战术数据链动态时隙分配算法研究

李 鼎,尹亚兰,陈冰清

(海军指挥学院,江苏 南京 211800)

数据链概念最早由美国海军于20世纪50年代提出,经过半个多世纪的发展,以美国为首的西方各国相继开发了各种常用数据链、宽带数据链和专用数据链,逐步形成了多频段覆盖、多功能兼备、多平台并用以及从单机到系统的比较成熟的战术数据链网络[1]。

战术数据链网络中,信道资源的分配方式至关重要,对整个网络性能的影响极大,一般以时隙的占用来代表信道利用情况。本文通过设置仿真场景,使用 OMNeT++[2]对轮询时隙分配算法、TDMA固定时隙分配算法及DTDMA算法三种算法在系统响应时间、网络系统丢包率以及网络信道利用率等方面进行仿真。结果表明DTDMA算法灵活性较好,较轮询与 TDMA固定时隙分配算法能够更好地适应瞬息万变的战场需求。

1 战术数据链中典型时隙分配算法分析

1.1 轮询时隙分配算法

战术数据链轮询网络中,存在一个网络指控站(NCS)节点,其根据轮询列表对网内节点依次点名询问,被点名节点进行战术消息的应答发送,所有从站均被点名所经历的时间称为一个轮询周期。传统轮询时隙分配算法存在以下几点不足[3]:1)轮询次序固定,不能根据网内节点业务需求实时调整;2)如果某从站无消息发送或已退出网络,主控站仍根据轮询表对其点名询问,则浪费时隙资源的同时增大了其他节点时延;3)没有给战术数据链网络提供一定的服务质量支撑。

1.2 时分多址固定时隙分配算法

图1 战术数据链TDMA网络时隙划分结构

战术数据链时分多址(TDMA)网络中,一天被划分为112.5个时元,每时元由64个等长12秒的时帧构成,单个时帧进一步细分为1536个时隙,每时隙长7.8125ms。每个时元中的98304个时隙分成A、B、C三组,每组含32768个时隙,编号从 0～32767,时元内连续3个时隙分属于3个不同组,每时帧包含A、B、C三组的时隙各512个,如图1所示。

战术数据链 TDMA网络中,时隙被固定分配给各单元使用,网内节点在系统为其分配的发送时隙中进行战术消息的发送,剩余时隙接收其他节点消息。TDMA固定时隙分配算法灵活性差,各节点发送时隙固定,难以根据网络业务量的变化进行实时调整,极易造成时隙资源的浪费,且可能导致业务量较大节点的消息拥塞。

2 战术数据链动态时隙分配算法研究

针对上述轮询与 TDMA固定时隙分配算法存在的不足,参考 Hrishikesh等人[4]将单个时隙进一步细分为多个微时隙,促使不同节点占用不同微时隙以增加系统有效带宽的理念,同时考虑节点的动态入网问题,本文提出一种时帧长度可变的动态时分多址(DTDMA)算法,以实现时隙资源的动态分配。

2.1 DTDMA时帧结构

若网络初始节点数为N,对网内节点从0至N-1依次进行编号。节点 0充当网络时间基准(NTR),其占据时帧的第一个时隙进行入网报文的广播,后续待入网节点收到入网报文后,占用同步时隙进行时钟同步及获取网络编号,完成动态入网,每一时帧仅允许一个新节点加入网络。非NTR节点各占用一个微时隙进行自身状态信息的发送,NTR节点负责接收及根据状态信息制定时隙分配表,并占用分配时隙网内广播数据时隙分配表,各节点根据接收到的分配表占用数据时隙进行战术消息的发送,该DTDMA动态时隙分配算法时帧结构如图2所示。

图2 DTDMA动态时隙分配算法时帧结构

在每个时帧初始发送入网消息,可方便后续待入网节点的动态加入,对战场适应性较强。DTDMA模式时隙可分为抖动、同步段、数据段、传播保护段,如图 2所示。其中,入网时隙数据段为空,微时隙则以状态信息进行填充,分配时隙数据段仅包含数据时隙分配信息。

2.2 时隙动态分配策略

非NTR节点发送的状态信息中包含节点编号、待发送消息数、各消息系统响应时间及优先级等。网络消息优先级从高到低共设为一、二两个等级,系统以确保时帧内一级高优先级消息的发送为原则,为各节点分配相应数据时隙资源。

时隙动态分配策略如图3所示,数据时隙段默认包含 g(g≥N)个数据时隙,若状态信息中待发送消息数小于 g,则按照先高后低的原则为所有待发送消息分配一个数据时隙,删除多余数据时隙;若待发消息数大于g,但是网络内一级消息总数小于g,则根据各消息优先级高低,将g个数据时隙按照先高后低的顺序依次分配给各节点进行消息发送;若网内一级消息总数大于g,则增加数据时隙段长度,直到保证所有一级消息在本时帧内顺利发送为止。

图3 DTDMA动态时隙分配策略

3 动态时隙分配算法仿真分析

3.1 仿真场景设置

在战术数据链的全寿命周期中,建模与仿真作为一种重要的支撑技术正发挥着越来越重要的作用[5]。为了比较 DTDMA动态时隙分配算法与现有典型时隙分配算法的性能优劣,利用 OMNeT++进行建模,战术数据链网络仿真基本参数设置如表1所示。

表1 战术数据链网络仿真基本参数设置

网内共存在两种消息:网控消息(如入网报文、点名询问报文,不包含数据段)、数据消息。轮询网络时,工作频率为20MHz,节点0作为NCS,其每次对从站点名结束后先发送自身战术消息,再根据轮询表点名下一节点;若不存在缓存消息,直接点名下一节点。TDMA 固定时隙分配网络,节点 0作为 NTR,定频969MHz工作,时隙长 7.8125ms,每时帧包含时隙数N+6,其中N为当前网络节点数,NTR节点固定占用4个时隙,其余节点各占用1个时隙,剩余3个时隙作为网络预留时隙,消息发送规则采用限定式(参数取1)。DTDMA模式数据时隙段预设长度g为当前网络节点数再加 5,每时隙均分为 3个微时隙,微时隙长2.604167ms。

3.2 结果分析

图4-图7中,带方块曲线表示PollNet轮询网络,带三角曲线代表时隙固定分配的 TDMA网络,DTDMA网络则由带圆形曲线标识。

图4 节点0消息平均系统响应时间

图5 节点1消息平均系统响应时间

图4和图5分别表示了三种分配算法中节点0和节点1平均系统响应时间随节点数增加而变化的曲线关系。由图4可以看出,轮询时隙分配时,节点0作为 NCS,每次点名前都先进行自身缓存消息的发送,其消息实时性得到了较好的保证,平均系统响应时间严格控制在 0.1s以下,网络节点数的增加对其影响极小。但从图5中可以看出,从站节点1系统响应时间性能较其他两种模式为最差,可见 NCS低排队时延的保证是以牺牲部分从站节点的响应时间性能为代价的。

DTDMA动态时隙分配算法时,业务量大、消息优先级高的 NTR节点系统响应时间性能较 TDMA固定时隙分配算法有明显提高,网络负载量较小(节点数 7个)时,网络维护的开销致使其系统响应时间性能稍差于其他两种算法网络,但随着节点数增加,节点0消息系统响应时间增长极为缓慢,在节点数达到95个时仍控制在0.5s以内,如图4所示。

由于DTDMA算法可根据节点业务需求进行时隙分配的动态调整,故节点 0、1系统响应时间性能在网络节点数为15、23时均优于TDMA固定方式。在节点数增多导致网络业务量变大时,为保证节点 0高优先级消息的实时性,节点1系统响应时间性能有所下降,但其在到达最大排队时间阈值前仍然优于轮询网络,见图5。

图6 战术数据链网络系统丢包率

图6表示了三种时隙分配算法网络丢包率随着节点数增加而变化的曲线关系。由图6可以看出,节点数小于 39个时,三种时隙分配算法网络均未出现丢包。节点数达到39个以后,系统丢包率开始上升,轮询网络最高,TDMA网络其次,DTDMA网络最低。轮询时隙分配算法灵活性差,且 NCS节点占用了过多的时隙资源,其他从站消息实时性能难以保证,系统丢包率最大;DTDMA网络灵活性最好,其系统丢包率最低。

图7 战术数据链网络平均信道利用率

图7表示了三种时隙分配算法网络平均信道利用率随着节点数增加而变化的曲线关系。由图7可以看出,节点数小于39个时,三种时隙分配算法网络平均信道利用率随着节点数增多而不断提升。其中,节点数为7个时,DTDMA网络由于网控报文的开销,致使平均信道利用率低于其他两种算法网络,但其上升速度较快,在节点数为15个时超过轮询网络,节点达到23个时高于TDMA网络。DTDMA网络时帧长度及数据时隙的分配方案,均可根据网内各节点消息业务量进行实时调整,其能够最大程度地适应网络各节点业务量的动态变化。节点数达到39个以后,系统平均信道利用率趋于稳定,其中,DTDMA网络最高,达 57%,轮询网络最差,围绕 46%小范围波动。

4 结束语

联系图4-图7,可以得出下几点结论:

1)网络节点数较少时,DTDMA算法网控报文所占比例较大,影响了数据消息的实时性及系统信道利用率性能,对网络性能的提升不明显,甚至差于轮询与TDMA固定时隙分配算法;

2)DTDMA与轮询算法网络中,均以牺牲部分一般节点消息的响应时间性能来保证骨干节点消息的较低时延。轮询算法NCS节点每次点名前均先进行自身缓存消息的发送,对从站节点的实时性能影响较大。DTDMA算法能够根据消息优先级及节点业务需求进行时隙分配的动态调整,既能保证业务量大、优先级高的节点消息实时性能,又能在一定范围内照顾低优先级普通节点消息的实时性;

3)随着节点数的增多,DTDMA算法网络性能迅速提升,节点数增多,网内消息量持续增加,DTDMA算法中网控报文所占比例减小,且能根据节点实际业务量需求进行时隙动态分配,网络性能迅速提升,其信道利用率与丢包率性能明显优于轮询与TDMA固定时隙分配算法。

[1]孙义明,杨丽萍.信息化战争中的战术数据链[M].北京:北京邮电大学出版社,2005.

[2]VARGA A.OMNeT++ discrete event simulation system user manual [EB/OL][2009-8- 10].http://www.omnetpp.org.

[3]Sharon O,Altman E.An efficient polling MAC for wireless LANs[J].IEEE/ACM Transactions on Networking,2001,9(4):439- 451.

[4]Hrishikesh Venkataraman, Gabriel - Miro Muntean.Dynamic Time Slot Partitioning for Multimedia Transmission in Two-Hop Cellular Networks[J].IEEE Transactions on Mobile Computing,2011,10(5):532-543.

[5]王文政,周经伦,罗鹏程,等.战术数据链仿真研究综述[J].系统仿真学报,2008,20(14):3623-3627.