基于時分多址的網絡時隙資源分配研究

劉懷遠，陳志為，王 柯

(中國電子科技集團公司第二十研究所，陜西 西安710068)

0 引 言

Link 16是保密、大容量、抗干擾的無節點數據鏈，設計目的是要滿足現代戰爭絕大多數作戰任務的戰術信息交換需求。Link 16是美國防部用于指揮、控制和情報的主要戰術數據鏈，支持監視數據、電子戰數據、戰斗任務、武器分配和控制數據的交換。Link16自研制以來，所進行的持續改進主要包括提高抗干擾能力、增強保密性、提高數據率、提高使用靈活性、減小數據終端尺寸等。目前，美軍裝備Link 16數據鏈的飛機主要包括空軍的E-3、E-8預警機、A-10攻擊機、F-15和F-16戰斗機、各類轟炸機、偵察機、加油機和其他特種飛機，海軍的E-2預警機、F-14和F-18戰斗機。同時，與飛機配套使用的地面指揮所、機動控制分隊、戰術空軍控制組和空戰支援中心，也都裝備了Link 16數據鏈。

Link16是一種無中心節點的系統，采用時分多址(TDMA)方式工作，把整個時間軸按時間段劃分，最小的時間段稱為時隙。網絡中的每個多功能信息分發系統(MIDS)端機都分配有互不重疊的時隙用于發射數據，各個端機發射的信號由此不會產生沖突，因此其時隙資源的分配尤為重要。

1 時隙分配概述

Link16是以網絡參與組[1]的形式為網內成員按重要性、信息交互功能需求與資源數量需求分配時隙，例如參與組的數量和類型、網絡參與組接入頻率、預測的數據大小、信息更新率、中繼需求等，為網內成員進行時隙分配時需要考慮平臺類型(指控平臺、武器平臺)與時隙接入方式，其中時隙接入方式又可分為專用接入方式、競爭接入方式、時隙再分配接入方式。

2 專用接入方式

專用接入方式[2]是在一個周期內把指定的時隙分配給指定的作戰成員，該成員可不受限制地接入為其分配的時隙。專用接入方式的優點是能夠確保作戰成員有足夠可用的發送時隙資源，且可以保證一個時隙內的消息收發沒有沖突。但由于實際使用時可能會有非固定或動態周期性信息的傳輸需求，此時只用到所分配時隙的一小部分，會造成系統容量的浪費。

圖1 專用接入方式

3 競爭接入方式

競爭接入方式[3]允許每個作戰成員根據需求從參與組中偽隨機地選擇發送時隙，爭用資源，參與組資源數量的多少取決于接入速率。在突發傳輸或由響應時間驅動消息傳輸的情況下，這種接入方式可以節省更多的系統容量。但是，由于在視距范圍內的多個作戰成員有可能在相同的時隙、相同的網號中發送消息，而此時接收成員僅能接收距離自己更近成員的信息，因此消息到達其預定目的端的概率會降低。

圖2 競爭接入方式

4 時隙再分配接入方式

時隙再分配接入方式[4]下，作戰成員可以周期地重新分配共享時隙池，每個成員能根據其預期的需求和其它成員通告的需求，為自己不斷地更新時隙資源。在某個特定的網絡參與組中，不同成員共享和分配用于信息交換的時隙共享池被稱為再分配時隙池。如果全體成員對時隙的總需求超過了再分配時隙池的總容量，每個成員將根據需求按公共因子比例縮減分配給自己的時隙，保證分配的總時隙不超過再分配池的容量。這種接入方式可以根據預期的需求總容量，調整再分配池的大小以節省系統容量的開銷，而不再考慮所有參與成員峰值容量需求的總和。這種接入方式主要用于連通性較差或時隙超載荷等情況，此時由于時隙沖突導致消息接收受到影響，信息傳輸的成功率會急劇下降，在用戶數量變化且用戶對系統容量的需求波動較大，或當用戶數量和需求在初始化階段無法預測時，也常使用這種接入方式。

每個作戰成員要確定每個間隔(稱作再分配周期)的時隙需求，并在消息中預告其在下一個再分配周期內將要使用的時隙占再分配時隙池時隙的百分比。再分配周期可按預期的需求進行調整，一般為6～48 s。

實現時隙再分配的作戰成員至少能夠同時在兩個再分配時隙池工作。每個再分配時隙池只能與一個網絡參與組有關，該時隙池的時隙只能用于該網絡參與組的消息發送。單個網絡參與組則可以同時使用多個再分配時隙池，但是在這個網絡參與組中，一個作戰成員只能同時在某一個再分配時隙池內發送消息。

圖3 時隙再分配接入方式

4.1 時隙再分配池的建立

時隙再分配池的建立[5]是在系統網絡設計階段完成。它根據預估的時隙需求及用戶容量來設計并確定各個網絡參與組的時隙再分配池，時隙再分配池的主要設計原則如下：

(1)每個再分配時隙池只能與一個網絡參與組(NPG)有關。

(2)每個再分配時隙池只能進行與該再分配時隙池相關網絡參與組的消息發送。

(3)單個網絡參與組可以同時使用多個再分配時隙池。

再分配時隙池參數主要包括再分配時隙池號、時隙塊數、時隙塊參數等信息。設計好的再分配時隙池參數包含在JIDS網絡初始化數據文件中，隨網絡初始化時加載到各個用戶端機中。

4.2 時隙再分配池的初始接入

參與使用時隙再分配接入方式網絡參與組的每個作戰成員，必須在專用接入時隙首先交互時隙再分配消息，從時隙共享池中請求占用時隙的百分數，并發布其它作戰成員的請求。

參與再分配池的作戰成員應以每個再分配周期發送一條消息的速率，發送一條包含其自身請求的時隙再分配消息。如果接收到組內其它作戰成員的請求，同時也可以報告組內其它作戰成員的請求，作戰成員應根據時隙再分配消息更新其數據庫。

如果沒有給作戰成員分配專用接入方式時隙，則在初始接入的一個時隙發送。初始接入時隙分配一般采用時隙可復用的專用接入方式進行分配。尚未加入再分配時隙池的作戰成員，可使用專用接入方式分配的一個時隙，發布在下一個再分配周期中所需的時隙占再分配時隙池時隙數的百分比。在參與組中已經分配了專用接入方式時隙的作戰成員必須在專用接入方式時隙發送接入消息，而不需要競爭使用初始接入時隙。

4.3 時隙申請

當一個作戰成員需要占用再分配時隙池時，應在接入時隙廣播時隙再分配消息，以便于其他加入該時隙池的作戰成員接收，時隙再分配消息包括本身的時隙需求以及接收到組內其他作戰成員的需求信息。時隙再分配消息的主要參數如下：

(1)再分配池號；

(2)自身需求，請求在下一個再分配周期中分配的時隙數占再分配池時隙的百分數；

(3)自身接收數，已經收到的需要從該再分配池中分配時隙的參與者數。

同時，當在初始接入時隙中接收到其他作戰成員的時隙再分配消息時，存入本地的數據鏈表中，并在本作戰成員發送時隙再分配消息時將接收到的信息向系統內發送出去，讓更多的用戶了解接入再分配池的參與者數及需求。

4.4 時隙占用及動態調整接入時隙

作戰成員根據自身需求和其它組內成員的需求劃分容量。由于作戰成員預先衡量過它們的需求，因此總的需求預算不會超過時隙池的容量。作戰成員用偽隨機算法選擇時隙，但要避免計算出的時隙與已分配給了在選擇順序中優先等級較高的作戰成員產生沖突。選擇順序是基于一個指定作戰成員以直接、中繼或相互發布的任一方式接收到其它作戰成員的需求量。報告最低需求量的作戰成員首先選擇時隙。

如果組內作戰成員需要的時隙總和超過再分配資源池的容量，則各作戰成員按需要成比例地給自己分配時隙，而且會按一個公因數成比例地減少，以便整個分配容量在再分配資源池容量之內。因為需要的時隙是可以周期調整的，所以使用時隙再分配方式可通過按預計總容量需求分配時隙，達到節省系統容量的目的。

5 結束語

本文介紹了Link16中基于TDMA 的時隙接入算法，重點介紹了時隙再分配接入方式，可以最大限度地保證用戶在有限資源條件下的靈活接入。該方法對我國基于TDMA體系的各項工程均有借鑒意義。