一种抖动窗口自适应的航空通信MAC协议QoS机制

2016-06-29肖雷蕾张衡阳毛玉泉程国兵

重庆邮电大学学报(自然科学版) 2016年1期

肖雷蕾，张衡阳，毛玉泉，程国兵，卓　琨

(空军工程大学信息与导航学院，西安 710077)

肖雷蕾，张衡阳，毛玉泉，程国兵，卓琨

(空军工程大学信息与导航学院，西安 710077)

摘要：根据面向“时敏目标”打击的航空通信系统信息传输要求，提出了一种差分服务媒质接入控制协议。协议采用多信道随机接入机制，通过信道忙闲程度自适应地调整各优先级业务的发送时延抖动窗口的方法，为各优先级业务提供差分服务。在分组排队阶段，建立了M/G/1/K排队模型，得到了稳定状态下发送缓冲区队列长度的概率；在分组服务阶段，建立了突发时延抖动自适应模型，得到了分组的平均服务时间；在分组传播阶段，建立了突发碰撞模型，得到了分组成功传播概率；然后推导了该协议的平均时延、传输成功率和系统吞吐量等性能指标的理论表达式，并给出了最大抖动窗口的设置原则。仿真结果表明，协议大大提高了系统重负载情况下高优先级业务的实时性和可靠性，适用于区分业务优先级且对高优先级业务的实时性和可靠性要求很高的航空通信组网系统。

关键词：航空通信；时敏目标；媒质接入控制协议；时延抖动；差分服务

0引言

“时敏目标”是指那些可移动、机动并具有很短“时间打击窗口”的时效性很强的目标。为了提高空中飞机编队对机动性很强的地面和空中的“时敏目标”精确打击能力，需要研制一种在复杂电磁环境下面向“时敏目标”打击的灵活、动态、大容量、低时延的航空通信网络，实时可靠地交换和共享战场态势信息和指挥控制指令，提高空中各武器平台网络化协同作战能力，缩短从发现目标到摧毁目标所需要的时间。

军事航空通信中，业务信息可粗略分为作战控制指令和情报态势消息两类，支持“时敏目标[1]”打击的航空通信MAC(media access control)协议则需为前者提供毫秒级[2]端到端时延的可靠传输。由于航空通信网络节点分布范围广、拓扑结构高动态、信道质量不稳定等特点[3]使得许多现有的技术、协议无法直接应用，而MAC协议主要解决多个飞机节点之间如何高效共享通信信道的问题，对信息服务质量影响非常大[4-5]。

现有军事航空通信通常采用信道资源固定分配MAC协议，端到端时延一般在秒级，只能满足对时延要求不高的应用场景：如美军Link11数据链使用轮询机制MAC协议，轮询顺序和轮询周期预先确定，数据接入信道的时延随着网络规模的增大而增大；Link-16数据链使用基于TDMA(time division multiple access)的MAC协议，时隙预先静态分配，时隙大小需考虑最大传播时延的影响；Link-22数据链采用固定和预约分配相结合的DTDMA(dynamic TDMA)协议，通过竞争机制来申请时隙，同样存在控制信息的交互时间消耗大的问题。以上数据链虽然具备一定的态势感知和作战指挥能力，由于信息传输时效性低而难以支持“时敏目标”的打击需求。

为保障航空通信的时效性，文献[6]提出了SPMA(statistical priority based media access)协议，协议采用多信道、随机接入机制，不需要事先预约时隙或者信道，可将100海里内信息传输时延降低到2 ms内；文献[7]提出一种Aloha改进协议Turbo_MAC，主要思想是将数据分组拆分为时间单元更小的突发，然后进行Turbo编码以减小信道碰撞概率，在继承了Aloha低时延性能的同时大大提高了传输可靠性；在文献[8]中，针对Turbo_MAC协议在重负载时吞吐量恶化问题提出了一种吞吐量自适应机制，主要思想是对信道占用进行统计，在信道繁忙时限制节点数据接入。

本文在以上研究基础上，提出了突发时延抖动自适应机制，协议为高、低优先级设置不同的突发时延抖动策略，并根据网络性能状况自适应调整抖动窗口，以此保证高优先级分组的高可靠和系统吞吐量的稳定，并通过设置不同最大抖动窗口为高、低2种优先级业务提供差分服务能力。

1协议描述

1.1总体设计方案

采用随机信道接入机制，减小数据接入信道前的时间开销；采用突发、跳频技术，分组发送前拆分为若干时间单元更小的突发，然后在频率库中对每个突发随机分配频点，从而减小数据的时域碰撞、频域交叠概率；采用Turbo编码[9]技术，通过增加冗余信息提高分组解码成功概率；采用突发时延抖动自适应机制，为高、低优先级业务提供QoS保障。

1.2突发时延抖动自适应机制

1.2.1基本思想

突发时延抖动自适应机制是协议实现差分服务、维护网络性能的关键。其主要目的是在网络负载较大时，通过增加低优先级业务接入时延以限制低优先级业务接入量，保证高优先级业务的可靠接入；而在网络负载较小时，则适当增加低优先级业务接入量，但始终要保证高优先级业务的传输成功率。基本思想为

1)利用窗口机制，为高、低优先级设置不同的最大时延抖动窗口；

2)定义自适应因子p(0≤p≤1)，可以实时反映网络性能并反馈给时延抖动自适应模块；

3)以概率p随机调整当前时延抖动窗口大小，从而调节突发接入时延。

1.2.2状态转移过程

各优先级突发时延抖动机制按照图1的状态转移策略独立运行。在发送突发状态和空闲状态后，如队列中还有待发突发，则该机制按以下规则执行：

1)如果当前抖动窗口小于该优先级的最大抖动窗口，且系统随机重置窗口未发生(概率为p)，则当前抖动窗口加倍，随机选择抖动时间，结束等待后发送突发；

2)如果当前抖动窗口等于该优先级的最大抖动窗口，且系统随机重置窗口未发生，则在当前窗口下随机选择抖动时间，结束等待后发送突发；

3)无论当前抖动窗口与最大窗口是否相等，只要系统随机重置窗口发生，则初始化当前抖动窗口，在当前窗口下随机选择抖动时间，结束等待后发送突发；

4)突发发送完毕后，如果该优先级队列为空，则进入空闲状态。

1.3条件假设

1)所有空中节点在空间均匀分布，组成分布式全连通网络，网络节点总数为Nnode；

2)收发机具有2个收发通道，保证高、低优先级分组发送互不影响，且发送分组时接收不阻塞；

图1　ABDJ_MAC协议自适应状态转移图

3)各个节点从上层到达的分组服从参数为λ的泊松分布，分组长度为Lpacket、信道传输速率固定为Vchannel；

4)分组到达发送缓冲区后排到各自优先级队列中，队列长度均为J，队列中的分组按照到达顺序排队，队列满后新到达的分组自动溢出；

5)队首分组拆分为Nburst个等长的突发，然后进行编码效率ηTurbo=1/3的Turbo编码，接收端正确接收到一半以上数量的突发便可恢复该分组；

6)突发发送前进行时延抖动，然后从Nchannel个频点中随机选择一个接入信道。

2协议建模

2.1分组排队模型

对于单个节点中一个优先级队列，从上层到达的分组与节点处理这些分组的过程构成一个典型的排队系统，且各优先级队列排队模型一致，可用M/G/1/K[10]进行建模。

定义aj为在一个分组的服务过程中新到达j个分组的概率，Xj为第j个分组接受完服务离开缓冲区的瞬间缓冲区队列中的分组个数，则随机过程Xj构成一个离散时间马尔可夫链，状态转移过程如图2所示，转移矩阵P可表示为

(1)

(2)

设pj为稳态情况下队列中有j个分组的概率，根据M/G/1/K排队理论，有

(3)

ρ为业务强度

(4)

图2　有限状态马尔可夫过程Xj的状态转移图Fig.2　State transition diagram of Xj

(5)(5)式中：Tpac_ser(k)表示分组服务时间分布律；Wm=2m·W0，其中，m为分组所能到达的最大抖动阶段，W0为一非零正整数。

联合(1)—(2)式及(5)式可求得πj,j∈[0,J-1]的值。再由(3)式和(4)式可得p0,p1,…,pJ,ρ。

定义poverflow为分组丢弃概率，其值poverflow=pJ；定义pempty为缓冲队列为空的概率，其值pempty=p0。

2.2突发时延抖动自适应模型

2.2.1二维Markov模型

突发时延抖动自适应机制的二维马尔科夫链状态转移如图3所示，设s(t)代表t时刻节点所处的抖动阶段i，b(t)代表t时刻节点抖动计数器的值k，则可运用Bianchi模型[11]进行建模分析，二维随机过程(s(t),b(t))的状态转移过程如图3所示。

图3　二维马尔科夫链状态转移图

引进一个状态记为“空闲”，表示发送队列为空，无需时延抖动，同时引入“重置”“发送”分别表示初始化抖动窗口和发送突发过程，以上状态皆不是转移状态。

当一个突发发送后且发送队列不为空时, 如果当前抖动阶段i

二维随机过程(s(t),b(t))非零一步转移概率为

(6)

(7)

(8)

(9)根据Markov模型的归一化条件可得

(10)将(8)式、(9)式带入(10)式,可以解出

(11)

2.2.2分组平均服务时间

突发的服务时间包括2个部分：突发的实际信道传输时间Tbur_sen和突发在接入信道前的抖动时间Tbur_wai(i,k)((i,k)表示在第i阶段抖动k个时隙后接入信道的突发)。

(12)

(13)

定义Tbur_ser(i,k)表示突发(i,k)的服务时间，则其大小和概率分别为

(14)

0≤i≤m,0≤k≤Wi-1

(15)

令Tbur_ser(k)表示突发服务时间为Tbur_sen+k·σ，则其概率为

0≤k≤Wm-1

(16)

由于一个分组被拆分为Nburst个突发，则分组的服务时间为对应突发服务时间之和。定义Tbur_ser(kj)表示一个分组中第j个突发的服务时间，由于突发抖动过程相互独立，可得Nburst个突发服务时间的联合分布律为

(17)

令Tpac_ser(K)表示分组服务时间为Nburst·Tbur_sen+K·σ，0≤K≤(Wm-1)·Nburst，则其概率为

(18)

则分组的平均服务时间为

(19)

2.3突发信道碰撞模型

(20)

定义Rbur_in为突发接入总速率，表示所有节点在单位时间内接入网络的突发数量，则

(21)

由于采用随机接入方式，接入网络中的突发会在时域上、频域上发生碰撞。突发的碰撞示意图如图4所示，突发在信道中成功传输，当前突发与其前、后一个突发的间隔需同时大于Tbur_sen。

图4　突发碰撞示意图Fig.4　Schematic diagram of bursts collision process

(22)

定义pbur_suc表示单个突发的成功接入概率，则

(23)

定义ppac_suc表示分组成功接入概率。根据Turbo编译码原理，一个分组中只要有Mburst个突发能够成功接收，接收机就能够恢复该分组，根据排列组合可得分组被成功接收的概率为

(24)

2.4最大抖动窗口设置

由2.2.1节可知，设置最大抖动窗口，就在于设置高、低优先级的最大抖动阶段m。目的是通过自适应因子的调节，改变低优先级分组的服务时间，从而在系统业务过载情况下限制低优先级分组的接入，保证高优先级分组可靠传输。原则上应使高优先级最大抖动窗口值较小，在此令m1=1，以保证高优先级分组的快速接入；低优先级分组最大抖动窗口足够大，在业务过载且自适应因子p=1时，能够保证高优先级分组的成功传输概率不低于0.95。

表1　不同Nchannel和λ1情况下m2的取值

3性能分析

3.1分组平均端到端时延

(25)

令Tpropagate表示分组传播时间，只与传播距离有关。则可得优先级n分组的平均端到端时延为

(26)

3.2分组成功传输概率

(27)

3.3系统吞吐量

定义C表示单位时间内网络中正确传输的分组比特数，即

(28)

4仿真分析

采用OPNET进行网络仿真。假设节点在直径为300 km的圆形区域内随机分布，组成全连通网络，节点中上层分组以泊松过程到达，高优先级分组到达率λ1固定为15 packet/s，低优先级分组到达率λ2为从0不断增加，最大达120 packet/s，分组到达后插入各自优先级队列队尾，队列可容纳5个分组，队列满后丢弃新到达分组，分组发送前拆分为28个突发，根据突发时延抖动自适应机制进行时延抖动，然后从10个频点中随机选择一个频率，ABDJ_MAC协议其他仿真参数如表2所示，

表2　仿真参数

根据2.4节的最大抖动窗口计算方法，取m1=1，m2=5。

以BDJ_MAC表示不支持差分服务能力的MAC协议，即高、低优先级分组的最大抖动窗口相同且固定，即令m1=m2=1，p=0，在仿真参数相同的情况下，ABDJ_MAC和B_MAC的仿真性能随业务负载变化曲线如图5所示。

图5　B_MAC、ABDJ_MAC协议性能仿真对比Fig.5　Comparisons of simulation results between B_MAC and ABDJ_MAC

在图5a中，B_MAC协议高、低优先级分组成功传输概率曲线重合且同时降低，最终低于0.5，这是因为随着低优先级分组到达率的增加，网络负载不断加重，接入网络中的突发的碰撞概率加大；而在图5b中，ABDJ_MAC协议的高、低优先级分组在低优先级分组到达率小于40 packet/s时基本一致，随着低优先级分组到达率的增加便出现了差异化的发展趋势，其中高优先级分组成功传输概率有所降低但始终大于0.95，这是因为先前网络负载较轻，网络性能较好，自适应因子p取值较小从而差分服务机制作用不大，而随着网络负载的增加，分组的传输成功率有所降低，差分服务机制则通过牺牲低优先级传输可靠性来保障高优先级的成功传输概率。

对比图5c和图5d，B_MAC协议所有优先级分组平均端到端时延保持在1.87 ms，而ABDJ_MAC协议在轻负载时在1.95 ms左右，低优先级分组到达率大于45 packet/s后，低优先级分组平均端到端时延迅速增加，最大值接近85 ms，高优先级分组平均端到端时延增加较少，最终保持在2.47 ms；这是因为在轻负载时差分服务机制的作用不明显，从而B_MAC协议和ABDJ_MAC协议的平均端到端时延曲线基本一致，而随着网络负载的增加，自适应因子p变大，抖动窗口加倍的概率增加，由于低优先级分组相对高优先级分组的最大抖动窗口更大，从而低优先级分组的接入等待时间急剧增加，差分服务作用增强。

在图5e中，B_MAC和ABDJ_MAC协议系统吞吐量在轻负载时保持一致，随着低优先级分组到达率增大，B_MAC协议吞吐量在达到最大值4.62 Mbit/s后不断降低，而ABDJ_MAC协议在业务过载时仍稳定在4.15 Mbit/s。这是因为随着网络负载的增加，低优先级分组的服务时间也加大，到达低优先级队列的分组大量溢出，限制了低优先级分组的接入数量，从而使网络的吞吐量保持稳定。

结论：①ABDJ_MAC协议的仿真结果中高优先级的成功传输概率始终大于0.95，与理论要求一致，证明了低优先级最大抖动窗口设置的正确性；②ABDJ_MAC协议通过为高低优先级设置不同的最大抖动窗口，并根据网络性能自适应调整时延抖动，以牺牲低优先级分组传输的可靠性、时效性和系统吞吐量为代价，保证了高优先级分组的成功传输概率和端到端时延要求。

5结束语

提出一种支持“时敏目标”打击的航空网络MAC协议，运用突发时延抖动自适应机制，使协议具备提供差分服务能力。运用排队模型、二维马尔科夫模型和分组碰撞模型对协议进行建模分析，得到各优先级分组成功传输概率、平均端到端时延及系统吞吐量的表达式，通过与B_MAC协议仿真对比，验证了ABDJ_MAC协议差分服务机制的有效性和建模分析的准确性。

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A media access control protocol QoS mechanism based on adaptive jitter window in aeronautical networks

XIAO Leilei, ZHANG Hengyang, MAO Yuquan, CHENG Guobing, ZHUO Kun

(Information and Navigation College, Air Force Engineering University, Xi’an 710077, P.R.China)

Abstract:According to the rigid demands of aeronautical communication for time-sensitive target attack, a media access control protocol with QoS is proposed. It provides differential services by adaptive adjustment of delay jitter window according to channel occupancy statistic. First, in packet queue stage, the queue length under steady-state conditions is derived from M/G/1/K queuing theory. Second, in packet service stage, the average packet service time is obtained by modeling the adaptive sending delay jitter mechanism. Then, in packet propagation stage, the packet successful propagation probability is acquired by modeling burst collision process. Finally, the mean delivery delay, successful transmission probability, system throughput are deduced and the principles of setting the max window are offered. The simulation results verify that it significantly increases the timeliness and reliability of high priority under heavy traffic load, so it can be applied to aviation communication network system with strict demand on timeliness and reliability.

Keywords：aeronautical communication; time-sensitive target; media access control protocol; delay jitter; differential service

DOI：10.3979/j.issn.1673-825X.2016.01.007

收稿日期：2015-01-21

修订日期：2015-10-19通讯作者：肖雷蕾Xiao_llcry@163.com

基金项目：国家自然科学基金(61202490); 航空科学基金项目(2013ZC15008)

Foundation Items：The National Natural Science Foundation of China(61202490); The Aeronautical Science Foundation of China(2013ZC15008)

中图分类号：TN 915.04

文献标志码：A

文章编号：1673-825X(2016)01-0045-08

作者简介：