一種區分優先級自適應抖動的媒質接入控制協議

肖雷蕾,張衡陽,毛玉泉,程國兵,朱慶

(空軍工程大學信息與導航學院, 710077, 西安)

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一種區分優先級自適應抖動的媒質接入控制協議

肖雷蕾,張衡陽,毛玉泉,程國兵,朱慶

(空軍工程大學信息與導航學院, 710077, 西安)

針對軍事航空通信系統中隨機接入類協議不支持多優先級且在重負載時傳輸性能急劇惡化問題,提出一種區分優先級自適應抖動的多信道媒質接入控制(MAC)協議PAJ_MAC。協議基于隨機接入機制,采用為各個優先級設置不同最大抖動階段的方法來區分各優先級業務的QoS,通過估計信道忙閑程度并根據估計值調節抖動階段轉移概率自適應因子,使協議具備業務負載自適應能力。分別建立了分組等待階段發送緩沖區的M/G/1/K排隊模型、信道接入階段抖動狀態的二維馬爾科夫鏈模型和傳播階段的突發包碰撞模型,得到了協議各項性能指標的理論表達式,并通過編程求出了自適應因子在保證最高優先級可靠性需求下隨業務負載變化的最優解。仿真表明,該協議支持多優先級業務,并始終保證最高優先級業務的低時延(端到端時延<10 ms)、高可靠(成功傳輸概率≥95%)傳輸以及系統吞吐量的穩定。

航空通信;隨機接入;媒質接入控制協議;自適應抖動;優先級

打擊時敏目標的作戰任務具有時間約束嚴格、信息交互質量要求高的特性,因此對作戰平臺間信息交互共享能力提出了很高的要求。目前的軍事航空通信網絡大多采用集中式接入控制方式,如美軍的Link11數據鏈使用的輪詢機制媒質接入控制(MAC)協議、Link-16數據鏈使用的TDMA協議等,都存在端到端時延大、可擴展性和抗毀性差等缺點。Link22采用動態TDMA機制,具有了一定的靈活性和可擴展性,但信息共享的時延一般在秒級,難以滿足時敏性業務的毫秒級傳輸時延的要求。因此,美軍正在發展一種基于自組織網絡體系架構的新型高速、寬帶、低時延的戰術網絡瞄準技術(tactical targeting network technology,TTNT)[1],其MAC協議的設計緊緊圍繞著打擊時敏目標的要求而展開。

航空自組網具有部署靈活、快速自組、分布式、高抗毀性等特點[2-4]。MAC協議作為航空自組網的關鍵技術之一,直接影響著航空自組網的時效性、可靠性及系統吞吐量[5]。航空自組網具有多種業務類型,如何保證打擊時敏目標的緊急業務傳輸的時效性、可靠性是MAC協議亟待解決的問題[6]。現有航空自組網的典型MAC協議主要有以下3種:①以TDMA及其相關改進的時隙分配類協議[7-8],具有系統吞吐量大、時隙固定和可動態調整的特點,但這類協議的時隙長度設置需要考慮最大傳播時延和時延抖動等因素,僅適合于對時效性要求不高的通信系統;②以IEEE 802.11 DCF及相關改進的時隙預約類協議[9-11],適用于分布式網絡,但每個節點需要通過RTS/CTS控制幀的交互來競爭預約時隙,在大尺度的航空節點分場景下,這種交互引入的傳播時延對信息時效性帶來了嚴重影響,也不能支持面向時敏目標打擊的業務信息傳輸;③以Aloha及其相關改進的隨機接入類協議[12-14],大大降低了接入時延。例如:戰術網絡瞄準技術的基于優先級統計的媒質接入(statistical priority based media access,SPMA)控制協議[12],采用多信道、信道忙閑統計等技術,可將100 n mile內的信息傳輸時延降低到2 ms以內,分組一次接入成功率達到99%;文獻[13]提出一種Aloha改進MAC協議(FH_MAC),在Aloha隨機接入基礎上,采用跳頻、Turbo編碼、猝發等技術以減小信道碰撞概率并提高數據包的發送成功率,FH_MAC協議在保持低時延特性的同時大大提高了傳輸成功率,但在重負載時性能嚴重惡化,且不支持多優先級業務;文獻[14]提出一種改進的MAC協議(AFH_MAC),針對FH_MAC協議中吞吐量-業務負載呈拋物線關系提出了一種自適應機制,主要是通過設置突發包接入信道的權限來控制網絡負載數量,協議能有效維持重負載時系統吞吐量的穩定,但是未考慮航空通信網絡中多優先級業務的情況。

本文在文獻[13-14]的研究基礎上,提出了區分優先級的自適應抖動媒質接入控制(prioritized adaptive jitter based media access control,PAJ_MAC)協議,旨在提供區分優先級服務且為最高優先級業務提供嚴格的時效性和可靠性保障,同時解決隨機接入類MAC協議重負載時性能惡化的問題。

1 協議描述

1.1 協議框架

本文提出的PAJ_MAC協議框架如圖1所示。其中:分組發送時,上層產生的業務分組經過FIFO排隊、突發包產生和自適應抖動模塊后接入網絡,完成發送過程;分組接收時,接收到的數據通過分組重組模塊進行譯碼重組,恢復出完整的分組后,完成接收過程。

圖1 PAJ_MAC協議框架

圖1中各模塊功能具體介紹如下。

(1)排隊過程:分組到達后按照各自優先級排隊,排隊規則為FIFO,隊列飽和時分組自動丟棄。

(2)突發包產生模塊:對分組進行1/3效率Turbo編碼,然后等長拆分為若干個突發包,在每個突發包中加入相應身份信息(包括分組序號和突發包序號)。

(3)分組重組模塊:根據接收到的突發包身份信息對其進行譯碼重組,根據Turbo編碼原理,只需成功接收一半以上突發包就能成功恢復分組。

(4)信道占用統計模塊:統計一段時間內各個信道上的突發包數量,對信道忙閑程度進行量化表示,將該值反饋給自適應抖動機制并作為其抖動階段轉移概率設置依據。

(5)自適應抖動機制:每個突發包在發送前先進行自適應抖動,然后在頻率庫中隨機選擇一個頻點完成發送過程。該機制可以實現為不同優先級業務提供不同的QoS。

1.2 自適應抖動算法

在自適應抖動算法中,網絡節點為每個優先級業務維持著一張抖動階段轉移圖。圖2為優先級n(n=1,2,3,…)的抖動階段轉移圖,共包含m+1個抖動階段,不同優先級的最大抖動階段m取值不同。每個抖動階段都對應一個抖動窗口,Wi表示抖動階段i對應的抖動窗口,W0為最小抖動窗口,各優先級具有相同的最小抖動窗口,且大小為W0=10δ(δ為抖動時隙)。抖動窗口隨抖動階段線性增加,后一個抖動階段的抖動窗口比前一個增加W0,Wi=(i+1)W0,0≤i≤m。

圖2 自適應抖動算法抖動階段轉移圖

不同優先級突發包的自適應抖動機制同時獨立運行,當突發包到達時,算法開始啟動。以優先級n做具體說明:如突發包到達時的當前抖動階段為i(0

2 協議建模

2.1 二維馬爾科夫鏈模型

接下來采用二維馬爾科夫鏈對自適應抖動算法進行建模。以數組(i,j)表示節點的抖動狀態,其中,i為抖動階段,i∈[0,m],j為抖動計數器的計數值,j∈[0,Wi-1],那么節點的抖動狀態空間為Ω={(i,j)|i∈[0,m],j∈[0,Wi-1]}。圖3為算法的二維馬爾科夫鏈狀態轉移圖。設(s(t),b(t))表示在t時刻節點所處的抖動狀態,那么二維隨機過程(s(t),b(t))是狀態空間為Ω的離散二維馬爾科夫鏈。

圖3 自適應抖動算法的二維馬爾科夫鏈狀態轉移圖

(1)

(2)

(3)

bi,j=

(4)

由式(1)～式(4)可得

(5)

根據二維馬爾科夫鏈的歸一化條件可得

(6)

為表達方便,令H=p/(1-p),進而求出

(2W0+W0m+1)Hm+1-H+W0+1]

(7)

將所得b0,0代入式(1)～式(3),即可求得二維馬爾科夫鏈的所有穩定狀態概率值。

(8)

將式(8)對變量i求和,得到bur(i,j)的關于j的邊緣概率密度函數,表示突發包接入信道前抖動j個時隙的概率,如下式

(9)

假設一個分組被拆分的突發包數量為Nbur個。定義bur(jk),表示分組中第k(k=1,2,…,Nbur)個突發包,抖動時間為jk(1≤jk≤Wm)個時隙,則Nbur個突發包關于抖動時間的聯合概率密度函數為

(10)

定義分組的服務時間為Tpac(J),那么,其大小是Jδ(Nbur≤J≤WmNbur)的概率為

(11)

則分組的平均服務時間為

(12)

2.2 分組排隊模型

對于單個節點中的長度為K的發送緩沖隊列,網絡層以泊松過程到達的分組與節點處理這些分組的過程構成M/G/1/K排隊系統。設分組到達率為λ(不同優先級取值不同),pk為穩態情況下隊列中有k個分組的概率(k=0,1,2,…,K),πk表示穩態情況下分組接受完服務離開發送緩沖區時緩沖區隊列中有k個分組的概率,則根據文獻[15]有

(13)

式中:ρ為業務強度,可表示為

(14)

設向量π=[π0,π1,…,πk,…,πK-1],則πk可以通過下式表示的線性方程組求得

π(M-E)=0

(15)

(16)式中:E為單位矩陣;ak為一個分組服務時間Tpac(J)內有k個分組到達的概率

k=0,1,…

(17)

其中P(Tpac(J))已由式(11)求得。

聯立式(13)～式(17)可解出所有pk值。定義pempty=p0,表示隊列為空,同時自適應抖動算法處于未啟動狀態;定義poverflow=pK,表示隊列飽和,到達分組溢出的概率。

2.3 信道碰撞模型

(18)

定義Rin為網絡中所有節點突發包接入總速率,Nnode為網絡節點數量,則網絡中突發包接入總速率為

(19)

考慮到隨機接入網絡中的突發包會在時域上、頻域上發生碰撞,因此,為使突發包在信道中成功傳輸,突發包與其相鄰的前、后一個突發包的間隔需同時大于一個突發包的發送脈沖寬度Tbur_send。假設單個信道中,接入網絡中的突發包時間間隔服從參數為λper_channel的指數分布,突發包發送頻點在Nchannel個信道中隨機選擇,則λper_channel=(Nchannel/Rin)-1,由此可知,在任一信道中的突發包時間間隔概率密度函數為

(20)

定義pbur_right表示在信道傳播過程中單個突發包成功接入的概率,則

(21)

定義ppac_right,表示在信道傳播過程中分組成功接入的概率。根據Turbo編碼原理,一個分組中只要有Mbur個突發包能夠成功接收,接收機就能夠恢復該分組,根據排列組合可得分組成功傳播概率為

(22)

3 性能分析

(23)

令Tpropagate表示分組傳播時間,則可得優先級n分組的平均時延為

(24)

(25)

定義C為系統吞吐量,表示單位時間內網絡中正確傳輸的分組比特數,令Lpac為分組長度(單位bit),則

(26)

(a)自適應因子p=0.35

(b)自適應因子p=0.65

(c)自適應因子p=0.35

(d)自適應因子p=0.65 圖4 在不同自適應因子下各優先級平均時延和成功傳輸概率隨負載變化的關系圖

在表1中給定的參數條件下,系統性能還與業務負載和自適應因子的大小有關。分別作出了不同自適應因子取值下分組成功傳輸概率和平均時延隨業務負載的變化關系,如圖4所示。對比圖4a、4b可以看出,隨著業務負載的增加,各優先級分組平均時延也相應增加,且隨著自適應因子的增大,低優先級分組平均時延增長加快。對比圖4c、4d可以看出,隨著業務負載的增加,各優先級分組的成功傳輸概率迅速降低,而在自適應因子取值較大時,高優先級的成功傳輸概率有了較大提高。從而可得出:在p取值較小時,輕負載時各優先級業務具有較好的可靠性和時效性,但是在業務負載較重時各優先級業務的可靠性極低;p取值較大時,重負載時高優先級業務可靠性有了較大提高,但是在輕負載時低優先級業務可靠性和時效性過低。

4 自適應因子p的最優取值

自適應因子p是信道占用統計模塊針對信道忙閑程度的量化表示值。通過性能分析可知,在p取值較小時,可保證輕負載時各優先級業務具有較好的可靠性和時效性,但在負載較重時各優先級業務可靠性很難保障;p取值較大時,可提高重負載時高優先級業務可靠性,但在輕負載時低優先級業務可靠性和時效性過低。為保證最高優先級業務低時延和高可靠的同時提高通信的整體效益,自適應因子p須根據業務負載自適應調整,以實現2個目的:①始終保證最高優先級業務的實時可靠傳輸;②在輕負載時,提高低優先級業務的通信質量。

表1 仿真參數

圖5 最優自適應因子與最高優先級成功傳輸概率的 變化關系

從圖5可知,不同曲線間,對最高優先級業務最低成功傳輸概率要求越高,自適應因子p在相同業務負載下的取值越大;單個曲線中,隨著業務量的增加,自適應因子p取值越大。

5 仿真分析

圖6 仿真場景示意圖

(b)各優先級分組平均時延

(c)各優先級分組丟包率

(d)系統吞吐量和分組成功傳輸概率圖7 本文協議性能的理論和仿真曲線

從圖7a、7b可知:當系統為輕負載時,各個優先級都具有較高的成功傳輸概率和較低的平均時延,且差異較小;處于重負載時,最高優先級業務的信息傳輸質量保持不變,成功傳輸概率為0.95,分組平均時延在7 ms左右。從圖7c可知,在輕負載時,各優先級分組丟包率基本為0;在重負載時,丟包率不斷增加,但最高優先級的丟包率始終為0。從圖7d可知,分組成功傳輸概率在輕負載時較大,且隨著負載增加最終維持在0.95,系統吞吐量在重負載時也保持在最大值。

仿真結果分析:①當系統處于輕負載時,自適應因子p取值較小,自適應抖動機制作用效果弱,從而使各優先級之間的QoS差異較小,使得輕負載時低優先級業務也能具有較高的信息傳輸質量;②當系統處于重負載時,信道質量變差,自適應因子p的取值變大,優先級低的分組服務時間變大,分組溢出概率增加,限制了低優先級分組的接入,避免了信道質量的繼續惡化;③PAJ_MAC協議的理論和仿真結果一致,始終保證最高優先級業務的實時可靠傳輸,且提高了輕負載時低優先級業務的通信質量,證明了最優自適應因子理論計算值的正確性以及自適應抖動機制的有效性。

6 結束語

為面向“時敏目標”打擊的航空自組網設計了一種基于自適應抖動且支持多優先級業務類型的MAC協議,采用無線網絡性能分析中成熟和通用的二維馬爾科夫鏈模型,重點研究分析并仿真了自適應抖動機制對MAC協議的實時性、可靠性的影響。協議采用自適應抖動機制為各個優先級設置不同最大抖動階段,以提供不同優先級業務的QoS保障,通過信道占用統計模塊提供的自適應因子p的反饋調節作用,使協議具備業務負載自適應能力,即輕負載時各優先級業務均能高效、可靠地傳輸,重負載時以犧牲低優先級業務通信質量為代價,保證了高優先級分組的低時延和高可靠性。最后,通過仿真驗證了PAJ_MAC協議自適應抖動機制的有效性和建模分析的準確性。

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(編輯 劉楊)

An Adaptive Jitter Based Media Access Control Protocol with Priorities

XIAO Leilei,ZHANG Hengyang,MAO Yuquan,CHENG Guobing,ZHU Qing

(Information and Navigation College, Air Force Engineering University, Xi’an 710077, China)

A prioritized adaptive jitter media access control protocol (PAJ_MAC) based on multi-channel random access mechanism is proposed to solve the issues of multi-priority traffic differentiation and poor performance under heavy loads in military aeronautical communication. The protocol bases on the random access mechanism and classifies QoS for multiple priorities by setting different maximum jitter stages. It adaptively implements traffic loads by regulating the jitter stage transition probability based on continuous feedback of channel occupation statistic. All of the protocol performance expressions are deduced through building three models. These models are a queuing process model with M/G/1/K theory, an adaptive jitter mechanism model with 2-D Markov chain and a propagation process model with burst collision. The optimal adaptive factor to guarantee the reliability of the highest priority traffic under different traffic loads is derived through programming. Simulation results show that the protocol provides correct traffic differentiation, guarantees the timeliness and reliability of the highest priority traffic (i.e. the time delay is less than 10 ms and the successful transmission probability is more than 95%), and maintains the stability of the system throughput all the time.

aeronautical communication; random access; media access control protocol; adaptive jitter; priority

2015-04-01。

肖雷蕾(1991—),男,碩士生;張衡陽(通信作者),男,副教授。

國家自然科學基金資助項目(61202490);航空科學基金資助項目(2013ZC15008)。

時間:2015-07-23

10.7652/xjtuxb201510020

TP393

A

0253-987X(2015)10-0123-07

網絡出版地址:http://www.cnki.net/kcms/detail/61.1069.T.20150723.0922.014.html