短波地空IP網(wǎng)絡(luò)的MAC協(xié)議設(shè)計與仿真

賀　驍　劉蕓江　白　翔

1(空軍工程大學(xué)信息與導(dǎo)航學(xué)院　陜西 西安 710077)2(中電集團(tuán)第三十研究所　四川 成都 610041)

?

短波地空IP網(wǎng)絡(luò)的MAC協(xié)議設(shè)計與仿真

賀驍1劉蕓江1白翔2

1(空軍工程大學(xué)信息與導(dǎo)航學(xué)院陜西 西安 710077)2(中電集團(tuán)第三十研究所四川 成都 610041)

合適的多址接入MAC(multipleaccess)協(xié)議是提升網(wǎng)絡(luò)性能的關(guān)鍵。根據(jù)短波地空IP網(wǎng)絡(luò)通信覆蓋范圍廣、難同步，空中節(jié)點信息可能丟失的特點，設(shè)計出該網(wǎng)絡(luò)一種新型的帶預(yù)約短波令牌協(xié)議HFTP-R(HighFrequencytokenprotocolwithreserve)。該協(xié)議在初始化時由空中節(jié)點隨機(jī)加入地面節(jié)點形成的簇，并通過預(yù)約信道向地面節(jié)點發(fā)送預(yù)約信息，從而獲取令牌接入信道，地空之間不需要保持邏輯環(huán)的“封閉性”。最后，利用OPNET軟件構(gòu)建了HFTP-R的仿真框架，與其他MAC協(xié)議作了仿真比較。仿真結(jié)果表明，HFTP-R減少了短波令牌協(xié)議HFTP(HighFrequencytokenprotocol)的令牌丟失次數(shù)和傳遞開銷，能提供較好的實時性、較高的網(wǎng)絡(luò)吞吐量和業(yè)務(wù)傳輸成功率，在特定需求下較其他MAC協(xié)議更有優(yōu)勢，可滿足網(wǎng)絡(luò)需要。

短波地空IP網(wǎng)絡(luò)多址接入令牌預(yù)約計算機(jī)仿真

GROUND-TO-AIRIPNETWORKMACPROTOCOL

HeXiao1LiuYunjiang1BaiXiang21(Institute of Information and Navigation, Airforce Engineering University, Xi’an 710077,Shaanxi,China)

2(No.30 Institute of CETC, Chengdu 610041,Sichuan,China)

0　引　言

短波地空IP網(wǎng)絡(luò)[1]是將大量已發(fā)展成熟的地面Internet網(wǎng)絡(luò)TCP/IP協(xié)議族，應(yīng)用在短波地空通信網(wǎng)絡(luò)中，如美國空軍短波全球通信系統(tǒng)(HFGCS)和北約空中預(yù)警與控制系統(tǒng)(AWACS)。由于短波無線網(wǎng)絡(luò)自身的傳輸速率較低、誤碼率較高，使得利用短波傳輸IP數(shù)據(jù)時，必須設(shè)計合理的MAC協(xié)議，解決網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)碰撞概率高、有效數(shù)據(jù)傳輸量少，以及在較大的覆蓋范圍中實現(xiàn)同步，設(shè)備研制復(fù)雜的問題。

根據(jù)北約短波數(shù)據(jù)通信標(biāo)準(zhǔn)STANAG5066的描述[2]，將無競爭的短波令牌協(xié)議HFTP用于短波通信網(wǎng)絡(luò)中。節(jié)點通過依次持有令牌發(fā)送數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)能有效避免沖突；節(jié)點始終占有令牌或進(jìn)行數(shù)據(jù)收發(fā)，能獲得較高的信道利用率；節(jié)點無數(shù)據(jù)發(fā)送時，立即向下一節(jié)點傳遞令牌，信道資源能動態(tài)分配；節(jié)點在一定時間內(nèi)都能獲得令牌接入信道，公平性高，不存在“餓死”的情況；同時，系統(tǒng)還能自行實現(xiàn)同步[3]。

近年來，國內(nèi)外學(xué)者對HFTP開展了深入研究。文獻(xiàn)[4]通過“設(shè)置后繼節(jié)點令牌”傳遞一次和“雙時間令牌”循環(huán)一次，提高了網(wǎng)絡(luò)被分割成兩個令牌環(huán)網(wǎng)后的合并效率；文獻(xiàn)[5]針對原本非常復(fù)雜的節(jié)點狀態(tài)轉(zhuǎn)移機(jī)制，采用簡化成環(huán)流程的方法加以改善；文獻(xiàn)[6,7]分別提出令牌中繼子隊列和中繼更新門限，實現(xiàn)動態(tài)搜索令牌中繼路徑和對中繼隊列的實時更新；文獻(xiàn)[8]引入計時器隊列，使網(wǎng)絡(luò)中能有多個令牌同步并行傳遞。但上述對HFTP的研究，目前都只應(yīng)用在艦艇編隊、固定臺站之間，這些網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域較小、節(jié)點速度較慢，沒有考慮有空中節(jié)點參與的情況。

由于空中節(jié)點所具有的快速移動性，所處的地域范圍廣，與地面節(jié)點之間的通信成功率變化較大，在某時刻能成功通信，下一時刻可能就因空中節(jié)點超出地面節(jié)點的短波覆蓋區(qū)，或進(jìn)入短波通信盲區(qū)而通信失敗。又因其信號功率比地面節(jié)點小，短波信道存在衰落，相比地地之間，地空之間溝通不暢的可能性更大。若直接在短波地空IP網(wǎng)絡(luò)中使用HFTP的方法，讓空中節(jié)點參與令牌轉(zhuǎn)發(fā)，很可能因為空中節(jié)點傳給地面節(jié)點的令牌丟失而改變地空網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，難以維持令牌傳遞封閉的邏輯環(huán)狀，造成其余節(jié)點無法獲得令牌而不能接入信道。

對于令牌協(xié)議在短波地空IP網(wǎng)絡(luò)中的研究，國內(nèi)外目前均未見報道。本文在HFTP的基礎(chǔ)上，提出一種適用于短波地空IP網(wǎng)絡(luò)的帶預(yù)約短波令牌協(xié)議HFTP-R。

1　協(xié)議描述

1.1網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

建立由骨干網(wǎng)和簇兩級結(jié)構(gòu)組成的短波地空IP網(wǎng)絡(luò)，如圖1所示。

圖1　短波地空IP網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

所有地面節(jié)點構(gòu)成骨干網(wǎng)，每個地面節(jié)點組織一個簇并設(shè)立自身為簇頭，空中節(jié)點在網(wǎng)絡(luò)初始化時隨機(jī)加入地面節(jié)點形成的簇?；贖FTP，在HFTP-R中，空中節(jié)點必須提前向地面節(jié)點預(yù)約后才能得到令牌，而不直接得到；空中節(jié)點預(yù)約成功后，地面節(jié)點將其記入令牌傳遞隊列。此外，參照多信道的工作方式，所有節(jié)點的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)收發(fā)和令牌傳遞使用業(yè)務(wù)信道，記為TCH，通信頻率f1；空中節(jié)點和地面節(jié)點之間的預(yù)約交互使用預(yù)約信道，記為RCH，通信頻率f2。

1.2通信流程

地面節(jié)點由于其位置固定，在地面節(jié)點之間保留HFTP中傳統(tǒng)的令牌輪流傳遞模式不變?？罩泄?jié)點的令牌預(yù)約建立在簇基礎(chǔ)上[9]，有數(shù)據(jù)需要發(fā)送的空中節(jié)點在其他節(jié)點傳遞令牌期間。通過預(yù)約向所在簇的地面節(jié)點申請令牌，減少了無數(shù)據(jù)發(fā)送的空中節(jié)點占用令牌的開銷，也不影響其他節(jié)點接入信道的時延。地面節(jié)點持有令牌后，根據(jù)其令牌傳遞隊列向簇內(nèi)的空中節(jié)點依次分發(fā)令牌，并設(shè)置定時器，監(jiān)聽空中節(jié)點的數(shù)據(jù)發(fā)送；當(dāng)監(jiān)聽到空中節(jié)點的結(jié)束標(biāo)志位或定時器溢出時，地面節(jié)點將令牌傳遞給下一節(jié)點，空中節(jié)點自行銷毀令牌；某一空中節(jié)點多次接入信道失敗時將切換到另一地面節(jié)點形成的簇。

HFTP-R設(shè)有令牌、預(yù)約重發(fā)機(jī)制，可提高通信成功率。協(xié)議的通信流程如圖2所示。

圖2　HFTP-R通信流程

空中節(jié)點采用基于簇結(jié)構(gòu)的預(yù)約方式進(jìn)行通信的優(yōu)點是：運(yùn)用簇的思想，空中節(jié)點通過預(yù)約的方式從地面節(jié)點獲取令牌。當(dāng)?shù)乜罩g傳遞令牌失敗時，由于地面節(jié)點通過預(yù)約掌握了令牌一輪循環(huán)中，需要獲取令牌的空中節(jié)點信息，可立即根據(jù)令牌傳遞隊列向下一節(jié)點傳遞令牌。避免了因節(jié)點無法得到令牌而不能接入信道，不需要地空之間保持邏輯環(huán)的“封閉性”。

1.3令牌預(yù)約算法

空中節(jié)點所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)類型在實際運(yùn)用中一般區(qū)分優(yōu)先級數(shù)據(jù)和常規(guī)級數(shù)據(jù)，優(yōu)先級數(shù)據(jù)對實時性要求比常規(guī)級數(shù)據(jù)高，需要較快得到令牌接入信道。HFTP-R根據(jù)傳輸數(shù)據(jù)的類型，將其對應(yīng)的預(yù)約分為優(yōu)先級預(yù)約和常規(guī)級預(yù)約。

為避免同一空中節(jié)點多次使用預(yù)約信道，并被地面節(jié)點多次分發(fā)令牌，規(guī)定令牌一輪循環(huán)中，空中節(jié)點只能獲得令牌一次，同類型的預(yù)約也只能進(jìn)行一次。HFTP-R采用的空中節(jié)點令牌預(yù)約AN-TR(airnodetokenreserve)算法流程如圖3所示。

圖3　AN-TR算法流程

首先，空中節(jié)點有數(shù)據(jù)包產(chǎn)生后，判斷是否進(jìn)行過預(yù)約。如果已進(jìn)行過優(yōu)先級預(yù)約，同節(jié)點不再進(jìn)行任何預(yù)約；常規(guī)級預(yù)約后同節(jié)點只可以再優(yōu)先級預(yù)約，但此時地面節(jié)點必須將空中節(jié)點在令牌傳遞隊列中的預(yù)約級別由常規(guī)級調(diào)整至優(yōu)先級。

其次，空中節(jié)點根據(jù)地面節(jié)點是否處于令牌持有期，決定是否預(yù)約。如果地面節(jié)點正處于非令牌持有期，可立即進(jìn)行預(yù)約；否則進(jìn)入預(yù)約等待，直到監(jiān)聽到地面節(jié)點令牌持有期結(jié)束后再進(jìn)行預(yù)約。

最后，空中節(jié)點沒有數(shù)據(jù)包產(chǎn)生，且監(jiān)聽到地面節(jié)點令牌持有期結(jié)束，無預(yù)約等待時，計算數(shù)據(jù)發(fā)送隊列中的數(shù)據(jù)量。如果數(shù)據(jù)在空中節(jié)點持有令牌期間因未能全部發(fā)送而剩余，之前也沒有過任何預(yù)約，將進(jìn)行常規(guī)級預(yù)約。

1.4節(jié)點監(jiān)聽機(jī)制

由于短波信道存在衰落、多徑等問題，可能出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失，造成通信異常。為確保數(shù)據(jù)傳輸成功，傳統(tǒng)的短波網(wǎng)絡(luò)在節(jié)點發(fā)送結(jié)束后回復(fù)ACK信號確認(rèn)，但會占用其他節(jié)點接入信道的時隙。由于節(jié)點只有獲得令牌，才有權(quán)限接入信道給其他節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)或傳遞令牌，故HFTP-R采取一種節(jié)點監(jiān)聽機(jī)制NLM。不直接進(jìn)行信息確認(rèn)，而通過對其他節(jié)點的發(fā)送進(jìn)行監(jiān)聽，并把監(jiān)聽到的結(jié)果作為隱含確認(rèn)信息，決定后續(xù)的處理流程。

NLM通過監(jiān)聽節(jié)點所發(fā)送的令牌、數(shù)據(jù)，判斷令牌是否傳遞成功，從而選擇是否重發(fā)令牌，如圖4(a)所示。只要監(jiān)聽到圖4(a)Ⅰ～Ⅴ的任一種情況，即可判定地面節(jié)點A與B之間的令牌傳遞成功；而監(jiān)聽到Ⅵ時，判定地面節(jié)點A傳遞給空中節(jié)點C的令牌成功。

圖4　節(jié)點監(jiān)聽機(jī)制

此外，空中節(jié)點D還可通過簇頭是否發(fā)送數(shù)據(jù)或給簇內(nèi)成員、其他簇頭傳遞令牌，判斷其簇頭(地面節(jié)點E)是否處于令牌持有期，從而選擇是否預(yù)約，如圖4(b)所示。只要監(jiān)聽到圖4(b)Ⅰ～Ⅳ的任一種情況，即可判定E進(jìn)入非令牌持有期；而監(jiān)聽到Ⅴ～Ⅶ的任一種情況時，判定E進(jìn)入令牌持有期。

2　仿真建模實現(xiàn)

利用OPNET仿真平臺，從最高層的網(wǎng)絡(luò)模型、中間層的節(jié)點模型和最低層的進(jìn)程模型三個層次進(jìn)行建模。完全對應(yīng)實際的網(wǎng)絡(luò)、設(shè)備和協(xié)議，驗證HFTP-R在短波地空IP網(wǎng)絡(luò)中的性能。

2.1信道模型設(shè)計

為盡量使仿真結(jié)果準(zhǔn)確，仿真時必須考慮短波信道對通信的影響。由于OPNET自帶的管道階段只針對簡單的無線信道，不符合短波信道的特點，故通過修改管道階段設(shè)計短波信道模型。

短波信道模型的設(shè)計針對以下3個方面：

(1) 鏈路閉合

無線管道階段的鏈路閉合階段是用來確定節(jié)點的傳輸范圍是否處于可通信范圍內(nèi)，但該階段是基于視距通信的，不符合短波地空主要通過電離層反射進(jìn)行通信的特性。考慮到距離小于100km時可能因盲區(qū)存在而無法通信[10]，因此將距離大于100km均設(shè)置為可通，無法連接造成的影響以誤碼率的方式體現(xiàn)在信噪比階段[11]。

(2) 傳播時延

傳播時延是數(shù)據(jù)在無線信道中傳輸所消耗的時間，由無線管道的傳播時延階段計算，但該階段是根據(jù)視距的通信方式，認(rèn)定節(jié)點間的直線距離為其通信距離，與短波地空采用電離層反射的實際不符。因此需要重新設(shè)置短波通信距離的計算方法，具體參考文獻(xiàn)[10]，不再贅述。

(3) 誤碼率

由于著重研究網(wǎng)絡(luò)的MAC協(xié)議，因此將短波信道的影響在接收機(jī)處以誤碼率的形式體現(xiàn)。此過程涉及無線管道的接收機(jī)功率、背景噪聲、干擾噪聲、信噪比及誤比特率5個管道階段。

接收功率的計算主要參考文獻(xiàn)[12]中基于傳播損耗的短波地空信道模型，修改接收機(jī)功率階段的函數(shù)文件。使用無線管道保留的傳輸數(shù)據(jù)屬性TDA獲取節(jié)點經(jīng)緯度、收發(fā)功率、頻率等初始值，計算出到達(dá)接收機(jī)的數(shù)據(jù)包信號功率。計算流程如圖5所示，變量的計算公式請查閱文獻(xiàn)[12]。

圖5　計算接收功率

當(dāng)計算出接收功率后，將其保存到變量OPC_TDA_RA_RCVD_POWER，再由后4個管道階段的計算，得出任一次通信過程的誤碼率。仿真統(tǒng)計得到的誤碼率最大值為0.0116，平均值為0.0018，如圖6所示。

圖6　信道誤碼率

2.2進(jìn)程模型設(shè)計

HFTP-R主要是在進(jìn)程模型中通過有限狀態(tài)機(jī)來實現(xiàn)，由于地面節(jié)點和空中節(jié)點獲取令牌的方式不同，故其進(jìn)程模型也有區(qū)別。

2.2.1地面節(jié)點進(jìn)程

地面節(jié)點進(jìn)程模型如圖7所示。

圖7　地面節(jié)點進(jìn)程模型

仿真開始，各地面節(jié)點首先進(jìn)入init狀態(tài)，獲取運(yùn)行參數(shù)；再轉(zhuǎn)移到cluster狀態(tài)，確定地面骨干網(wǎng)的令牌傳遞順序，并邀請空中節(jié)點入簇。初始化完畢，地面節(jié)點處于idle狀態(tài)，監(jiān)聽預(yù)約信道RCH、業(yè)務(wù)信道TCH和上層數(shù)據(jù)源Traffic_gen。如果接收到RCH空中節(jié)點發(fā)送的預(yù)約包，轉(zhuǎn)移到update_queue狀態(tài)，判斷是否有過預(yù)約、地面節(jié)點是否處于令牌持有期和預(yù)約類型，決定是否接受該預(yù)約及更新令牌傳遞隊列，之后返回idle狀態(tài)；如果接收到Traffic_gen產(chǎn)生的業(yè)務(wù)包，轉(zhuǎn)移到stream_intr狀態(tài)，將其插入數(shù)據(jù)發(fā)送隊列末尾，返回idle狀態(tài)，準(zhǔn)備接入信道；如果接收到TCH發(fā)送的包，轉(zhuǎn)移到received狀態(tài)。

地面節(jié)點轉(zhuǎn)移到received狀態(tài)后，根據(jù)接收包的具體類型作相應(yīng)處理：若是業(yè)務(wù)包，轉(zhuǎn)移到hand_up狀態(tài)，判斷目的地址是否為自己，是則將業(yè)務(wù)包提交到Traffic_gen進(jìn)行統(tǒng)計，否則返回idle狀態(tài)；若是令牌，轉(zhuǎn)移到token_handle狀態(tài)，判定目的地址為自己后轉(zhuǎn)移到send_data狀態(tài)發(fā)送數(shù)據(jù)，否則返回idle狀態(tài)。

地面節(jié)點在send_data狀態(tài)發(fā)送完數(shù)據(jù)后，轉(zhuǎn)移到air_token狀態(tài)，根據(jù)令牌傳遞隊列向簇內(nèi)的空中節(jié)點分發(fā)令牌，然后轉(zhuǎn)移到idle狀態(tài)，設(shè)置定時器，監(jiān)聽TCH：若在定時器規(guī)定的時間內(nèi)，接收到空中節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)，判定令牌傳遞成功，待確認(rèn)空中節(jié)點數(shù)據(jù)發(fā)送結(jié)束后，返回air_token狀態(tài)；否則判定令牌傳遞失敗，轉(zhuǎn)移到rsend_air狀態(tài)，向空中節(jié)點重傳令牌，并繼續(xù)在idle狀態(tài)監(jiān)聽，當(dāng)超過令牌最大重發(fā)次數(shù)，仍未確認(rèn)傳遞給空中節(jié)點的令牌成功，直接返回air_token狀態(tài)。

地面節(jié)點重新返回air_token狀態(tài)后，繼續(xù)向下一空中節(jié)點分發(fā)令牌，直到檢查到令牌傳遞隊列為空時，轉(zhuǎn)移到pass_token狀態(tài)，將令牌傳遞給下一地面節(jié)點，并在idle狀態(tài)設(shè)置定時器進(jìn)行監(jiān)聽。若確認(rèn)傳遞給地面節(jié)點的令牌成功，保持在idle狀態(tài)監(jiān)聽各類接收包，否則轉(zhuǎn)移到resend_token狀態(tài)重傳令牌。

2.2.2空中節(jié)點進(jìn)程

空中節(jié)點進(jìn)程模型如圖8所示，分初始化階段、接收階段、發(fā)送階段和預(yù)約階段。與地面節(jié)點進(jìn)程模型相比，兩者前三個階段的主要處理過程基本相同，不同之處在于，空中節(jié)點在cluster狀態(tài)加入地面節(jié)點形成的簇，以及在send_data狀態(tài)發(fā)送完數(shù)據(jù)后，將轉(zhuǎn)移到destroy_token狀態(tài)銷毀令牌，而不是傳遞令牌。

圖8　空中節(jié)點進(jìn)程模型

當(dāng)空中節(jié)點接收到上層數(shù)據(jù)源產(chǎn)生的業(yè)務(wù)包，轉(zhuǎn)移到stream_intr狀態(tài)后，進(jìn)入預(yù)約階段。若地面節(jié)點處于令牌持有期，轉(zhuǎn)移到idle狀態(tài)，監(jiān)聽TCH，確認(rèn)地面節(jié)點令牌持有期結(jié)束后，轉(zhuǎn)移到send_request，發(fā)送處于等待狀態(tài)的預(yù)約包，返回idle狀態(tài)；若地面節(jié)點處于非令牌持有期，根據(jù)AN-TR算法，判定可以預(yù)約的，轉(zhuǎn)移到send_request狀態(tài)發(fā)送預(yù)約包，否則直接返回idle狀態(tài)。經(jīng)send_request狀態(tài)發(fā)送完預(yù)約包后，都要在idle狀態(tài)監(jiān)聽RCH：若定時器溢出前，在rec_req_confi狀態(tài)接收到地面節(jié)點的預(yù)約確認(rèn)，判定預(yù)約成功；否則判定預(yù)約失敗，轉(zhuǎn)移到rsend_req狀態(tài)，重新預(yù)約。

3　性能評估

3.1仿真配置

為驗證模型的正確性，考慮網(wǎng)絡(luò)中若干地面節(jié)點和空中節(jié)點隨機(jī)分布在1600km×1000km的范圍內(nèi)，并配置了網(wǎng)絡(luò)的環(huán)境參數(shù)，如表1所示。

表1　仿真參數(shù)配置

3.2結(jié)果分析及比較

當(dāng)節(jié)點取不同的數(shù)據(jù)包到達(dá)時間間隔時，分別對HFTP-R與直接應(yīng)用于短波地空IP網(wǎng)絡(luò)的HFTP、TDMA、141B協(xié)議，在端到端平均時延、網(wǎng)絡(luò)吞吐量和業(yè)務(wù)傳輸成功率方面作了性能比較分析，仿真統(tǒng)計的結(jié)果如圖9所示。

首先分析HFTP-R與TDMA。當(dāng)節(jié)點數(shù)據(jù)包到達(dá)時間間隔在30s左右時，網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)量大，兩種協(xié)議均不能使節(jié)點較快分配到信道資源，數(shù)據(jù)發(fā)送隊列中積壓大量業(yè)務(wù)包，數(shù)據(jù)排隊等待時間增加。圖9(a)端到端平均時延處于400s以上，呈直線遞增狀態(tài)，圖9(b)網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)量大，吞吐量高；當(dāng)時間間隔增加到40s時，數(shù)據(jù)排隊的情況得到緩解，時延都迅速降低，并能使節(jié)點充分利用接入信道的時隙，數(shù)據(jù)能及時得到發(fā)送。圖9(c)業(yè)務(wù)傳輸成功率上升，但因HFTP-R可能出現(xiàn)令牌丟失，其時延、吞吐量性能稍差于TDMA；當(dāng)時間間隔處于50s以上時，HFTP-R能根據(jù)數(shù)據(jù)量大小動態(tài)調(diào)整接入信道的時間，而TDMA由于節(jié)點每次分配的時隙固定，數(shù)據(jù)傳輸完畢后必須等到定時器溢出才能移交時隙，此時HFTP-R的時延、吞吐量均優(yōu)于TDMA。

相比HFTP-R、HFTP規(guī)定空中節(jié)點參與令牌傳遞，使得令牌丟失的概率上升，令牌恢復(fù)的開銷大，且HFTP未區(qū)別節(jié)點是否有數(shù)據(jù)發(fā)送，均傳給令牌，產(chǎn)生較大的令牌傳遞開銷，從而在圖9的三項指標(biāo)中，性能均差于HFTP-R。

圖9　不同數(shù)據(jù)包到達(dá)時間間隔的協(xié)議性能

對于141B協(xié)議，兩節(jié)點通信前必須在呼叫信道上建鏈成功，再切換到另一業(yè)務(wù)信道傳輸數(shù)據(jù)。由于呼叫信道唯一，多對節(jié)點通信時，對呼叫信道的占用有類似隨機(jī)退避的競爭過程。因此，當(dāng)數(shù)據(jù)包到達(dá)時間間隔較短(處于30～90s之間)時，網(wǎng)絡(luò)需多次傳輸數(shù)據(jù)，使節(jié)點競爭呼叫信道時的退避開銷大，建鏈成功率低，導(dǎo)致圖9(a)時延較大，圖9(b)吞吐量較低，圖9(c)傳輸成功率低；當(dāng)時間間隔在120s以上時，傳輸成功率增長較快，時延降低，但因網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)量小，吞吐量仍偏低。

結(jié)論：網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)量大且處于過飽和狀態(tài)時，HFTP-R性能稍差于TDMA，但當(dāng)網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)量小時，HFTP-R比TDMA性能更優(yōu)；141B協(xié)議不適合在網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)量大時使用。

4　結(jié)　語

文本提出并描述了適用于短波地空IP網(wǎng)絡(luò)的HFTP-R，并用OPNET平臺實現(xiàn)了仿真建模，重點介紹了信道模型和進(jìn)程模型的設(shè)計，從時延、網(wǎng)絡(luò)吞吐量、業(yè)務(wù)傳輸成功率等方面，對HFTP-R與HFTP、TDMA和141B進(jìn)行了性能仿真比較。仿真結(jié)果表明，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)加載不同業(yè)務(wù)量時，HFTP-R的性能優(yōu)于HFTP，更適合于短波地空IP網(wǎng)絡(luò)，且網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)量不大時，HFTP-R的性能較TDMA、141B更好。

[1] 鞠茂光,劉尚麟.美國空軍短波全球通信系統(tǒng)技術(shù)分析[J].通信技術(shù),2013,46(7):96-98.

[2]NC3A.STANAG5066:ProfileforHFDataCommunicationsAnnexL,HFTPRRequirements[S].Edition2Draft2,Brussels:NATO, 2008.

[3]EricEJohnson,GaryAnaya,ZibinTang.PerformanceoftheHFTokenProtocol[J].IEEEMILCOM2004,2004,2(1):1021-1027.

[4]EricEJohnson,ZibinTang,ManikandenBalakrishnan.RobustTokenManagementforUnreliableNetworks[J].IEEEMILCOM2003,2003,1(1):399-404.

[5]TanerKurtulus.ImprovementandDevelopmentofHigh-FrequencyWirelessToken-RingProtocol[D].Ankara:MiddleEastTechnicalUniversity, 2010.

[6] 曹鵬, 景淵, 黃國策.基于子隊列的分布式動態(tài)令牌中繼協(xié)議[J]. 北京郵電大學(xué)學(xué)報,2009,32(5):88-92.

[7] 屠文超. 短波IP網(wǎng)絡(luò)分布式動態(tài)令牌中繼協(xié)議研究[D]. 西安：空軍工程大學(xué)信息與導(dǎo)航學(xué)院,2013.

[8] 曹鵬, 黃國策, 景淵. 空間復(fù)用令牌協(xié)議錯誤檢測機(jī)制的QoS[J].北京郵電大學(xué)學(xué)報,2011,34(4):28-33.

[9] 許麗陽. 具有子節(jié)點的無線自組織令牌網(wǎng)協(xié)議研究[D].北京：北京郵電大學(xué),2013.

[10] 張琳娜, 楊瑞娟,崔曉夢,等.短波AdHoc路由協(xié)議仿真與性能分析[J].無線電工程,2013,43(4):1-4.

[11] 王平, 梁亮. 基于OPNET的短波通信系統(tǒng)仿真方法[J].艦船科學(xué)技術(shù),2011,33(4):63-65.

[12] 賀驍,劉蕓江,肖瑤,等.基于傳播損耗的短波自適應(yīng)快速建鏈[J].電訊技術(shù),2014,54(3):302-306.

DESIGNANDSIMULATIONOFHIGHFREQUENCY

Appropriatemultipleaccess(MAC)protocolisthekeytopromotingtheperformanceofnetwork.Thehighfrequency(HF)ground-to-airIPnetworkhasalargecommunicationcoverageareaandishardtogetsynchronisation,andtheairnode’sdatamaylose.Accordingthesecharacteristics,wedesignanovelhighfrequencytokenprotocolwithreserve(HFTP-R)forthenetwork.Initsinitialisation,theprotocolformstheclusterbytheairnodesrandomlyjoininginthegroundnodes,meanwhilesendingreservedatatogroundnodesthroughthereservechannelsothattogetthetokentoaccessthechannel,whichdoesn’tneedtokeeptheclosurepropertyoflogicalringbetweentheairandtheground.Finally,wedevelopedthesimulationframeworkofHFTP-RbyOPNET,andcompareditwithseveralotherMACprotocolsinsimulation.Simulationresultsshowthat,HFTP-Rdecreasesthetokenlosscountsandtokenpassingoverheadofhighfrequencytokenprotocol(HFTP),offersbetterreal-timequality,highernetworkthroughputandsuccessrateoftraffictransmitting,andhasmoreadvantagethanotherMACprotocolsinsomescenarios,whichmeetstherequirementofnetworks.

HFground-to-airIPnetworkMultipleaccessTokenReserveComputersimulation

2014-09-10。國家自然科學(xué)基金項目(61302153)；陜西省自然科學(xué)基金項目(SJ08-ZT06)。賀驍，碩士生，主研領(lǐng)域：通信與信息系統(tǒng)。劉蕓江，副教授。白翔，工程師。

TP393

ADOI:10.3969/j.issn.1000-386x.2016.03.031