面向空天地一體化的空時多址接入協議*

李光明，孫曉磊，謝杰榮

（海軍潛艇學院，山東 青島 266199）

0 引言

5G 商用促進了萬物互聯的發展，然而地面網絡越來越難以滿足大覆蓋、高移動性以及多視距鏈路等通信需求。空天地一體化網絡由衛星、空中網絡和地面通信集成，在緊急通信、對地觀測和空間探索等領域有廣泛的應用[1]。其中，高空網絡具有機動靈活、快速共享等特性，為空天地一體化網絡提供高度靈活、可靠生存的快速接入能力；但網絡動態多變、接入節點繁多復雜等復雜環境，對空中組網的接入協議提出了新的要求和挑戰。目前，高空節點組網數據鏈采用的多址接入協議方式主要有3 種：指令/回應協議、輪詢協議和固定時分多址接入（Time-Division Multiple Access，TDMA）協議[2-4]。其中，TDMA 具有較高的頻帶利用率、抗干擾性能良好，在數據鏈的開發、研制過程中應用廣泛[5-7]。根據節點數量和不同節點對時隙的要求，固定時隙分配TDMA 為每個節點分配了一組固定、唯一的時隙，節點在各自的時隙上進行信息發送[8]；但是，即使某些節點沒有發送信息，其他節點也無法占用這些節點的時隙，造成信道利用率下降。這種設計雖然簡單，但隨著網絡節點數量的增加，網絡規模不斷增大、分配時隙增加，數據包的端到端發送容易出現停等過久等現象，無法滿足時延要求較高業務的需求。同時，高動態的網絡拓撲變化容易造成網絡內節點退網、入網等情況，造成大量時隙空閑或者時隙動態競爭，不利于高空高速節點組網。

文獻[9-10]創新性地提出了公平調度算法和嚴格優先級調度分配算法兩種動態時隙分配算法。公平調度算法根據優先級的所占的百分比分配時隙，而嚴格優先級調度按照高、中、低優先級的順序分配時隙。假設1 個TDMA 幀由6 個時隙組成，請求數組包含6 個高優先級和6 個低優先級請求，公平調度算法將為兩個優先級分配相同數量的數據時隙，而嚴格優先級算法將僅調度高優先級請求。總的來說，兩種算法在處理低優先級“餓死”問題和高優先級“優先”問題上均存在優勢與不足。

為了解決上述問題，本文結合固定時隙分配和動態時隙分配，提出了一種基于高空高速節點自組網的多址接入協議方案。該方案首先為所有節點分配1 個專屬數據時隙，在遵循嚴格優先級的前提下，節點預約競爭分配空閑時隙。在該算法中，網絡對有數據傳輸需求的節點依據其任務等級、節點狀態進行排隊，優先為高優先級節點分配時隙，當低優先級節點請求k次失敗后，該節點的優先級提高1 級，有效解決了高優先級“優先”問題和低優先級“餓死”問題。

1 物理層幀結構設計

高空高速節點組網的通信要求高效率的通信幀格式，因為該組網通信具有非連續、突發通信的特點，需要滿足多種業務速率，通常情況下需要支持800 Kb/s 以上的可變速率的鏈路。本文根據鏈路整體性能需求，設計系統數據時隙程度為 5 ms，為了滿足長距離傳輸時延，時隙保護間隔設為 1.7 ms。空時多址接入（Space-Time-Division Multiple Access，STDMA）協議的時幀結構如圖1 所示。

圖1 STDMA 協議的時幀結構

由圖1 可知，STDMA 協議的時幀結構主要由控制區間和數據發送區間組成。在控制區間里，控制消息由各種定義消息格式組成，專屬于中心節點，主要用于資源分配、組網控制信令和時隙分配結果的分發；時隙保護需滿足高空通信平臺之間視距距離高達百千米級，因此需要留出足夠的保護間隔，擴大高空節點之間的通信距離。

n個等長的發送時隙構成多個數據發送區間，其組成部分主要有以下特點：

（1）訓練序列占用兩個字節，用于對準收發兩端的時間；

（2）幀校驗序列占用1 個字節，用于檢測數據傳輸的準確性；

（3）開始標志和結束標志結構簡單，占用1個字節，是數據包傳輸的起止標志；

（4）數據域主要分為信息類型標志和信息內容，信息類型標志占用兩個字節，用于提供信息類型、優先級以及收發路徑等控制信息，信息內容為要傳輸的數據。

2 STDMA 協議設計

針對智能化定向組網內無線信道資源有限的問題，本文提出了一種改進的STDMA 時隙調度算法。通過時隙調度，節點得到預分配的時隙資源，進行數據包傳輸，從而實現無沖突通信[11]。此外，本文考慮了高空節點的空域特性，為增大網絡的空間復用度，采用圖染色算法，在不同的時隙中同時傳輸盡可能多的非沖突鏈路，增加網絡吞吐量，提高網絡性能。本文的STDMA 協議設計主要針對時隙競爭機制和時隙重分配準則兩部分。

2.1 時隙競爭機制

當負荷量大于鏈路分配的時隙個數時，節點可根據兩跳內不活躍鏈路和兩跳外鏈路時隙的監聽情況發出時隙申請，獲得額外的時隙，實現數據傳輸[12]。若偵聽到兩跳內的空閑時隙，則可以直接選擇與鄰居鏈路不發生沖突的時隙作為額外時隙，如果存在多個時隙申請，根據優先級判別方式，緩沖隊列數據越多的鏈路獲得優先權，未分配成功的鏈路向兩跳外鏈路時隙發出申請。若節點始終申請不到時隙，則通過調整幀長度適應網絡的變化。時隙競爭機制流程如圖2 所示。

圖2 時隙競爭機制流程

2.2 時隙重分配準則

在以往的時隙分配過程中，通常設定固定周期T對時隙進行重新分配，但由于彈間自組網的高動態特性，T的大小一直以來難以確定。T的值偏小，網絡更新頻繁，導致網絡信道利用率降低，大大增加了數據傳輸延時；T的值偏大，如果網絡性能處于極其惡化的狀態，時隙可能無法得到更新。

為有效實現時隙更新，本文以全網絡信道的利用率為標準。信道利用率為：

式中：N為自組網內鏈路總數；ri為第i條鏈路在一定時間內利用的時隙個數；mi為中心節點為第i條鏈路分配的時隙個數。

當信道利用率ρ低于某固定閾值時，中心節點重新分配時隙。

3 協議性能分析

本文以數據包為單位，將節點優先級分為高、中、低3 個等級，對網絡中各種業務服務質量的平均時延性能進行分析。由基于固定+動態分配的STDMA 協議的等效模型可知：為保證節點的公平性，每個節點至少分配1 個固定時隙[13]；其余空閑時隙由各節點向中心節點預約申請，中心節點根據節點優先級進行動態分配。

以圖3 的12 個節點為例，假定一個時隙內發送1 個數據包，時隙數為19 個。其中，1 個為TS0的控制時隙，12 個分配給每一個節點，剩下6 個時隙由節點競爭分配。圖中x,y,z表示每個節點距中心節點（節點A）的相對位置，v表示節點的運動速度，θ表示節點相對于中心節點的運動方向[14]。

圖3 12 個節點分布

這里主要討論后6 個競爭時隙內，信息端到端的時延問題，考慮排隊等待時間、傳輸時間和固定時隙的長度問題，并假設每個節點固定時隙長度、傳輸時間和每個數據包的服務時間均為5 ms，則總固定時隙長度為60 ms。

對于第1 個競爭時隙，數據包端到端時延為：

對于第2 個競爭時隙，數據包端到端時延為：

其余競爭時隙同理。

因為排隊時延是一個隨機量，量化難度較大，所以考慮最壞情況，即節點間距500 km，排隊在最尾端（第12 位），且第1 個數據包剛開始被服務。

則每個競爭時隙包端到端時延如表1 所示。

表1 每個競爭時隙包端到端時延

以上計算過程可以擴展到更一般的情景。假設每個節點固定時隙長度為5 ms，平均分組傳送時間為1/μ，m個節點的數據包的到達率獨立同分布，且滿足參數為λ/m的泊松過程，因此可等效為單節點的數據包到達率為λ的泊松過程[15]。

設第i個節點到達系統時，第l個節點正在發送數據包，剩余時間為Ri，有Ni個節點在等待隊列。那么節點i需要等待的時間可用Wi表示，具體為：

為驗證STDMA 協議的有效性和相關參數對其性能的影響，本方案利用MATLAB 仿真平臺對系統內數據包的時延與節點數變化關系進行驗證。其中，網絡仿真參數設置為：總時隙數=節點數×1.5+1，加1 的時隙是TS0 控制時隙，其他多余的時隙分配給不同優先級的節點。假設各個優先級的節點都在同一時間發送且都為單位時間。

經過仿真得到的結果如圖4 所示。可知，節點優先級越高，分配的時隙越多，此時端到端時延也就越低；反之，節點優先級越低，分配的時隙越少，端到端的時延就越高。當仿真參數節點優先級分布調整，即低等級節點在競爭到更多時隙后，仿真結果顯示，系統的端到端時延明顯改善。

圖4 系統端到端時延隨節點數目變化的關系

4 結語

針對空天一體化網絡高空組網內無線信道資源有限的問題，本文提出了一種基于高空高速節點自組網的多址接入協議方案，各個節點統一采用分布式算法完成資源分配。本文首先對STDMA 協議的物理層幀結構進行介紹；其次設計改進了時隙競爭機制和時隙重分配準則，在不同的時隙中同時傳輸盡可能多的非沖突鏈路，增加網絡吞吐量；最后通過理論推導與實驗仿真論證了該協議的良好性能。