基于OPNET的Link 22數(shù)據(jù)鏈動(dòng)態(tài)時(shí)隙分配算法仿真?

汪鵬志 繆學(xué)寧

（武漢船舶通信研究所 武漢 430205）

1 引言

現(xiàn)代戰(zhàn)場敵我態(tài)勢瞬息萬變，通信環(huán)境非常復(fù)雜。數(shù)據(jù)鏈?zhǔn)且环N高效傳輸、實(shí)時(shí)分發(fā)保密、抗干擾和格式化消息的數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)［1］。它是數(shù)字化戰(zhàn)場聯(lián)合作戰(zhàn)體系組成單元（C4KISR）相互傳輸信息的“紐帶”，是實(shí)現(xiàn)C4KISR 系統(tǒng)的基石。Link 22數(shù)據(jù)鏈作為美軍和北約國家聯(lián)合研發(fā)的新型戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈，旨在提高對(duì)抗能力、通信傳輸能力、與Link 16 數(shù)據(jù)鏈的兼容能力以及盟軍的互操作能力，最終替代Link 11 數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)［2～3］。Link 22 數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò)采用TDMA 或動(dòng)態(tài)TDMA（DTDMA）多址接入方式，將時(shí)間資源劃分成固定時(shí)長的時(shí)隙，若干個(gè)時(shí)隙組成一個(gè)時(shí)幀，每幀中的時(shí)隙通過時(shí)隙分配算法分配給網(wǎng)內(nèi)節(jié)點(diǎn)［4～5］。相比較固定TDMA 協(xié)議而言，DTDMA 協(xié)議可以將網(wǎng)內(nèi)節(jié)點(diǎn)空閑的時(shí)隙動(dòng)態(tài)分配給時(shí)隙資源缺乏的節(jié)點(diǎn)使用，從而提升系統(tǒng)資源利用率，減小網(wǎng)絡(luò)傳輸時(shí)延［6～7］。

本文介紹了Link 22 數(shù)據(jù)鏈的時(shí)隙基本結(jié)構(gòu)，在此基礎(chǔ)上研究了一種動(dòng)態(tài)時(shí)隙分配算法，闡述了時(shí)隙動(dòng)態(tài)調(diào)整的流程，最后通過OPNET 建模仿真，對(duì)該算法的網(wǎng)絡(luò)性能進(jìn)行了分析。

2 Link 22數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò)循環(huán)結(jié)構(gòu)

在Link 22 數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò)中，作戰(zhàn)平臺(tái)通常被稱為NILE 單 元（NATO Improved Link Eleven Unit，NU）。Link 22數(shù)據(jù)鏈將時(shí)間資源劃分成時(shí)幀、時(shí)隙和微時(shí)隙，按照如圖1 所示的網(wǎng)絡(luò)循環(huán)結(jié)構(gòu)（Network Cycle Structure，NCS）運(yùn)行網(wǎng)絡(luò)。

微時(shí)隙是最小的時(shí)間單位，其具體長度由通信信道性能、最大通信距離等因素有關(guān)。時(shí)隙是NU節(jié)點(diǎn)的消息發(fā)送單位，由整數(shù)個(gè)微時(shí)隙構(gòu)成，微時(shí)隙數(shù)目根據(jù)NU 節(jié)點(diǎn)業(yè)務(wù)量決定。時(shí)幀是Link 22數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò)的時(shí)間循環(huán)單位，由多個(gè)NU 節(jié)點(diǎn)發(fā)送時(shí)隙組成，其長度被稱為網(wǎng)絡(luò)循環(huán)時(shí)間（Network Cycle Time，NCT）。

時(shí)隙分為分配時(shí)隙（Allocated Timeslot，AS）和中斷時(shí)隙（Interrupted Timeslot，IS）兩種。NCS 中大多數(shù)時(shí)隙是分配時(shí)隙，它按照時(shí)隙分配算法分配給網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的每個(gè)NU 節(jié)點(diǎn)，各NU 節(jié)點(diǎn)在分配到的時(shí)隙中發(fā)送消息，其余NU 節(jié)點(diǎn)接受消息。NCS 中存在少量的中斷時(shí)隙，用于傳輸優(yōu)先級(jí)高的緊急消息，NU 節(jié)點(diǎn)通過競爭的方式來決定中斷時(shí)隙的使用權(quán)。

與Link 11 數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò)中的輪詢?cè)瓌t類似，Link 22 數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò)中NU 節(jié)點(diǎn)指定時(shí)隙的順序不固定，可以根據(jù)網(wǎng)絡(luò)中NU節(jié)點(diǎn)數(shù)量的變化、消息優(yōu)先級(jí)以及作戰(zhàn)態(tài)勢等改變交互順序。

3 Link22動(dòng)態(tài)時(shí)隙分配算法描述

根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)［8］，本文設(shè)計(jì)如圖2 所示的時(shí)幀結(jié)構(gòu)。每個(gè)時(shí)幀的總長度NCT 為15s，包含1 個(gè)網(wǎng)管時(shí)隙、4 個(gè)中斷時(shí)隙和128 個(gè)用于發(fā)送業(yè)務(wù)報(bào)文的微時(shí)隙，每個(gè)微時(shí)隙時(shí)間長度為112.5ms。

圖1 Link 22數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò)循環(huán)結(jié)構(gòu)

圖2 動(dòng)態(tài)時(shí)幀結(jié)構(gòu)

考慮到公平性和均勻性［9～11］，各NU 節(jié)點(diǎn)的分配時(shí)隙中的微時(shí)隙將均勻分布在整個(gè)時(shí)幀結(jié)構(gòu)中。本算法中，每個(gè)中斷時(shí)隙包含一個(gè)微時(shí)隙，主要用于傳輸高優(yōu)先級(jí)的緊急業(yè)務(wù)報(bào)文。Link 22 數(shù)據(jù)鏈為所有業(yè)務(wù)報(bào)文設(shè)定4 種優(yōu)先級(jí)，1、2、3、4 對(duì)應(yīng)業(yè)務(wù)報(bào)文優(yōu)先級(jí)從高到低。在業(yè)務(wù)報(bào)文傳輸過程中，系統(tǒng)根據(jù)優(yōu)先級(jí)將報(bào)文插入到相應(yīng)優(yōu)先級(jí)的報(bào)文緩沖隊(duì)列中，當(dāng)分配時(shí)隙到來時(shí)，優(yōu)先級(jí)高的業(yè)務(wù)報(bào)文將優(yōu)先獲得傳輸服務(wù)；由于各NU 節(jié)點(diǎn)通過競爭方式使用中斷時(shí)隙，報(bào)文在信道傳輸時(shí)可能會(huì)發(fā)生碰撞，所以當(dāng)中斷時(shí)隙到來時(shí)，系統(tǒng)將優(yōu)先級(jí)為1 的報(bào)文拷貝一次后直接傳輸，而隊(duì)列中原來的報(bào)文在下一個(gè)分配時(shí)隙中傳輸，以此來減小丟包率，增強(qiáng)報(bào)文傳輸?shù)目煽啃?；?dāng)優(yōu)先級(jí)低的報(bào)文在緩沖隊(duì)列中等待發(fā)送時(shí)長超過規(guī)定的等待時(shí)長T=15s，則將該報(bào)文的優(yōu)先級(jí)提高1 級(jí)，同時(shí)規(guī)定優(yōu)先級(jí)最多只能提升至2。業(yè)務(wù)報(bào)文傳輸流程如圖3所示。

網(wǎng)管時(shí)隙主要用于網(wǎng)絡(luò)時(shí)間資源的管理，即依據(jù)各NU 節(jié)點(diǎn)時(shí)隙使用情況，對(duì)NU 節(jié)點(diǎn)富余的時(shí)隙實(shí)施動(dòng)態(tài)調(diào)整。網(wǎng)管時(shí)隙時(shí)間長度為150ms，分為廣播、請(qǐng)求以及確認(rèn)三個(gè)階段，每個(gè)階段時(shí)長均為50ms 并且各階段被平均分成n 個(gè)小時(shí)隙，其中n為網(wǎng)絡(luò)內(nèi)NU 節(jié)點(diǎn)數(shù)目，各NU 節(jié)點(diǎn)在其對(duì)應(yīng)時(shí)隙內(nèi)傳輸網(wǎng)管報(bào)文。

在廣播階段，各NU 節(jié)點(diǎn)根據(jù)自身時(shí)隙使用情況，判斷在接下來的時(shí)幀內(nèi)占有的時(shí)隙是否滿足業(yè)務(wù)報(bào)文傳輸需求，向網(wǎng)絡(luò)內(nèi)其余NU 節(jié)點(diǎn)發(fā)送自己的時(shí)隙需求信息。在廣播階段結(jié)束時(shí)，各NU 節(jié)點(diǎn)就知道了其他節(jié)點(diǎn)的時(shí)隙使用狀況。

在請(qǐng)求階段，有時(shí)隙需求的NU 節(jié)點(diǎn)根據(jù)在廣播階段收集的時(shí)隙需求信息，向時(shí)隙富余數(shù)目滿足請(qǐng)求時(shí)隙數(shù)目的NU節(jié)點(diǎn)發(fā)送請(qǐng)求報(bào)文。

在確認(rèn)階段，時(shí)隙富余的NU 節(jié)點(diǎn)在收到請(qǐng)求報(bào)文后，如果自身時(shí)隙富余狀況符合請(qǐng)求報(bào)文中的時(shí)隙申請(qǐng)需求，則從自身最大時(shí)隙號(hào)開始釋放時(shí)隙資源，同時(shí)向請(qǐng)求報(bào)文的源節(jié)點(diǎn)發(fā)送確認(rèn)報(bào)文。時(shí)隙缺乏的NU 節(jié)點(diǎn)收到確認(rèn)報(bào)文后，根據(jù)報(bào)文中的時(shí)隙信息更新自身的時(shí)隙分配表。為了避免NU節(jié)點(diǎn)長期占用動(dòng)態(tài)分配到的時(shí)隙資源，保證時(shí)幀內(nèi)時(shí)隙分配的均勻性，規(guī)定在時(shí)隙動(dòng)態(tài)分配一個(gè)時(shí)幀后，原時(shí)隙擁有者將釋放的時(shí)隙收回。

圖3 業(yè)務(wù)報(bào)文傳輸流程

4 OPNET仿真與結(jié)果分析

OPNET 是目前最廣泛使用的網(wǎng)絡(luò)仿真軟件之一，具有建模層次分明、API 函數(shù)庫的功能強(qiáng)大、開發(fā)界面友好等優(yōu)點(diǎn)，為通信網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)與仿真、故障診斷與優(yōu)化升級(jí)提供了解決方案［12］。OPNET 提供三層建模機(jī)制:第一層為網(wǎng)絡(luò)模型，描述了整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；第二層為節(jié)點(diǎn)模型，由相應(yīng)的協(xié)議模型組成，反映了設(shè)備特征；第三層是進(jìn)程模型，通過有限狀態(tài)機(jī)（FSM）來描述協(xié)議。三層模型與實(shí)際的網(wǎng)絡(luò)、設(shè)備、協(xié)議相對(duì)應(yīng)，可以全面體現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)特性［13］。本文將重點(diǎn)介紹Link 22 數(shù)據(jù)鏈進(jìn)程模型設(shè)計(jì)。

4.1 進(jìn)程模型設(shè)計(jì)

圖4是Link 22數(shù)據(jù)鏈mac模塊進(jìn)程層模型，它是時(shí)隙分配算法的核心部分，負(fù)責(zé)業(yè)務(wù)報(bào)文和網(wǎng)管報(bào)文的處理以及整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)時(shí)隙分配。圖中圓形圖標(biāo)代表運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)線表示狀態(tài)無條件轉(zhuǎn)換，虛線表示狀態(tài)有條件轉(zhuǎn)移，圖形中的狀態(tài)和轉(zhuǎn)移條件通過C/C++以及OPNET核心函數(shù)編寫實(shí)現(xiàn)。

圖4 Link 22數(shù)據(jù)鏈mac模塊進(jìn)程層模型

各狀態(tài)功能描述如下:

1）init_1狀態(tài):狀態(tài)變量和中斷初始化。

2）init_2狀態(tài):根據(jù)TDMA協(xié)議為NU節(jié)點(diǎn)分配相對(duì)應(yīng)傳輸時(shí)隙，完成時(shí)隙表數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)以及一些中斷的初始化。

3）wait 狀態(tài):空閑等待狀態(tài)，根據(jù)不同的中斷進(jìn)入對(duì)應(yīng)的中斷狀態(tài)。

4）frame start 狀態(tài):在每個(gè)時(shí)幀開始根據(jù)時(shí)隙表設(shè)置時(shí)隙中斷；

5）from upper 狀態(tài):接收從source 模塊發(fā)來的業(yè)務(wù)報(bào)文，根據(jù)報(bào)文優(yōu)先級(jí)將業(yè)務(wù)報(bào)文插入對(duì)應(yīng)的優(yōu)先級(jí)隊(duì)列中。

6）from lower 狀態(tài):處理從物理層傳來的業(yè)務(wù)報(bào)文和網(wǎng)管報(bào)文。

7）adjust priority 狀態(tài):根據(jù)報(bào)文在隊(duì)列中的等待時(shí)長判斷是否提升優(yōu)先級(jí)，優(yōu)先級(jí)的值最高提升至2。

8）xmit 狀態(tài):響應(yīng)時(shí)隙中斷，根據(jù)不同時(shí)隙類型發(fā)送業(yè)務(wù)報(bào)文或者網(wǎng)管報(bào)文。

9）proc nm slot 狀態(tài):計(jì)算NU 節(jié)點(diǎn)的時(shí)隙利用情況，更新其時(shí)隙需求狀態(tài)。

4.2 仿真參數(shù)配置

根據(jù)Link 22 數(shù)據(jù)鏈相關(guān)特性，本文仿真參數(shù)配置如下:

1）仿真NU 節(jié)點(diǎn)數(shù)目為8，各NU 節(jié)點(diǎn)初始分配16個(gè)微時(shí)隙，仿真時(shí)長為1h；

2）業(yè)務(wù)報(bào)文長度為36字節(jié)；

3）NU1、NU3、NU5、NU7 節(jié)點(diǎn)的業(yè)務(wù)報(bào)文產(chǎn)生間隔服從參數(shù)為1 的泊松分布，其余節(jié)點(diǎn)的業(yè)務(wù)報(bào)文產(chǎn)生間隔服從參數(shù)為2的泊松分布；

4）4 種優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)報(bào)文產(chǎn)生的概率由優(yōu)先級(jí)從高到低依次為0.1、0.2、0.3和0.4。

4.3 仿真結(jié)果分析

圖5 動(dòng)態(tài)時(shí)隙分配算法與固定時(shí)隙分配算法端到端時(shí)延比較

本文以端到端時(shí)延以及時(shí)隙利用率來衡量采用動(dòng)態(tài)時(shí)隙分配算法和固定時(shí)隙分配算法Link 22數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò)的性能。端到端時(shí)延是指業(yè)務(wù)報(bào)文從源節(jié)點(diǎn)應(yīng)用層發(fā)送到目的節(jié)點(diǎn)應(yīng)用層接收所消耗的時(shí)間。時(shí)隙利用率是指節(jié)點(diǎn)傳輸業(yè)務(wù)報(bào)文占用的時(shí)隙時(shí)間與系統(tǒng)仿真時(shí)間的比值。

圖6 動(dòng)態(tài)時(shí)隙分配算法與固定時(shí)隙分配算法不同優(yōu)先級(jí)報(bào)文端到端時(shí)延比較

圖5 為動(dòng)態(tài)時(shí)隙分配算法與固定時(shí)隙分配算法端到端時(shí)延比較，從圖中可以看出，在采用4.2節(jié)仿真配置的情況下，動(dòng)態(tài)時(shí)隙分配算法能夠降低端到端時(shí)延，降低幅度達(dá)到44.7%。圖6（a）～（d）為兩種算法的不同優(yōu)先級(jí)報(bào)文端到端時(shí)延比較，對(duì)于高優(yōu)先級(jí)報(bào)文（優(yōu)先級(jí)為1），動(dòng)態(tài)時(shí)隙分配算法的端到端時(shí)延有所增加，這是因?yàn)闀r(shí)隙富余的NU 節(jié)點(diǎn)將自身多余時(shí)隙借出后，相鄰分配時(shí)隙的平均間隔增大，這對(duì)低發(fā)送率的高優(yōu)先級(jí)報(bào)文影響較大，從而導(dǎo)致其平均端到端時(shí)延增加；動(dòng)態(tài)時(shí)隙分配算法對(duì)于低優(yōu)先級(jí)報(bào)文（優(yōu)先級(jí)為2、3、4）的端到端時(shí)延改善較大，相比較于固定時(shí)隙分配算法分別降低了32.2%、51.3%以及44.9%。

圖7 動(dòng)態(tài)分配算法和固定分配算法每時(shí)幀的時(shí)隙使用情況

圖8 動(dòng)態(tài)分配算法和固定分配算法系統(tǒng)時(shí)隙利用率比較

以NU1節(jié)點(diǎn)為例，兩種算法每個(gè)時(shí)幀的時(shí)隙使用情況如圖7 所示。采用固定時(shí)隙分配算法，NU1節(jié)點(diǎn)每個(gè)時(shí)幀的時(shí)隙使用最大個(gè)數(shù)為16，而采用動(dòng)態(tài)時(shí)隙分配算法后，NU1節(jié)點(diǎn)可以申請(qǐng)使用其他節(jié)點(diǎn)富余的時(shí)隙，每個(gè)時(shí)幀的時(shí)隙使用最大個(gè)數(shù)達(dá)到了24，從而提高了NU1 節(jié)點(diǎn)的時(shí)隙利用率。圖8是兩種算法系統(tǒng)時(shí)隙利用率比較圖，當(dāng)系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后，采用動(dòng)態(tài)時(shí)隙分配算法可以小幅提升系統(tǒng)時(shí)隙利用率，最高時(shí)隙利用率達(dá)到了72.8%。

5 結(jié)語

本文針對(duì)固定時(shí)隙分配算法應(yīng)對(duì)節(jié)點(diǎn)業(yè)務(wù)需求適應(yīng)性不足，研究了一種符合Link 22 數(shù)據(jù)鏈相關(guān)網(wǎng)絡(luò)特性的動(dòng)態(tài)時(shí)隙分配算法。通過OPNET 網(wǎng)絡(luò)仿真軟件對(duì)這兩種算法進(jìn)行建模仿真，結(jié)果表明采用本文的動(dòng)態(tài)時(shí)隙分配算法可以提高系統(tǒng)時(shí)隙利用率，降低業(yè)務(wù)報(bào)文端到端時(shí)延，提升了Link 22數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò)的性能。