短波地空IP网络的MAC协议设计与仿真

贺　骁　刘芸江　白　翔

1(空军工程大学信息与导航学院　陕西 西安 710077)2(中电集团第三十研究所　四川 成都 610041)



短波地空IP网络的MAC协议设计与仿真

贺骁1刘芸江1白翔2

1(空军工程大学信息与导航学院陕西 西安 710077)2(中电集团第三十研究所四川 成都 610041)

合适的多址接入MAC(multipleaccess)协议是提升网络性能的关键。根据短波地空IP网络通信覆盖范围广、难同步，空中节点信息可能丢失的特点，设计出该网络一种新型的带预约短波令牌协议HFTP-R(HighFrequencytokenprotocolwithreserve)。该协议在初始化时由空中节点随机加入地面节点形成的簇，并通过预约信道向地面节点发送预约信息，从而获取令牌接入信道，地空之间不需要保持逻辑环的“封闭性”。最后，利用OPNET软件构建了HFTP-R的仿真框架，与其他MAC协议作了仿真比较。仿真结果表明，HFTP-R减少了短波令牌协议HFTP(HighFrequencytokenprotocol)的令牌丢失次数和传递开销，能提供较好的实时性、较高的网络吞吐量和业务传输成功率，在特定需求下较其他MAC协议更有优势，可满足网络需要。

短波地空IP网络多址接入令牌预约计算机仿真

GROUND-TO-AIRIPNETWORKMACPROTOCOL

HeXiao1LiuYunjiang1BaiXiang21(Institute of Information and Navigation, Airforce Engineering University, Xi’an 710077,Shaanxi,China)

2(No.30 Institute of CETC, Chengdu 610041,Sichuan,China)

0　引　言

短波地空IP网络[1]是将大量已发展成熟的地面Internet网络TCP/IP协议族，应用在短波地空通信网络中，如美国空军短波全球通信系统(HFGCS)和北约空中预警与控制系统(AWACS)。由于短波无线网络自身的传输速率较低、误码率较高，使得利用短波传输IP数据时，必须设计合理的MAC协议，解决网络数据碰撞概率高、有效数据传输量少，以及在较大的覆盖范围中实现同步，设备研制复杂的问题。

根据北约短波数据通信标准STANAG5066的描述[2]，将无竞争的短波令牌协议HFTP用于短波通信网络中。节点通过依次持有令牌发送数据，数据能有效避免冲突；节点始终占有令牌或进行数据收发，能获得较高的信道利用率；节点无数据发送时，立即向下一节点传递令牌，信道资源能动态分配；节点在一定时间内都能获得令牌接入信道，公平性高，不存在“饿死”的情况；同时，系统还能自行实现同步[3]。

近年来，国内外学者对HFTP开展了深入研究。文献[4]通过“设置后继节点令牌”传递一次和“双时间令牌”循环一次，提高了网络被分割成两个令牌环网后的合并效率；文献[5]针对原本非常复杂的节点状态转移机制，采用简化成环流程的方法加以改善；文献[6,7]分别提出令牌中继子队列和中继更新门限，实现动态搜索令牌中继路径和对中继队列的实时更新；文献[8]引入计时器队列，使网络中能有多个令牌同步并行传递。但上述对HFTP的研究，目前都只应用在舰艇编队、固定台站之间，这些网络覆盖区域较小、节点速度较慢，没有考虑有空中节点参与的情况。

由于空中节点所具有的快速移动性，所处的地域范围广，与地面节点之间的通信成功率变化较大，在某时刻能成功通信，下一时刻可能就因空中节点超出地面节点的短波覆盖区，或进入短波通信盲区而通信失败。又因其信号功率比地面节点小，短波信道存在衰落，相比地地之间，地空之间沟通不畅的可能性更大。若直接在短波地空IP网络中使用HFTP的方法，让空中节点参与令牌转发，很可能因为空中节点传给地面节点的令牌丢失而改变地空网络的拓扑结构，难以维持令牌传递封闭的逻辑环状，造成其余节点无法获得令牌而不能接入信道。

对于令牌协议在短波地空IP网络中的研究，国内外目前均未见报道。本文在HFTP的基础上，提出一种适用于短波地空IP网络的带预约短波令牌协议HFTP-R。

1　协议描述

1.1网络架构

建立由骨干网和簇两级结构组成的短波地空IP网络，如图1所示。

图1　短波地空IP网络结构

所有地面节点构成骨干网，每个地面节点组织一个簇并设立自身为簇头，空中节点在网络初始化时随机加入地面节点形成的簇。基于HFTP，在HFTP-R中，空中节点必须提前向地面节点预约后才能得到令牌，而不直接得到；空中节点预约成功后，地面节点将其记入令牌传递队列。此外，参照多信道的工作方式，所有节点的业务数据收发和令牌传递使用业务信道，记为TCH，通信频率f1；空中节点和地面节点之间的预约交互使用预约信道，记为RCH，通信频率f2。

1.2通信流程

地面节点由于其位置固定，在地面节点之间保留HFTP中传统的令牌轮流传递模式不变。空中节点的令牌预约建立在簇基础上[9]，有数据需要发送的空中节点在其他节点传递令牌期间。通过预约向所在簇的地面节点申请令牌，减少了无数据发送的空中节点占用令牌的开销，也不影响其他节点接入信道的时延。地面节点持有令牌后，根据其令牌传递队列向簇内的空中节点依次分发令牌，并设置定时器，监听空中节点的数据发送；当监听到空中节点的结束标志位或定时器溢出时，地面节点将令牌传递给下一节点，空中节点自行销毁令牌；某一空中节点多次接入信道失败时将切换到另一地面节点形成的簇。

HFTP-R设有令牌、预约重发机制，可提高通信成功率。协议的通信流程如图2所示。

图2　HFTP-R通信流程

空中节点采用基于簇结构的预约方式进行通信的优点是：运用簇的思想，空中节点通过预约的方式从地面节点获取令牌。当地空之间传递令牌失败时，由于地面节点通过预约掌握了令牌一轮循环中，需要获取令牌的空中节点信息，可立即根据令牌传递队列向下一节点传递令牌。避免了因节点无法得到令牌而不能接入信道，不需要地空之间保持逻辑环的“封闭性”。

1.3令牌预约算法

空中节点所传输的数据类型在实际运用中一般区分优先级数据和常规级数据，优先级数据对实时性要求比常规级数据高，需要较快得到令牌接入信道。HFTP-R根据传输数据的类型，将其对应的预约分为优先级预约和常规级预约。

为避免同一空中节点多次使用预约信道，并被地面节点多次分发令牌，规定令牌一轮循环中，空中节点只能获得令牌一次，同类型的预约也只能进行一次。HFTP-R采用的空中节点令牌预约AN-TR(airnodetokenreserve)算法流程如图3所示。

图3　AN-TR算法流程

首先，空中节点有数据包产生后，判断是否进行过预约。如果已进行过优先级预约，同节点不再进行任何预约；常规级预约后同节点只可以再优先级预约，但此时地面节点必须将空中节点在令牌传递队列中的预约级别由常规级调整至优先级。

其次，空中节点根据地面节点是否处于令牌持有期，决定是否预约。如果地面节点正处于非令牌持有期，可立即进行预约；否则进入预约等待，直到监听到地面节点令牌持有期结束后再进行预约。

最后，空中节点没有数据包产生，且监听到地面节点令牌持有期结束，无预约等待时，计算数据发送队列中的数据量。如果数据在空中节点持有令牌期间因未能全部发送而剩余，之前也没有过任何预约，将进行常规级预约。

1.4节点监听机制

由于短波信道存在衰落、多径等问题，可能出现数据丢失，造成通信异常。为确保数据传输成功，传统的短波网络在节点发送结束后回复ACK信号确认，但会占用其他节点接入信道的时隙。由于节点只有获得令牌，才有权限接入信道给其他节点发送数据或传递令牌，故HFTP-R采取一种节点监听机制NLM。不直接进行信息确认，而通过对其他节点的发送进行监听，并把监听到的结果作为隐含确认信息，决定后续的处理流程。

NLM通过监听节点所发送的令牌、数据，判断令牌是否传递成功，从而选择是否重发令牌，如图4(a)所示。只要监听到图4(a)Ⅰ～Ⅴ的任一种情况，即可判定地面节点A与B之间的令牌传递成功；而监听到Ⅵ时，判定地面节点A传递给空中节点C的令牌成功。

图4　节点监听机制

此外，空中节点D还可通过簇头是否发送数据或给簇内成员、其他簇头传递令牌，判断其簇头(地面节点E)是否处于令牌持有期，从而选择是否预约，如图4(b)所示。只要监听到图4(b)Ⅰ～Ⅳ的任一种情况，即可判定E进入非令牌持有期；而监听到Ⅴ～Ⅶ的任一种情况时，判定E进入令牌持有期。

2　仿真建模实现

利用OPNET仿真平台，从最高层的网络模型、中间层的节点模型和最低层的进程模型三个层次进行建模。完全对应实际的网络、设备和协议，验证HFTP-R在短波地空IP网络中的性能。

2.1信道模型设计

为尽量使仿真结果准确，仿真时必须考虑短波信道对通信的影响。由于OPNET自带的管道阶段只针对简单的无线信道，不符合短波信道的特点，故通过修改管道阶段设计短波信道模型。

短波信道模型的设计针对以下3个方面：

(1) 链路闭合

无线管道阶段的链路闭合阶段是用来确定节点的传输范围是否处于可通信范围内，但该阶段是基于视距通信的，不符合短波地空主要通过电离层反射进行通信的特性。考虑到距离小于100km时可能因盲区存在而无法通信[10]，因此将距离大于100km均设置为可通，无法连接造成的影响以误码率的方式体现在信噪比阶段[11]。

(2) 传播时延

传播时延是数据在无线信道中传输所消耗的时间，由无线管道的传播时延阶段计算，但该阶段是根据视距的通信方式，认定节点间的直线距离为其通信距离，与短波地空采用电离层反射的实际不符。因此需要重新设置短波通信距离的计算方法，具体参考文献[10]，不再赘述。

(3) 误码率

由于着重研究网络的MAC协议，因此将短波信道的影响在接收机处以误码率的形式体现。此过程涉及无线管道的接收机功率、背景噪声、干扰噪声、信噪比及误比特率5个管道阶段。

接收功率的计算主要参考文献[12]中基于传播损耗的短波地空信道模型，修改接收机功率阶段的函数文件。使用无线管道保留的传输数据属性TDA获取节点经纬度、收发功率、频率等初始值，计算出到达接收机的数据包信号功率。计算流程如图5所示，变量的计算公式请查阅文献[12]。

图5　计算接收功率

当计算出接收功率后，将其保存到变量OPC_TDA_RA_RCVD_POWER，再由后4个管道阶段的计算，得出任一次通信过程的误码率。仿真统计得到的误码率最大值为0.0116，平均值为0.0018，如图6所示。

图6　信道误码率

2.2进程模型设计

HFTP-R主要是在进程模型中通过有限状态机来实现，由于地面节点和空中节点获取令牌的方式不同，故其进程模型也有区别。

2.2.1地面节点进程

地面节点进程模型如图7所示。

图7　地面节点进程模型

仿真开始，各地面节点首先进入init状态，获取运行参数；再转移到cluster状态，确定地面骨干网的令牌传递顺序，并邀请空中节点入簇。初始化完毕，地面节点处于idle状态，监听预约信道RCH、业务信道TCH和上层数据源Traffic_gen。如果接收到RCH空中节点发送的预约包，转移到update_queue状态，判断是否有过预约、地面节点是否处于令牌持有期和预约类型，决定是否接受该预约及更新令牌传递队列，之后返回idle状态；如果接收到Traffic_gen产生的业务包，转移到stream_intr状态，将其插入数据发送队列末尾，返回idle状态，准备接入信道；如果接收到TCH发送的包，转移到received状态。

地面节点转移到received状态后，根据接收包的具体类型作相应处理：若是业务包，转移到hand_up状态，判断目的地址是否为自己，是则将业务包提交到Traffic_gen进行统计，否则返回idle状态；若是令牌，转移到token_handle状态，判定目的地址为自己后转移到send_data状态发送数据，否则返回idle状态。

地面节点在send_data状态发送完数据后，转移到air_token状态，根据令牌传递队列向簇内的空中节点分发令牌，然后转移到idle状态，设置定时器，监听TCH：若在定时器规定的时间内，接收到空中节点发送的数据，判定令牌传递成功，待确认空中节点数据发送结束后，返回air_token状态；否则判定令牌传递失败，转移到rsend_air状态，向空中节点重传令牌，并继续在idle状态监听，当超过令牌最大重发次数，仍未确认传递给空中节点的令牌成功，直接返回air_token状态。

地面节点重新返回air_token状态后，继续向下一空中节点分发令牌，直到检查到令牌传递队列为空时，转移到pass_token状态，将令牌传递给下一地面节点，并在idle状态设置定时器进行监听。若确认传递给地面节点的令牌成功，保持在idle状态监听各类接收包，否则转移到resend_token状态重传令牌。

2.2.2空中节点进程

空中节点进程模型如图8所示，分初始化阶段、接收阶段、发送阶段和预约阶段。与地面节点进程模型相比，两者前三个阶段的主要处理过程基本相同，不同之处在于，空中节点在cluster状态加入地面节点形成的簇，以及在send_data状态发送完数据后，将转移到destroy_token状态销毁令牌，而不是传递令牌。

图8　空中节点进程模型

当空中节点接收到上层数据源产生的业务包，转移到stream_intr状态后，进入预约阶段。若地面节点处于令牌持有期，转移到idle状态，监听TCH，确认地面节点令牌持有期结束后，转移到send_request，发送处于等待状态的预约包，返回idle状态；若地面节点处于非令牌持有期，根据AN-TR算法，判定可以预约的，转移到send_request状态发送预约包，否则直接返回idle状态。经send_request状态发送完预约包后，都要在idle状态监听RCH：若定时器溢出前，在rec_req_confi状态接收到地面节点的预约确认，判定预约成功；否则判定预约失败，转移到rsend_req状态，重新预约。

3　性能评估

3.1仿真配置

为验证模型的正确性，考虑网络中若干地面节点和空中节点随机分布在1600km×1000km的范围内，并配置了网络的环境参数，如表1所示。

表1　仿真参数配置

3.2结果分析及比较

当节点取不同的数据包到达时间间隔时，分别对HFTP-R与直接应用于短波地空IP网络的HFTP、TDMA、141B协议，在端到端平均时延、网络吞吐量和业务传输成功率方面作了性能比较分析，仿真统计的结果如图9所示。

首先分析HFTP-R与TDMA。当节点数据包到达时间间隔在30s左右时，网络业务量大，两种协议均不能使节点较快分配到信道资源，数据发送队列中积压大量业务包，数据排队等待时间增加。图9(a)端到端平均时延处于400s以上，呈直线递增状态，图9(b)网络传输数据量大，吞吐量高；当时间间隔增加到40s时，数据排队的情况得到缓解，时延都迅速降低，并能使节点充分利用接入信道的时隙，数据能及时得到发送。图9(c)业务传输成功率上升，但因HFTP-R可能出现令牌丢失，其时延、吞吐量性能稍差于TDMA；当时间间隔处于50s以上时，HFTP-R能根据数据量大小动态调整接入信道的时间，而TDMA由于节点每次分配的时隙固定，数据传输完毕后必须等到定时器溢出才能移交时隙，此时HFTP-R的时延、吞吐量均优于TDMA。

相比HFTP-R、HFTP规定空中节点参与令牌传递，使得令牌丢失的概率上升，令牌恢复的开销大，且HFTP未区别节点是否有数据发送，均传给令牌，产生较大的令牌传递开销，从而在图9的三项指标中，性能均差于HFTP-R。

图9　不同数据包到达时间间隔的协议性能

对于141B协议，两节点通信前必须在呼叫信道上建链成功，再切换到另一业务信道传输数据。由于呼叫信道唯一，多对节点通信时，对呼叫信道的占用有类似随机退避的竞争过程。因此，当数据包到达时间间隔较短(处于30～90s之间)时，网络需多次传输数据，使节点竞争呼叫信道时的退避开销大，建链成功率低，导致图9(a)时延较大，图9(b)吞吐量较低，图9(c)传输成功率低；当时间间隔在120s以上时，传输成功率增长较快，时延降低，但因网络数据量小，吞吐量仍偏低。

结论：网络业务量大且处于过饱和状态时，HFTP-R性能稍差于TDMA，但当网络业务量小时，HFTP-R比TDMA性能更优；141B协议不适合在网络业务量大时使用。

4　结　语

文本提出并描述了适用于短波地空IP网络的HFTP-R，并用OPNET平台实现了仿真建模，重点介绍了信道模型和进程模型的设计，从时延、网络吞吐量、业务传输成功率等方面，对HFTP-R与HFTP、TDMA和141B进行了性能仿真比较。仿真结果表明，当网络加载不同业务量时，HFTP-R的性能优于HFTP，更适合于短波地空IP网络，且网络业务量不大时，HFTP-R的性能较TDMA、141B更好。

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DESIGNANDSIMULATIONOFHIGHFREQUENCY

Appropriatemultipleaccess(MAC)protocolisthekeytopromotingtheperformanceofnetwork.Thehighfrequency(HF)ground-to-airIPnetworkhasalargecommunicationcoverageareaandishardtogetsynchronisation,andtheairnode’sdatamaylose.Accordingthesecharacteristics,wedesignanovelhighfrequencytokenprotocolwithreserve(HFTP-R)forthenetwork.Initsinitialisation,theprotocolformstheclusterbytheairnodesrandomlyjoininginthegroundnodes,meanwhilesendingreservedatatogroundnodesthroughthereservechannelsothattogetthetokentoaccessthechannel,whichdoesn’tneedtokeeptheclosurepropertyoflogicalringbetweentheairandtheground.Finally,wedevelopedthesimulationframeworkofHFTP-RbyOPNET,andcompareditwithseveralotherMACprotocolsinsimulation.Simulationresultsshowthat,HFTP-Rdecreasesthetokenlosscountsandtokenpassingoverheadofhighfrequencytokenprotocol(HFTP),offersbetterreal-timequality,highernetworkthroughputandsuccessrateoftraffictransmitting,andhasmoreadvantagethanotherMACprotocolsinsomescenarios,whichmeetstherequirementofnetworks.

HFground-to-airIPnetworkMultipleaccessTokenReserveComputersimulation

2014-09-10。国家自然科学基金项目(61302153)；陕西省自然科学基金项目(SJ08-ZT06)。贺骁，硕士生，主研领域：通信与信息系统。刘芸江，副教授。白翔，工程师。

TP393

ADOI:10.3969/j.issn.1000-386x.2016.03.031