NAVDAT臺(tái)站發(fā)射時(shí)隙集中協(xié)調(diào)與實(shí)現(xiàn)

彭樹林 湯可成 高萬(wàn)明 王翔

摘 要：文章針對(duì)NAVDAT數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，研究時(shí)隙的分配及協(xié)調(diào)方法，實(shí)現(xiàn)了一種集中協(xié)調(diào)的時(shí)隙分配方案，能夠最大限度地利用所有帶寬資源傳輸數(shù)據(jù)。

關(guān)鍵詞：NAVDAT；發(fā)射時(shí)隙：協(xié)調(diào)

采用64QAM調(diào)制的NAVDAT數(shù)據(jù)鏈路，以500 kHz的發(fā)射頻率，在100～200海里的范圍內(nèi)為船載移動(dòng)終端提供19～28 kbps的下行數(shù)據(jù)服務(wù)，使航行警告信息、氣象傳真圖以及海圖更新等能夠及時(shí)播發(fā)到船舶終端[1]。

由于無(wú)線電傳播距離受發(fā)射時(shí)的電磁環(huán)境影響較大，各NAVDAT臺(tái)站的覆蓋可能交叉重疊，且可能重疊的范圍大小變化。并且在解決全區(qū)域覆蓋時(shí)，采用時(shí)分或單頻網(wǎng)絡(luò)的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)[1]。由于NAVDAT使用的頻點(diǎn)是固定的，為了避免電臺(tái)間的發(fā)射干擾（64QAM對(duì)干擾比較敏感），必須保證各個(gè)交叉覆蓋的NAVDAT臺(tái)站傳輸數(shù)據(jù)的時(shí)隙互斥。

本文針對(duì)NAVDAT數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，研究時(shí)隙的分配及協(xié)調(diào)方法，實(shí)現(xiàn)了一種集中協(xié)調(diào)的時(shí)隙分配方案，能夠最大限度地利用所有帶寬資源傳輸數(shù)據(jù)。

本文所述的方法，采用動(dòng)態(tài)規(guī)劃的方法對(duì)時(shí)隙進(jìn)行全局優(yōu)化，通過(guò)一個(gè)全局時(shí)隙分配表，將各NAVDAT發(fā)射臺(tái)的發(fā)射協(xié)調(diào)到總帶寬最大的狀態(tài)。

1 時(shí)隙協(xié)調(diào)技術(shù)

1.1時(shí)隙協(xié)調(diào)的目的和意義

NAVDAT數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，在不同地理空間時(shí)分復(fù)用相同的頻點(diǎn)，傳輸不同的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)。在保證不相互沖突的情況下，盡可能使每個(gè)NAVDAT臺(tái)站的每個(gè)可用時(shí)隙資源都被利用。

時(shí)隙協(xié)調(diào)的目的在于最大限度利用各臺(tái)站的時(shí)隙資源來(lái)傳輸數(shù)據(jù)，使系統(tǒng)的總帶寬達(dá)到最大的狀態(tài)。

時(shí)隙協(xié)調(diào)的重要意義在于，通過(guò)時(shí)隙協(xié)調(diào)，高優(yōu)先級(jí)報(bào)文及時(shí)播發(fā)的同時(shí)，支持多種低優(yōu)先級(jí)報(bào)文“同時(shí)”傳輸。在一個(gè)窄帶的數(shù)據(jù)鏈路上“同時(shí)”承載多種業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)。通過(guò)時(shí)隙協(xié)調(diào)，航行告警、氣象傳真、海圖更新都能夠在短時(shí)間內(nèi)快速完成。

1.2時(shí)隙協(xié)調(diào)的評(píng)價(jià)指標(biāo)

確立時(shí)隙協(xié)調(diào)效果的評(píng)價(jià)指標(biāo)，對(duì)系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)、優(yōu)化、評(píng)審以及時(shí)隙協(xié)調(diào)的優(yōu)化算法開發(fā)都有指導(dǎo)意義。

優(yōu)化算法需要優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)，在NAVDAT數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)中，目標(biāo)是可用傳輸帶寬最大。可用傳輸帶寬是各個(gè)NAVDAT發(fā)射臺(tái)站，在，時(shí)刻所有可使用帶寬之和。

1.3集中時(shí)隙協(xié)調(diào)方法

NAV DAT系統(tǒng)的集中協(xié)調(diào)方法，將系統(tǒng)中每個(gè)NAVDAT臺(tái)站的發(fā)射時(shí)隙視為可調(diào)度、可分配的“資源”，稱為“時(shí)隙資源”。該方法將任何一個(gè)NAVDAT臺(tái)站所需要的時(shí)隙資源進(jìn)行統(tǒng)一的協(xié)調(diào)分配，對(duì)不存在交叉覆蓋的臺(tái)站，按需自由分配時(shí)隙資源；對(duì)兩個(gè)或兩個(gè)以上存在重疊覆蓋區(qū)域的NAVDAT臺(tái)站，采用時(shí)隙互斥的分配機(jī)制來(lái)避免重疊覆蓋區(qū)域的干擾。在此基礎(chǔ)上，通過(guò)進(jìn)行全局優(yōu)化的時(shí)隙資源分配方法，使系統(tǒng)的無(wú)線帶寬資源利用率達(dá)到最大。

1.4集中時(shí)隙協(xié)調(diào)過(guò)程

首先，NAVDAT臺(tái)站將數(shù)據(jù)傳輸?shù)娜蝿?wù)載荷經(jīng)過(guò)包拆分，變?yōu)槿舾纱龜?shù)據(jù)塊，每個(gè)數(shù)據(jù)塊具有應(yīng)用識(shí)別碼以及序列號(hào)。將這些數(shù)據(jù)塊按序號(hào)編成一個(gè)數(shù)據(jù)傳輸任務(wù)的隊(duì)列。

再次，NAVDAT臺(tái)站向協(xié)調(diào)服務(wù)器申請(qǐng)發(fā)射時(shí)隙，在申請(qǐng)時(shí)應(yīng)當(dāng)向協(xié)調(diào)服務(wù)器說(shuō)明任務(wù)的優(yōu)先級(jí)PT、數(shù)據(jù)發(fā)送所需的時(shí)隙數(shù)NTS。 接下來(lái)，協(xié)調(diào)服務(wù)器根據(jù)申請(qǐng)，進(jìn)行全局優(yōu)化計(jì)算時(shí)隙的分配結(jié)果，并將時(shí)隙分配結(jié)果發(fā)送給申請(qǐng)時(shí)隙的臺(tái)站。時(shí)隙分配的結(jié)果分為兩種：批準(zhǔn)時(shí)隙、拒絕申請(qǐng)。

最后，申請(qǐng)時(shí)隙的臺(tái)站，根據(jù)批準(zhǔn)的時(shí)隙安排數(shù)據(jù)的傳輸，將傳輸任務(wù)隊(duì)列轉(zhuǎn)移到發(fā)射隊(duì)列，等待自動(dòng)發(fā)射。若申請(qǐng)被否決，應(yīng)等待60 s后嘗試重新申請(qǐng)。

若申請(qǐng)過(guò)程中協(xié)調(diào)服務(wù)器的響應(yīng)超時(shí)，應(yīng)嘗試5-7次，間隔時(shí)間為10～30s。若嘗試5-7次仍然失敗，就激活故障保護(hù)模式，以故障保護(hù)方式自授權(quán)發(fā)射時(shí)隙。

1.5基本技術(shù)術(shù)語(yǔ)定義

1.5.1時(shí)隙

將每分鐘的60 s，等分為2 250個(gè)時(shí)隙，每個(gè)時(shí)隙為26.667 ms （NAVDAT的OFDM調(diào)制的每個(gè)符號(hào)長(zhǎng)度24 ms及其保護(hù)長(zhǎng)度2.667 ms合計(jì)26.667 ms）。

1.5.2時(shí)隙協(xié)調(diào)服務(wù)器

時(shí)隙協(xié)調(diào)服務(wù)器接受NAVDAT臺(tái)站的時(shí)隙申請(qǐng)并為其分配所需時(shí)隙，并實(shí)現(xiàn)時(shí)隙優(yōu)化。

1.5.3數(shù)據(jù)傳輸任務(wù)

等待傳輸?shù)臄?shù)據(jù)源構(gòu)成一個(gè)數(shù)據(jù)傳輸任務(wù)，具有應(yīng)用分類識(shí)別碼及優(yōu)先級(jí)等屬性。

1.5.4任務(wù)隊(duì)列

數(shù)據(jù)傳輸任務(wù)的數(shù)據(jù)源，經(jīng)過(guò)拆分為若干數(shù)據(jù)塊并加上包頭，構(gòu)成一系列用于傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包序列，等待分配時(shí)隙逐個(gè)傳輸。這些數(shù)據(jù)包就構(gòu)成數(shù)據(jù)傳輸?shù)娜蝿?wù)隊(duì)列。

1.5.5發(fā)射隊(duì)列

當(dāng)任務(wù)隊(duì)列的包被批準(zhǔn)后，就從任務(wù)隊(duì)列轉(zhuǎn)移到發(fā)射隊(duì)列，在批準(zhǔn)的時(shí)刻進(jìn)行傳輸。

1.5.6消極站與積極站

一個(gè)NAVDAT臺(tái)站，若發(fā)射隊(duì)列為空，稱為消極站，否則稱為積極站。

1.5.7待協(xié)調(diào)站和休眠站

一個(gè)NAVDAT臺(tái)站，若任務(wù)隊(duì)列都不為空，稱為待協(xié)調(diào)站。待協(xié)調(diào)站會(huì)主動(dòng)向協(xié)調(diào)服務(wù)器申請(qǐng)時(shí)隙，將待傳輸?shù)臄?shù)據(jù)傳輸?shù)揭苿?dòng)終端。

一個(gè)NAVDAT臺(tái)站，若發(fā)射隊(duì)列和任務(wù)隊(duì)列均為空，稱為休眠站。休眠站不占用任何資源，優(yōu)化算法的計(jì)算過(guò)程中，忽略休眠站。

1.5.8全局時(shí)隙分配表

全局時(shí)隙分配表是一張時(shí)隙資源的描述表，該表用于描述NAVDAT系統(tǒng)中每個(gè)臺(tái)站未來(lái)各個(gè)時(shí)隙的分配狀況。當(dāng)時(shí)隙分配導(dǎo)致表格內(nèi)容發(fā)生變化，時(shí)隙協(xié)調(diào)服務(wù)器將廣播這個(gè)變化，使全局時(shí)隙分配表在各個(gè)NAVDAT臺(tái)站的副本進(jìn)行同步。

1.5.9全局瞬時(shí)帶寬

任意時(shí)刻t，所有積極站的帶寬之和，即，時(shí)刻的可用傳輸帶寬之和。

B（O=∑Ai（t）bi（t）

（1）

式（1）中，A/（t）是第i個(gè)NAVDAT臺(tái)站狀態(tài)的二值函數(shù)，積極站是取值為l，消極站取值為0。bi（t）是第i個(gè)NAVDAT臺(tái)站在t時(shí)刻的帶寬，與其調(diào)制模式有關(guān)。取值為以下值之一：6.36 kbps， 9.56 kbps， 12.76 kbps， 19.16 kbps， 28.76 kbpS。

1.5.10 NAVDAT臺(tái)站平均帶寬

第；個(gè)NAVDAT臺(tái)站，給定的時(shí)間段（t1，12），可用帶寬積分值除以時(shí)長(zhǎng)：

Bi**（t1，t2）=（∫Ai（t）bi（t）÷（t2-t1）

（2）

2 NAVDAT時(shí)隙協(xié)調(diào)方法

2.1時(shí)隙協(xié)調(diào)規(guī)則

（1）兩個(gè)不相互交叉覆蓋的NAVDAT臺(tái)站，可以使用重疊的發(fā)射時(shí)隙。

（2）兩個(gè)相互重疊覆蓋的NAVDAT臺(tái)站，使用的發(fā)射時(shí)隙必須互斥，不可使用重疊的發(fā)射時(shí)隙。

（3）兩個(gè)相互重疊覆蓋的NAVDAT臺(tái)站，發(fā)射任務(wù)飽滿時(shí)，一般也不采用平均分配策略來(lái)分配時(shí)隙，要考慮任務(wù)的優(yōu)先級(jí)及數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度。

（4）臺(tái)站內(nèi)部可根據(jù)自行調(diào)整己分配的時(shí)隙，將高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)所獲得的時(shí)隙在發(fā)射隊(duì)列中與其他低優(yōu)先級(jí)任務(wù)的發(fā)射時(shí)隙交換，以便實(shí)時(shí)完成航行警告等高優(yōu)先級(jí)的數(shù)據(jù)傳輸任務(wù)。

（5）全局優(yōu)化的指標(biāo)。全局優(yōu)化時(shí)，不僅要考慮全局瞬時(shí)帶寬的最大化，還要考察各個(gè)NAVDAT臺(tái)站任務(wù)飽和時(shí)的平均帶寬最大化（按優(yōu)先級(jí)）。

全局優(yōu)化時(shí)，采用以下兩個(gè)指標(biāo)：（1）全局瞬時(shí)帶寬最大，MAX[B（t）]。（2） NAVDAT臺(tái)站平均帶寬最大，MAX[B/*（t1，t2）]。

2.2 NAVDAT臺(tái)站發(fā)射時(shí)隙協(xié)調(diào)算法

NAVDAT臺(tái)站發(fā)射時(shí)隙仂調(diào)算法是一種合作分配算法，借助動(dòng)態(tài)規(guī)劃手段進(jìn)行全局優(yōu)化。并采用全局一致的故障保護(hù)模式處理網(wǎng)絡(luò)通信故障。

2.2.1初始條件 時(shí)隙分配表TS[N][60000]清零，表示所有站的所有時(shí)隙未分配。故障保護(hù)模式時(shí)隙分配表TSE [N][60000]初始化，裝入預(yù)設(shè)值。表格Distance_S2S[N][N]裝入預(yù)設(shè)值，表示臺(tái)站之間的空間最短距離。

2.2.2限制條件

時(shí)隙分配的限制條件主要包括臺(tái)站與臺(tái)站的時(shí)隙互斥關(guān)系、任務(wù)的優(yōu)先級(jí)以及任務(wù)的時(shí)隙需求量等。

（1）臺(tái)站與臺(tái)站的時(shí)隙互斥關(guān)系。特定條件下NAVDAT臺(tái)站間的互斥關(guān)系，由臺(tái)站的覆蓋距離以及臺(tái)站到臺(tái)站的最短空間距離共同決定。若某個(gè)NAVDAT臺(tái)站的覆蓋距離因電磁環(huán)境或發(fā)射機(jī)功率出現(xiàn)調(diào)整或臺(tái)站的發(fā)射模式改變，需要重新計(jì)算臺(tái)站與臺(tái)站的時(shí)隙互斥關(guān)系。計(jì)算結(jié)果存放到互斥關(guān)系表Mutex_S2S[N] [N]中，以便控制時(shí)隙分配。

臺(tái)站到臺(tái)站的最短空間距離由表格Distance_S2S[N][N]決定，初始化時(shí)裝入預(yù)設(shè)值。表示任意兩個(gè)NAVDAT臺(tái)站發(fā)射天線之間的空間最短距離（曲線距離而非直線距離）。

臺(tái)站的覆蓋距離由發(fā)射功率、天線輻射效率、天線安裝高度、地理位置以及天氣條件等因素共同決定，不是一個(gè)精確值，只是一個(gè)大概數(shù)。由計(jì)算調(diào)整結(jié)果存入表格Coverage[N]。若NAVDAT臺(tái)站發(fā)射電磁波的電磁環(huán)境發(fā)生較大變化，或則發(fā)射機(jī)輸出功率出現(xiàn)調(diào)整，或臺(tái)站的發(fā)射模式改變，都需要重新計(jì)算臺(tái)站的覆蓋距離。

（2）任務(wù)的優(yōu)先級(jí)PT。任務(wù)的優(yōu)先級(jí)決定時(shí)隙分配的優(yōu)先程度。當(dāng)一個(gè)高優(yōu)先級(jí)的數(shù)據(jù)傳輸任務(wù)（例如搜救信息播發(fā)）需要立即執(zhí)行時(shí)，時(shí)隙協(xié)調(diào)的分配算法必須馬上安排發(fā)射時(shí)隙。

（3）任務(wù)的時(shí)隙需求量NTS。對(duì)數(shù)據(jù)傳輸任務(wù)的數(shù)據(jù)量沒(méi)有限制，但在申請(qǐng)時(shí)隙時(shí)，需要申明所需要的時(shí)隙數(shù)，即時(shí)隙需求量。223時(shí)隙申請(qǐng)鏈表

時(shí)隙申請(qǐng)鏈表REQ_LINK[N]記錄各個(gè)NAVDAT臺(tái)站提出的申請(qǐng)中未處理的申請(qǐng)鏈表。當(dāng)REQ_LINK[N]為空指針（NULL）時(shí)，表示第N個(gè)NAVDAT臺(tái)站的申請(qǐng)已處理完畢。

臺(tái)站申請(qǐng)時(shí)隙，會(huì)動(dòng)態(tài)生成一個(gè)申請(qǐng)表REQ，在REQ中記錄任務(wù)的優(yōu)先級(jí)、所需的時(shí)隙數(shù)，還有一個(gè)鏈表指針指向該NAVDAT臺(tái)站的下一個(gè)申請(qǐng)表。申請(qǐng)表插入在時(shí)隙申請(qǐng)鏈表REQ_LINK[N]對(duì)應(yīng)臺(tái)站鏈表的尾部。申請(qǐng)表REQ中還包含動(dòng)態(tài)優(yōu)先數(shù)和等待延時(shí)數(shù)量個(gè)數(shù)據(jù)記錄項(xiàng)，用于協(xié)調(diào)算法更新等待中的任務(wù)狀態(tài)。

時(shí)隙協(xié)調(diào)時(shí)，先處理鏈表中的高優(yōu)先數(shù)任務(wù)，然后再處理低優(yōu)先數(shù)任務(wù)，不保旺順序處理（不按照先進(jìn)先出的方式處理）。

2.2.4時(shí)隙的協(xié)調(diào)分配

若時(shí)隙申請(qǐng)鏈表REQ_LINK[N]指針?lè)强眨鶕?jù)互斥關(guān)系表Mutex_S2S[N] [N]查找互斥的臺(tái)站，建立互斥站時(shí)隙分配鏈表Mutex_Link[N]。根據(jù)Mutex_Link[N]中已經(jīng)分配的時(shí)隙，計(jì)算互斥條件下相應(yīng)臺(tái)站的時(shí)隙分配。當(dāng)沒(méi)有時(shí)隙可供分配時(shí)，否決申請(qǐng)，讓提出時(shí)隙申請(qǐng)的臺(tái)站等待。

若時(shí)隙分配成功，將批準(zhǔn)的時(shí)隙申請(qǐng)發(fā)送給申請(qǐng)者，并更新全局的時(shí)隙分配表并通知存所有臺(tái)站更新本地的全局時(shí)隙分配表。

2.2.5時(shí)隙的協(xié)調(diào)分配的優(yōu)化計(jì)算

集中式的時(shí)隙協(xié)調(diào)分配優(yōu)化，采用動(dòng)態(tài)規(guī)劃方法。在給定時(shí)隙的時(shí)刻點(diǎn)上，可將動(dòng)態(tài)規(guī)劃轉(zhuǎn)換為線性規(guī)劃。

一般的，使用線性規(guī)劃求最優(yōu)解的數(shù)學(xué)模型為： AX=b

（3） X>O

（4）

時(shí)隙協(xié)調(diào)，在內(nèi)部按照任務(wù)的優(yōu)先數(shù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)計(jì)算。一個(gè)任務(wù)的優(yōu)先數(shù)由以下公式計(jì)算得到：P=PTXPD

（5）

式（5）中，P表示優(yōu)先數(shù)，PT表示任務(wù)優(yōu)先級(jí)，PD表示動(dòng)態(tài)優(yōu)先數(shù)。

式（5）中動(dòng)態(tài)優(yōu)先數(shù)PD由以下公式計(jì)算得到：

PD（n）= PD（n-l）X TD

（6）

PD（0）=1+60 000÷NTS

式（6）中，PD（n）表示當(dāng)蒔狀態(tài)的動(dòng)態(tài)優(yōu)先數(shù)，PD（n -1）表示前一個(gè)狀態(tài)的動(dòng)態(tài)優(yōu)先數(shù)，TD表示任務(wù)等待的延遲時(shí)間（時(shí)隙數(shù)）。

式（7）中，PD（O）表示初始動(dòng)態(tài)優(yōu)先數(shù)，NTS表示任務(wù)的時(shí)隙需求量。

3 集中協(xié)調(diào)方法下網(wǎng)絡(luò)崩潰的保護(hù)處理

3.1崩潰處理概述

當(dāng)網(wǎng)絡(luò)故障導(dǎo)致集中的協(xié)調(diào)無(wú)法完成時(shí)，協(xié)調(diào)服務(wù)器以及NAVDAT臺(tái)站均應(yīng)對(duì)執(zhí)行網(wǎng)絡(luò)崩潰的保護(hù)處理，存在通信故障的臺(tái)站進(jìn)入故障保護(hù)模式。

故障保護(hù)模式下，NAVDAT臺(tái)站使用事先預(yù)先定義的時(shí)隙分配方案來(lái)自主分配時(shí)隙，使存在互斥關(guān)系的臺(tái)站能夠繼續(xù)互斥地工作。

故障保護(hù)模式下的時(shí)隙分配方案，是在事先調(diào)查、統(tǒng)計(jì)計(jì)算的基礎(chǔ)上制定的。與臺(tái)站的地理位置、發(fā)射功率、覆蓋范圍、電磁波輻射特性、船舶交通流特性、通航環(huán)境等數(shù)據(jù)以及互斥臺(tái)站的特征數(shù)據(jù)有關(guān)。

故障保護(hù)模式時(shí)隙分配方案中，為緊急報(bào)文保留時(shí)隙，當(dāng)無(wú)緊急的報(bào)文傳輸任務(wù)時(shí)，其他任務(wù)可以占用這些保留的時(shí)隙。

兩個(gè)NAVDAT互斥臺(tái)站，故障保護(hù)模式時(shí)隙分配方案中的時(shí)隙分配采用平均分配的方法（見圖1）。平均時(shí)隙分配方案的最小時(shí)隙數(shù)為400 （400 ms），至少保證搜救以及告警信息等重要的任務(wù)能在Is的任務(wù)響應(yīng)時(shí)間內(nèi)完成。

3.2臺(tái)站的網(wǎng)絡(luò)崩潰處理

網(wǎng)絡(luò)通信朋潰的NAVDAT臺(tái)站，在本地從緩沖的歷史全局時(shí)隙分配表中，了解互斥臺(tái)站的己分配時(shí)隙。通過(guò)互斥等待歷史已分配時(shí)隙的工作完成后，臺(tái)站進(jìn)入故障保護(hù)模式，使用預(yù)先定義的時(shí)隙分配方案使用發(fā)射時(shí)隙。

在故障保護(hù)模式下，時(shí)隙的批準(zhǔn)由本地完成，不再尋求協(xié)調(diào)服務(wù)器的幫助。

通信恢復(fù)后，自動(dòng)向協(xié)調(diào)服務(wù)器報(bào)告故障期間的時(shí)隙分配狀態(tài)，之后，臺(tái)站自動(dòng)退出故障保護(hù)模式，時(shí)隙申請(qǐng)的批準(zhǔn)由協(xié)調(diào)服務(wù)器來(lái)執(zhí)行。

3.3協(xié)調(diào)服務(wù)器的網(wǎng)絡(luò)崩潰處理

當(dāng)某個(gè)NAVDAT臺(tái)站出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信故障時(shí)，等待互斥臺(tái)站的己分配時(shí)隙完成后，協(xié)調(diào)服務(wù)器使用預(yù)先定義的時(shí)隙分配方案進(jìn)行時(shí)隙分配。

通過(guò)預(yù)先定義的時(shí)隙分配方案，為存在通信故障的NAVDAT臺(tái)站保留時(shí)隙，可以保證其他臺(tái)站的時(shí)隙分配能夠正常工作。

通信恢復(fù)后，協(xié)調(diào)服務(wù)器收到故障期間的實(shí)際時(shí)隙分配結(jié)果后，更新全局狀態(tài)。并取消內(nèi)部為該站的保留預(yù)分時(shí)隙。

4 協(xié)調(diào)通信

4.1時(shí)隙協(xié)調(diào)通信概述

全局集中協(xié)調(diào)的時(shí)隙分配方法，依賴于臺(tái)站與協(xié)調(diào)服務(wù)器之間的可靠通信。在系統(tǒng)構(gòu)架以及設(shè)計(jì)通信子系統(tǒng)時(shí)，重點(diǎn)考慮到以下幾個(gè)方面的問(wèn)題：（1）時(shí)隙申請(qǐng)的通信協(xié)議。（2）時(shí)隙分配結(jié)果（批準(zhǔn)申請(qǐng)）的傳輸?shù)耐ㄐ艆f(xié)議。（3）全局時(shí)隙分配表更新的通信協(xié)議。（4）全局狀態(tài)一致性。（5）數(shù)據(jù)復(fù)制與一致性。

4.2全局狀態(tài)一致性

為保證網(wǎng)絡(luò)通信中斷條件下系統(tǒng)仍能夠正確運(yùn)行（降額），NAVDAT臺(tái)站使用時(shí)隙協(xié)調(diào)服務(wù)器全局時(shí)隙分配表的副本。當(dāng)全局時(shí)隙分配表發(fā)生變更時(shí)時(shí)，更新消息將發(fā)送給所有臺(tái)站。NAVDAT臺(tái)站可通過(guò)查詢時(shí)隙協(xié)調(diào)服務(wù)器的全局時(shí)隙分配表來(lái)主動(dòng)進(jìn)行本地副本的同步。

NAVDAT系統(tǒng)是一個(gè)以網(wǎng)絡(luò)通信為基礎(chǔ)的分布式系統(tǒng)。分布式系統(tǒng)的一個(gè)敏感問(wèn)題就是全局狀態(tài)一致性。

全局狀態(tài)不一致問(wèn)題，主要是關(guān)于傳輸途中的時(shí)隙資源的描述。因此，將傳輸途中的時(shí)隙資源視為一種標(biāo)記，僅在傳輸開始和傳輸結(jié)束的時(shí)刻進(jìn)行一致性處理。

如圖2所示，傳輸途中的時(shí)隙資源d是一種獨(dú)立的資源。傳輸開始時(shí)，時(shí)隙協(xié)調(diào)服務(wù)器G不再認(rèn)為該資源d屬于自己，將其標(biāo)記“待定”。傳輸結(jié)束時(shí)，根據(jù)傳輸?shù)慕Y(jié)果進(jìn)行一致性處理，當(dāng)傳輸成功，傳輸途中的時(shí)隙資源d歸屬于接收方B，將“待定”資源刪除；傳輸失敗，傳輸途中的時(shí)隙資源d被時(shí)隙協(xié)調(diào)服務(wù)器回收，將“待定”標(biāo)記取消。

為保證分布式系統(tǒng)各進(jìn)程通信及事務(wù)處理邏輯正確、結(jié)果一致，NAVDAT系統(tǒng)的使用時(shí)間戳來(lái)標(biāo)記事件的發(fā)生時(shí)刻以及數(shù)據(jù)打包傳輸?shù)臅r(shí)刻。

4.3臺(tái)站與時(shí)隙協(xié)調(diào)服務(wù)器的通信

4.3.1時(shí)隙申請(qǐng)與批準(zhǔn)

NAV DAT發(fā)射臺(tái)站申請(qǐng)時(shí)隙，需要向時(shí)隙協(xié)調(diào)服務(wù)器遞交申請(qǐng)。時(shí)隙協(xié)調(diào)服務(wù)器收到申請(qǐng)時(shí)將反饋ACK確認(rèn)回執(zhí)（見圖3）。

時(shí)隙協(xié)調(diào)服務(wù)器處理臺(tái)站提交的時(shí)隙申請(qǐng)，若具有可分配的時(shí)隙并滿足申請(qǐng)的時(shí)隙需求，將批準(zhǔn)申請(qǐng)并分配時(shí)隙資源；若無(wú)法滿足申請(qǐng)的時(shí)隙需求，將拒絕申請(qǐng)。無(wú)論批準(zhǔn)還是拒絕NAVDAT臺(tái)站的時(shí)隙申請(qǐng)，都視為時(shí)隙分配的結(jié)果，時(shí)隙協(xié)調(diào)服務(wù)器將把時(shí)隙分配的結(jié)果發(fā)送到申請(qǐng)方。

4.3.2全局時(shí)隙分配表更新

當(dāng)時(shí)隙協(xié)調(diào)服務(wù)器批準(zhǔn)一個(gè)時(shí)隙申請(qǐng)時(shí)，全局時(shí)隙分配表發(fā)生更新。這個(gè)更新的狀態(tài)變化需要通知所有NAVDAT臺(tái)站。這樣才能保證故障保護(hù)模式下，己分配的時(shí)隙繼續(xù)有效，不會(huì)被通信故障狀態(tài)的NAVDAT臺(tái)站破壞。

當(dāng)全局時(shí)隙分配表更新后，時(shí)隙協(xié)調(diào)服務(wù)器首先向受影響的NAVDAT臺(tái)站播發(fā)更新消息，然后向其他站播發(fā)消息。

時(shí)隙協(xié)調(diào)服務(wù)器發(fā)送給任何NAVDAT臺(tái)站的更新消息都需要相應(yīng)臺(tái)站的ACK確認(rèn)回執(zhí)。

5 分級(jí)的集中協(xié)調(diào)

在分級(jí)的集中時(shí)隙協(xié)調(diào)中，低層級(jí)的時(shí)隙協(xié)調(diào)服務(wù)器向高層級(jí)的時(shí)隙協(xié)調(diào)服務(wù)器申請(qǐng)時(shí)隙資源，處理邊界上的時(shí)隙互斥分配。

對(duì)于低層級(jí)的時(shí)隙協(xié)調(diào)服務(wù)器來(lái)講，邊界區(qū)域互斥NAVDAT臺(tái)站的時(shí)隙申請(qǐng)被提交到高層級(jí)的時(shí)隙協(xié)調(diào)服務(wù)器。本層級(jí)的其他NAVDAT臺(tái)站的時(shí)隙申請(qǐng)，受到這些邊界互斥臺(tái)站己分配時(shí)隙的約束。

高層級(jí)的時(shí)隙協(xié)調(diào)服務(wù)器協(xié)調(diào)低層級(jí)系統(tǒng)邊界互斥臺(tái)站的時(shí)隙申請(qǐng)，而不是低層級(jí)所有臺(tái)站的時(shí)隙申請(qǐng)（見圖4）。

高層級(jí)的全局時(shí)隙分配表，是低層級(jí)全局時(shí)隙分配表的一個(gè)約束，邊界上的變化保持全局一致。

6 結(jié)語(yǔ)

利用本文所述的集中協(xié)調(diào)方法，能夠解決臺(tái)站交叉覆蓋時(shí)的時(shí)隙沖突干擾，并能使整個(gè)系統(tǒng)的利用效率達(dá)到最大化。通過(guò)故障保護(hù)模式下的時(shí)隙分配方案，能夠消除集中協(xié)調(diào)應(yīng)用中網(wǎng)絡(luò)通信中斷的影響，使各NAV DAT臺(tái)站的發(fā)射既高效又可靠，無(wú)時(shí)隙沖突干擾。該方法可分級(jí)實(shí)施，組建由地區(qū)到國(guó)家時(shí)隙集中協(xié)調(diào)，進(jìn)而組建國(guó)際級(jí)的時(shí)隙集中協(xié)調(diào)。保證所有的NAVDAT臺(tái)站發(fā)射時(shí)隙無(wú)沖突。

[1]ITU.Utilization of the 495-505 kHz band by the maritime mobile service for the digital broadcasting of safety and security relatedinformation from shore-to-ships[R].Report ITU-R M.2201， 2010.

[2]ITU.Characteristics of a digital system，named Navigational Data for broadcasting maritime safety and security related information fromshore-to-ship in the 500 kHz band[R].Recommendation ITU-R M.2010， 2012.