自組織時(shí)分多址甚高頻數(shù)據(jù)鏈的延時(shí)研究

郭宏偉　馬純清

[摘 要]隨著各個(gè)國(guó)家和地區(qū)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，航空領(lǐng)域也獲得了更多發(fā)展機(jī)遇，但同時(shí)也面臨著諸多挑戰(zhàn)，傳統(tǒng)航空通信體系結(jié)構(gòu)已經(jīng)難以滿足航空現(xiàn)代化發(fā)展需求。而自組織時(shí)分多址甚高頻數(shù)據(jù)鏈的出現(xiàn)，在一定程度上提高了系統(tǒng)的延時(shí)性能，為航空通信提供了極大支持。本文將簡(jiǎn)單了解我國(guó)航空數(shù)據(jù)鏈應(yīng)用現(xiàn)狀，在航空數(shù)據(jù)鏈概念基礎(chǔ)上深入探討甚高頻數(shù)據(jù)鏈的應(yīng)用，旨在為我國(guó)航空領(lǐng)域可持續(xù)發(fā)展提供參考。

[關(guān)鍵詞]自組織；多址；甚高頻數(shù)據(jù)鏈；延時(shí)

中圖分類號(hào)：TN929.532 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-914X（2016）14-0082-01

前言：近年來(lái)，具有自組織特性的新型數(shù)據(jù)鏈在科學(xué)技術(shù)支持下應(yīng)運(yùn)而生，并憑借自身支持機(jī)間、機(jī)地等多址通信優(yōu)勢(shì)，在軍航、民航等領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用和普及。相比較傳統(tǒng)數(shù)據(jù)鏈而言，這種新型數(shù)據(jù)鏈能夠避免外界因素對(duì)通信的干擾，通過(guò)發(fā)揮自身自組織特性，實(shí)現(xiàn)對(duì)時(shí)隙的自組織預(yù)約，以此來(lái)突破過(guò)于依賴地面主站的弊端，顯著提高了通信有效性。因此加強(qiáng)對(duì)該項(xiàng)技術(shù)的研究具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義，能夠幫助我們更為深入的了解和掌握該項(xiàng)技術(shù)，從而推動(dòng)我國(guó)航空領(lǐng)域可持續(xù)發(fā)展。

1、現(xiàn)階段，我國(guó)航空數(shù)據(jù)鏈應(yīng)用現(xiàn)狀分析

改革開(kāi)放以來(lái)，我國(guó)各領(lǐng)域迅速發(fā)展，給交通運(yùn)輸業(yè)帶來(lái)了更多發(fā)展機(jī)遇，航空運(yùn)輸業(yè)作為重要組成部分，邁向了新的發(fā)展階段，并以高出世界平均水平兩倍速度增長(zhǎng)，越來(lái)越多的航空吞吐量無(wú)疑增加了現(xiàn)有空管保障體系的壓力，傳統(tǒng)體系的滯后性也愈發(fā)明顯，突出表現(xiàn)在空管通信、導(dǎo)航等方面，上述種種均成為了阻礙我國(guó)航空運(yùn)輸業(yè)可持續(xù)發(fā)展的短板。因此迫切需要新型空中交通管理手段。

現(xiàn)階段，我國(guó)航空采取的數(shù)據(jù)鏈?zhǔn)秋w機(jī)通信尋址及報(bào)告系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要是面向字符的數(shù)據(jù)鏈，傳輸速率為2.4kbps，已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足不了我國(guó)航空通信需求，對(duì)此引進(jìn)先進(jìn)數(shù)據(jù)鏈，完善航空通信體系顯得尤為必要。

2、航空數(shù)據(jù)鏈概念

所謂航空數(shù)據(jù)鏈，主要是指實(shí)時(shí)地傳輸信息，在網(wǎng)絡(luò)范圍內(nèi)快速傳輸控制信息等，顯著提高平臺(tái)之間的數(shù)據(jù)交換和共享能力，且具備視頻、語(yǔ)言及圖片等數(shù)據(jù)多樣化數(shù)據(jù)傳輸能力，促使平臺(tái)內(nèi)的主體能夠互相協(xié)同，實(shí)現(xiàn)質(zhì)的提升，最終提高航空管理能力[1]。具有自組織能力的數(shù)據(jù)鏈（S-TDMA）將時(shí)間軸劃分為多個(gè)信息幀，且獨(dú)立的信息幀又能夠細(xì)化為多個(gè)時(shí)隙，為飛機(jī)與地面等主體之間的交流提供支持，每架飛機(jī)都會(huì)在一個(gè)周期內(nèi)發(fā)送報(bào)文，而管理人員則會(huì)根據(jù)報(bào)文情況，實(shí)現(xiàn)對(duì)信道時(shí)隙的管理，及時(shí)獲取飛機(jī)發(fā)來(lái)的各類信息，顯著提高了飛機(jī)管理的有效性，避免了傳統(tǒng)管理模式過(guò)度依賴地面控制的弊端。

3、S-TDMA的具體應(yīng)用

3.1選擇預(yù)約、分配方法

在整個(gè)數(shù)據(jù)鏈中，對(duì)于時(shí)隙預(yù)約方法而言，一般是采取TDMA形式傳輸體制進(jìn)行信息傳輸，具體實(shí)踐中，它能夠?qū)⒄麄€(gè)時(shí)間軸劃分為多個(gè)信息幀，而每幀都具有多個(gè)時(shí)隙，能夠同時(shí)滿足多個(gè)飛機(jī)需求[2]。每個(gè)用戶監(jiān)聽(tīng)信道持續(xù)一個(gè)超幀的時(shí)間，接受其他用戶時(shí)隙狀態(tài)，并進(jìn)行相應(yīng)的預(yù)約，構(gòu)建成時(shí)隙預(yù)約信息報(bào)文，如圖1。

而針對(duì)時(shí)隙分配來(lái)說(shuō)，用戶可以結(jié)合時(shí)隙狀態(tài)提供空閑時(shí)隙分布，為自己與地面實(shí)時(shí)溝通找到最佳連接信道。我們可以將整個(gè)數(shù)據(jù)鏈視為一個(gè)整體，其中包含多A各時(shí)隙，且每個(gè)時(shí)隙之間具有獨(dú)立性特點(diǎn)，當(dāng)飛機(jī)占用其中任何一個(gè)時(shí)隙，并同時(shí)發(fā)送報(bào)文[3]。將飛機(jī)數(shù)量設(shè)置為B，飛機(jī)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)包平均速率為次/min，能夠滿足0≤≤A，當(dāng)用戶在此系統(tǒng)當(dāng)中，可以結(jié)合當(dāng)前時(shí)隙窗口選擇自己的溝通信道。

3.2選擇空閑時(shí)隙

如果在預(yù)約中發(fā)現(xiàn)繁忙情況，可以從以下幾個(gè)方面入手尋找空閑時(shí)隙。一是選擇相鄰的窗口，并開(kāi)始預(yù)約，如果此時(shí)該信道為空閑時(shí)隙，將預(yù)約成功。反之將自動(dòng)轉(zhuǎn)為下一個(gè)時(shí)隙進(jìn)行預(yù)約。二是計(jì)算出預(yù)約時(shí)隙與占用時(shí)隙時(shí)間的差距，將預(yù)約信息及時(shí)發(fā)送出去，提醒需要預(yù)約的飛機(jī)做好準(zhǔn)備。三是如果發(fā)生沖突，用戶需要按照一定的概率進(jìn)行適當(dāng)退避。四是直至原預(yù)約時(shí)間計(jì)數(shù)器技術(shù)完成，用戶預(yù)約成功。圖2為時(shí)隙自動(dòng)轉(zhuǎn)移模型圖。

上述動(dòng)態(tài)分配方法在使用中，時(shí)隙預(yù)約會(huì)將當(dāng)前時(shí)隙作為基礎(chǔ)，向左右兩側(cè)延伸，直至窗口邊緣位置。而這種方式，或多或少存在一定局限性，且效率偏低，對(duì)此，本文將提出一種新型時(shí)隙搜索方法，即從最前面的時(shí)隙開(kāi)始，按照順序向后搜索，直至找到信道位置[4]。相比較而言，這種預(yù)約延時(shí)較短，能夠顯著提升系統(tǒng)的延時(shí)性能。

3.3概率周期的計(jì)算

通過(guò)公式計(jì)算得出概率周期，促使系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中，能夠?yàn)橛脩籼峁└觾?yōu)質(zhì)的服務(wù)，為其與地面建立良好的溝通和交流機(jī)制奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。不僅如此，計(jì)算概率周期，還能夠顯著提高系統(tǒng)的使用效率，避免用戶連接繁忙或者系統(tǒng)過(guò)于空閑等問(wèn)題的出現(xiàn)。

3.4掌握吞吐量

用戶在系統(tǒng)中預(yù)約時(shí)，具有明顯的獨(dú)立性，對(duì)此每個(gè)時(shí)隙都是一個(gè)獨(dú)立的信道，此時(shí)可以運(yùn)用時(shí)隙的吞吐量來(lái)衡量整個(gè)系統(tǒng)的吞吐量，并將特定時(shí)間范圍內(nèi)成功完成信息傳輸?shù)男畔⑦M(jìn)行歸一處理，以此來(lái)掌握飛機(jī)的飛行信息，為后續(xù)工作提供科學(xué)依據(jù)。

就理想狀態(tài)來(lái)說(shuō)，能夠滿足S-TDMA的自組織協(xié)議用戶并不會(huì)因?yàn)橐龑?dǎo)繁忙而出現(xiàn)矛盾，簡(jiǎn)而言之，當(dāng)時(shí)隙處于忙碌狀態(tài)下，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)轉(zhuǎn)移信道，安排其到相鄰的信道進(jìn)行連接，直至?xí)r隙連接成功[5]?？梢?jiàn)，占用信道的飛機(jī)只有一個(gè)，此時(shí)時(shí)隙占用數(shù)量就是吞吐量的實(shí)際情況。即便時(shí)隙處于繁忙狀態(tài)，也不會(huì)影響到期傳送的信息，所以，理想情況下的吞吐量為：

Thi=PB=1-Pt

如果終端在時(shí)隙中通信時(shí)，其內(nèi)部隱藏的終端也會(huì)傳送信息，而此時(shí)會(huì)產(chǎn)生矛盾，受到隱藏終端產(chǎn)生的影響，接收端將難以正常接受信息，最終導(dǎo)致數(shù)據(jù)信息的丟失，難以實(shí)現(xiàn)對(duì)飛機(jī)的有效管理，最終導(dǎo)致系統(tǒng)吞吐量下降，不利于航空運(yùn)輸穩(wěn)定、有序發(fā)展。

結(jié)論：根據(jù)上文所述，隨著信息化與智能化時(shí)代的到來(lái)，數(shù)據(jù)鏈技術(shù)將成為航空航天領(lǐng)域發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)，技術(shù)水平將直接衡量一個(gè)國(guó)家的航空航天發(fā)展現(xiàn)狀。因此在航空航天發(fā)展過(guò)程中，相關(guān)人員應(yīng)樹(shù)立現(xiàn)代理念，明確現(xiàn)有技術(shù)存在的弊端，并加大對(duì)時(shí)隙分配等相關(guān)技術(shù)的研究力度，不斷提升我國(guó)技術(shù)水平，確保數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò)安全、靈活性，為飛機(jī)與地面的交流奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，從而促進(jìn)后期航空數(shù)據(jù)鏈的發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

[1] 張海營(yíng)，郭建峰，魏玉凡等.機(jī)載AIS接收信號(hào)沖突概率分析[J].全球定位系統(tǒng)，2014，（03）：15-18.

[2] 邱洪云，關(guān)慧，張彥衛(wèi)等.衛(wèi)星戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈的應(yīng)用及發(fā)展[J].空間電子技術(shù)，2012，（03）：1-4.

[3] 梁俊，仝海波，朱子行等.一種支持QoS的D-TDMA協(xié)議性能分析與仿真[J].空軍工程大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2010，（01）：59-63.

[4] 仝海波，梁俊，呂娜等.戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈時(shí)延特性的仿真分析[J].電光與控制，2009，（08）：53-55+64.

[5] 陳巖，董淑福，蔣磊等.甚高頻數(shù)據(jù)鏈技術(shù)及其應(yīng)用[J].科技信息（學(xué)術(shù)研究），2008，（29）：395-397.