一種SPMA協(xié)議的動態(tài)閾值設置方法

丁 峰，史 琰，趙雄旺

(西安電子科技大學 通信工程學院，陜西 西安 710071)

基于統(tǒng)計優(yōu)先級多址接入(Statistical Priority-based Multiple Access，SPMA)協(xié)議出現(xiàn)于戰(zhàn)術目標定位網絡技術(Tactical Targeting Network Technology，TTNT)數據鏈中[1]，它對載波偵聽多址接入(Carrier Sense Multiple Access，CSMA)協(xié)議做了突破性的改進，可以看作是擴頻CSMA協(xié)議的擴展。CSMA協(xié)議和SPMA協(xié)議相同之處在于：二者都對信道進行偵聽；不同之處在于：SPMA協(xié)議由于采用了擴頻和突發(fā)傳輸技術，物理層具備“一發(fā)多收”的能力，即收發(fā)機在一個信道發(fā)送的同時，可以在多個信道進行接收，因此信道不再被區(qū)分為只有忙和閑兩種狀態(tài)，而是根據業(yè)務的數量和特性，信道被劃分為多個不同的狀態(tài)。SPMA協(xié)議物理層將數據幀拆分成突發(fā)[2]，并對每個突發(fā)進行糾錯糾刪編碼，然后以跳頻跳時的方式在信道上發(fā)送突發(fā)，接收信機如果收到部分突發(fā)，就能成功恢復這個數據幀，這意味著數據幀成功傳輸。

SPMA協(xié)議接入過程[3]如圖1所示。首先，數據幀根據其優(yōu)先級進入不同的優(yōu)先級隊列中。然后采用特殊的發(fā)送判決機制，通過比較閾值和信道占用的大小來決定數據幀能否接入信道；若閾值大于信道占用值，則允許該數據幀接入信道，否則節(jié)點進行退避，待退避結束后重新調度和比較優(yōu)先級閾值和信道占用值。

圖1 SPMA協(xié)議示意圖

閾值的設置決定著SPMA的協(xié)議性能。如果設置不正確，信道接入的判斷標準將會出現(xiàn)偏差，造成吞吐量下降。如果各優(yōu)先級閾值設置偏大，信道接入量會超過限制，則突發(fā)碰撞幾率將會增大，數據幀成功傳輸概率下降，吞吐量也會下降；如果各優(yōu)先級閾值設置偏小，則信道接入量將會減小，過度限制了業(yè)務的接入，浪費信道資源，信道利用率偏低。

信道承載能力受到多種因素的影響，包括通信環(huán)境、網絡拓撲結構等，這些因素在場景中可能會發(fā)生變化。通信場景中的各類通信業(yè)務強度并不是恒定的，而是隨著通信任務需求實時變化的突發(fā)業(yè)務?；谝陨蟽煞矫婵梢钥闯?，各優(yōu)先級閾值的設置沒有一個固定的結果，而是需要在通信過程中，根據實際情況不斷地調整各優(yōu)先級閾值，使其匹配不同環(huán)境的信道承載能力和不同場景業(yè)務需求，使得各優(yōu)先級業(yè)務高效接入信道。

如何設置閾值顯得尤為重要。然而SPMA專利文獻中并沒有提到閾值的設置方法。現(xiàn)有文獻對閾值的設置方法進行了系列的研究[4-17]，但這些閾值的設置方法都是按照固定的強度比例為各個優(yōu)先級業(yè)務設置閾值，難以適應網絡承載能力和通信業(yè)務的變化，使得信道接入的判斷出現(xiàn)偏差，影響SPMA協(xié)議接入性能[18]。因此，筆者提出了基于幀成功傳輸概率的動態(tài)閾值，通過對比當前的幀成功傳輸概率和最高優(yōu)先級業(yè)務的幀成功傳輸概率來動態(tài)調整各個優(yōu)先級的閾值，使得各優(yōu)先級業(yè)務更好地接入信道，從而提升網絡的吞吐量和信道利用率。最后，將所提方案在某軍用項目中進行實現(xiàn)，用于完成多節(jié)點間的協(xié)同組網，并在自動化測試平臺進行了傳輸性能測試。實驗結果表明，基于動態(tài)閾值設置的SPMA協(xié)議能夠有效保證高優(yōu)先級業(yè)務的傳輸時延和傳輸可靠性。

1 閾值分析

本節(jié)將分析閾值的設置對SPMA協(xié)議的接入性能的影響，主要包括對幀成功傳輸概率和吞吐量的影響。

假設網絡中有n個節(jié)點，各節(jié)點業(yè)務類型相同且節(jié)點間相互獨立，各優(yōu)先級數據幀的到達率為λi，0≤i≤pmin，優(yōu)先級0為最高優(yōu)先級，優(yōu)先級Pmin為最低優(yōu)先級。

數據幀的總達到率為

(1)

假設SPMA協(xié)議使用了Nf個頻點，每個數據幀能夠拆分成Nb個突發(fā)，每個突發(fā)持續(xù)時間為tb，假設系統(tǒng)中各節(jié)點數據幀的到達過程服從泊松分布且相互獨立，則注入信道的突發(fā)也可以近似地看作服從泊松分布，其到達率可以表示為

(2)

突發(fā)以完全隨機競爭的方式在信道中傳輸，突發(fā)的易受沖突區(qū)間為2tb[18]，即在2tb時間段內沒有其他突發(fā)到達時，該突發(fā)能夠成功傳輸，則單個突發(fā)成功傳輸概率為

Pbs=exp(-2λbtb) 。

(3)

物理層采用糾錯糾刪編碼技術，使得當收信機收到一半以上的突發(fā)時，能成功恢復數據幀，則可得到信道中數據幀成功傳輸概率

(4)

不同突發(fā)接收門限下數據幀成功傳輸概率和突發(fā)成功傳輸概率關系如圖2所示，當突發(fā)接收門限為2/5時，突發(fā)成功傳輸概率高于60%時，幀成功傳輸概率可高達99%以上；當突發(fā)接收門限為1/2時，突發(fā)成功傳輸概率高于70%時，幀成功傳輸概率可高達99%以上；當突發(fā)接收門限為3/5時，突發(fā)成功傳輸概率高于80%時，幀成功傳輸概率可高達99%以上；當突發(fā)接收門限為4/5時，突發(fā)成功傳輸概率高于93%時，幀成功傳輸概率可高達99%以上。由此可以看出，幀成功傳輸概率隨著突發(fā)門限的增加而降低，在相同幀傳輸成功率要求下，突發(fā)接收門限越高，則需要更高的突發(fā)傳輸成功率。

圖2 幀成功傳輸概率和突發(fā)成功傳輸概率關系

結合式(4)，設置數據幀拆分的突發(fā)個數Nb為30個，突發(fā)持續(xù)tb為3 μs，頻點數Nf為5個，數據分組長度為1 200 bit。通過仿真分析，能夠得到幀成功傳輸概率和突發(fā)成功傳輸概率隨網絡負載的變化曲線。通過閾值的設置可以限制業(yè)務接入信道的流量，設置不同的閾值可以得到不同的幀成功傳輸概率保障。例如閾值1的設置，可以限制網絡負載不超過8 000 p/s(packet/s，pps)能夠保障99%以上的可靠傳輸，而閾值2的設置，限制網絡負載不超過12 000 p/s，僅能夠保障90%以上的可靠傳輸。

網絡吞吐量表示網絡中單位時間內成功傳輸的數據量[19]，首先我們假設沒有啟動發(fā)送判決機制，則網絡中各節(jié)點可以直接接入信道，此時網絡吞吐量等于信道負載乘以數據幀成功傳輸概率，則吞吐量S可以表示為

(5)

圖3 幀成功傳輸概率和突發(fā)成功傳輸概率隨信道負載變化

圖4為網絡吞吐量隨網絡負載的變化情況，當網絡負載較低時，信道較為空閑，分組間碰撞概率較低，此時吞吐量同網絡負載成正相關，吞吐量隨網絡負載的增加而增加；隨著網絡負載的增加，分組間碰撞加劇，吞吐量隨著網絡負載的增加而降低。結果表明：閾值1能夠達到的網絡吞吐量為8 000 p/s左右，閾值2能夠達到的網絡吞吐量為11 000 p/s左右。

圖4 網絡吞吐吞吐量變化情況

綜上所述可以看出，發(fā)送判決機制通過閾值的設置能夠限制業(yè)務流量的接入，不同的閾值設置能夠獲得不同的服務質量，在不同程度上保證在信道中的幀成功傳輸概率，并能獲得不同的網絡吞吐量。

2 動態(tài)閾值設置方法

2.1 基本思想

動態(tài)閾值調整需要依據某種反饋信息來作為閾值調整的標準。由于網絡承載能力和通信業(yè)務不是固定的，并不清楚信道最大可承載的業(yè)務量是多少，因此不能直接將信道最大可承載量作為反饋信息去調整各優(yōu)先級閾值的大小。

將幀成功傳輸概率作為反饋信息來調整各優(yōu)先級閾值，并認為物理層是可靠傳輸的。這樣一來，只有當信道產生沖突時才會影響數據幀的傳輸，而信道的沖突程度又跟接入信道的負載有關，因此信道中幀成功傳輸概率可以反映信道負載情況，并保障信道傳輸的可靠性。將最高優(yōu)先級業(yè)務的數據幀成功傳輸概率要求作為判斷信道是否過載的標準，當信道中的幀成功傳輸概率低于預設的標準值時，認為信道過載。其基本思想是，當信道過載時，最低優(yōu)先級的閾值會先減??；當減小至零后，若信道還過載，則繼續(xù)減小次低優(yōu)先級的閾值，即按照從低到高的順序減小閾值限制業(yè)務接入信道；當信道空余時，高優(yōu)先級的閾值會先增加；當增加至預先設定的最大值后，若信道還空余時，則繼續(xù)增加次高優(yōu)先級的閾值，即按照從高到底的順序允許業(yè)務重新接入信道，其中最高優(yōu)先級業(yè)務可以直接接入信道，不需要進行閾值調整。

2.2 動態(tài)閾值調整流程

閾值的大小與信道負載統(tǒng)計有關，文中閾值可表示為時間間隔tw內的數據幀個數。

假設網絡的理論容量為CMb/s，幀成功傳輸概率的統(tǒng)計周期為tw，數據幀平均長度為L，動態(tài)閾值調整標準值為ξ，動態(tài)閾值調整靈敏度為δ，動態(tài)閾值調整過程如圖5所示。

圖5 動態(tài)閾值跳幀流程

步驟1 初始時刻，每個優(yōu)先級的閾值設置為Tmax，保證初始時各優(yōu)先級數據幀均能在信道中傳輸，其表達式為

(6)

步驟2 當業(yè)務流注入信道后，統(tǒng)計tw時間內信道中的數據幀成功傳輸概率Ps，比較ξ和Ps的大小。令數據幀成功傳輸概率調整下限Pa=ξ-δ，數據幀成功傳輸概率調整上限Pb=ξ-δ。若PsPb，則執(zhí)行步驟4；否則重新執(zhí)行步驟2。

(7)

(8)

步驟5 執(zhí)行步驟2，重復執(zhí)行該過程。

根據上述動態(tài)閾值調整流程，結合圖5所示閾值調整示例給出說明。

如圖5(a)所示，網絡中某個節(jié)點某一優(yōu)先級i閾值調整過程，圖中每次調整間隔時間Δt等于tw。

首先節(jié)點在第1個tw時間內統(tǒng)計到信道中的數據幀成功傳輸概率Ps，且有Ps

然后在第2個tw時間內，仍有Ps

在第3個tw時間內，由于Ps>Pb，則根據式(8)增加閾值，最終在第4個tw時間內，Ps∈(Pa，Pb)信道穩(wěn)定不再調整閾值。

如圖6(b)所示，為網絡中某個節(jié)點優(yōu)先級i和優(yōu)先級i-1閾值調整過程。

首先節(jié)點在前幾個tw時間段內持續(xù)統(tǒng)計到幀成功傳輸概率Ps，且有Ps

然后在下一個時間段內，仍有Ps

如圖6(c)所示，為網絡中某個節(jié)點優(yōu)先級i和優(yōu)先級i-1閾值調整過程。

圖6 動態(tài)閾值調整示例

首先節(jié)點在前幾個tw時間段內持續(xù)統(tǒng)計到幀成功傳輸概率Ps，且有Ps>Pb，因此按上述步驟找到閾值大于0的優(yōu)先級i-1，按式(8)多次調整優(yōu)先級為i-1的閾值，使得Thi超過上臨界值，設置為Tmax。

然后在下一個時間段內，仍有Ps>Pb，此時由于優(yōu)先級為i的閾值已經為0，則開始按式(8)增加i-1優(yōu)先級閾值(i-1優(yōu)先級高于i優(yōu)先級)。最終Ps∈(Pa，Pb)，信道穩(wěn)定不再調整閾值。

3 仿真分析

3.1 仿真條件

采用OPNET[20]進行仿真，仿真參數參照表1所示。仿真場景中有30個節(jié)點隨機分布在10 km ×10 km內，各節(jié)點互連互通。網絡系統(tǒng)中各節(jié)點維護8個優(yōu)先級隊列，對應8種優(yōu)先級業(yè)務，各優(yōu)先級業(yè)務到達過程獨立且服從泊松分布。設置通信過程中存在2種通信業(yè)務模式，通信業(yè)務強度如表2所示。

表1 仿真參數

表2 業(yè)務模式

3.2 結果分析

如圖7所示，對比不同業(yè)務模式下，動態(tài)閾值調整方法和固定閾值方法幀成功傳輸概率隨網絡負載變化情況。對比的固定閾值方法中，閾值是在已知網絡承載能力情況下，根據業(yè)務模式Ⅰ的業(yè)務強度按比例進行設置的?？梢钥闯觯诠潭ㄩ撝捣椒ㄖ?，業(yè)務I模式下隨著網絡負載的增加，能得到一個較高的網絡吞吐量，但是當網絡通信業(yè)務發(fā)生變化后，在業(yè)務Ⅱ模式下，網絡負載在7 000 p/s時，吞吐量出現(xiàn)嚴重的下降，最低時僅有5 000 p/s，這是由于閾值是按照業(yè)務Ⅰ的強度預先設置的，但業(yè)務強度變化后，不能匹配業(yè)務Ⅱ的場景導致的。而在動態(tài)閾值方法中，閾值的設置并非固定，而是在通信過程中根據信道狀態(tài)和業(yè)務強度動態(tài)調整的，能夠適應網絡場景的變化，由圖可以看出不論業(yè)務Ⅰ還是業(yè)務Ⅱ中，都可以得到穩(wěn)定的吞吐量性能。同圖4相比較，當網絡負載持續(xù)增加時，SPMA接入控制下的吞吐量可以維持飽和，達到最大的信道利用率。

圖7 固定閾值和動態(tài)閾值在不同業(yè)務模式的網絡吞吐量

如圖8所示對比了不同業(yè)務模式下，動態(tài)閾值調整方法和固定閾值方法的幀成功傳輸概率隨網絡負載變化情況。在動態(tài)閾值調整方法中，將信道中的數據幀成功傳輸概率作為反饋信息進行動態(tài)調整，并將最高優(yōu)先級數據幀成功傳輸概率要求作為動態(tài)調整標準。

圖8 固定閾值和動態(tài)閾值在不同業(yè)務模式的幀成功傳輸概率

在本次仿真過程中動態(tài)閾值調整標準值設定為99%，因此從圖8可以看出，在業(yè)務Ⅰ和業(yè)務Ⅱ模式下，隨著網絡負載的增加，動態(tài)閾值設置方法始終能保障最高優(yōu)先級幀成功傳輸概率達到99%以上的性能。而在固定閾值方法中，并沒有對最高優(yōu)先級幀成功傳輸概率作強保障，因此隨著網絡負載的增加，固定閾值方法不能保證最高優(yōu)先級業(yè)務服務質量，并且在不同業(yè)務模式下，接入性能出現(xiàn)較大波動，例如在業(yè)務模式Ⅱ中，最高優(yōu)先級幀成功傳輸概率相比業(yè)務模式Ⅰ下降了5%。

4 實驗測試分析

為了驗證基于動態(tài)閾值設置的SPMA接入協(xié)議網絡傳輸性能，在xx數據鏈項目進行了實現(xiàn)，并在搭建了基于KSW自動化測試平臺的測試系統(tǒng)下進行優(yōu)先級0、優(yōu)先級1、優(yōu)先級2、優(yōu)先級3等4個優(yōu)先級業(yè)務傳輸性能測試；優(yōu)先級0為最高優(yōu)先級業(yè)務，優(yōu)先級1業(yè)務優(yōu)先級次之，優(yōu)先級3業(yè)務優(yōu)先級最低。

4.1 測試條件

測試框圖如圖9所示，測試系統(tǒng)主要由自動化測試平臺、交換機、射頻交換網絡、示波器、網絡分析儀、信號分析儀等組成，對由5臺加載SPMA接入協(xié)議端機構建的網絡進行測試。端機實物和自動化測試系統(tǒng)分別如圖10和圖11所示。

圖9 自動化框圖

圖10 加載SPMA協(xié)議端機實物圖

圖11 自動化測試系統(tǒng)圖

4.2 測試結果分析

測試系統(tǒng)主要針對接入時延和數據傳輸成功率進行測試，下面將從接入時延和數據傳輸成功率進行分析。

(1) 接入時延分析

接入時延測試結果如圖12所示，SPMA根據傳輸成功率進行閾值動態(tài)調整，能夠進行多優(yōu)先級業(yè)務區(qū)分服務，且接入時延穩(wěn)定，優(yōu)先級0業(yè)務接入時延約為1.1 ms，接入時延最小，優(yōu)先級1業(yè)務接入時延約為1.2 ms，優(yōu)先級2業(yè)務接入時延約為2.8 ms，優(yōu)先級3業(yè)務接入時延約為5.2 ms，接入時延最大。接入時延隨著優(yōu)先級的降低而增加。

圖12 接入時延測試結果

(2) 數據傳輸成功率分析

數據傳輸成功率如圖13所示，SPMA根據幀成功傳輸概率動態(tài)調整各個優(yōu)先級的閾值。當成功率低于設定閾值時，通過減少接入信道的分組來保證當前優(yōu)先級分組的傳輸成功率；當成功率高于設定閾值時，適當增加加入信道的分組，提高網絡的網絡吞吐量。實驗測試了4個優(yōu)先級業(yè)務的傳輸成功率，其傳輸成功率均能達到99%以上。

圖13 數據傳輸成功率測試結果

5 結束語

為解決網絡承載能力和通信業(yè)務的變化造成接入性能下降的問題，維護網絡吞吐量的穩(wěn)定和提升信道利用率，筆者對SPMA協(xié)議閾值設置方法進行研究，提出了基于幀成功傳輸概率的動態(tài)閾值設置方法，利用幀成功傳輸概率來反映信道接入情況，通過對比當前幀成功傳輸概率與最高優(yōu)先級業(yè)務幀成功傳輸概率動態(tài)調整各個優(yōu)先級閾值。為驗證文中方法的效果，先對使用文中方法的SPMA協(xié)議進行系統(tǒng)仿真，并與固定閾值方法進行比較，最后在xx數據鏈端機進行了實現(xiàn)，并在自動化測試系統(tǒng)下進行了多次測試，測試結果同仿真結果和理論分析一致。由于文中方法根據網絡狀態(tài)周期動態(tài)調整閾值，能夠有效應對網絡承載能力和通信業(yè)務變化帶來的影響，因此可發(fā)現(xiàn)文中方法相比固定閾值方法可使系統(tǒng)獲得更穩(wěn)定的接入性能，能夠更好地保障最高優(yōu)先級業(yè)務的服務質量。