基于排隊論的戰(zhàn)術通信混合接入方法*

2021-02-25 10:12:08郭喆

電訊技術 2021年1期

郭喆

(1.中國電子科技集團公司第五十研究所，上海 200331;2.中國電子科技集團公司數(shù)據(jù)鏈重點實驗室，西安 710068)

0 引言

在軍事通信中，戰(zhàn)術通信是為了保障戰(zhàn)術兵團、部/分隊實施戰(zhàn)斗指揮而建立的通信網絡，包括野戰(zhàn)地域通信網、戰(zhàn)術電臺網、數(shù)據(jù)鏈、綜合移動通信系統(tǒng)、衛(wèi)星通信系統(tǒng)等。對于戰(zhàn)術無線電通信而言，時延和可靠性是在系統(tǒng)設計時著重考慮的因素，因此傳統(tǒng)的戰(zhàn)術無線通信采用了靜態(tài)資源分配技術來管理物理層資源的訪問。每個節(jié)點都被指定了一個明確的資源配置，具體規(guī)定了在什么時候以及怎樣使用物理層資源，以避免發(fā)生沖突。靜態(tài)配置的物理層資源的利用率很低，在同一個子網內各節(jié)點間存在動態(tài)且可能急劇變化的情況下尤其突出。媒體接入層設計的主要目的之一就是解決物理層資源利用率不高的問題，因為擴頻通信是戰(zhàn)術無線電抗干擾通信的基本手段，多采用時分多址(Time Division Multiple Access，TDMA)技術來調度節(jié)點對傳輸媒介的訪問。TDMA能夠提供較高的網絡容量，并且有助于實現(xiàn)服務質量(Quality of Service，QoS)優(yōu)先級[1]。

在戰(zhàn)術通信領域，TDMA協(xié)議的研究對改進報文傳輸?shù)臅r延性能具有重要的理論意義和實用價值。文獻[2]分別討論了長短兩種報文格式下握手機制，仿真分析了自組織時分多址(Self-Organized TDMA,STDMA)協(xié)議在不同業(yè)務量及重傳參數(shù)的時延性能。文獻[3]研究了數(shù)據(jù)鏈的輪詢模型，并且對跨系統(tǒng)之間的時延和系統(tǒng)響應等指標進行了仿真分析。關于提高系統(tǒng)利用率，也有一些關于動態(tài)時隙分配算法的文獻，例如文獻[4]介紹了一種改進的動態(tài)時隙分配算法用于武器協(xié)同數(shù)據(jù)鏈，比較了不同幀長對網絡性能的影響；文獻[5]將正交頻分復用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM)與TDMA結合，提出一種正交時頻多址接入(Orthogonal Domain Time Frequency Multiple Access,ODTFMA)協(xié)議，研究機群內的子網是否能夠采用多個正交頻段同時傳輸；文獻[6]研究了入網戰(zhàn)術數(shù)據(jù)鏈入網廣播的軟件算法；文獻[7]研究了基于動態(tài)門限的統(tǒng)計優(yōu)先級的SPMA(Statistic Priority-based Multiple Access)協(xié)議，相比固定門限方法，在信道忙閑比和網絡總吞吐量等性能上有較大提升。

以上文獻均采用仿真的方法來驗證不同的傳輸模式，但是比較的網絡指標各有側重，其基準并不統(tǒng)一。考慮到時延和網絡吞吐量是最基本的網絡性能，也是戰(zhàn)術通信最為重要的因素，本文采用排隊論的方法對TDMA時延情況進行建模分析得到近似的解析模型，然后用仿真的方法驗證。此外，提出了基于TDMA和碼分多址(Code Division Multiple Access，CDMA)的混合接入方法，使其能夠在網絡吞吐量不變的前提下大幅提高數(shù)據(jù)包排隊時延性能，并且在保證時延的要求下使網絡吞吐量提高近30%。

1 基于排隊論的TDMA時延分析

典型TDMA系統(tǒng)的幀結構如圖1所示。每個用戶獨占事先分配好的時隙，與其信令交互放在一個單獨的時隙以提高系統(tǒng)效率。其優(yōu)點是每個時隙對應一個用戶，避免了“干擾”和“沖突”。

圖1 TDMA幀結構

在數(shù)據(jù)發(fā)送過程中，端到端的時延Tdelay由幾個部分組成：

Tdelay=t1+t2+t3。

式中：響應時延t1是從報文產生到由物理層發(fā)送的時間，受調度算法影響較大；處理時延t2是物理層發(fā)送該報文需要的時間，由硬件性能決定；傳播時延t3是在空間傳輸所需的時間，由于電磁波是光速傳播，一般在幾毫秒內。

在采用固定時隙分配方法的TDMA系統(tǒng)中，每個用戶獨占一個時隙。假設報文產生模型為泊松流，報文長度為負指數(shù)分布，則可以將其看成一個M/M/1隊列，即到達速率為λ(報文產生間隔的時間服從平均數(shù)為1/λ的負指數(shù)分布)，服務速率為μ(報文處理能力為每秒處理μ個報文，即報文長度為1/μ的負指數(shù)分布)，隊列數(shù)為1的排隊模型。其響應時延t1相當于排隊模型中的等待時間。定義服務強度

(1)

由排隊論的知識，

(2)

式中：Ws是逗留時間，即在排隊論中顧客達到直到服務結束離開的平均時間。

從式(2)可以看出，在處理能力(μ)一定時，到達速率(λ)越大，時延越大；服務強度(ρ)一定時，處理能力越大，時延越小。這一理論分析結果和常識是相符的。考慮n個時隙，即有n個這樣的隊列，假設這些隊列互相獨立，那么在相同的參數(shù)λ和μ的情況下，每個隊列的平均時延都是一樣的。

根據(jù)排隊論可以理論證明,在服務臺數(shù)量、服務能力一定時，要使平均等待時間最短，M/M/c模型要優(yōu)于c個M/M/1模型。即方案1為2個獨立無關的M/M/1隊列，即有2個隊列，每個隊列的到達強度為λ/2，服務臺的處理強度為μ；方案2為M/M/2隊列，即有1個隊列，該隊列的到達強度為λ，2個服務臺，每個服務臺的處理強度為μ。方案2的平均等待時間Tq2比方案1平均等待時間Tq1短。傳統(tǒng)的TDMA方案中用戶與時隙對應關系綁定，可以看成c個M/M/1模型，理論上，將這些用戶動態(tài)地分配到空閑的時隙上(M/M/c模型)能夠縮短時延，因此這里將方案2作為優(yōu)化對比的參考。

2 混合接入方法

從第1節(jié)結論得到啟發(fā)，如何利用暫時“空閑”的服務臺是提升系統(tǒng)性能的關鍵。但是由于戰(zhàn)術通信的特點，為了保證QoS和特定報文的時延，不得不降低部分系統(tǒng)效率。將所有報文按照隊列合并的方式進行傳輸，理論上時延是可以縮短的，但是在多用戶接入、關鍵數(shù)據(jù)保證和資源保證方面達不到戰(zhàn)術要求，在實際操作中不可行。為了平衡兩者的需求，本文介紹一種TDMA和CDMA混合的時隙分配方法：將一個業(yè)務時隙作為公共時隙，按照CDMA正交碼同時給若干的用戶使用，但其使用前需要通過信令交互獲得PN碼，其他時隙與用戶對應關系不變。為了不損失網絡效能，將報文的產生速率提高到n/(n-1)，其中n為原來業(yè)務時隙的數(shù)量。業(yè)務時隙的分配規(guī)則是，每個用戶有自己的固定時隙，如果固定時隙上是空閑的，那么新數(shù)據(jù)報文就在原有固定時隙上發(fā)送；如果固定時隙被占用，則通過信令消息申請PN碼。如果獲得PN碼，說明公共時隙資源可用，利用PN碼在公共時隙上發(fā)送報文；否則需繼續(xù)等待(排隊)，其中PN碼的數(shù)量可調整。該方法的幀結構如圖2所示。

圖2 混合接入方法幀結構

在系統(tǒng)組成上，已經調制好的數(shù)據(jù)會根據(jù)系統(tǒng)需求，直接送入TDMA成幀，或先“降速”處理后再與CDMA擴頻碼發(fā)生器調制，然后送入TDMA成幀器成幀。在本文介紹的方法中，CDMA擴頻碼的碼速率并非傳統(tǒng)CDMA系統(tǒng)中10倍以上的擴頻，而是與已調信息的原始碼速率一致。數(shù)據(jù)在與CDMA擴頻碼調制之前經過了“降速”處理，因而對CDMA部分而言硬件結構和要求大大簡化。可以與TDMA系統(tǒng)的系統(tǒng)時鐘和其他通信模塊共用，僅比TDMA系統(tǒng)增加擴頻碼調制/解調環(huán)節(jié)(由于是低碼率擴頻，硬件成本較CDMA系統(tǒng)會更低)。核心系統(tǒng)框圖如圖3所示，算法流程如圖4所示。

圖3 核心系統(tǒng)框圖

圖4 算法流程圖

按照本文的混合接入方法，每個用戶在公共時隙未被占滿的情況下，相當于有2個服務速率不等的隊列在服務，其中一個隊列是正常服務時間μ,另一個隊列是公共時隙的服務時間kμ,其中k是系統(tǒng)劃分PN碼的個數(shù)。

這里給出服務速率不均衡的隊列解析結果(隊列數(shù)n=2)：有兩個服務速率不等的隊列，隊列1的服務速率為μ1，隊列2的服務速率為μ2，顧客到達率為λ，ρ=λ/(μ1+μ2)，α=μ2/μ1。當隊列都是空閑時，選擇隊列1的概率為φ。系統(tǒng)空閑的概率

(3)

由此可以求出系統(tǒng)的平均隊長

(4)

根據(jù)Little公式有

(5)

為了研究這個模型是否符合實際，我們按照8個業(yè)務時隙加1個公共時隙做仿真對比，并且取k=2這種情況。其他條件為：λ為400～800個/秒，μ為1 200個/秒。對比情況如圖5所示。

圖5 本文方法的近似理論值比較結果

從圖5可以看出，本方法的時延與不均衡隊列的理論值式(3)和式(4)十分吻合,不同之處在于較低服務強度時延略大于理論值，較高服務強度略小于理論值。原因在于本方案的公共時隙并不是獨占的，與兩個不均衡服務能力的隊列模型稍有差別。造成這種差異可能的原因是，在較低服務強度時，本方法與服務能力不均衡的雙隊列模型差異不大；較高服務強度時，本方案能夠更好地平衡突發(fā)流量尖峰，使得平均時延更短。

3 仿真分析

由第1節(jié)和第2節(jié)的分析可以看出，多隊列合一可以縮短時延，劃分公共時隙在某種形式上可以看成多隊列合一。因此，本文所提方法理論上可以比原有固定時隙更優(yōu)的時延性能。本節(jié)通過仿真分析其具體性能。仿真軟件采用Matlab，數(shù)據(jù)包到達率λ的含義是每秒鐘用戶產生的數(shù)據(jù)包個數(shù)，服務率μ的含義是系統(tǒng)每時隙每秒能夠處理的數(shù)據(jù)包個數(shù)，PN碼個數(shù)k是指在動態(tài)時隙最多同時分配的PN碼個數(shù)，即同時能夠在公共時隙發(fā)送數(shù)據(jù)的用戶數(shù)。所有仿真都是產生10萬個數(shù)據(jù)包后統(tǒng)計得到。另外，無特別說明的情況下，對時延的仿真比較結果是在網絡吞吐量一致的情況下比較的，即在不丟包的情況下，在一個TDMA幀時間內，用本文方法每個用戶的發(fā)送數(shù)據(jù)包總數(shù)等于原TDMA方法。

首先比較本方案與原TDMA方案的性能提升。由前文所述，當所有時隙都自由分配時(多合一排隊方法)，性能最優(yōu)，因此作為排隊性能上限，也同時標注出來當作參考。仿真參數(shù)：數(shù)據(jù)包到達率λ為600～1 100個/秒，服務率μ為1 200個/秒，業(yè)務時隙為8，公共時隙為1，PN碼數(shù)量為2。仿真結果如圖6所示。

圖6 時延性能分析

從圖6可以看出，本文方法比原TDMA協(xié)議時延性能有大幅提高，在低負載情況下時延為原TDMA協(xié)議的70%左右，在高負載情況下時延為TDMA協(xié)議的20%,并且與理論最短時延相差不大，且變化趨勢相同。

其次，研究在網絡吞吐量方面本文方案的性能提升。仿真參數(shù)：數(shù)據(jù)包處理速率為1 200個/秒，數(shù)據(jù)包的長度服從[400,1 500]字節(jié)均勻分布，業(yè)務時隙為8，公共時隙為1，PN碼個數(shù)為2。以實際應用情況考慮，當數(shù)據(jù)包排隊超過100 ms則該數(shù)據(jù)包溢出丟棄。仿真了不同服務強度下網絡吞吐量，結果如圖7所示。

圖7 網絡吞吐量分析

從圖7可以看出，在服務強度小于1時，兩種方案都沒有發(fā)生丟包，網絡吞吐量隨服務強度線性增長；當服務強度超過1時，原有TDMA方案產生了丟包，但本文方案依然能將數(shù)據(jù)包發(fā)送出去；當服務強度到1.5時，本文方法的網絡吞吐量達到最大值，大約比原方案吞吐量有30%的增加。

另一個值得研究的問題就是，PN碼的個數(shù)k取多少合適。在上述仿真條件下k取1、2、4、8，仿真結果如圖8所示。

圖8 不同k值時延性能分析

從圖8可以看出，k=1時在低負載時具有最好性能，k=8時時延性能波動不大。原因是k=8時幾乎每個用戶在任何時候都有可以接入的資源，但是因為PN碼特性，實際速率只有正常速率的1/8，因此低負載時k=8性能并不好，在高負載時k=8能夠更好地利用系統(tǒng)能力。在某些特定的應用場景下，例如當網絡資源接近耗盡但所有用戶均有重要數(shù)據(jù)發(fā)送時，可以采用最大PN碼個數(shù)的分配方案。為了更好地比較不同k值的性能，我們選擇兩種負載場景下不同k值的時延性能，不同的k值相當于把公共時隙劃分為k個動態(tài)的子時隙，仿真結果如圖9所示。

圖9 優(yōu)化k值仿真結果

從圖9可以看出，在相同的負載下，k=2或k=4是較優(yōu)化的結果,即在輕負載場景取k=2，在重負載情況取k=4;在極端情況下，當網絡負荷極大，超過設計強度時，可以選擇k=8。

本文方案能夠有效縮短數(shù)據(jù)包排隊時間，提升網絡吞吐量，也會增加有關硬件開銷和信令開銷，但都十分有限。如前文所述，雖然采用了CDMA在公共時隙來區(qū)分不同用戶，但因為CDMA的擴頻碼速率與原用戶時隙保持一致，其系統(tǒng)實現(xiàn)難度比一般CDMA系統(tǒng)要簡化得多(普通CDMA系統(tǒng)要求碼速率10倍以上原數(shù)據(jù)速率，以達到擴頻的目的)，硬件要求也低很多；在信令開銷上，增加了申請-回復環(huán)節(jié)，但由于PN碼數(shù)量有限，不用回復整個PN碼，僅需按照事先編排好的編碼回復PN碼編號即可(以8個PN碼計算，需要3 b的編碼)，信令負荷也不大。因此其系統(tǒng)實現(xiàn)復雜度的輕微增加是可接受的。

4 結束語