāng)跳頻圖案上的N個(gè)頻點(diǎn)占用帶寬相等時(shí)，式（1）可以表示為：

[GFH=10lgN] （2）

即跳頻圖案中頻點(diǎn)個(gè)數(shù)直接決定了跳頻系統(tǒng)的處理增益和抗干擾能力。

HPRMA協(xié)議中的跳頻圖案包括一個(gè)公共跳頻圖案和若干個(gè)子跳頻圖案，系統(tǒng)的抗干擾能力取決于抗干擾能力最弱的一環(huán)。因此，平均分配各跳頻圖案中的頻點(diǎn)數(shù)目，可以使系統(tǒng)的抗干擾能力最強(qiáng)，安全性最高。

2.2 協(xié)議抗轉(zhuǎn)發(fā)式干擾的效果

對(duì)跳頻系統(tǒng)干擾的一個(gè)重點(diǎn)是首先得到跳頻圖案，然后根據(jù)圖案發(fā)送干擾。由于目前跳頻圖案的設(shè)計(jì)越來越復(fù)雜，每個(gè)完整的跳頻周期可能達(dá)到數(shù)天，甚至數(shù)月時(shí)間，要得到跳頻圖案是相當(dāng)困難的。轉(zhuǎn)發(fā)式干擾則成功地避開了此難題。

圖2 HPRMA協(xié)議的工作過程

所謂轉(zhuǎn)發(fā)式干擾，是指干擾機(jī)將接收到的信號(hào)經(jīng)過一定的處理后，作為干擾激勵(lì)信號(hào)，經(jīng)功放后發(fā)送出來形成干擾。轉(zhuǎn)發(fā)式干擾的特點(diǎn)是干擾頻率自動(dòng)對(duì)準(zhǔn)通信頻率，從而不必對(duì)跳頻圖案進(jìn)行偵察就可以施放干擾，實(shí)施起來比較簡(jiǎn)單，是干擾跳頻通信的一種有效手段。然而，當(dāng)一定的條件被滿足時(shí)，轉(zhuǎn)發(fā)式干擾將無法形成有效干擾。

圖3為轉(zhuǎn)發(fā)式干擾示意圖。其中，[Si]為跳頻收、發(fā)信機(jī)之間的距離，[St]為轉(zhuǎn)發(fā)式干擾機(jī)到發(fā)信機(jī)之間的距離，[Sr]為轉(zhuǎn)發(fā)式干擾機(jī)到收信機(jī)之間的距離。由于通信頻率不斷變化，只要轉(zhuǎn)發(fā)式干擾機(jī)到達(dá)收信機(jī)時(shí)干擾頻率與通信頻率不重合，轉(zhuǎn)發(fā)式干擾就會(huì)失效。即，當(dāng)轉(zhuǎn)發(fā)式干擾機(jī)接收到信號(hào)并進(jìn)行處理、發(fā)送干擾，直到干擾到達(dá)接收機(jī)時(shí)，通信頻率已經(jīng)跳變到另一個(gè)頻率上，轉(zhuǎn)發(fā)式干擾就不會(huì)對(duì)跳頻通信產(chǎn)生影響。

圖3 轉(zhuǎn)發(fā)式干擾示意圖

在圖3中，跳頻信號(hào)沖發(fā)信機(jī)到達(dá)接收機(jī)時(shí)間為[Sic]，信號(hào)從發(fā)信機(jī)到達(dá)轉(zhuǎn)發(fā)式干擾機(jī)時(shí)間為[Stc]，信號(hào)從轉(zhuǎn)發(fā)式干擾機(jī)達(dá)接收機(jī)時(shí)間為[Src]。設(shè)轉(zhuǎn)發(fā)式干擾機(jī)對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理時(shí)間為τ，那么只要跳頻速率R滿足：

[R>1Stc+Src+τ-Sic] （3）

轉(zhuǎn)發(fā)式干擾就會(huì)失效。例如，當(dāng)收、發(fā)信機(jī)的距離為20 km，干擾機(jī)與發(fā)信機(jī)距離為15 km、與接收機(jī)距離為12 km時(shí)，如果忽略干擾機(jī)的處理時(shí)間，則為了有效抑制轉(zhuǎn)發(fā)式干擾，跳頻速率R必須滿足：

[R>3×108（15+12-20）×10≈42 857 跳/s] （4）

當(dāng)前，美國的Link?16數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)跳頻速率已達(dá)到76 000 跳/s。因此，現(xiàn)有技術(shù)已能夠保證使用跳頻通信的數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)有效抵抗轉(zhuǎn)發(fā)式干擾，提高系統(tǒng)的安全性。

3 協(xié)議對(duì)突發(fā)業(yè)務(wù)的支持

在本協(xié)議中，通過以下方式，為緊急突發(fā)業(yè)務(wù)提供優(yōu)先級(jí)支持：

（1） 節(jié)點(diǎn)將所有待發(fā)送的分組，按照優(yōu)先級(jí)的高低進(jìn)行排序，每次發(fā)送最高優(yōu)先級(jí)別的分組。

（2） 在圖案預(yù)留階段，節(jié)點(diǎn)在偵聽時(shí)可能接收到別的節(jié)點(diǎn)發(fā)送給自己的RTS分組。這種情況下，按照優(yōu)先級(jí)的方式進(jìn)行處理：若收到的RTS分組所代表的業(yè)務(wù)優(yōu)先級(jí)比該節(jié)點(diǎn)自己要發(fā)送的業(yè)務(wù)優(yōu)先級(jí)高，則將自己的發(fā)送擱置，發(fā)送允許發(fā)送CTS分組進(jìn)行回應(yīng)；否則，不予理會(huì)。在這一部分，將通過仿真，驗(yàn)證協(xié)議對(duì)突發(fā)業(yè)務(wù)的支持。仿真使用的軟件為OPNET。OPNET是當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)仿真領(lǐng)域最著名的主流產(chǎn)品，是目前世界上最先進(jìn)的網(wǎng)絡(luò)仿真開發(fā)和應(yīng)用平臺(tái)，近幾年被第三方權(quán)威機(jī)構(gòu)評(píng)選為“世界級(jí)網(wǎng)絡(luò)仿真軟件”第一名。目前全球有1 400多個(gè)組織，包括美國軍方和許多著名的電信公司都在使用OPNET軟件。

3.1 節(jié)點(diǎn)模型

OPNET中的節(jié)點(diǎn)模型是用進(jìn)程模型來搭建協(xié)議棧。為了研究所提MAC協(xié)議的性能，并盡量使工作簡(jiǎn)潔有效，將上層結(jié)構(gòu)進(jìn)行抽象和省略，得到如圖4所示的節(jié)點(diǎn)模型。模型中各個(gè)模塊的功能如下：

（1） source模塊：產(chǎn)生數(shù)據(jù)分組；

（2） interspace模塊：為簡(jiǎn)化mac模塊而獨(dú)立出來的模塊，將接收到的來自source模塊的數(shù)據(jù)分組，按照優(yōu)先級(jí)高低進(jìn)行排序，以輔助和支持MAC協(xié)議的實(shí)現(xiàn)；

（3） mac模塊：即封裝好的HPRMA協(xié)議的進(jìn)程模型；

（4） transmit模塊：實(shí)現(xiàn)發(fā)信機(jī)和全向天線的功能；

（5） receive模塊：實(shí)現(xiàn)收信機(jī)和全向天線的功能；

（6） sink模塊：接收來自下層模塊的分組，將其銷毀以釋放內(nèi)存；更新統(tǒng)計(jì)量，以便進(jìn)行性能評(píng)估。

節(jié)點(diǎn)模型中沒有使用天線模塊，這時(shí)，OPNET默認(rèn)為收信機(jī)和發(fā)信機(jī)配置一個(gè)各方向增益相等的全向天線。

圖4 節(jié)點(diǎn)模型

3.2 進(jìn)程模型

OPNET的進(jìn)程模型是對(duì)具體算法和協(xié)議的實(shí)現(xiàn)，本文所提出的HPRMA協(xié)議由interspace模塊和mac模塊實(shí)現(xiàn)，其進(jìn)程模型分別如圖5和圖6所示。

圖5 interspace模塊的進(jìn)程模型

interspace模塊中各狀態(tài)的功能如下：

（1） initial狀態(tài)：完成初始化工作；

（2） idle狀態(tài)：系統(tǒng)空閑時(shí)的停留狀態(tài)；

（3） packet_sort狀態(tài)：按照優(yōu)先級(jí)高低，對(duì)本地待發(fā)送的分組進(jìn)行排序；

（4） packet_to_sink狀態(tài)：將收到的分組移交給上層模塊；

（5） packet_to_mac狀態(tài)：將上層分組按照優(yōu)先級(jí)順序傳遞給下層模塊。

mac模塊中各狀態(tài)的功能如下：

（1） initial狀態(tài)：完成初始化工作，如加載跳頻圖案、初始化所有跳頻圖案為可用狀態(tài)、初始化退避時(shí)隙數(shù)為0、加載隨機(jī)分布、查詢節(jié)點(diǎn)ID并存入表格、清空分組隊(duì)列等；

（2） syn_manage狀態(tài)：對(duì)應(yīng)同步管理階段，在此狀態(tài)駐留規(guī)定時(shí)間后，開始圖案預(yù)留；若收到其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送的控制分組、同步分組等，則進(jìn)行相應(yīng)處理；

（3） syn_mng_pkt：發(fā)送一個(gè)固定長(zhǎng)度的無格式分組，用來模擬同步分組、控制分組等的傳輸；

（4） idle狀態(tài)：若節(jié)點(diǎn)沒有分組待發(fā)送，則在此狀態(tài)駐留規(guī)定時(shí)間后，跳轉(zhuǎn)回到syn_manage狀態(tài)；若有分組待發(fā)送，則根據(jù)情況跳轉(zhuǎn)到相應(yīng)的狀態(tài)；

（5） backoff_return狀態(tài)：節(jié)點(diǎn)預(yù)留跳頻圖案失敗或發(fā)送數(shù)據(jù)分組失敗后，跳轉(zhuǎn)到此狀態(tài)，設(shè)置退避時(shí)隙數(shù)，并在合適的時(shí)間回到同步管理階段；

（6） sensing狀態(tài)：有分組待發(fā)送的節(jié)點(diǎn)，在此狀態(tài)偵聽信道，根據(jù)偵聽結(jié)果跳轉(zhuǎn)到相應(yīng)的狀態(tài)：

（7） send_rts_wait_cts狀態(tài)：節(jié)點(diǎn)在偵聽信道為空閑后，發(fā)送RTS分組，設(shè)定計(jì)時(shí)器，等待CTS分組；

（8） send_cts_wait_data狀態(tài)：節(jié)點(diǎn)在收到RTS分組后，若有可供二者進(jìn)行通信的跳頻圖案，則回復(fù)CTS分組，調(diào)整頻率，設(shè)定計(jì)時(shí)器，等待數(shù)據(jù)分組；

（9） send_data_wait_ack狀態(tài)：發(fā)送數(shù)據(jù)；若分組過長(zhǎng)，則拆分后發(fā)送；發(fā)送完全部分組以后，設(shè)定計(jì)時(shí)器，等待ACK分組；

（10） wait_data狀態(tài)：節(jié)點(diǎn)收到數(shù)據(jù)分組后，若沒有接收完全部分組（過長(zhǎng)的分組會(huì)被拆分后發(fā)送），則跳轉(zhuǎn)到此狀態(tài)，等待下一個(gè)分組；

（11） send_ack狀態(tài)：接收完全部分組以后，發(fā)送ACK分組；

（12） adjust_return狀態(tài)：發(fā)送完或接收完全部分組以后，調(diào)整時(shí)隙，在相應(yīng)的時(shí)間返回同步管理階段；

（13） pkt_read，pkt_read0，pkt_read1，pkt_read2狀態(tài)：讀取控制分組攜帶的信息，以便進(jìn)行正確的狀態(tài)跳轉(zhuǎn)。

仿真使用的source模塊、sink模塊都是在標(biāo)準(zhǔn)模塊上稍作修改得到的，在此不再詳述其進(jìn)程模型。

圖6 mac模塊的進(jìn)程模型

3.3 仿真驗(yàn)證

通過仿真，得到了各優(yōu)先級(jí)別的業(yè)務(wù)的接入時(shí)延，如圖7所示。其中，最下面一條曲線代表的業(yè)務(wù)的優(yōu)先級(jí)別為最高等級(jí)1，中間曲線代表的業(yè)務(wù)的優(yōu)先級(jí)別為2，最上面一條曲線代表的業(yè)務(wù)的優(yōu)先級(jí)別為3。節(jié)點(diǎn)以泊松規(guī)律產(chǎn)生業(yè)務(wù)分組，各優(yōu)先級(jí)別業(yè)務(wù)產(chǎn)生的概率相等。此時(shí)，網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的連通度為5。

從圖7可以看到：仿真開始時(shí)，由于網(wǎng)絡(luò)中待發(fā)送的數(shù)據(jù)分組較少，處于退避過程中的節(jié)點(diǎn)也較少，各個(gè)優(yōu)先級(jí)別的業(yè)務(wù)都能獲得較快的接入；隨著時(shí)間的推移，待發(fā)送的分組越來越多，由于沖突而導(dǎo)致退避的節(jié)點(diǎn)也越來越多，業(yè)務(wù)的接入時(shí)延開始增加，并逐漸達(dá)到穩(wěn)定；在穩(wěn)定狀態(tài)下，高優(yōu)先級(jí)別的業(yè)務(wù)的接入時(shí)延明顯低于低優(yōu)先級(jí)別的業(yè)務(wù)的時(shí)延，從而保證了緊急突發(fā)業(yè)務(wù)的快速接入。將連通度增大為10，重復(fù)以上仿真，得到各個(gè)級(jí)別業(yè)務(wù)的時(shí)延，如圖8所示。可以看到，三個(gè)優(yōu)先級(jí)別的業(yè)務(wù)的接入時(shí)延同樣表現(xiàn)出先增加、后穩(wěn)定的趨勢(shì)，這與圖7是一致的；不同的是，三個(gè)級(jí)別的業(yè)務(wù)的接入時(shí)延較圖7有所增大，而且，相互之間的差別有所減小，這是由于連通度的增加加劇了節(jié)點(diǎn)之間的競(jìng)爭(zhēng)。繼續(xù)增大連通度，令其分別為20和30，得到各優(yōu)先級(jí)別業(yè)務(wù)的接入時(shí)延，如圖9所示。

圖7 連通度為5時(shí)各級(jí)別業(yè)務(wù)的接入時(shí)延

圖8 連通度為10時(shí)各級(jí)別業(yè)務(wù)的接入時(shí)延

圖9 連通度為20和30時(shí)各級(jí)別業(yè)務(wù)的接入時(shí)延

可以看到，隨著連通度的增加，競(jìng)爭(zhēng)的加劇，各個(gè)優(yōu)先級(jí)別的業(yè)務(wù)的接入時(shí)延進(jìn)一步增加，不同級(jí)別的業(yè)務(wù)的接入時(shí)延的差距則進(jìn)一步減小。從以上仿真可知，在連通度較低的情況下，HPRMA協(xié)議能夠提供良好的優(yōu)先級(jí)支持，使得高優(yōu)先級(jí)別的業(yè)務(wù)快速接入信道；連通度越高，高優(yōu)先級(jí)別的業(yè)務(wù)在快速接入方面優(yōu)勢(shì)越弱。數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)是一種相對(duì)稀疏的網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的連通度較低，因此，該協(xié)議非常適用于數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)，能夠?yàn)楦邇?yōu)先級(jí)別的業(yè)務(wù)提供優(yōu)先級(jí)支持，以增強(qiáng)系統(tǒng)處理緊急突發(fā)事件的能力。

4 結(jié) 語

數(shù)據(jù)鏈自組網(wǎng)的多址接入急需提高抗干擾能力和安全性，增強(qiáng)對(duì)突發(fā)業(yè)務(wù)的支持。基于此，本文提出了HPRMA協(xié)議。通過對(duì)協(xié)議的跳頻處理增益和抗轉(zhuǎn)發(fā)式干擾的效能進(jìn)行分析，論證了協(xié)議的高抗干擾能力和可實(shí)現(xiàn)性；通過仿真，驗(yàn)證了協(xié)議對(duì)突發(fā)業(yè)務(wù)的支持，證明了在數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)中使用該協(xié)議，可以提高數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)處理突發(fā)緊急事件的能力。

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