基于動態(tài)門限的戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈MAC協(xié)議*

，2

(1.中國電子科技集團(tuán)公司第五十研究所，上海 200331;2.中國電子科技集團(tuán)公司數(shù)據(jù)鏈重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710068)

1 引 言

戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈(Tactical Data Link,TDL)的作用就是在戰(zhàn)場上能夠更準(zhǔn)確、有效和快速地傳遞戰(zhàn)術(shù)情報，是戰(zhàn)場上的“神經(jīng)系統(tǒng)”，也是連接“傳感器到射手”的重要手段。美軍對數(shù)據(jù)鏈的研究和應(yīng)用較為成熟，目前應(yīng)用廣泛的采用固定時隙分配的Link 16、Link 22和下一代數(shù)據(jù)鏈TTNT(Tactical Targeting Network Technology)，其性能和安全性得到了巨大提高。在數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)中，媒介訪問控制層采用何種多址訪問協(xié)議對時延和網(wǎng)絡(luò)吞吐量等關(guān)鍵指標(biāo)作用明顯[1]，因此MAC層的研究也一直是戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈的關(guān)注重點(diǎn)。戰(zhàn)場上集中式網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)其中心節(jié)點(diǎn)成為系統(tǒng)的關(guān)鍵瓶頸，容易出現(xiàn)單點(diǎn)故障，使得實(shí)際戰(zhàn)術(shù)通信系統(tǒng)中多采用分布式網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，因而面向分布式網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的ad hoc網(wǎng)絡(luò)相關(guān)研究成果可以用來參考[2]。戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈對QoS要求很高，而基于競爭的MAC協(xié)議很難保證QoS，故在實(shí)際作戰(zhàn)應(yīng)用中很少使用，取而代之的是TDMA訪問協(xié)議[3]?，F(xiàn)有研究中有對無線多跳的TDMA調(diào)度算法的研究[2]，也有為了彌補(bǔ)固定時隙導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)效率較低的動態(tài)時隙分配算法的研究[3-4]，還有對多信道跳頻的分布式自組網(wǎng)MAC協(xié)議分析模型的研究[5]。這些算法都是基于TDMA的訪問協(xié)議，其時延表現(xiàn)與幀長有較強(qiáng)關(guān)聯(lián)性，過長的幀長會導(dǎo)致時延性能下降，過短的時延會導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)效率低下。因此，基于統(tǒng)計優(yōu)先級的多用戶接入(Statistical Priority-based Multiple Access，SPMA)協(xié)議被提出，能夠較好解決網(wǎng)絡(luò)效率和延遲性能之間的矛盾。

SPMA具有明顯的優(yōu)點(diǎn)，例如效率高、適合拓?fù)渥兓瘓鼍?、更適合在戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈場景下使用等。美軍的下一代數(shù)據(jù)鏈TTNT正準(zhǔn)備使用這種MAC協(xié)議[6-7]。SPMA可以將優(yōu)先級高的數(shù)據(jù)優(yōu)先發(fā)送，而不必等到固定的時隙間隔，一定程度上彌補(bǔ)了基于TDMA數(shù)據(jù)鏈的不足[8-11]。但是現(xiàn)有的SPMA協(xié)議大多采用固定門限方法，會造成一定的資源浪費(fèi)，不能最大化利用網(wǎng)絡(luò)空余資源。本文提出兩種動態(tài)門限方法，通過仿真計算，在信道忙閑比的性能和網(wǎng)絡(luò)總吞吐量性能上，均比固定門限方法性能有明顯提升。本研究的主要創(chuàng)新點(diǎn)如下：基于統(tǒng)計優(yōu)先級的MAC接入?yún)f(xié)議統(tǒng)計全網(wǎng)負(fù)荷是難點(diǎn)，本文采用二段廣播報文方案解決，報文長度短，不會造成負(fù)面影響；基于統(tǒng)計優(yōu)先級的MAC協(xié)議提出兩種動態(tài)門限方案，比固定門限方案更接近設(shè)計性能，并且網(wǎng)絡(luò)吞吐量性能更優(yōu)；仿真比較了兩種動態(tài)門限方案，得出在實(shí)際作戰(zhàn)應(yīng)用中直接函數(shù)映射方案更優(yōu)的結(jié)論。

2 SPMA算法

2.1 算法流程

SPMA利用了數(shù)據(jù)優(yōu)先級的信息，對數(shù)據(jù)流量進(jìn)行基于優(yōu)先級的動態(tài)調(diào)控，使得所有消息數(shù)據(jù)根據(jù)優(yōu)先級和當(dāng)前信道使用情況進(jìn)行傳輸[12]，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。根據(jù)需要劃分了N個優(yōu)先級隊列，帶有優(yōu)先級的數(shù)據(jù)進(jìn)入到相應(yīng)的隊列中，不同的優(yōu)先級隊列有不同的門限值，根據(jù)當(dāng)前測量的信道忙閑比確定與門限的大小比較情況，而決定是否立即發(fā)送或退避一段時間后再發(fā)送，一般設(shè)置高優(yōu)先級隊列的門限值較高，低優(yōu)先級門限值較小，這樣能夠保證高優(yōu)先級的消息能夠及時發(fā)送。

圖1 SPMA結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure of SPMA

戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)消息都有一定的戰(zhàn)術(shù)背景，其消息優(yōu)先級是可以事先定義的，因此每個戰(zhàn)術(shù)節(jié)點(diǎn)能夠?qū)?yīng)用層產(chǎn)生的數(shù)據(jù)包標(biāo)識上不同的優(yōu)先級，這樣就方便在IP層組成多個優(yōu)先級隊列，每個隊列對應(yīng)特定的優(yōu)先級，從而根據(jù)具體網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行狀況環(huán)境設(shè)定不同閾值。在物理層需要加入控制統(tǒng)計功能，能夠得到每個信道的占用情況統(tǒng)計，例如在一定周期內(nèi)檢測信道上的脈沖數(shù)，信道占用情況會定期更新。在準(zhǔn)備發(fā)送數(shù)據(jù)包時，SPMA協(xié)議將該優(yōu)先級的信道占用情況與閾值比較，根據(jù)比較結(jié)果決定是立即發(fā)送還是延遲一段時間，或者因?yàn)槎啻窝舆t而丟棄該包。

算法的流程圖如圖2所示。在完成網(wǎng)絡(luò)同步后，將優(yōu)先級最高的數(shù)據(jù)包放在隊列頭，運(yùn)行與該數(shù)據(jù)包信息中的優(yōu)先級相對應(yīng)的退避算法，直到退避結(jié)束(該算法可能返回0值，表示立即進(jìn)行比較)。物理層會上報信道忙閑情況，然后將上報結(jié)果比與閾值進(jìn)行比較，若信道忙閑比小于閾值，則允許發(fā)送；若信道忙閑比大于閾值，則判斷是否重發(fā)超時，如果重發(fā)超過一定次數(shù)，則丟棄該數(shù)據(jù)包；如果沒有，則重新進(jìn)行退避。

圖2 SPMA接入?yún)f(xié)議流程Fig.2 Flow chart of SPMA

2.2 退避算法

在首次發(fā)送或因?yàn)榈陀陂撝禃r，該消息就會運(yùn)行退避算法進(jìn)入退避流程。退避算法的主要依據(jù)是當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載情況(Network Load,NL)。負(fù)載越高，退避時間越長，負(fù)載較輕可以不退避直接比較后發(fā)送?？梢詮V播報文對網(wǎng)絡(luò)負(fù)載進(jìn)行計算。廣播報文格式如表1所示。

表1 廣播報文Tab.1 Broadcast message

計算網(wǎng)絡(luò)負(fù)載情況的具體過程如圖3所示。

QueueID共有8 bit，表示該消息是自己發(fā)出的還是別的節(jié)點(diǎn)發(fā)出的，最高位留出表示是征集階段還是統(tǒng)計階段，征集階段所有節(jié)點(diǎn)僅上報自己待發(fā)送數(shù)據(jù)包，統(tǒng)計階段上報經(jīng)過自己計算后的網(wǎng)絡(luò)負(fù)載。由于已經(jīng)入網(wǎng)同步，因此可以使用時間戳來表示該廣播消息是否過期。廣播報文僅3 Byte，基本不會對網(wǎng)絡(luò)負(fù)載造成明顯負(fù)面影響。

2.3 動態(tài)門限

在現(xiàn)有的SPMA機(jī)制中，采用的是固定門限方式。該方式設(shè)置簡單，但是在信道忙閑比變化的情況下效率不高，特別對低優(yōu)先級的消息可能會導(dǎo)致額外的時延(為了保證高優(yōu)先級消息能夠更快的發(fā)送，一般會把高優(yōu)先級數(shù)據(jù)的閾值設(shè)置較高)。圖4是信道忙閑比Bn=0.5的情況下低優(yōu)先級數(shù)據(jù)包的信道占用情況。

圖4 低優(yōu)先級數(shù)據(jù)包占比與信道忙閑比的關(guān)系Fig.4 Relationship between low priority packet proportion and channel usage

從仿真分析和理論計算可以看出，當(dāng)?shù)蛢?yōu)先級數(shù)據(jù)包超過40%時，不管閾值設(shè)置如何，理論和仿真結(jié)果都會低于門限設(shè)置，特別是當(dāng)閾值設(shè)置較低(此時是為了更好保證高優(yōu)先級數(shù)據(jù)包QoS)時，性能降低更多，意味著此時即使信道有空閑，但由于超過門限，低優(yōu)先級數(shù)據(jù)包仍然不能發(fā)送。因此，有必要提出動態(tài)門限方法，根據(jù)信道忙閑比變化情況動態(tài)調(diào)整門限，在不影響高優(yōu)先級數(shù)據(jù)包的情況下讓信道利用率更高。

我們提出直接映射函數(shù)(Direct Function Mapping，DFM)方法和差分趨勢(Difference Trend，DT)方法。DFM方法如下：

(1)

式中：Bc為當(dāng)前信道忙閑比，Bcsat為網(wǎng)絡(luò)飽和狀態(tài)信道忙閑程度比，BτDFMmin為當(dāng)系統(tǒng)處于飽和狀態(tài)時為了讓Bc下降到Bτobj所對應(yīng)的信道忙閑比門限，BτDFMmax為網(wǎng)絡(luò)處于最為空閑狀態(tài)時為了讓Bc上升到Bτobj所對應(yīng)的信道忙閑比門限。這里需要預(yù)先設(shè)置目標(biāo)信道忙閑比Bτobj，因此使用了一些先驗(yàn)知識。

DT方法如下：

(2)

式中：BτDTmax和BτDTmin分別為系統(tǒng)信道忙閑比門限的上下限；θ為滑動參數(shù)，取值范圍是[-1,1]。差分趨勢方法不需要預(yù)先設(shè)置參數(shù)，其中滑動參數(shù)θ可調(diào)，可根據(jù)當(dāng)前信道忙閑比和門限上下限的差值進(jìn)行減小或增加。

固定門限由于門限一經(jīng)設(shè)置不再改變，因此算法復(fù)雜度為O(1)，DFM和DT方法對每個節(jié)點(diǎn)的每個優(yōu)先級進(jìn)行調(diào)整，采用的是加法和乘法，因此算法復(fù)雜度為O(n)。相比固定門限的算法復(fù)雜度上升了，但是從仿真結(jié)果看，其性能得到了提升。

3 仿真結(jié)果

按照一個中型戰(zhàn)術(shù)隊形，仿真節(jié)點(diǎn)數(shù)為128個，為了貼合實(shí)際戰(zhàn)術(shù)需要，采用無中心網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，參照Link 16的參數(shù)，傳輸238 kbit/s，數(shù)據(jù)流量采用泊松到達(dá)模型，節(jié)點(diǎn)間最大距離200 km，端機(jī)功率200 W(為了保證傳輸距離和速率)。采用NS2作為仿真工具，網(wǎng)絡(luò)基本參數(shù)配置如表2所示。

表2 動態(tài)門限SPMA協(xié)議網(wǎng)絡(luò)仿真配置Tab.2 Configuration of SPMA dynamic threshold protocol

仿真參數(shù)主要有以下幾點(diǎn)：

(1)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和節(jié)點(diǎn)屬性設(shè)置。對于每一次仿真，首先應(yīng)設(shè)置其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)并配置節(jié)點(diǎn)屬性。和MAC層有關(guān)的屬性包括地址類型、協(xié)議類型、信道類型、MAC層的Trace功能和無線信號傳播方式等。

(2)仿真模式的選擇。這里為了保證到達(dá)率，采用有確認(rèn)的模式。

(3)退避算法的修改。根據(jù)本文提出的退避算法，修改競爭窗口調(diào)整函數(shù)inline void inc_cw()。

(4)通信距離的設(shè)置。節(jié)點(diǎn)的最大通信距離由發(fā)射功率和接收靈敏度決定，其中S|opt(pt)和S|opt(rxth)分別為具體的發(fā)射功率和接收功率門限，這兩個參數(shù)確定了，通信距離也就確定了。

3.1 信道忙閑比性能比較

圖5是兩種動態(tài)門限與固定門限的信道忙閑比比較，可見當(dāng)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載增加時，信道忙閑比逐漸接近目標(biāo)門限，而動態(tài)門限比固定門限更快的接近目標(biāo)忙閑比，并且在穩(wěn)定后更接近目標(biāo)忙閑比，說明動態(tài)DFM方案和動態(tài)DT方案相比于固定門限方案可以達(dá)到更加好的信道利用狀況；而DFM相比DT由于使用了目標(biāo)忙閑比的先驗(yàn)知識，所以有稍好的性能表現(xiàn)。

(a)目標(biāo)信道忙閑比為0.32時不同門限方案的信道忙閑比性能比較

(b)目標(biāo)信道忙閑比為0.36時不同門限方案的信道忙閑比性能比較圖5 動態(tài)門限與固定門限性能比較Fig.5 Channel usage comparison between fix threshold and dynamic threshold

3.2 網(wǎng)絡(luò)吞吐量性能比較

圖6是網(wǎng)絡(luò)總吞吐量比較，這里將高優(yōu)先級和低優(yōu)先級數(shù)據(jù)包分別統(tǒng)計?？梢钥闯?，由于區(qū)分優(yōu)先級，高優(yōu)先級數(shù)據(jù)包的吞吐量隨負(fù)載增加線性增加，說明區(qū)分優(yōu)先級能夠很好的保證重要情報消息及時傳輸；對于低優(yōu)先級數(shù)據(jù)包，動態(tài)門限方法要明顯優(yōu)于固定門限，DFM和DT表現(xiàn)差異不大。

(a)目標(biāo)信道忙閑比為0.32時不同門限方案的吞吐量性能比較

(b)目標(biāo)信道忙閑比為0.36時不同門限方案的吞吐量性能比較圖6 動態(tài)門限與固定門限網(wǎng)絡(luò)吞吐量性能比較Fig.6 Throughput comparison between fix threshold and dynamic threshold

4 結(jié)束語

本文提出了兩種基于統(tǒng)計優(yōu)先級的動態(tài)門限MAC方法(DFM和DT)，用于戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈MAC訪問協(xié)議。在固定門限的方法中，低優(yōu)先級的數(shù)據(jù)包往往因?yàn)槌^門限不能及時發(fā)送，而理論和仿真結(jié)果表明，動態(tài)門限相比固定門限能夠有更好的信道利用率，特別對于低優(yōu)先級數(shù)據(jù)包吞吐量改善明顯。DFM和DT有類似的性能表現(xiàn)，DFM由于參數(shù)設(shè)置使用了先驗(yàn)知識，所以性能較DT更好一些，更適合實(shí)際戰(zhàn)術(shù)場景使用。本研究的場景為單跳分布式網(wǎng)絡(luò)，在后續(xù)的工作中，將研究在多跳場景下動態(tài)門限方法的性能。

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