轮询多址接入控制技术及其军事应用

柳虔林，高武堂，刘松泉

（云南省军区，昆明　650051）

轮询多址接入控制技术及其军事应用

柳虔林，高武堂，刘松泉

（云南省军区，昆明650051）

轮询多址接入控制技术已经在多个领域得到了广泛应用。本文首先介绍轮询多址接入控制技术原理，然后对其发展情况进行了阐述，最后介绍该技术在军事领域中的具体应用。

轮询；多址接入控制；军事应用

1　引言

多址接入技术是信息网络传输技术的重要组成部分，它以信息的数字传输和处理理论为基础，其目标是在网络系统中最大限度地提高通信资源使用效率［1，2］。在系统容量、网络吞吐效能、信道利用率、时延特性、业务能力、用户支持数量、资源利用效率、QoS保障等方面，多址接入技术已被视为信息网络系统设计的关键。根据业务传输和调度方式的不同，通信系统可以分为随机多址通信和轮询多址通信两种方式。在通信与计算机领域，轮询多址通信系统源于轮询多址接入控制技术理论并得以不断发展，它代表线路共享和资源共享相结合的有效方法，使每个通信终端均有访问信道的机会，可达到不同业务数据传输延迟的要求［3-5］。六十多年的研究与实践表明：轮询多址接入控制技术在工业过程控制、交通运输调度、物流系统管理等领域已成为一种非常有用的工具，可对相应的控制模型进行有效分析，并对相应的控制机制进行改进；轮询多址接入控制系统因其公平性、灵活性和实用性，已经被广泛用于通信网络、计算机网络、工业过程控制、交通运输调度、物流系统管理以及社会经济等领域，并在这些领域中产生了积极有效的技术推动作用［5-9］。

2　系统原理

2.1基本模型

轮询多址接入控制系统基本模型可以表述为：由一个服务器和 个终端组成，服务器依据一定的规则按一个方向依次对每一个终端进行服务，最后一个终端服务完成后再返回第一个终端，这样便实现由 个终端共享一个或多个资源，应用时由一个或多个逻辑上的中心按照一定的周期顺序对各个终端进行查询，对有服务需求的终端提供资源的使用权［1，2］。从该基本模型中不难看出，轮询多址接入控制过程包括终端中信息分组的到达过程、服务器对信息分组的服务过程和终端间的转换查询过程。

轮询多址接入控制系统的性能通常由以下几个基本要素来决定［10］：

（1）服务器对各终端的查询顺序：决定轮询多址接入控制系统是静态还是动态的。对于静态系统，服务器查询各终端的顺序保持固定不变；对于动态系统，服务器查询终端的顺序随时间或控制机制而变化。

（2）服务器每查询一个终端时所能服务的信息分组数：根据不同的轮询服务策略，主要有完全服务、门限服务和限定K服务。

（3）同一终端中信息分组的服务顺序：由同一终端中信息分组的服务顺序来确定，其规则有其规则有先到先服务、后到先服务、随机服务、短业务优先、固定优先级等。

（4）信息分组到达过程，服务器对信息分组的服务过程以及查询询转换过程：到达过程由信息分组到达率这一随机变量所服从的概率分布来描述；服务过程由服务器按相应服务规则对信息分组进行传输服务时间这一随机变量所服从的概率分布来描述；轮询转换过程由服务器轮询相邻终端所需转换时间这一随机变量所服从的概率分布来描述。

2.2系统分类

根据国内外学者研究，轮询多址接入控制系统大致可分为以下几类［1，2］：

（1）根据服务器查询每个终端时，服务信息分组多少的方式可分为门限服务、完全服务和限定K服务三种类型。

（2）按不同分析方法可分为连续时间系统和离散时间系统。

（3）按缓冲区大小情况可分为每个终端只有单个信息分组的容量和容量无限的系统。

（4）按转换时间为零与否可分为有转换时间和无转换时间（并行）的系统。

（5）按照各终端相应参数所遵从的概率分布相同与否可分为对称系统和非对称系统。

（6）根据各终端是否可享有服务优先级情况分为区分优先级和不区分优先级的系统，即系统可以是严格意义上依次查询，也可以根据优先级情况调整顺序查询。

（7）按系统是否能够进行解析的情况分为精确解析系统和近似解析系统。

2.3系统特性参数

在实际问题中，研究和分析一个具体的轮询多址接入控制系统的首要目标是要获取系统特性参数，主要有平均排队队长、平均循环周期、系统吞吐量、平均等待时延以及平均响应时间等［1，2，5］。其中，平均排队队长为终端中信息分组的平均数量（长度）；平均循环周期为服务器相继两次访问同一终端的时间；系统吞吐量为单位时间内系统传输服务的信息分组数；平均等待时延为自终端中信息分组到达直至其开始接受服务的时间；平均响应时间为平均等待时延加上平均服务时间；平均排队队长、平均循环周期和系统吞吐量通常为系统的一阶特性参数（在限定服务系统中，平均排队队长为二阶特性参数，因为它需要通过二阶特性求解才能得出），而平均等待时延和平均响应时间为系统的二阶特性参数，平均等待时延是解析较为困难且非常重要的一个参数。获取上述参数通常按三个步骤来进行。首先是要建立起相应的数学模型或仿真实验平台；其次是要解析出系统特性参数表达式，或模拟出轮询多址接入控制，并求算（模拟）出具体参数值；最后就是依据所获取的特性参数来衡量或改进系统的控制性能，为系统应用打下坚实的理论基础。

3　研究发展

3.1技术背景

在二十世纪五十年代后期，作为一个种检测手段和方法，轮询模式应用到设备检修控制过程，既降低了设备故障率，还提高了生产效率，使其上升到一种技术层面；相关学者将设备检修以及交通信号控制等技术抽象为轮询系统模型，并采用概率论、排队论等数学理论加以研究，使该项技术研究上升到理论化和系统化阶段［10］。二十世纪六十年代，两队列的轮询系统模型被用于交通信号控制中；随着队列增加，系统描述的参数增加，系统状态表示的难度也增加。二十世纪七十年代，随着计算机网络的出现，轮询系统理论被用于多个计算机终端共享一台中央主机的数据传输网络中，使轮询多址接入控制技术得以广泛应用和发展。二十世纪八十年代，轮询多址接入控制技术在计算机局域网的研究中得以不断充实和完善，在令牌环协议中通过令牌的循环传递，获得令牌的站点即获得了控制信道发送信息的权利，以此来实现数据通信。二十世纪九十年代，轮询多址接入控制技术应用到ATM网络中，使ATM网络较好地实现信道资源共享，显示了这种控制方式所具有的良好时延保障特性，该特性在多处理器计算机系统以及工业制造中又得到了进一步的应用。进入二十一世纪，轮询多址接入控制技术又应用到物流加工控制、智能交通信号控制、设备故障检测、各种总线系统、无线电台组网、无线计算机网络、宽带无线通信网络、无线传感器网络、Ad Hoc网络、EPON、社会经济以及RFID等领域中，较好地解决了相关资源优化分配与调度控制等问题［5-9］。

3.2研究方法

从国内外学者对轮询多址接入控制技术的研究和分析情况看，大致有缓冲区占有法、站点时间法、后代集方法、均值分析法、嵌入式马尔可夫链和概率母函数方法以及计算机模拟仿真法［1，2］。前面五种方法能够针对一般的轮询模型进行分析，也能够计算出一阶特性参数；对于二阶特性，精确计算的难度比较大，有的方法只能给出近似解，对于三阶特性（平均等待时延方差），有的方法因计算相当复杂，只能得出近似解；对于较为复杂的混合服务、优先级服务、多级轮询等系统模型，有的方法很难以此建立数学模型，只能通过仿真实验给出结果；对于限定（K≥1）服务系统的平均等待时延，因计算难度较大，多数学者采用近似计算或通过模拟仿真实验给出结果。由此可见，轮询多址接入控制技术的性能分析不是任何时候都能够得出各基本参数的精确解析式，有时只能得出近似的关系式，有时只能通过大量仿真实验来得到相关参数值。六十多年来，国内外学者针对实践中不断出现的轮询多址接入控制模型，一直在寻求有效方法来获取系统特性参数，以此分析和评价其性能指标，最终把模型用于生产实践。

3.3研究热点

鉴于轮询多址接入控制技术在不同领域的广泛应用，激发了研究者不断改进分析方法，使解析的精确度不断提高，同时还改进和拓展了传统的系统模型，提高了接入控制效率。随着该项技术研究的不断深入，相关理论研究成果又反过来促进该项技术的应用和发展，实现理论分析和应用实践相辅相成、共同提高的目标。当前，轮询多址接入控制技术的研究热点主要体现在以下几个方面。

（1）系统特性参数精确解析：精确解析一直是该项技术研究的重点和难点，尤其是二阶特性以及高阶特性的分析，多数情况下得不到精确解，并且理论计算的复杂度和难度都很大［2，11，13］。

（2）基本要素优化调整：依据轮询系统的基本模型，结合实际应用中的具体要求和问题的复杂性，需要对轮询系统的基本要素进行不断地优化和调整，以提高轮询接入控制性能［4，5，13］。

（3）服务策略优化组合：服务策略的选择决定了每个站点的服务时间和服务效率，选择合适的服务策略是改进系统性能的重要方法；有时单一的服务策略是不够的，需要综合利用多种服务策略的混合模式来满足实际应用的需要［2，7，10］。

（4）服务顺序控制调整：同一终端内的信息分组有多种服务顺序，信息分组在接受完服务后就离开或发送出去，也可以在服务完成后按一定概率转到其它终端继续等待，形成系统内终端间的路由方式，这与实际通信应用中的自动重发机制或选择重发机制等是相对应的，反映此项研究的成果还较为鲜见［8，9］。

（5）优先级多级轮询服务：区分业务优先级控制的轮询系统成为当前研究的一个热点；此类系统能够充分考虑站点所处特殊地位和作用，将特殊站点进行分级，形成多级轮询系统，特殊站点则作为高优先进行区分服务，普通站点作为低优先级进行服务，此时系统模型的建立及解析成为一个难点课题［6，14］。

（6）轮询与随机多址融合服务：针对特定网络资源调度与分配需求，将轮询多址接入控制技术与随机多址接入控制技术进行有机结合，形成新的多址融合接入控制技术，以进一步提高信息网络业务传输控制和业务调度性能［8］。

（7）新业务需求研究：WLAN，WiMAX，WMSN，Ad Hoc，EPON等代表着二十一世纪网络的先进技术，具有广泛的应用空间，但如何对网络资源进行有效分配、管理和调度，并根据实时性、公平性、重要性和QoS要求，合理地分配数据和带宽一直是该领域研究的热点课题，如何从理论上采用精确解析方法来对其多址接入控制协议作进一步分析、优化并改进系统总体性能，是该领域研究的难点课题［4，6，7，9，12］。

4　军事应用

在军事领域，轮询多址接入控制技术的应用主要体现在以下方面。

（1）光纤传输网：SDH、EPON等传输系统在部队固定通信台站中发挥着重要作用。上述系统有一个共性，这就是以星型、环型等网络拓扑结构，采用轮询多址接入控制协议来实现光纤信道资源共享，实现语音、数据、视频等多媒体业务高速和高效传递。在SDH传输系统中，及时发现和处理机线设备故障，提供实时的线路和设备故障预警是日常值勤工作的一个重要环节。采用轮询多址接入控制技术设计网络协议，通过嵌入到网络管理系统中，由代理软件来轮询采集SDH网络设备的相关数据，并把这些数据记录到管理信息库中，网管员通过查看相关信息便能掌握网络的运行状况，还可实时监测网络线路的连通状态、设备的运行情况、故障的实时报知、流量的查询统计、数据的统计分析等［15］。EPON传输系统是千兆以太网技术和PON技术相结合的产物，它在千兆以太网的MAC控制帧中设置有流量控制pause帧（暂停帧），EPON采用轮询多址接入控制技术，通过该帧周期性地轮询控制各个ONU，实现各ONU有序接入，使各类业务数据高速、宽带和综合接入［16］。这种多址接入控制方式不但协议简单，而且便于将以太网设备直接应用到EPON传输系统中。

（2）计算机网络：构建一个具体的计算机网络，网络设计者应高度重视数据高效传输问题。其中，采用轮询多址接入控制技术的令牌环网控制方式，成功地解决计算机网络数据高效、无冲突传输等问题［7］，这对各类作战指挥数据高效传输显得更为重要。在具体控制过程中，网络各站点进行控制权争夺来确立控制站和非控制站；控制站轮询控制各站点，被轮询的站点若有数据发送即成为主站，执行主机/从机的通信；通信结束后（无论成功与否）主站将控制权归还给控制站；控制站然后轮询下一个站点，周而复始［17］。在野战无线计算机网络中，其MAC协议采用IEEE 802.11x标准，该标准定义了DCF分布式协调功能和PCF点协调功能两种信道接入控制机制。其中，DCF通过CSMA/CA载波侦听多路接入/冲突避免机制，为异步数据传输提供分布式的基于竞争的信道接入，而PCF则是通过轮询多址接入控制技术为实时业务提供无竞争的服务，而且能够区分实时与非实时业务类型，对语音、视频等实时业务提供优先级服务［3］。在各类门户网站值勤管理中，采用轮询多址接入控制技术，使网页防篡工作摆脱了以人力检测恢复为主体的原始手段，利用特定的网页检测程序，以轮询方式读出要监控的网页，与真实网页相进行比较，进而判断网页内容的完整性，一旦发现网页被篡改便会立即报警。目前，这种采用轮询多址接入控制技术的网页防篡改系统已广泛用于各军事信息网站日常业务中。

（3）短波数据通信：短波数传电台在我军无线电通信保障中发挥着重要作用，在具体应用中通常采用轮询与竞争两种方式进行组网。其中，竞争方式会因数据发送冲突、重发增多导致数据吞吐量下降。轮询式采用星型网络结构，中心站和子站之间的通信协议来源于分组交换网中基于帧的传输控制方式，为保证分组数据可靠传输，采用Send/ Answer/Hand/Fail方式，即发送一帧数据需收到一个应答；若应答没收到，则重新协商握手；若握手失败，则向应用程序报告发送错误。各子站和中心站建链之后，中心站根据轮询呼叫序列分别对子站发送轮询控制帧［18］。被轮询电台如果有数据需要发送，则立即按轮询控制方式向中心站发送数据，待数据传送结束后，中心站经过一个轮询转换时间后，继续轮询下一个子站。如果被轮询电台无数据需要发送，则向中心站发送无数据控制帧，中心站继续轮询下一个子站，子站识别出自己的地址后，根据不同的内容回发相应的数据。这种组网方式的优点是信道利用率高，数据传输时延和要求有保障，数据发送过程可以避免冲突；中心站具有对整个网络的管理和控制功能，可对网内硬件设备进行动态调度和管理，实现硬件资源共享；可对全网频率资源进行动态调度和管理，防止频率碰撞，实现频率资源共享；可在线监督数传质量，实现自适应变速和自适应变频［19］。

（4）无线传感器网络：在无线传感器网络中，介质访问控制协议决定无线信道的使用方式，在传感器节点之间分配有限的无线通信资源，以构建传感器网络系统的底层基础结构。其中，MAC协议处于传感器网络协议的底层部分，对传感器网络的性能有较大影响，是保证无线传感器网络高效通信的关键网络协议之一［5］。基于时分复用的MAC协议，在传感器网络中采用TDMA机制，通过轮询多址接入控制技术为每个节点分配独立的用于数据发送或接收的时隙，而节点在其他空闲时隙内转入睡眠状态。与竞争类MAC协议相比，它没有竞争机制的数据碰撞和重传问题，数据传输时不需要过多的控制信息，节点在空闲时隙能够及时进入睡眠状态，使节能及数据采集等性能均有改善，这对特定地域军事信息的采集与传输有着极其重要的作用［20］。

（5）数据链系统：数据链是采用无线网络通信技术和应用协议，实现机载、陆基和舰载战术数据系统之间的数据信息交换，从而最大限度地发挥战术系统效能的系统。值得关注的是，数据链中所采用的轮询MAC协议顺应了作战指控中战术单元之间的隶属关系，同时其时延确保特性又在一定程度上满足了战术通信的实时性要求，因此在数据链系统中有着广泛的应用［21］。如数据链在链接武器平台与信息系统的过程中，采用轮询多址接入控制协议确立时序和优先级，由指控中心按规定顺序“点名呼叫”网内单元，被呼叫者将报告信息发送指控中心，所有其他成员可以接收，这样就把指挥部门与战场武器系统、各参战部队、分队、乃至单兵有机地联系起来，实现上下左右近实时的信息交换，以便在整个作战范围内共享战场信息资源，最终实现战场指挥、通信、控制、情报、信息以及综合保障等功能的一体化［22］。

5　结束语

轮询系统理论是一种重要的资源分配和共享理论，轮询所特有的接入控制和高效调度、查询功能，使其成为一种非常有用的工具。本文简要介绍轮询多址接入控制技术的原理及其研究发展情况，并对其在军事领域中的具体应用作了介绍，旨在进一步推进轮询多址接入控制技术研究与发展工作。

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Polling Multiple Access Control Technique and Its Military Applications

Liu Qianlin， Gao Wutang， Liu Songquan
（Yunnan Provincial Military Command Region， Kunming， 650051）

The polling multiple access control technique has been widely used in the many areas.This paper firstly gives brief introduction to the theorem， then summarizes the evolution and development trends of the polling multiple access control technique. Lastly， it illustrates its specific applications in military fields.

Polling； multiple access control technique； military applications

10.3969/J.ISSN.1672-7274.2016.10.006

TN92文献标示码：A

1672-7274（2016）10-0020-06

柳虔林，男，1966年生，工学博士，高级工程师，研究方向为通信与信息系统。

高武堂，男，1977年生，工学硕士，研究方向为指挥信息系统。

刘松泉，男，1976年生，工学硕士，研究方向为车辆维修保障、军民融合装备维修保障。