石偉明

（中國電子科技集團公司第二十研究所，西安，710068）

0 引言

數據鏈是采用網絡通信技術和應用協(xié)議有效地鏈接各種作戰(zhàn)平臺，實現(xiàn)戰(zhàn)術信息處理和傳輸的軍用數據通信系統(tǒng)。數據鏈在現(xiàn)代信息化戰(zhàn)爭中起著神經網絡的作用,能夠快速激活全維戰(zhàn)場中的各種作戰(zhàn)力量，對作戰(zhàn)能力的提升起到“黏合劑”和“倍增器”的作用，能夠有效地縮短傳感器到射手的反應時間。

多址接入協(xié)議提供了一種信道共享的調度機制，確保多個通信節(jié)點間公平、高效地共享相同的無線信道資源，決定了節(jié)點業(yè)務量和網絡吞吐量，是數據鏈路層設計的重中之重。多址接入協(xié)議決定了分組接入信道的方式，確保多個通信節(jié)點間公平、高效地共享相同的無線信道資源，很大程度上影響了分組傳輸成功率和平均時延性能，是數據鏈路層設計的核心問題。

1 現(xiàn)有數據鏈接入協(xié)議

現(xiàn)有數據鏈數據鏈路層設計大多基于 TDMA或者SPMA接入體制。兩種體制分別有以下優(yōu)缺點：

TDMA協(xié)議屬于固定接入協(xié)議的一種，TDMA協(xié)議在節(jié)點個數較少或信道帶寬較大時，可以滿足節(jié)點的業(yè)務量需求；并且由于各時隙間互不重疊且具有保護時隙，使用 TDMA協(xié)議可以避免多址干擾，保證分組傳輸的成功率。但是 TDMA協(xié)議的信道利用率較低，不能根據節(jié)點業(yè)務需求的變化及時調整時隙分配方案，從而導致時隙分配不合理，造成資源浪費[1]。

SPMA屬于隨機接入協(xié)議的一種，它是一種跨層協(xié)議，具有遠距離、低時延、高速率的特點[2]。一方面，它需要物理層統(tǒng)計無線信道出現(xiàn)的分組總數，作為衡量信道負載擁塞情況的依據；另一方面，SPMA 支持多優(yōu)先級傳輸功能。SPMA協(xié)議根據當前的信道負載統(tǒng)計信息和對應的門限閾值來控制其是否接入網絡，視信道負載的升高來逐步減少低優(yōu)先級分組的發(fā)送機會，從而合理地控制信道負載，減少脈沖間發(fā)送碰撞的概率。但是在節(jié)點數多的情況下，碰撞不可避免，較 TDMA體制，傳輸成功率低。

現(xiàn)有 TDMA網絡具有傳輸的可靠性卻無法保證信息傳送時延的問題，而SPMA網絡雖然具有很好的低時延性，但卻無法保證數據包傳輸的可靠性，為了克服現(xiàn)有技術的不足，本協(xié)議提出并設計了一種基于SPMA與TDMA混合接入的自組織網絡體系的多址接入協(xié)議。

2 基于雙通道多址接入方法設計介紹

本協(xié)議采用物理層雙通道接收特性，建立2個物理隔離通道，分別用于TDMA和SPMA，每個成員同時在兩個通道上進行數據收發(fā)。

圖1 TDMA發(fā)送管理

2.1 TDMA接入方法設計

TDMA多址接入方法主要維護網絡的可靠運行，網絡分配的資源僅保留入網、PPLI、網管資源和相應的中繼資源，采用預先分配的方式。為了保證組網靈活性僅設計大、中、小三種成員規(guī)模，網絡資源和平臺對應關系采用平臺 ID號實現(xiàn)方式，這些資源都是主網資源。保留時間基準、輔助時間基準、替補時間基準、中繼等網絡責任。該通道僅限于組網使用，主要消息包括PPLI、入網、網管等，TDMA通道無層疊網，采用中繼的方式實現(xiàn)信息轉發(fā)。

在系統(tǒng)組網前，由網絡層向 TDMA資源管理器設置資源分配表。TDMA通道嚴格按照時隙起點發(fā)送數據，網絡層在網絡建立前將時隙分配方式下發(fā)到鏈路層，鏈路層根據時隙類型建立發(fā)送隊列。例如當網絡層需要發(fā)送 NPG為入網消息類型的數據幀時，將產生的數據通過接口送往 TDMA發(fā)送管理模塊，TDMA發(fā)送管理模塊根據類型將該數據放入入網消息發(fā)送隊列，等待入網時隙的到來。當從接收模塊接收到入網消息，將數據拷貝送往TDMA發(fā)送管理模塊，TDMA發(fā)送管理模塊的中繼過濾器判決是否轉發(fā)，如需轉發(fā)將數據幀放入入網中繼發(fā)送隊列。當新的一個時隙到來時，根據下一時隙NPG類型從不同NPG隊列中獲取TDMA數據幀發(fā)送物理層，并向發(fā)送調度模塊發(fā)送 TDMA預約信號，物理層在下一個時隙到來時發(fā)送TDMA數據幀，數據發(fā)送完成后向發(fā)送調度模塊發(fā)送“信道釋放信號”。

2.2 SPMA接入方法設計

所有應用層業(yè)務使用SPMA通道，采用SPMA調度算法實現(xiàn)信息收發(fā)，業(yè)務消息的超視距通信采用路由方式傳輸。SPMA接入方法設計主要由信道負載統(tǒng)計、多優(yōu)先級QoS及流量控制組成。

2.2.1 信道負載統(tǒng)計

信道占用狀態(tài)通過 SPMA協(xié)議的控制算法從物理層獲得，根據信道中檢測到的脈沖的數目和預先設定的閾值確定信道的占用狀態(tài)。通過在每個頻點上都分別統(tǒng)計信道占用狀態(tài)，最后得出整個可用時頻空間中的信道負載統(tǒng)計。從物理層獲得的信道負載統(tǒng)計還將通過網絡層的網絡感知消息（PPLI消息）進行校準，若兩者的測量結果之間的差距超過一定容限時，使用啟發(fā)式技術去估計實際的信道占用狀態(tài)。

2.2.2 多優(yōu)先級的QoS設計

SPMA協(xié)議采用了多優(yōu)先級的QoS機制[3]，總體的原則是高優(yōu)先級的包比低優(yōu)先級的包有更大的概率接入信道。根據信道負載統(tǒng)計，當網絡的負載超過一定閾值時，SPMA協(xié)議將優(yōu)先保證高優(yōu)先級包的信道接入，而減少低優(yōu)先級包接入信道的機會。另外，低時延業(yè)務具有最高優(yōu)先級，不經過SPMA調度算法協(xié)議直接進入物理層發(fā)射。

2.2.3 流量控制機制

當網絡超載時，SPMA協(xié)議將首先控制低優(yōu)先級數據的流量，減少低優(yōu)先級包接入信道的機會，直到網絡負載降低到一定水平以下時，再恢復低優(yōu)先級包的正常接入。如果網絡負載始終很高，SPMA協(xié)議會阻塞低優(yōu)先級包的發(fā)送；若網絡變得嚴重超載，會相繼阻塞高優(yōu)先級包的發(fā)送。這樣做的效果是，SPMA協(xié)議使得網絡中的各個節(jié)點具備了認知屬性，可以根據網絡負載狀態(tài)選擇是否接入信道，避免信道繁忙造成的碰撞丟包，實現(xiàn)“削峰填谷”讓網絡負載保持平穩(wěn)狀態(tài)。

2.3 發(fā)送調度設計

2.3.1 負載統(tǒng)計模塊

現(xiàn)有的負載統(tǒng)計是基于物理層獲取信道負載或者網絡層獲取信道負載統(tǒng)計，兩種方法各有優(yōu)缺點。在輕負載情況下，使用物理層獲得的信道負載統(tǒng)計值具有很高的準確性，但重負載下同步信號嚴重丟失導致從物理層獲得的信道負載統(tǒng)計值比實際信道負載值偏小。網絡層負載統(tǒng)計對統(tǒng)計時效性比較差，但在重負載情況下具有較高的正確性。本文結合兩種方法的優(yōu)缺點，設計了一種準確的混合式信道負載統(tǒng)計方法。

該統(tǒng)計方法在輕負載情況下，使用物理層獲得的信道負載統(tǒng)計值，在避免重負載下同步信號嚴重丟失導致從物理層獲得的信道負載統(tǒng)計值比實際信道負載值偏小，可以通過網絡層獲得的信道負載統(tǒng)計值進行校準，若兩者統(tǒng)計結果之間的差距超過一定容限時，從物理層獲得的信道負載統(tǒng)計值可信度較低，此時使用網絡層獲得的信道負載統(tǒng)計值進行校準。

2.3.2 發(fā)送決策模塊

網絡中真正存在的數據包個數是由網絡中的每個發(fā)送端決定的，因此每個發(fā)送端的數據包發(fā)送速率是網絡中真實網絡負載的決定因素。因此采用基于發(fā)送端的網絡負載感知與控制方法。

首先，每個節(jié)點采用離線仿真的方法，獲取本節(jié)點傳輸覆蓋范圍內的網絡負載與丟包率、吞吐率等的映射關系，并確定出給定丟包率P下的節(jié)點發(fā)送速率之和UP；其次，每個節(jié)點根據負載統(tǒng)計模塊更新統(tǒng)計的網絡負載及發(fā)送速率，并預測其在下一個時鐘周期內的業(yè)務發(fā)送速率；然后，每個節(jié)點通過與其鄰節(jié)點交互各自預測的發(fā)送速率μ，獲知其傳輸覆蓋范圍內其他鄰節(jié)點的發(fā)送速率；最后，每個節(jié)點在發(fā)送數據包時，根據下述公式計算當前數據包的發(fā)送速率μ。

其中，數據包的發(fā)送速率μ的計算公式如下：

其中，Δ為速率變化的增量，Δ=0.1*Up total _ node。若連續(xù)兩次0μ+Δ，則Δ=2Δ；若連續(xù)兩次0μ-Δ，則Δ=Δ/2。稱為該節(jié)點處的剩余網絡負載容限，該值的大小決定了本節(jié)點在下一個時鐘周期內的發(fā)送速率。

式（1）是將剩余網絡負載容限與上個周期的數據包發(fā)送速率進行比較，在原有的發(fā)送速率的基礎上進行調整，保證發(fā)送速率不會有太大的波動。

2.3.3 發(fā)送調度控制

由于端機發(fā)射機只有一個，應優(yōu)先保障網絡運行正常，因此 TDMA通道數據發(fā)送優(yōu)先級最高，SPMA任何發(fā)送數據都需要避讓 TDMA發(fā)送的數據。其次才是采用 SPMA優(yōu)先級發(fā)送策略決定SPMA發(fā)送隊列中各優(yōu)先級數據業(yè)務的發(fā)送順序。

發(fā)送調度控制示意圖如圖 2所示，當有 TDM數據發(fā)送時，TDMA發(fā)送管理模塊提前一個時隙向調度模塊發(fā)送預約信號，預約信號可以在下一時隙暫停SPMA發(fā)送調度，待TDMA發(fā)送管理模塊發(fā)送“發(fā)送完成”信號，釋放信道資源后，調度模塊繼續(xù)工作。

圖2 發(fā)送調度示意圖

圖3 輕負載下負載統(tǒng)計

圖4 重負載下負載統(tǒng)計

負載統(tǒng)計模塊接收物理層和網絡層信道負載統(tǒng)計及本節(jié)點發(fā)送統(tǒng)計，當兩者統(tǒng)計結果相近時，向發(fā)送決策模塊輸送物理層統(tǒng)計結果，當物理層和網絡層統(tǒng)計相差達到一定門限是，說明網絡存在嚴重的沖突，向發(fā)送決策模塊輸送網絡層統(tǒng)計結果，降低各個節(jié)點發(fā)送速率，降低網絡的負載。

發(fā)送決策模塊根據負載統(tǒng)計模塊統(tǒng)計結果用式（1）實時計算節(jié)點發(fā)送速率，即單位時間內發(fā)送脈沖的個數。當發(fā)送決策模塊可以發(fā)送SPMA數據時，根據優(yōu)先級選擇器輸出結果，調度相應優(yōu)先級的SPMA數據。

3 仿真研究

3.1 發(fā)送速率UP

仿真得出在10、20、40和80個節(jié)點下丟包率為5%的情況下發(fā)送速率UP值如表1所示。

表1 不同節(jié)點個數下丟包率5%的發(fā)送速率UP值（個/s）

3.2 混合式信道負載統(tǒng)計

圖3和圖4分別是輕負載和重負載下網絡層負載統(tǒng)計和物理層負載統(tǒng)計仿真圖。當在輕負載下，物理層負載統(tǒng)計和網絡層負載統(tǒng)計結果基本一致，所以此時向發(fā)送調度模塊輸出的是物理層負載統(tǒng)計結果。當在整個網絡負載較重的擁塞情況下，信道由于沖突，從物理層獲得的信道負載統(tǒng)計值與實際信道負載值相比存在很大誤差，此時，使用網絡層獲得的信道負載統(tǒng)計值進行校準，向發(fā)送調度模塊輸出網絡層負載統(tǒng)計結果，發(fā)送調度模塊根據網絡當前負載情況，降低本節(jié)點發(fā)送速率，從而限制網絡實際輸出負載到丟包率較小水平，使物理層信道負載統(tǒng)計恢復準確，從而保障網絡不再擁塞進入良好工作狀態(tài)。

4 結束語

本文主要介紹了利用TDMA和SPMA多址接入方法各自的優(yōu)點，創(chuàng)新性的將兩者結合起來的多址接入協(xié)議設計方法，該方法提供了一種信道共享的調度機制，確保多個通信節(jié)點間公平、高效地共享相同的無線信道資源，既保證組網的可靠性，又保證特殊業(yè)務對時延的要求。

本文介紹的多址接入方法已經在原理樣機上實現(xiàn)，并多次進行外場試飛實驗，適合大規(guī)模多成員節(jié)點間組網，具有快速組網，實時傳送戰(zhàn)場態(tài)勢的特點，還可以根據不同業(yè)務特性，使用不同的接入方式，可以靈活的為不同應用的數據鏈實現(xiàn)動態(tài)化定制。

參考文獻：

[1]梅文華, 蔡善法. JTIDS/Link 16 數據鏈[M]. 北京: 國防工業(yè)出版社, 2007: 66-67.

[2]劉志峰. 網絡協(xié)同數據鏈數據鏈路層的研究與設計[D].北京理工大學, 2016.

[3]周賽. TTNT數據鏈的多址接入協(xié)議研究[D]. 西安電子科技大學, 2015.