基于动态门限的战术数据链MAC协议*

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(1.中国电子科技集团公司第五十研究所，上海 200331;2.中国电子科技集团公司数据链重点实验室，西安 710068)

1 引 言

战术数据链(Tactical Data Link,TDL)的作用就是在战场上能够更准确、有效和快速地传递战术情报，是战场上的“神经系统”，也是连接“传感器到射手”的重要手段。美军对数据链的研究和应用较为成熟，目前应用广泛的采用固定时隙分配的Link 16、Link 22和下一代数据链TTNT(Tactical Targeting Network Technology)，其性能和安全性得到了巨大提高。在数据链系统中，媒介访问控制层采用何种多址访问协议对时延和网络吞吐量等关键指标作用明显[1]，因此MAC层的研究也一直是战术数据链的关注重点。战场上集中式网络架构其中心节点成为系统的关键瓶颈，容易出现单点故障，使得实际战术通信系统中多采用分布式网络架构，因而面向分布式网络架构的ad hoc网络相关研究成果可以用来参考[2]。战术数据链对QoS要求很高，而基于竞争的MAC协议很难保证QoS，故在实际作战应用中很少使用，取而代之的是TDMA访问协议[3]。现有研究中有对无线多跳的TDMA调度算法的研究[2]，也有为了弥补固定时隙导致网络效率较低的动态时隙分配算法的研究[3-4]，还有对多信道跳频的分布式自组网MAC协议分析模型的研究[5]。这些算法都是基于TDMA的访问协议，其时延表现与帧长有较强关联性，过长的帧长会导致时延性能下降，过短的时延会导致网络效率低下。因此，基于统计优先级的多用户接入(Statistical Priority-based Multiple Access，SPMA)协议被提出，能够较好解决网络效率和延迟性能之间的矛盾。

SPMA具有明显的优点，例如效率高、适合拓扑变化场景、更适合在战术数据链场景下使用等。美军的下一代数据链TTNT正准备使用这种MAC协议[6-7]。SPMA可以将优先级高的数据优先发送，而不必等到固定的时隙间隔，一定程度上弥补了基于TDMA数据链的不足[8-11]。但是现有的SPMA协议大多采用固定门限方法，会造成一定的资源浪费，不能最大化利用网络空余资源。本文提出两种动态门限方法，通过仿真计算，在信道忙闲比的性能和网络总吞吐量性能上，均比固定门限方法性能有明显提升。本研究的主要创新点如下：基于统计优先级的MAC接入协议统计全网负荷是难点，本文采用二段广播报文方案解决，报文长度短，不会造成负面影响；基于统计优先级的MAC协议提出两种动态门限方案，比固定门限方案更接近设计性能，并且网络吞吐量性能更优；仿真比较了两种动态门限方案，得出在实际作战应用中直接函数映射方案更优的结论。

2 SPMA算法

2.1 算法流程

SPMA利用了数据优先级的信息，对数据流量进行基于优先级的动态调控，使得所有消息数据根据优先级和当前信道使用情况进行传输[12]，其结构如图1所示。根据需要划分了N个优先级队列，带有优先级的数据进入到相应的队列中，不同的优先级队列有不同的门限值，根据当前测量的信道忙闲比确定与门限的大小比较情况，而决定是否立即发送或退避一段时间后再发送，一般设置高优先级队列的门限值较高，低优先级门限值较小，这样能够保证高优先级的消息能够及时发送。

图1 SPMA结构图Fig.1 Structure of SPMA

战术数据消息都有一定的战术背景，其消息优先级是可以事先定义的，因此每个战术节点能够将应用层产生的数据包标识上不同的优先级，这样就方便在IP层组成多个优先级队列，每个队列对应特定的优先级，从而根据具体网络运行状况环境设定不同阈值。在物理层需要加入控制统计功能，能够得到每个信道的占用情况统计，例如在一定周期内检测信道上的脉冲数，信道占用情况会定期更新。在准备发送数据包时，SPMA协议将该优先级的信道占用情况与阈值比较，根据比较结果决定是立即发送还是延迟一段时间，或者因为多次延迟而丢弃该包。

算法的流程图如图2所示。在完成网络同步后，将优先级最高的数据包放在队列头，运行与该数据包信息中的优先级相对应的退避算法，直到退避结束(该算法可能返回0值，表示立即进行比较)。物理层会上报信道忙闲情况，然后将上报结果比与阈值进行比较，若信道忙闲比小于阈值，则允许发送；若信道忙闲比大于阈值，则判断是否重发超时，如果重发超过一定次数，则丢弃该数据包；如果没有，则重新进行退避。

图2 SPMA接入协议流程Fig.2 Flow chart of SPMA

2.2 退避算法

在首次发送或因为低于阈值时，该消息就会运行退避算法进入退避流程。退避算法的主要依据是当前网络的负载情况(Network Load,NL)。负载越高，退避时间越长，负载较轻可以不退避直接比较后发送。可以广播报文对网络负载进行计算。广播报文格式如表1所示。

表1 广播报文Tab.1 Broadcast message

计算网络负载情况的具体过程如图3所示。

QueueID共有8 bit，表示该消息是自己发出的还是别的节点发出的，最高位留出表示是征集阶段还是统计阶段，征集阶段所有节点仅上报自己待发送数据包，统计阶段上报经过自己计算后的网络负载。由于已经入网同步，因此可以使用时间戳来表示该广播消息是否过期。广播报文仅3 Byte，基本不会对网络负载造成明显负面影响。

2.3 动态门限

在现有的SPMA机制中，采用的是固定门限方式。该方式设置简单，但是在信道忙闲比变化的情况下效率不高，特别对低优先级的消息可能会导致额外的时延(为了保证高优先级消息能够更快的发送，一般会把高优先级数据的阈值设置较高)。图4是信道忙闲比Bn=0.5的情况下低优先级数据包的信道占用情况。

图4 低优先级数据包占比与信道忙闲比的关系Fig.4 Relationship between low priority packet proportion and channel usage

从仿真分析和理论计算可以看出，当低优先级数据包超过40%时，不管阈值设置如何，理论和仿真结果都会低于门限设置，特别是当阈值设置较低(此时是为了更好保证高优先级数据包QoS)时，性能降低更多，意味着此时即使信道有空闲，但由于超过门限，低优先级数据包仍然不能发送。因此，有必要提出动态门限方法，根据信道忙闲比变化情况动态调整门限，在不影响高优先级数据包的情况下让信道利用率更高。

我们提出直接映射函数(Direct Function Mapping，DFM)方法和差分趋势(Difference Trend，DT)方法。DFM方法如下：

(1)

式中：Bc为当前信道忙闲比，Bcsat为网络饱和状态信道忙闲程度比，BτDFMmin为当系统处于饱和状态时为了让Bc下降到Bτobj所对应的信道忙闲比门限，BτDFMmax为网络处于最为空闲状态时为了让Bc上升到Bτobj所对应的信道忙闲比门限。这里需要预先设置目标信道忙闲比Bτobj，因此使用了一些先验知识。

DT方法如下：

(2)

式中：BτDTmax和BτDTmin分别为系统信道忙闲比门限的上下限；θ为滑动参数，取值范围是[-1,1]。差分趋势方法不需要预先设置参数，其中滑动参数θ可调，可根据当前信道忙闲比和门限上下限的差值进行减小或增加。

固定门限由于门限一经设置不再改变，因此算法复杂度为O(1)，DFM和DT方法对每个节点的每个优先级进行调整，采用的是加法和乘法，因此算法复杂度为O(n)。相比固定门限的算法复杂度上升了，但是从仿真结果看，其性能得到了提升。

3 仿真结果

按照一个中型战术队形，仿真节点数为128个，为了贴合实际战术需要，采用无中心网络拓扑，参照Link 16的参数，传输238 kbit/s，数据流量采用泊松到达模型，节点间最大距离200 km，端机功率200 W(为了保证传输距离和速率)。采用NS2作为仿真工具，网络基本参数配置如表2所示。

表2 动态门限SPMA协议网络仿真配置Tab.2 Configuration of SPMA dynamic threshold protocol

仿真参数主要有以下几点：

(1)拓扑结构和节点属性设置。对于每一次仿真，首先应设置其拓扑结构并配置节点属性。和MAC层有关的属性包括地址类型、协议类型、信道类型、MAC层的Trace功能和无线信号传播方式等。

(2)仿真模式的选择。这里为了保证到达率，采用有确认的模式。

(3)退避算法的修改。根据本文提出的退避算法，修改竞争窗口调整函数inline void inc_cw()。

(4)通信距离的设置。节点的最大通信距离由发射功率和接收灵敏度决定，其中S|opt(pt)和S|opt(rxth)分别为具体的发射功率和接收功率门限，这两个参数确定了，通信距离也就确定了。

3.1 信道忙闲比性能比较

图5是两种动态门限与固定门限的信道忙闲比比较，可见当网络负载增加时，信道忙闲比逐渐接近目标门限，而动态门限比固定门限更快的接近目标忙闲比，并且在稳定后更接近目标忙闲比，说明动态DFM方案和动态DT方案相比于固定门限方案可以达到更加好的信道利用状况；而DFM相比DT由于使用了目标忙闲比的先验知识，所以有稍好的性能表现。

(a)目标信道忙闲比为0.32时不同门限方案的信道忙闲比性能比较

(b)目标信道忙闲比为0.36时不同门限方案的信道忙闲比性能比较图5 动态门限与固定门限性能比较Fig.5 Channel usage comparison between fix threshold and dynamic threshold

3.2 网络吞吐量性能比较

图6是网络总吞吐量比较，这里将高优先级和低优先级数据包分别统计。可以看出，由于区分优先级，高优先级数据包的吞吐量随负载增加线性增加，说明区分优先级能够很好的保证重要情报消息及时传输；对于低优先级数据包，动态门限方法要明显优于固定门限，DFM和DT表现差异不大。

(a)目标信道忙闲比为0.32时不同门限方案的吞吐量性能比较

(b)目标信道忙闲比为0.36时不同门限方案的吞吐量性能比较图6 动态门限与固定门限网络吞吐量性能比较Fig.6 Throughput comparison between fix threshold and dynamic threshold

4 结束语

本文提出了两种基于统计优先级的动态门限MAC方法(DFM和DT)，用于战术数据链MAC访问协议。在固定门限的方法中，低优先级的数据包往往因为超过门限不能及时发送，而理论和仿真结果表明，动态门限相比固定门限能够有更好的信道利用率，特别对于低优先级数据包吞吐量改善明显。DFM和DT有类似的性能表现，DFM由于参数设置使用了先验知识，所以性能较DT更好一些，更适合实际战术场景使用。本研究的场景为单跳分布式网络，在后续的工作中，将研究在多跳场景下动态门限方法的性能。

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