航空短波数据链动态TDMA 协议设计*

莫代会，胡 飞

（1.军事科学院系统工程研究院，北京 100039；2.中国电子科技集团第三十研究所，成都 610021）

0 引言

目前，超视频数据链主要有卫星和短波两种，其中卫星数据链可以将卫星通信信道作为传统数据链系统的传输通道［1］，虽然具有覆盖范围广、信息速率高等优势，但也存在抗干扰能力弱、易被摧毁等问题，因此，短波数据链具有卫星数据链不可替代的地位。航空短波通信的应用主要以短波话音为主，其中主要存在传输速率低、建链时间长及支持业务单一等问题。短波话音通信有发展到短波数据通信的需求。短波数据链可以有效地实现超视距数据信息交换，但短波频段窄，传输速率低，短波资源的动态使用可以有效地提高短波通信的运行效率。

民用地空短波数据链系统［2］GLOBALink/HFDL（High Frequency Data Link）是民用航空系统通信基础设施的主要手段之一。HFDL 用于飞机航迹报告和态势信息的传递，与民用航空卫星数据链系统功能互补。HFDL 系统已建成15 个HF 地面站，可支持包括两极地域在内的全球覆盖。HFDL 电台通过固定扫描和自动频率选择为飞机提供最合适的接入频点，提高短波传输的可靠性，HFDL 系统的可用性基本接近卫星数据链系统。

短波数据链的组网技术主要以轮询［3］、令牌环［4］以及TDMA（Time Division Multiple Access）［5-7］为主。轮询方式时延大，不能有效地满足大实时业务量传输的需求。令牌环方式在令牌丢失时给系统控制带来了很大的复杂度。和其他接入机制相比，TDMA 机制由于按照时间关系协调了节点占用信道的机会，因此，各节点不会发生碰撞，效率得到提高。而动态的资源分配策略更能满足短波信道带宽窄、资源有限的情况。增加了动态时隙分配策略，可以有效地保证信息传输的时效性。

针对航空短波数据链的应用特点，本文提出了航空短波数据链动态TDMA 协议。通过动态TDMA机制的使用，可以使得网络能适应业务量的实时变化，短波信道的资源能得到动态调整和利用。根据航空短波数据链系统的设计需求，一方面，动态TDMA 协议的时隙长度应该能满足波形体制的要求；另一方面，TDMA 协议保证网络节点之间能实现对资源的调度协商，自适应地对短波资源的实时动态利用，提高信道利用率。

1 动态TDMA 时隙结构设计

为了减少每次网络规划的复杂度，使用固定的TDMA 时元长度，即每次网络初始化时都采用固定长度的TDMA 时元长度，只是按照当前入网节点的个数，对TDMA 的微时隙进行动态分配。初始化组网时都采用固定的TDMA 时元长度，按照节点需求对每个节点的时隙进行动态配置，可以减少系统初始规划的复杂度。

设计单频单子网最大支持16 个节点，网络循环时间（即TDMA 时元）大致的时间为10 s。按照每个微时隙（MS）长度112.5 ms 计算，每个节点可以平均分配4 个微时隙。考虑子网最大支持16 个节点，每个节点平均分配4 个微时隙，中断时隙分配4 个微时隙，地面管理站点分配6 个微时隙，则全网对应的网络TDMA 时元为16×4×0.112 5+4×0.112 5=7.875 s≈8 s。

中断时隙为预留时隙，主要实现两个主要功能：一是紧急业务的发送时隙，二是用于频率质量的探测，实现频率自适应的功能，频率自适应功能不在本文研究范围内。

不管当前网络规划中的网络节点个数，通过初始算法，将TDMA 时元中的时隙全部占用完毕。TDMA 的时元结构如图1 所示。

图1 航空短波数据链时隙时元结构

如图1 所示，一个TDMA 时元由17 个TDMA时隙组成，每个TDMA 时隙包括若干个微时隙组成。普通的一个TDMA 时隙分配4 个微时隙，子网管理节点的TDMA 时隙分配6 个微时隙。因此，一个TDMA 时元为15×4+6+4=70 个微时隙，时元长度为7.875 s。

为了减少网络设计，尤其在软件设计上的复杂度，每次网络规划时，都采用固定的TDMA 时元长度，只是在每个时隙的配置方式上采用动态分配方式。不管网络初始化时网络内配置了多少入网节点，都在配置的TXT 文件里，将TDMA 时元全部分配完，子网管理节点分配更多的时隙，后续网络运行过程中，都由管理节点对全部时隙进行分配管理。

为了便于对TDMA 时隙的管理，动态时隙的配置以一个TDMA 时隙为单位进行分配，而不对单个微时隙进行配置。初始的时隙配置方式如表1 所示，初始的时隙分配原则：地面管理节点可能会对空中节点的数据消息进行转发，因此，分配更多的时隙，而空中节点的时隙均匀分配，这样可以简化时隙的规划。

初始网络规划时，按照时隙分配原则对网络内的节点进行时隙配置，在配置的TXT 文件里设置相应的时隙配置参数，每个节点按照TXT 文件配置的时隙，运行TDMA 协议。

表1 中的分配原则用公式表示为：N管理+（M-1）×N空中=16。式（16）表示一个TDMA 时元的有效时隙数。为了便于波形的实现，每个节点分配的时隙保证连续性。区别于LINK16 的TDMA 时隙块的分配，LINK16 的时隙块可以分配在一个时元中的不同时域内。根据表1 的初始时隙分配原则，图2所示为5 个节点的网络TDMA 时元结构，图3 为10个节点的网络TDMA 时元结构。

表1 初始时隙分配原则

图2 网络中有5 个节点的时隙配置方式

图3 网络中有10 个节点的时隙配置方式

TDMA 的时帧结构按照最大16 个节点方式产生，如果网内最大16 个节点，则至少保证在一个时帧周期内每个节点有一个时隙可使用。当网络中的节点业务量过大时，可以向主节点或其他具有多个动态时隙的节点申请时隙，申请过程采用申请-响应-使用-释放的流程。

2 动态时隙分配流程

动态TDMA 的时隙分配流程如图4 所示。

图4 动态TDMA 的时隙分配流程

流程说明如下：1）申请阶段：节点1 在时帧n时查找发送队列，当前的发送队列长度超过配置值，则触发动态时隙的申请。2）响应阶段：节点2 在时隙2 内对节点1 的动态时隙进行回复，并更新本地的时隙分配表。3）时隙使用阶段：在下一个时帧n+1 中，节点1 开始占有动态时隙，并且直到本地的发送队列为空。4）时隙释放阶段：在时帧n+2 中，节点1 的发送队列为空，则在本地时隙内发出动态时隙释放，并更新本地的时隙分配表。节点2 接收到时隙申请信令，则在本地时隙内回复时隙释放响应，节点2 又重新占有动态配置的时隙。

2.1 申请阶段

2.1.1 动态时隙申请触发条件

当节点全部入网后，在一个TDMA 时帧内，每个节点至少占有一个TDMA 时隙（包含4 个微时隙）。按照表1 中的时隙配置原则，网络初始化完成时，网络中的所有节点全部占用完一个时元的所有时隙。按照报文（一条报文可以由多个格式化消息组成）优先等级，可以分为紧急、优先和普通3 个等级。分别将不同等级的报文放入优先级队列中，不同优先级队列的调度方式如下：

每次调度都先查找紧急报文队列，如果有紧急报文，则向信道上发送，如果没有紧急报文，则查找其他优先报文队列和普通报文队列。优先报文队列和普通报文队列按照一定的概率查找。优先级报文按照70%的概率向信道上发送数据，普通报文按照30%的概率向信道上发送数据。不同优先级队列的调度方式如图5 所示。

图5 不同优先级报文的调度策略

动态时隙的申请触发条件：优先级报文队列和紧急报文队列长度总和超过了门限（该门限值可配置），则本地节点触发动态时隙的申请。动态时隙的申请只针对空中节点向地面管理站点进行申请，由地面管理站点统一对TDMA 时隙进行管理，对所占用的时隙进行配置。动态时隙的释放条件：当优先级报文队列长度为空后，就需要释放掉使用的动态时隙。

2.1.2 动态时隙申请个数策略设计

申请动态时隙的个数需要与业务量的大小有关。借鉴不同优先级报文消息的更新时间，紧急消息更新时间为12 s，优先目标的更新时间为96 s。考虑在传输延时条件下，紧急报文消息传输延时为45 s，优先级报文的传输时延要求为96 s，根据上述的基本条件，设置动态时隙个数的设计策略（设置队列长度为50）为：

紧急报文队列长度为N，N＞2，则申请（N-1）个时隙。

普通优先级报文不申请动态时隙。

2.2 响应阶段

动态时隙的响应主要是节点对不同优先级报文消息、不同节点类型以及不同业务量的条件下，将动态时隙应该交给什么节点使用的过程。该协议使用两种不同的时隙分配策略。

简化时隙分配策略：简化的时隙分配策略按照谁先申请，就先给谁分配的原则。该方式实现简单，也适合空-地短波通信的特点（所有节点都向地面管理节点申请动态时隙的使用，地面管理节点对所有时隙进行统一管理和配置）。

优先级时隙分配策略：当多个节点根据业务量大小导致多个节点都需要触发动态时隙申请时，节点就需要运行动态时隙分配算法，而获得当前时隙该回复给哪个节点使用。

2.3 释放阶段

动态时隙释放由空中节点发起，空中节点-＞地面管理节点。空中节点在接收到地面管理节点的释放响应消息后，才更新本地的时隙配置表。

动态时隙释放响应由地面管理节点接收到动态时隙释放消息后，地面管理节点发送给空中节点，地面管理节点-＞空中节点。地面管理节点发出释放响应消息后，就更新本地的时隙配置表。

3 系统仿真分析

3.1 仿真业务设置

采用OPNET 网络仿真软件对航空短波数据链的动态TDMA 协议进行仿真。业务系统模拟民用数据链消息系统，产生72 bit 的格式化报文，每个态势信息有3 个72 bit 报文组成，一共是27 个字节。

高优先级飞机（高优先级业务）消息系统平均间隔3 s（参数可变）产生一批（27 Byte）态势信息。普通飞机消息系统平均间隔10 s（参数可变）产生一批（27 Byte）态势信息。根据动态TDMA 时隙申请策略，高优先级飞机每次根据自己的发送批次量询问消息业务系统，如果每次都满额发送，连续10（参数可变）个时帧都满额发送，则触发动态时隙的申请。

3.2 仿真拓扑结构

仿真拓扑结构如图6 所示，设置1 个地面管理站点，其他节点模拟飞机的分布情况，拓扑结构分别模拟4 节点和8 节点的网络。在两种网络拓扑结构中，0 号节点都设置为高优先级飞机，其他编号的飞机为普通飞机类型。

3.3 性能参数定义

性能参数定义如表2 所示。

表2 性能参数定义

3.4 仿真结果分析

从图7 中的左图可以看出，高优先级业务在8 min 左右触发了动态时隙的申请，传输时延明显下降，而不申请动态时隙的传输时延明显较高。但是由于业务量没有使得网络饱和，因此，态势信息的传输时延仍然保持平滑趋势。

图6 网络规模4 节点和8 节点的仿真拓扑结构

图7 传输时延（网络节点4 个，2 400 b/s）和传输态势信息量（网络8 节点，2 400 b/s）对比

从下页图8 中可以看出，高优先级业务在5 min左右触发了动态时隙的申请，传输时延明显下降，而不申请动态时隙的传输时延明显较高。但是由于在传输速率为1 800 b/s 时，业务量又使得网络饱和，因此，不使用动态时隙时，态势信息的传输时延呈现上升趋势，而采用了动态时隙，高优先级飞机可以占用更多的信道资源，传输时延会出现平滑的趋势。由于高优先级飞机占用了更多的信道资源，

图8 传输时延对比（网络8 节点，2 400 b/s）

因此，可以发送更多的态势信息，如图7 右图所示。

3.5 仿真结论

通过仿真验证了动态TDMA 协议在短波数据链中的应用可行性。验证了设计的时隙长度能满足实际态势信息传输的需求。仿真参数可以进行配置，后续在已建立的仿真模型基础上，配置不同的网络参数评估动态TDMA 协议的可行性。

4 结论

短波是实现超视距通信传输的主要手段之一，但是短波频段窄、资源有限、传输速率低等特点，采用资源的动态分配可以有效地提高短波信道的利用效率。因此，针对航空短波数据链的应用特点，设计了地空短波通信的动态TDMA 协议，通过由地面管理节点的时隙分配，为每架飞机提供可用的动态时隙资源，充分提高了短波信道的利用效率。通过仿真，该动态TDMA 协议能满足航空短波数据链的设计要求。短波频率自适应机制，是航空短波数据链有效利用的基础，TDMA 协议预留了频率探测的资源，将作为进一步研究的重点。