数据链轮询多网优化设计方法研究*

夏白桦 李洪业 张 海

(通信指挥学院 武汉 430012)

1 引言

描述数据链网络性能主要用系统响应时间、消息更新率、网络容量、多网能力等[1]。这些指标从不同侧面描述了数据链的作战能力,但它们之间往往存在着相互影响和制约的关系。如为了降低数据链网络的系统响应时间以提高作战反应速度,可能需要降低网络容量[2],使得网络的潜力不能充分地发挥出来。为了保证在满足实时性要求前提下提高网络资源的利用率,王莹提出了由从站申请、主站根据从站要求动态改变轮询表,使某个需要发送高实时性消息的从站立刻获得呼叫的策略[3]。但该策略的技术实现难度较大。张海等人则提出根据各成员的呼叫时限(成员所发消息的最小响应时间)要求,通过合理设置成员在一个轮询周期内的呼叫次数,构建了单网结构数据链轮询网络的优化设计理论[4]。利用该理论对Link-11的优化设计表明,分析计算简单易行,网络容量及网络资源利用率都大幅提升,系统的整体性能得到优化。数据链网络也可以采用轮询多网方式组网,但网络优化设计更加复杂。本文将在分析轮询多网数据链网络特点的基础上,结合文献[4]轮询单网优化设计理论,给出轮询多网的优化设计方法。

2 轮询网络及工作方式[5]

数据链轮询单网由一个主站和一个或多个从站组成,如图1所示。所有网络成员使用相同的频率、波形、加密信息等网络运行参数,共享系统资源。网络工作时,主站依次呼叫各从站以及主站自身,被呼者根据要求应答并报告消息。在通常的网络设计方法中,每个从站(包括主站)在一个轮询周期内均只被呼叫一次,以此方式循环往复。

图1 数据链轮询单网示意图

图2 数据链轮询多网示意图

图2所示为数据链轮询多网示意图。其中,主网由一个主站和若干个次主站组成,子网由一个主/次主站和若干从站组成。主站和次主站都具有双重身份。主站是主网和子网的主站,而次主站既是各子网的主站,又是主网的从站。主网和子网不同时运行,但为了提高时间资源的利用率,各子网应同时运行。这样,主网运行时,由主站轮询呼叫各次主站(包括主站自身),被呼者应答。呼叫完毕后主网工作模式被切换到子网工作模式,由主/次主站轮询呼叫各子网从站以及主/次主站自身,被呼者应答,然后再将子网工作模式切换到主网工作模式。

主网与每个子网都采用不同的频率、波形、加密信息等网络参数进行区分,子网之间通过主网协同通信。

子网中的各从站可以参加多个子网,但这会增加网络控制的复杂度,图2中未给出这种情况。另外,图2中所示是三层结构的轮询网,多于三层的轮询网因为太复杂,实际应用中可能难以运转,这里也不作讨论。

3 轮询多网优化设计理论

轮询多网虽然在形式上是由多个轮询单网组成,但与轮询单网有很大的不同,因此优化设计方法较之单网也有很大的不同。

假设轮询多网中的主网有m+1个成员。不失一般性,定义第0个成员为主站,其余第1至第m个成员为次主站,且共有m+1个子网。令nl(l=0,1,…,m)表示第l个子网的成员数(若nl=1则表示主/次主站 l下没有从站),且用 p(p=0,…,nl-1)表示子网中的成员。不失一般性,定义p=0对应各子网中的主/次主站。

1)子网成员呼叫时限。子网中每个成员发送的几类不同消息的响应时间要求各不相同[6]。每个成员相隔多长时间需要呼叫一次,取决于其中的最小响应时间要求,称为呼叫时限。令τ子lp表示子网l中成员p的呼叫时限,即表示该成员在τ子lp时间内必须获得一次呼叫。如果同一子网中的τ子lp彼此间相差很大,对不同成员的呼叫要求很不相同,给网络设计带来很大困难,系统的运行效率也大为降低。在实际作战中,各个子网对应的可能是一个作战飞机编队或水面舰艇编队,成员性质相同或相近,它们所发消息的实时性要求也相同或相近。所以这里给出:

假定一 子网内所有从站可近似当成同一种平台处理。

由此得子网l的呼叫时限为:

由假定一知,在子网l的一个轮询周期内,每个成员(包括主/次主站)只需呼叫一次。如果给出各成员所传送的消息类别及其响应时间,就可计算出τ子lp值。假如成员p总共传送n类消息,每类消息的响应时间为τ子lpq(q=1,…,n),由此得到[4]:

结合式(1)和式(2),便可求得τ子l。

2)子网工作时间。令 T子l表示子网l的轮询周期(即子网轮询完网内全部成员的时间),T子lp表示子网l轮询时,每一次呼叫成员p的轮询时隙(p=0表示发送次主站报告时间),故有:

供子网工作的时间由(T子0,…,T子m)中的最大值确定,这样可确保各子网轮询完网内全部成员。所以,如果某个子网的 T子l值很大,其它子网很快轮询完,该子网还在工作,将造成网络资源的浪费。为此,这里给出:

假定二 各子网轮询周期相近或相差较小。

我感到一股热血呼呼地冲上了头顶，把我的头胀得大了一圈儿。里面山呼海啸巨浪滔天。我觉得自己应该毫不犹豫地冲过去，啪啪啪啪，朝李老黑的脸上一阵耳刮子，把那张黑脸揍个七歪八扭皮开肉绽。或者飞起一脚把李老黑踹倒，再扑过去一顿拳打脚踢，乒乒乓乓，然后在李老黑痛苦的呻吟声里扬长而去。

由此得到分配给子网的工作时间 Δ t2为:

在实际组网运用中,如果个别子网成员较多,轮询周期(每个成员只呼叫一次)与其他子网相比过长,可以将这样的子网拆分成几个子网,使其满足第二条假设的要求。

如果给出子网内各成员所传送的消息量及成员数,就可计算出 T子lp值,从而得到 Δ t2。以 Link-11为例,其计算公式如下[4]:

式中bp为子网工作时,成员p发送消息的总帧数,Rbp为发送消息的速率,常设定为75帧/s。

式中Δ t1表示子网暂停时间,该时间用于主网轮询次主站。

5)主网成员轮询表[4]。分析完子网并设定虚拟从站后,对网络的分析就回到了主网并参考单网优化设计理论进行。假定成员(此时指主/次主站及虚拟从站)i(i=0,1,…,m+1,其中 i=m+1对应为虚拟从站)的轮询时隙为 Ti,且在一个轮询周期内每个成员被呼叫ki次,则主网轮询周期T为:

图3 轮询多网简化为轮询单网示意图

若每个成员的呼叫时限用 τi表示,且τij(j=1,2,…,n)为成员i传送j类消息的响应时间,则有:

取ki的全部初始值为 1,将式(7)、(8)迭代计算。若τi≥T,则在一个轮询周期内,成员 i被呼叫ki次不变,否则,应增加一次呼叫,即ki→ki+1,最后得到网络的轮询周期及各成员在一个周期内的呼叫次数。根据轮询次数,可安排它们在一个轮询周期内的轮询顺序,得到轮询表。

子网的呼叫时限Δ t1不能太小,否则就不能给主网留有较多的时间轮询次主站,导致以上的计算结果不能收敛。在网络设计时,可根据实际情况,通过减少子网中的从站数量,或减少次主站数目等方式进行调整,使其收敛。

4 网络优化设计示例

1)模型建立。这里以Link-11组建轮询多网为例。假设主网中有1个主站和6个次主站,其中次主站1、次主站2和次主站3下分别设置3个、3个和4个完全相同的从站。另外,这简单起见,假定每个成员只传输3类消息,每次呼叫时发送的消息量及响应时间等如表1所示(表中0/500表示该成员不发送该类消息。为了方便分析,将响应时间设为500s)。

表1 各成员发送的战术消息量/响应时间

2)计算结果及分析。根据表1的数据及上述分析理论,计算得到网络轮询周期为19.656s,各主/次主站及虚拟从站的轮询时隙、呼叫时限和一个周期内的呼叫次数如表2所示。呼叫时限小的成员在一个周期内的呼叫次数多。根据各成员的呼叫次数安排呼叫顺序,便可以实现各成员间消息的实时传送。

表2 计算结果

5 结语

论文在分析了数据链网络结构特点的基础上,提出利用网络成员所传送消息的响应时间作为网络设计的基本要求,建立了轮询多网的优化设计理论。在该理论中,通过分析计算子网的轮询时间和子网两次呼叫的间隔时间,将子网轮询和等待的过程看作是主网对一个虚拟从站的轮询,从而将轮询多网问题转变成轮询单网问题,并继承了轮询单网优化设计理论的优点:网络容量和网络利用率均得到提高。通过一个示例的计算表明,轮询多网的优化设计理论简单易行,可用于数据链网络的设计工作。

[1]董超,田畅,倪明放,等.战术数据链性能评估方法研究[J].军事运筹与系统工程,2007,21(3):62～67

[2]NCTSI Understanding Link-11:a Guidebook for Operators,Technicians and Net Managers[R].San Diego,1996,9:CH-6

[3]王莹.战术数据链Link-11的仿真研究[D].西南交通大学硕士学位论文,2008

[4]张海,陶小宇,夏白桦.战术数据链网络设计优化方法研究[J].火力与指挥控制,2009,34:108～111

[5]周锐锐,陈振华,崔蕴华,等.战术数据链层次化网络拓扑模型研究[J].弹箭与制导学报,2007,27(4):330～332

[6]查光明,杨斌,邱致和,等.数据链-信息系统连接武器系统的捷径[M].2008