基于OPNET的Link 22数据链动态时隙分配算法仿真∗

2020-05-25汪鹏志缪学宁

舰船电子工程 2020年2期

汪鹏志缪学宁

（武汉船舶通信研究所武汉 430205）

1 引言

现代战场敌我态势瞬息万变，通信环境非常复杂。数据链是一种高效传输、实时分发保密、抗干扰和格式化消息的数据通信网络［1］。它是数字化战场联合作战体系组成单元（C4KISR）相互传输信息的“纽带”，是实现C4KISR 系统的基石。Link 22数据链作为美军和北约国家联合研发的新型战术数据链，旨在提高对抗能力、通信传输能力、与Link 16 数据链的兼容能力以及盟军的互操作能力，最终替代Link 11 数据链系统［2～3］。Link 22 数据链网络采用TDMA 或动态TDMA（DTDMA）多址接入方式，将时间资源划分成固定时长的时隙，若干个时隙组成一个时帧，每帧中的时隙通过时隙分配算法分配给网内节点［4～5］。相比较固定TDMA 协议而言，DTDMA 协议可以将网内节点空闲的时隙动态分配给时隙资源缺乏的节点使用，从而提升系统资源利用率，减小网络传输时延［6～7］。

本文介绍了Link 22 数据链的时隙基本结构，在此基础上研究了一种动态时隙分配算法，阐述了时隙动态调整的流程，最后通过OPNET 建模仿真，对该算法的网络性能进行了分析。

2 Link 22数据链网络循环结构

在Link 22 数据链网络中，作战平台通常被称为NILE 单元（NATO Improved Link Eleven Unit，NU）。Link 22数据链将时间资源划分成时帧、时隙和微时隙，按照如图1 所示的网络循环结构（Network Cycle Structure，NCS）运行网络。

微时隙是最小的时间单位，其具体长度由通信信道性能、最大通信距离等因素有关。时隙是NU节点的消息发送单位，由整数个微时隙构成，微时隙数目根据NU 节点业务量决定。时帧是Link 22数据链网络的时间循环单位，由多个NU 节点发送时隙组成，其长度被称为网络循环时间（Network Cycle Time，NCT）。

时隙分为分配时隙（Allocated Timeslot，AS）和中断时隙（Interrupted Timeslot，IS）两种。NCS 中大多数时隙是分配时隙，它按照时隙分配算法分配给网络内的每个NU 节点，各NU 节点在分配到的时隙中发送消息，其余NU 节点接受消息。NCS 中存在少量的中断时隙，用于传输优先级高的紧急消息，NU 节点通过竞争的方式来决定中断时隙的使用权。

与Link 11 数据链网络中的轮询原则类似，Link 22 数据链网络中NU 节点指定时隙的顺序不固定，可以根据网络中NU节点数量的变化、消息优先级以及作战态势等改变交互顺序。

3 Link22动态时隙分配算法描述

根据相关文献［8］，本文设计如图2 所示的时帧结构。每个时帧的总长度NCT 为15s，包含1 个网管时隙、4 个中断时隙和128 个用于发送业务报文的微时隙，每个微时隙时间长度为112.5ms。

图1 Link 22数据链网络循环结构

图2 动态时帧结构

考虑到公平性和均匀性［9～11］，各NU 节点的分配时隙中的微时隙将均匀分布在整个时帧结构中。本算法中，每个中断时隙包含一个微时隙，主要用于传输高优先级的紧急业务报文。Link 22 数据链为所有业务报文设定4 种优先级，1、2、3、4 对应业务报文优先级从高到低。在业务报文传输过程中，系统根据优先级将报文插入到相应优先级的报文缓冲队列中，当分配时隙到来时，优先级高的业务报文将优先获得传输服务；由于各NU 节点通过竞争方式使用中断时隙，报文在信道传输时可能会发生碰撞，所以当中断时隙到来时，系统将优先级为1 的报文拷贝一次后直接传输，而队列中原来的报文在下一个分配时隙中传输，以此来减小丢包率，增强报文传输的可靠性；当优先级低的报文在缓冲队列中等待发送时长超过规定的等待时长T=15s，则将该报文的优先级提高1 级，同时规定优先级最多只能提升至2。业务报文传输流程如图3所示。

网管时隙主要用于网络时间资源的管理，即依据各NU 节点时隙使用情况，对NU 节点富余的时隙实施动态调整。网管时隙时间长度为150ms，分为广播、请求以及确认三个阶段，每个阶段时长均为50ms 并且各阶段被平均分成n 个小时隙，其中n为网络内NU 节点数目，各NU 节点在其对应时隙内传输网管报文。

在广播阶段，各NU 节点根据自身时隙使用情况，判断在接下来的时帧内占有的时隙是否满足业务报文传输需求，向网络内其余NU 节点发送自己的时隙需求信息。在广播阶段结束时，各NU 节点就知道了其他节点的时隙使用状况。

在请求阶段，有时隙需求的NU 节点根据在广播阶段收集的时隙需求信息，向时隙富余数目满足请求时隙数目的NU节点发送请求报文。

在确认阶段，时隙富余的NU 节点在收到请求报文后，如果自身时隙富余状况符合请求报文中的时隙申请需求，则从自身最大时隙号开始释放时隙资源，同时向请求报文的源节点发送确认报文。时隙缺乏的NU 节点收到确认报文后，根据报文中的时隙信息更新自身的时隙分配表。为了避免NU节点长期占用动态分配到的时隙资源，保证时帧内时隙分配的均匀性，规定在时隙动态分配一个时帧后，原时隙拥有者将释放的时隙收回。

图3 业务报文传输流程

4 OPNET仿真与结果分析

OPNET 是目前最广泛使用的网络仿真软件之一，具有建模层次分明、API 函数库的功能强大、开发界面友好等优点，为通信网络的设计与仿真、故障诊断与优化升级提供了解决方案［12］。OPNET 提供三层建模机制:第一层为网络模型，描述了整个网络的拓扑结构；第二层为节点模型，由相应的协议模型组成，反映了设备特征；第三层是进程模型，通过有限状态机（FSM）来描述协议。三层模型与实际的网络、设备、协议相对应，可以全面体现网络的相关特性［13］。本文将重点介绍Link 22 数据链进程模型设计。

4.1 进程模型设计

图4是Link 22数据链mac模块进程层模型，它是时隙分配算法的核心部分，负责业务报文和网管报文的处理以及整个网络的动态时隙分配。图中圆形图标代表运行状态，实线表示状态无条件转换，虚线表示状态有条件转移，图形中的状态和转移条件通过C/C++以及OPNET核心函数编写实现。

图4 Link 22数据链mac模块进程层模型

各状态功能描述如下:

1）init_1状态:状态变量和中断初始化。

2）init_2状态:根据TDMA协议为NU节点分配相对应传输时隙，完成时隙表数据结构以及一些中断的初始化。

3）wait 状态:空闲等待状态，根据不同的中断进入对应的中断状态。

4）frame start 状态:在每个时帧开始根据时隙表设置时隙中断；

5）from upper 状态:接收从source 模块发来的业务报文，根据报文优先级将业务报文插入对应的优先级队列中。

6）from lower 状态:处理从物理层传来的业务报文和网管报文。

7）adjust priority 状态:根据报文在队列中的等待时长判断是否提升优先级，优先级的值最高提升至2。

8）xmit 状态:响应时隙中断，根据不同时隙类型发送业务报文或者网管报文。

9）proc nm slot 状态:计算NU 节点的时隙利用情况，更新其时隙需求状态。

4.2 仿真参数配置

根据Link 22 数据链相关特性，本文仿真参数配置如下:

1）仿真NU 节点数目为8，各NU 节点初始分配16个微时隙，仿真时长为1h；

2）业务报文长度为36字节；

3）NU1、NU3、NU5、NU7 节点的业务报文产生间隔服从参数为1 的泊松分布，其余节点的业务报文产生间隔服从参数为2的泊松分布；

4）4 种优先级业务报文产生的概率由优先级从高到低依次为0.1、0.2、0.3和0.4。

4.3 仿真结果分析

图5 动态时隙分配算法与固定时隙分配算法端到端时延比较

本文以端到端时延以及时隙利用率来衡量采用动态时隙分配算法和固定时隙分配算法Link 22数据链网络的性能。端到端时延是指业务报文从源节点应用层发送到目的节点应用层接收所消耗的时间。时隙利用率是指节点传输业务报文占用的时隙时间与系统仿真时间的比值。

图6 动态时隙分配算法与固定时隙分配算法不同优先级报文端到端时延比较

图5 为动态时隙分配算法与固定时隙分配算法端到端时延比较，从图中可以看出，在采用4.2节仿真配置的情况下，动态时隙分配算法能够降低端到端时延，降低幅度达到44.7%。图6（a）～（d）为两种算法的不同优先级报文端到端时延比较，对于高优先级报文（优先级为1），动态时隙分配算法的端到端时延有所增加，这是因为时隙富余的NU 节点将自身多余时隙借出后，相邻分配时隙的平均间隔增大，这对低发送率的高优先级报文影响较大，从而导致其平均端到端时延增加；动态时隙分配算法对于低优先级报文（优先级为2、3、4）的端到端时延改善较大，相比较于固定时隙分配算法分别降低了32.2%、51.3%以及44.9%。

图7 动态分配算法和固定分配算法每时帧的时隙使用情况

图8 动态分配算法和固定分配算法系统时隙利用率比较

以NU1节点为例，两种算法每个时帧的时隙使用情况如图7 所示。采用固定时隙分配算法，NU1节点每个时帧的时隙使用最大个数为16，而采用动态时隙分配算法后，NU1节点可以申请使用其他节点富余的时隙，每个时帧的时隙使用最大个数达到了24，从而提高了NU1 节点的时隙利用率。图8是两种算法系统时隙利用率比较图，当系统达到稳定状态后，采用动态时隙分配算法可以小幅提升系统时隙利用率，最高时隙利用率达到了72.8%。