短波数传电台轮询组网性能分析

黄佑强，胡义祥，董毅恒，柳虔林

（1.云南省军区，云南 昆明 650051；2.清华大学自动化系，北京 100084）

0 引言

近年来，光纤通信、移动通信和卫星通信技术的迅猛发展，为相关行业、部门提供了可靠的通信保障。然而，在某些特定任务地域会在出现光纤通信支线难以引接，移动通信信号难以覆盖，卫星通信便携站因地势地貌等因素影响难以开设等现实问题[1]，在一定程度上制约着森林防火、矿山开发、野外施工以及应急处突、反恐稳维等通信保障要求，而短波通信因机动灵活、组网快捷，即使在信息网络技术非常发达的国家也在研究应用，原因在于无线电台能够在特定地域发挥支撑保障作用[2，3]。无线电台是相关行业、部门配备的重要通信装备，大多具备数据传输功能，探讨采用无线电台在特定地域组网具有重要而现实的意义。本文将轮询系统理论引入无线电台组网研究，对其轮询组网性能进行分析，为相关行业、部门科学制定组网方案及开展通信保障提供理论支撑和技术保障。

1 轮询组网模型建立

无线电台在相关行业、部门现有短波综合业务网、分组无线网中发挥着重要作用，其中分组无线网应用终端软件支持现有多种电台点对点数传、点对点轮询和无线分组三种工作模式，支持报文传输业务[1，3]。在点对点轮询模式中，采用简单轮询R R（Rou nd Robin）控制机制，实现中心站与远端站文本、表格等数据业务传输功能[4]。针对相关行业、部门在特定地域遇到光纤通信、移动通信以及卫星通信均难以实施保障的技术问题，依托无线电台，采用轮询多址通信网络技术，构建通信站点 轮询组网模型，具体如图1所示。

图1 基于数传电台的轮询组网结构图

根据特定行业、部门通信保障要求[1，3，4]，考虑多个行动小组携带数传电台分别到达指定地域开设通信站点时，采用图1所示的轮询组网结构，将指挥中心和分布在指定地域的通信站点进行组网，确保各通信站点的信息能够实时、高效传输到指挥中心控制服务器，为指挥中心的领导同志提供决策参考。

2 轮询组网模型分析

根据图1所示指挥中心与各通信站点信息传输控制组网系统结构，现采用轮询系统理论[5，6]，通过设定工作条件，解析系统平均循环周期、信息分组平均排队队长、系统吞吐量等特性参数，采用理论计算与模拟仿真实验等步骤，对该组网模型进行性能分析。

2.1 工作条件设定

结合图1所示控制机制和特点，对系统工作条件作如下设定：

（1）进入各通信站点存储器内等待发送的信息分组数的随机变量是相互独立且服从相同的概率分布，其概率母函数、均值和方差分别为和。

（2）任何一个通信站点在接受服务时发送信息分组所需时间的随机变量是相互独立且服从相同的概率分布，其概率母函数、均值和方差分别为和。

（3）任何两个相邻通信站点之间的轮询转换时间的随机变量是相互独立且服从相同的概率分布，其分布的概率母函数、均值和方差分别为和。

（4）各通信站点的存储器容量足够大，不会产生信息分组丢失；站点存储器内的信息分组按先进行出顺序规则进行服务，系统工作在离散时间状态，时间轴按单位时隙划分，系统的平均循环周期为。

从上述系统工作条件中可以看出，该系统模型的调度控制包含以下三个相互独立的随机过程：一是通信站点中信息分组的到达过程；二是通信站点中信息分组的传输服务过程；三是相邻通信站点之间的轮询转换过程。根据上述系统工作条件，在tn时刻，该系统中的N个系统状态变量构成嵌入式Markov链；（其中的条件下，系统的概率分布达到稳态，此时系统状态变量的概率分布函数为：

当指挥中心服务器在tn+1时刻开始对第i+1号通信站点服务时，系统状态变量在tn+1时刻的概率母函数为：

2.2 特性参数解析

定义在tn时刻第i 号通信站点开始接受服务时，第j号通信站点存储器中平均存储的信息分组数，即信息分组的平均排队队长为gi（j），则有：

2.2.1 平均排队队长

由式（4）求偏导并循环化简计算得该系统各通信站点信息分组的平均排队队长为：

2.2.2 平均循环周期

该系统的平均循环周期为指挥中心服务器对系统中的N个通信站点按服务规则完成一次服务所用时间的统计平均值，它由服务时间和轮询转换时间所组成。利用平均循环周期与平均排队队长的关系得：

2.2.3 系统吞吐量

系统吞吐量是指单位时间内该系统所能传输的信息分组数，相应的表达式为：

2.3 组网性能分析

现结合所提出的轮询组网系统模型，提出相应的计算机仿真算法，并采用MATLAB编制计算机仿真程序，对该系统模型进行仿真实验，在系统运行环境和初始参数相同的情况下，从轮询站点数量以及信息分组到达率变化两方面来对该系统模型的性能进行比较分析。其中，模拟实验采用专门设计的prand（mu，v）函数来生成信息分组到达分布，而服务过程和轮询转换过程可直接由MATLAB自带函数生成。

图2 轮询组网算法流程图

基于这种轮询组网接入控制机制，在对图1组网模型进行理论分析基础上，提出基于计算机仿真实验的轮询组网算法流程，具体如图2所示。

在计算机仿真实验中，假定系统网络各通信站点中信息分组的到达过程为泊松分布，信息分组传输服务过程为一般分布，相邻站点轮询转换过程为一般分布，对该系统进行了计算机仿真实验。

表1 系统参数设置表

其中，理论计算与计算机仿真实验采用相同参数值，并按表1所示数值进行归一化设置，从信息分组到达率变化来对系统的平均循环周期、各站点信息分组的平均排队队长以及系统吞吐率曲线来对组网模型作性能分析。根据图2所示算法流程图，通过高性能PC机仿真实验而得出系统特性参数曲线，具体如图3至5所示。

图3 平均循环周期随通信站点采集信息分组到达率变化曲线

图4 平均排队队长随通信站点采集信息分组到达率变化曲线

从图3至图5可看出：假设指挥中心外围通信站点为9个，整个传输网络的传输性能主要取决于中心站与各通信站点之间信息传输量的大小。在信息分组传输时间控制为500 ms，轮询转换时间控制为50 ms，时隙为50 ms，传输速率为2400 b/s的情况下，当通信站点信息分组到达率为0.001分组/时隙时，整个网络系统轮询周期约为490ms，系统吞吐率为0.09，通信站点的信息分组平均排队队长约为0.008个分组；当通信站点信息分组到达率为0.005分组/时隙时，整个网络系统轮询周期约为800 ms，系统吞吐率为0.45，通信站点的信息分组平均排队队长约为0.08个分组；当信息分组到达率为0.01分组/时隙时，整个网络系统轮询周期约为4，500 ms，系统吞吐率为0.90，通信站点的信息分组平均排队队长约为0.88个分组。

从网络数据传输性能分析来看，在定时联络情况下，该组网方式能够满足各通信站点数据信息传输要求，不致于发生基于随机多址传输控制中的数据发送冲突情况，这正是得益于该组网模型所具有的避免冲突接入控制效能。

图5 系统吞吐率随通信站点采集信息分组到达率变化曲线

3 结束语

本文结合相关行业、部门在特定地域实施通信保障要求，结合现有短波数传电台工作性能，构建符合指挥通信保障的轮询组网模型，通过轮询系统理论分析，得出相关系统特性参数解析式，并采用MATLAB仿真实验进行验证，为科学制定组网方案及实施通信保障提供理论支撑和技术保障。