面向多节点的协同突发业务接入体制研究

丁峰 陈小飞 马世银

摘 要： 针对战术协同组网数据链延时大、 容量小的问题， 为满足基于突发业务战术网络低延时、 大容量的要求， 以战术瞄准网络技术（TTNT）为背景， 提出一种基于多路同时接收的阈值自适应接入体制（MR-ATMA， Adaptive Threshold Multiple Access Based on Multi-Channel Simultaneous Reception）。 该接入体制采用分层设计的开放式体系架构， 物理层采用基于快速跳频的多路同时接收技术， 实现了虚拟全双工传输模式; MAC层采用基于信道负载感知的阈值自适应接入技术， 能够实现突发业务的快速接入。 与基于单收处理的接入体制（SR-ATMA， Adaptive Threshold Multiple Access Based on Single-Channel Reception）， CSMA， TDMA等接入体制相比， MR-ATMA具有更高的信道利用率和更低的接入延时， 能很好地适用于具有突发业务特点的战术网络。

关键词：战术协同;  时敏目标;  突发业务;  TTNT;  负载统计;  多址接入; 数据通信

中图分类号： TJ760; TN919  文献标识码：    A  文章编号：1673-5048（2021）04-0103-09

0 引  言

作为战术协同数据链关键技术之一的接入控制技术决定了节点公平性、 传输可靠性、 分组端到端延时及带宽利用率等网络性能。 接入控制技术通过合理的通信协议和通信机制达到最小传输延时、 最大带宽利用率和最小网络开销的可靠传输[1]。

随著以整体对抗、 体系支撑、 信息主导、 联合作战等特点为代表的网络中心战的加剧， 技术创新与应用推动战术数据链接入技术不断取得突破， 以美国为首的北约（NATO）根据不同的作战需求研制了一系列的战术数据链[2-3]， 主要有Link4A，  Link11， Link16， Link22 和TTNT等。 Link4A接入方式为TDMA， 传输模式为半双工， 在网节点不超过5个， 传输速率5 kbps， 主要用于向战斗机传送无线电引导指令; Link11接入方式为轮询， 传输模式为半双工， 在网节点不超过20个， 传输速率支持1.2 kbps和2.4 kbps两个速率档， 主要用于M系列格式报文进行空中、 陆地、 舰船等战术通信系统之间的信息交换; Link16采用时间分隔多路存取结构、 预定时隙协议和无中心节点组网方式， 并采用时分多址（TDMA） 方式和扩频、 跳频、 跳时技术， 多网时在网节点不超过20个， 单网时在网节点可达100～200个， 传输速率支持28.8 kbps，  57.6 kbps和115.2 kbps三个速率档， 主要用于J系列格式报文进行航空母舰、 导弹巡洋舰、 导弹驱逐舰等战术通信系统间的信息交互[4]; Link22集Link11和Link16功能于一体， 仍采用时分多址（TDMA） 或动态时分多址（STDMA） 方式， 其设计目的是提高Link11的抗干扰与传输能力和兼容Link16数据链 [5-6]; 战术瞄准网络技术（TTNT， Tactical Targeting Network Technologies）是美国在突破了先进战术目标瞄准技术等高速移动目标对抗相关关键技术后提出的一种战术协同数据链， 具有网络容量大、 延时低、 抗干扰能力强等特点， 可以高效迅速地实现对机动目标的侦察和打击[7-8]。

国内战术数据链研究起步较晚， 但也取得相关成果， 如曾服役于海军装备的HN-900战术数据链。 近年来， 随着战争模式和对抗方式的改变， 国内学者及科研人员在面向时敏突发业务竞争接入机制领域开展了相关研究。  文献[9]提出面向时敏业务的接入体制， 该接入体

制通过多个不同跳频图案进行多路接收处理， 这样必定造成处理成本增加， 其文献中码速率为64 Mbps， 未考虑造价和成本， 工程实现价值不高且仅适用于负载较轻的网络。 文献[10-13]提出了基于负载统计的多址接入， 其负载统计方式均采用广播负载统计信令的方式， 引入了额外开销， 而且大都采用单信道模拟仿真， 无法满足战术协同响应需求。

TTNT战术数据链能够很好地适用于具有突发业务特点的战术网络， 但由于国外技术封锁仅可获知TTNT和SPMA的相关框架， 相关技术实现细节无从知晓。 基于TTNT技术封锁和国内突发业务相关接入体制容量小、 信道利用率不高的问题， 提出以TTNT战术数据链为背景、 以多路同时接收为基础、 以牺牲物理层处理算法复杂度为代价的低延时、 高信道利用率、 抗干扰强的接入体制， 对物理层多路接收机制和MAC层自适应接入机制的相关理论和实现过程进行了分析和描述， 并对此模型进行系统仿真得到传输成功率、 端到端延时及系统吞吐量等变化曲线。 最后分析了基于多路接收自适应接入体制的信道利用率， 并且同单路接收自适应接入体制、 CSMA和TDMA等常用接入体制和面向突发业务的接入体制进行网络性能比较分析。

1 TTNT战术数据链分析

TTNT采用无中心自组织网络架构， 可以实现快速建网、 入网和网络重构， 构建无预置设施、 抗毁能力强的战术网络; TTNT物理层采用基于跳频复用的虚拟全双工传输机制， MAC层采用基于优先级统计的多址接入（SPMA， Statistical Priority-Based Multiple Access）， 实现在网节点高效可靠共享无线信道。 在侦察、 监视、 对抗等平台以及地面指挥控制中心间构建一个高速、 抗干扰、 自组织能力强的协同网络， 具备大容量网络吞吐能力， 可实现各级作战平台的无缝链接[14]。

TTNT在自适应编码及功率控制下， 自适应地改变FEC、 编码方式和功率调整， 在距离增大时自动降低传输速率。 当传输距离小于100 km， 传输速率可达2 Mbps， 端到端传输延时为2 ms; 当传输距离小于200 km， 传输速率可达500 kbps， 端到端传输延时为6 ms; 当传输距离为300 km， 传输速率可达250 kbps， 端到端传输延时为30 ms， TTNT主要技术指标如表1所示。

2 基于快速跳频的多路同时接收处理

为了降低物理层数据包之间冲突碰撞， 物理层采用基于跳频跳时技术的处理机制。 物理层信号处理架构如图 1所示。

2.1 发射处理

为了进一步减小物理层数据包之间的相互碰撞， 可将每帧数据经编码、 交织后拆分为多段数据， 每段数据加入导频数据后分散在不同的频率和不同的时间段上， 如图2所示。

同时， 为了最大限度提高网络节点吞吐率， 该物理层具有同时收发能力， 即物理层在发送数据的同时能够接收多个其他用户的数据。 通过特定的波形设计和高性能译码器的纠错处理， 实现一发多收的功能。 在发送端系统采用跳频跳时体制， 将一帧数据拆分为许多短的脉冲（子帧）数据， 如图3所示。 通过跳频跳时将其分散在不同的频率以及不连续的时间段上， 这样物理层以突发的方式发送数据， 在发送数据的空闲时隙还可以接收数据[9]， 实现了收发同时处理的虚拟全双传输模式， 有效提高了带宽利用率。

2.2 接收处理

物理层能够在发送数据的同时接收多路数据， 如图4所示。 图4（a）表示叠加后的多路数据;  图4（b）为物理层分离后的多路数据。

各路数据以特定的跳频跳时序列分别给该特定组网节点发送数据， 物理层信号处理部分的多个逻辑处理单元根据相应的跳频跳时序列分别处理多路数据， 分离出各路数据。 考虑到物理层在发送数据时無法完全正确接收数据， 分离出的四路数据不完整， 通过高性能译码器的纠错处理能够恢复出各路完整数据。 虽然该物理层能够实现一发多收， 但实际实现过程中并不占用额外的处理单元， 其处理单元均为逻辑处理单元。

2.3 多路同时接收处理能力分析

物理层采用基于收发快速切换的虚拟全双工传输模式和高效的编码机制。 编码效率为1/3， 一个分组（1 024 bit）编码后的长度为3 072 bit。 在2 Mbps传输模式下采用脉冲调制方式进行分组发送时， 将编码后的分组拆分为12个脉冲在跳频跳时图案的控制下进行发送和接收。 对于1/3编码效率的Turbo编码只要能够接收一半以上的突发便能恢复出完整的数据分组， 且能容忍脉冲不超过10%的冲突碰撞， 即单个脉冲冲突小于10%仍能正确接收该突发。 该传输处理机制下， 一个脉冲（256 bit）的传输时间tp为

tp=256/16 M=16 μs（1）

收发通道在帧长Tp内可传输突发p：

Tp=1024/2 M=500 μs（2）

p=500/16=31.25（3）

采用高效编译码处理后， 只要接收一半以上的突发便能恢复出整个分组， 则基于多路同时接收的处理机制在一个帧长内可处理分组数目Np描述如下：

Np=31.25/6>5（4）

即在一个帧长内可传输6个分组， 采用快速切换开关实现收发间的快速切换， 实现一发四收的虚拟全双工传输， 在2 Mbps数据发送的同时可接收8 Mbps的数据， 吞吐量可达10 Mbps。

3 基于信道负载感知的自适应接入

战术协同控制指令通常呈现出突发模式且对时效性有较高要求， CSMA和TDMA等接入协议无法满足高动态时敏目标对抗要求。 本文结合文献[15]的基于负载统计和自适应阈值帧调度方法思想， 提出基于信道负载感知的阈值自适应接入方法。 通过感知信道负载计算信道占用率， 根据当前分组接入阈值， 决定分组是否接入信道， 阈值通过传输成功率动态调整。 自适应接入机制为战术信息传输提供有效QoS保障， 在网络负载较大的情况下， 接入机制通过抑制低优先级业务来降低信道负载， 保证高优先级业务的可靠传输。

基于信道负载感知的阈值自适应接入体制主要由信道负载感知、 阈值自适应调整和分组调度处理三个模块组成。

3.1 信道负载统计

文献[16]给出了基于物理层和网络层两种负载统计方式并进行了仿真分析， 基于两种统计方式提出混合式信道负载统计方式。 混合式信道负载统计采用容限控制的方式选择控制信道负载统计方式， 当物理层统计结果和网络层统计结果的差值小于容限时， 以物理层统计结果为负载统计结果;  反之， 以网络层统计结果为负载统计结果。 混合式信道负载统计仍保留了广播负载统计信令的机制， 不仅为系统引入额外的传输开销， 而且由于存在一定的延时， 造成信道负载统计结果不够准确。 混合式信道负载统计还需要合适的容差作为统计方式的选择控制， 如果容差设置不合适， 将造成负载统计方式选择偏差， 致使负载统计结果不准。 文献[10]也提出改进的混合式信道负载统计， 在负载较低的情况下采用网络层和物理层统计结果的均值作为当前信道负载， 但仍保留了广播负载统计信令和依据特定参数评判网络负载大小的处理方法。

基于上述分析， 提出基于目的ID的信道负载统计方式。 自适应接入体制物理层采用快速跳频跳时处理机制， 即每个节点存在一个与其ID对应的跳频跳时图案， 并在图案的控制下接收数据。 只有同自己图案相同的数据才会被接收处理， 其他图案的数据均为噪声。 基于目的ID的信道负载统计通过物理层持续统计更新频率集内各个频点侦听到的脉冲数目， 并写入负载统计队列供上层分组接入信道判断时使用。 当上层分组到达MAC层时， 通过解析帧头获得目的ID， 然后根据目的ID的图案获取统计时间内的接收脉冲并计算信道占用率， 进而可以将此信道占用率同阈值比较， 控制分组的信道接入。 负载统计采用滑动窗口积分的方式进行信道负载统计[17]。 滑动窗步进为500 μs（一个帧长）， 窗长为10 ms， 即物理层以500 μs为周期， 周期性上报各频点所接收的脉冲数目， MAC层收到物理层上报的接收脉冲数并填入相应频点的负载统计队列， 信道负载统计可描述为

P=∑Ni=0Rxi/N（5）

L=∑20i=0Pi/20（6）

式中： P为滑动步进窗内目的节点跳频图案的平均脉冲; N为跳频点数; Rxi为信道i上接收的脉冲数目;  L为目的节点跳频图案信道负载; Pi为第i个滑动步进窗内的脉冲数目。 窗长为10 ms， 则滑动步进窗的数目为20。

基于目的ID的信道负载统计方式不仅能够精确计算目的节点的信道负载， 而且能够兼容多节点点对点传输时的接入控制。

3.2 阈值自适应调整

由于分组到达时间的概率分布存在较大随机性， 导致信道接入阈值很难通过公式给出， 即使分组到达时间分布满足理想情况下的泊松分布， 但该等式因为不可积， 无法得到阈值的准确等式， 无法获取准确的阈值[15]。 仿真测试可以通过多次测试得到信道接入阈值， 但基于仿真测试的阈值计算方法本质上是一种固定阈值的接入控制， 节点的加入、 离开、 拓扑变化及分组到达时间分布都会对阈值造成很大的影响， 且仿真环境同真实环境存在一定差异， 不适用于具有突发业务的战术协同网络。 文献[18]在TSMP-MAC接入协议设计中采用业务分配的方式计算阈值， 首先需要最低优先级的阈值， 仍需要实验测试等方式获得， 不具有灵活性和实用性。 再者， 该方法需要节点业务量的比例， 不仅难以获取全网业务量， 而且对于突发业务的战术网络统计业务比例难以表征当前的业务状况。

基于上述分析， 结合文献[15]基于帧成功传输概率自适应阈值调整方法的思想， 提出自适应动态调整的阈值计算方法。 文献[15]的阈值调整方法乘法递增阶段本质上是一种指数递增模式。 指数函数模型有着增长速度同自变量正相关的特点， 即开始增长速度很慢， 后来随着自变量的增大而增长速度不断加快， 不符合信道阈值动态调整初始阶段的变化规律。 不仅会为系统带来较大的稳态时间， 还会造成较大的超调量， 不利于系统快速达到稳定状态。 为此，  提出新的阈值自适应计算方法， 在阈值自适应的初始阶段采用对数递增模式。 对数函数模型有着同指数函数模型相反的特点， 增长速度随着自变量的增加而不断减小。 同阈值自适应初始阶段的变化规律相同， 能够使系统快速达到稳定状态。

阈值自适应计算通过分组成功传输率和信道负载动态自适应计算阈值。 阈值自适应计算方法能够很好地适用于高动态拓扑和具有突发业务的战术协同网络， 节点的加入和离开以及拓扑的变化均能很快达到当前系统的真实阈值。

阈值动态自适应调整过程如图5所示。 阈值自适应过程可分为对数递增、 比例递增及自适应动态调整三个阶段。

3.2.1 对数递增阶段

由于刚开始信道阈值是未知的， 且由于信道接入分组較少， 要想很快达到系统稳定时的稳态吞吐量， 接入

分组应满足起初存在较大的增长速度， 且随着时间的推

移增长速度持续变换的规律。 因此， 起初采用对数递增的增长模式， 其阈值Thl可通过下式确定：

Thl=（-lg（Rc）+1）×L（7）

式中： Thl为对数递增处理后的阈值; L为上一个帧长内的信道负载; Rc为信道占用率， 经归一化处理后其取值范围为 [0， 1]。 刚开始时， 信道负载为零， 允许所有分组接入， 信道占用率Rc较小， 即信道负载较低， Thl迅速增加。 由于初始阶段主要为入网建网指令， 相对数据较少， 且设备上电时间存在较大随机性， 分组间碰撞概率较低。 建网入网指令均为应答式交互， 当未收到应答指令时， 节点会再次下发建网入网请求指令， 即使分组碰撞丢失也不会造成网络组建失败。 随着业务量的增加， 信道占用率Rc不断增加， Thl增长速度越来越慢， 即Thl越来越接近信道负载L。 当信道负载较大时， Rc接近于1， Thl约等于信道负载L， 即

Thl≈L（8）

此时， 阈值基本同信道负载相同。 当分组到达时间间隔满足信号可处理间隔时， 该阈值即为真实阈值。 但通常当负载较大时， 随机分布的分组造成成功率分组间冲突碰撞， 传输成功率随之降低（低于99%）。 当传输成功率首次低于99%时， 根据接入信道分组的90%计算退避时间， 使接入信道的分组降为原来的90%。 将此时信道接入阈值记为阈值初值Thb， 阈值调整进入比例递增阶段， Thb可描述为

Thb=0.9×L（9）

3.2.2 比例递增阶段

经过对数递增阶段， 系统得到最接近真实阈值且满足传输可靠性要求的阈值初值Thb， 但此时接入信道的分组仍小于系统吞吐量。 由于接入信道的分组同真实阈值间的差值δT较小， 采用比例递增即可很快逼近真实阈值且不会引入较大超调量。 阈值比例递增调整可描述为

Thm=Thb+k×N（10）

式中：k为比例系数; N为比例递增阶段阈值调整的次数。 当传输成功率在比例递增阶段首次低于99%时， 将最近两次信道接入分组的均值记为Thm， 即

Thm=Tri+Tri-12=Tri-1+Tri-Tri-12（11）

式中：

Tri为本次接入信道的分组量; Tri-1为上次接入信道的分组量。 Thm相比Thb更进一步接近真实阈值， 此时阈值调整进入动态调整阶段。

3.2.3 动态调整阶段

阈值调整进入动态调整阶段， 阈值接近吞吐量， 仅需要在阈值附近适当波动即可达到稳定于系统吞吐量的接入信道分组。 当成功率低于99%时， 通过退避机制适当减少分组接入数目使传输成功率迅速回到99%以上; 当成功率高于99%时， 适当增加信道分组的接入， 提高系统吞吐量。 动态调整信道阈值Thd可通过下式确定：

Thd=[1+ki×（r-99%）]×L，  r≥99%

[1-kd×（99%-r）]×L，  r<99%  （12）

式中： r为传输成功率; L为信道负载; Thd为动态调整处理后的阈值; ki， kd均为修正系数， 默认为1， 可根据系统对可靠性和吞吐率的要求分别调整ki和kd。

3.3 分组调度处理

分组调度处理的本质是通过退避接入在时域上进行有效展宽， 降低分组间的冲突概率， 提高传输可靠性。 文献[19]提出了基于优先级的退避策略， 可描述为

tbackoff， i=tupdate +rand tupdate2×（i-1）（13）

式中： tbackoff， i为退避时间; tupdate为负载统计窗口时长; i为优先级， i=1， 2， 3…， n; rand（x）为取区间[0，  x]内均匀分布随机数。

通过上述机理分析， 基于优先级的退避策略本质上可视为时隙分配调度， 通过优先级将分组分散在滑动窗口时间内来降低分组间的冲突， 提高传输可靠性。 但基于区分优先级的退避策略存在不足之处， 首先， 基于区分优先级的退避策略存在较大延时， 就最高优先级（i=0）而言， 其平均端到端延时为tupdate无法满足时敏目标瞄准要求。 其次， 基于优先级随机退避的随机过程采用均匀分布， 在节点较少时可以避免冲突， 当节点较多时， 仍存在较大的相同或相似的概率， 分组间存在较大冲突， 无法满足大容量组网通信的要求; 且各优先级退避时间随机分布过程的起始值均为0， 相应地也增加了随机时间相同的概率， 高优先级分组传输成功率无法得到保证。 最后， 基于区分优先级的退避策略从概率的角度在时域上相当于整体向后搬移， 只有将阈值控制在较低时有效， 严重降低了系统信道利用率。

基于上述分析， 提出基于分组服务时间的退避策略。 该策略的思想是通过分组服务时间控制分组接入信道的数目接近信道真实阈值， 达到传输成功率不低于99%的传输可靠性; 通过基于区分优先级的随机退避时间， 降低分组间的冲突概率， 提高信道利用率。

为了保证高优先级业务的可靠传输和时效性， 应增加低优先级业务退避时间， 减少低优先级业务的接入， 使接入信道的分组在系统吞吐量内， 便能达到99%的成功率和高优先级业务低延时的要求。 剩余阈值是计算满足接入高优先级分组后系统剩余的阈值：

Bi=Li， i=0， CAT≥Li

CAT，  i=0，  CAT

CAT-∑j=i-1j=0Lj，  i>0（14）

式中： B为剩余阈值; L为信道负载; i为优先级; CAT为信道接入阈值。

允许接入分组比例Ai可描述为

Ai=BiCAT

本地節点可用阈值为

Thai=Bi·ri（15）

式中： Tha为本地节点可用阈值; r为本地节点业务分组占网络业务分组的比例。

分组服务时间是计算低优先级分组被调度的时间和分组接入信道的时间， 使分组尽可能均匀地分布于发送信道， 降低冲突概率， 提高成功率。

分组服务时间ti可描述为

ti=T·Ai（16）

式中： T为系统允许的最大延迟时间。

随机退避是增加分组接入信道的随机性， 降低分组间的冲突。 随机退避时间同优先级、 信道负载成正相关， 可描述为

TRi=N（Ti， δi）（17）

式中：

Ti=ti/2， i=0∑i-1j=0tj + ti/2， i>0; δi=ti/2;

N（T， δ）为期望为T、 方差为δ的正太分布。

当优先级分组负载Li较小时， 剩余阈值Bi远大于负载Li， 允许接入当前优先级的全部分组; 当负载Li较大时， 剩余阈值Bi小于负载Li， 只允许接入当前优先级部分分组， 此时接入信道分组的总量刚好等于信道阈值， 信道利用率达到最大; 当负载Li很大时， 剩余阈值Bi等于0， 不允许当前优先级分组接入， 只允许接入高于当前优先级的分组， 接入信道分组的总量仍等于信道阈值， 信道利用率仍达到最大， 且分组传输成功率不低于99%。 在信道负载超过接入阈值的情况下， 无论信道负载如何变化， 系统的吞吐量总能恒定维持在真实阈值附近， 且传输成功率不低于99%。

基于阈值自适应的接入体制相比于文献[20-24]等阈值设计算法具有更好的信道利用率， 文献[17]的阈值设计算法可描述为

Thi=dN-1×∑N-1j=0rj∑ij=0rj， 0≤i≤N-2（18）

从式（18）可知， 阈值同ri为非线性关系， 这符合优先级退避的规律。 但由于非线性的存在和ri的随机分布， 无法保证接入的分组维持在阈值ThN-1附近， 造成带宽资源浪费。  其信道接入分组可描述为

CA=L1-∑ri！≡ThN-1（19）

基于分组服务时间的退避策略是基于剩余阈值计算分配的方式， 避免了信道利用不充分的问题， 能够将发送分组在有效的接入时域内进行展宽， 降低了分组间的冲突， 提高传输可靠性和信道利用率。

4 仿真及结果分析

从成功率、 端到端延时、 吞吐量等系统性能进行接入体制性能分析， 并将基于多路同时接收的接入体制同单路接收的接入体制、 CSMA和TDMA等接入体制进行比较。

4.1 仿真条件

面向多节点的协同突发业务接入体制采用OPNET仿真工具进行仿真验证。 分别进行了24， 48， 72节点的动态仿真， 节点随机动态地分布于100 km×100 km的区域中， 传输速率为2 Mbps。 业务分为0～3共4个优先级， 各优先级业务的到达时间服从泊松分布且时间间隔为1 ms， 分组长度为1 024 bit， 如表2所示。

4.2 性能分析

4.2.1 端到端延时分析

端到端延时统计结果如图6所示。 可见， 24， 48， 72节点平均端到端延时分别为3.8 ms， 5 ms， 5.6 ms， 即随着网络规模的扩大和在网节点数目的增加， 平均端到端延时也随之增大， 但仍能满足不大于10 ms的延时要求。 高优先级业务的端到端延时约为1.2 ms， 满足战术协同网络端到端延时的要求。 开始端到端传输延时出现较大波动是由于起初接入机制进入阈值自适应的对数递增阶段， 造成接入退避时间不够稳定。 端到端延时包括接入延时、 传输延时、 传播延时、 信号处理時间。

4.2.2 传输成功率分析

传输成功率统计如图7所示。 由于信道接入阈值采用动态自适应的算法， 分组传输成功率能够很好地稳定在99%以上。 当成功率低于99%时， 自适应算法立即降低信道接入阈值， 传输成功率很快达到99%的可靠传输。 但随着网络规模的扩大和在网节点数目的增加， 传输成功率也随之出现波动， 但系统能够很快回到成功率99%以上的传输。

4.2.3 吞吐量分析

吞吐量统计结果如图8所示。 无论是24节点、 48节点， 还是72节点， 系统接收吞吐量均能接近8 Mbps， 系统平均吞吐量约为7.6 Mbps， 信道利用率为95%。 起初吞吐量为0， 是由于建网和入网过程致使节点无法发送数据所造成的， 节点越多， 建网所需时间越长。 自适应接入体制采用基于剩余阈值的阈值分配策略， 当信道负载远大于接入阈值时， 只允许接入部分分组且接入的分组等于信道接入阈值， 信道利用率达到最大; 当信道负载小于接入阈值时， 降低接入延时， 减小平均端到端延时。

4.3 性能对比

网络性能对比主要从阈值自适应接入体制（MR-ATMA）同普通接入和基于突发业务接入两种体制分别进行对比， 参与对比的普通接入体制主要为SR-ATMA， CSMA及TDMA等常用接入体制， 突发业务接入体制主要为面向高时敏业务的多址接入协议（RT-MAC）[9]、 无需物理层统计数据的SPMA改进协议（SPMA-NPS）、 基于业务量统计的多优先级接入协议（TSMP-MAC）[11]等面向战术数据链突发业务的接入体制。

4.3.1 普通接入体制比较

普通接入体制比较主要从端到端延时和信道利用率进行比较， 结果如表3所示。

（1） 延时比较

端到端延时统计如图9所示。 多收体制下的平均端到端延时比SR-ATMA低2 ms， 较CSMA接入体制有更好的稳定性。 由于MR-ATMA采用信道负载统计的接入方式， CSMA在网络负载较大时， 载波监听持续侦听到“信道忙”的信号， 造成分组接入持续退避， 端到端延时加大。 较TDMA有更低的延时， 比TDMA延时少45 ms。 TDMA采用时隙划分的接入方式， 对于突发业务， 造成某些节点时隙浪费， 致使端到端延时较大[24]。

（2） 信道利用率比较

信道利用率比较结果如图10所示。 MR-ATMA具有更高的信道利用率， 高达95%; CSMA的信道利用率只有51%; SR-ATMA的信道利用率为66%; TDMA的

信道利用率为80%。 MR-ATMA分别较CSMA， SR-ATMA， TDMA信道利用率高出44%， 29%和15%。 这是因为CSMA通信载波监听决定信道接入， 造成信道资源浪费[25]; SR-ATMA采用单通道接收处理， 不利于冲突避免， 要达到高的可靠传输， 只能接入少的分组， 造成信道资源浪费;  TDMA需要时隙的预约和分配， 对于突发业务容易造成时隙浪费， 致使信道资源浪费。

4.3.2 突发业务接入体制比较

突发业务接入体制比较主要从传输可靠性和端到端延时进行比较。

（1） 端到端延时比较

端到端延时比较结果如图11所示。  随着吞吐量的增加， MR-ATMA端到端延时较为稳定， 能够稳定在5 ms左右。 当吞吐量达到10 Mbps时， 端到端延时约为5.6 ms。 RT-MAC端到端延时约为7 ms， 由于吞吐量超过0.2 Mbps时传输成功率几乎为0， 不存在端到端延时， 延时记为0。  TSMP-MAC在吞吐量低于6 Mbps时， 端到端延时约为0.5 ms; 当超过6 Mbps时， 延时迅速增加; 当吞吐量为8 Mbps时， 延时高达85 ms， 且最大吞吐量仅9 Mbps。 SPMA-NPS在吞吐量低于6 Mbps时， 端到端延时约为0.5 ms; 当吞吐量超过6 Mbps时， 端到端延时快速增加; 当吞吐量达到10 Mbps时， 端到端延时为5 ms。

（2） 传输可靠性比较

传输可靠性主要通过分组传输成功率进行衡量， 分组传输成功率比较如图12所示。 MR-ATMA传输成功率始终稳定在99%以上。 RT-MAC在吞吐量低于0.02 Mbps时， 成功率约为90%。 随着吞吐量的增加， 传输成功率迅速下降。 当吞吐量超过0.2 Mbps时， 成功率几乎为0。 这是由于RT-MAC采用跳频图案进行冲突避免， 但跳频图案有限， 造成分组间碰撞丢失。 TSMP-MAC在吞吐量低于6 Mbps时， 成功率可超过99%; 超过6 Mbps时， 成功率迅速下降;  当吞吐量达到9 Mbps时， 传输成功率几乎为0。 SPMA-NPS在吞吐量不超过4 Mbps时， 传输成功率能够不低于99%; 当吞吐量达到10 Mbps时， 成功率约为60%。

根据上述分析， MR-ATMA更适用于具有业务突发特点的战术协同网络， 吞吐量可达10 Mbps， 且成功率不低于99%， 延时约为5.6 ms。

5 结  论

本文基于TTNT战术数据链体制提出一种基于突发业务的低延时接入体制。 首先进行了TTNT战术数据链相关体制分析， 并基于TTNT体制进行了面向多节点协同突发业务接入体制设计及理论分析， 最后在OPNET网络仿真软件上进行了仿真。 面向多节点协同突发业务接入体制以物理层一发四收处理机制为支撑， 在阈值自适应接入机制的控制下， 在保证端到端延时和高可靠性的要求下， 有效提高了信道利用率， 信道利用率高达95%， 较CSMA， SR-ATMA和TDMA接入体制分别提高了44%， 29%和15%， 且高优先级业务端到端延时不超过2 ms， 平均端到端延時约为5.6 ms， 传输成功率不低于99%。 其处理机制和网络性能同TTNT体制相当， 能很好地适用于具有突发业务特点的战术网络。

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Research on Burst Services Access Mechanism for

Multi-Node Cooperation

Ding Feng1， Chen Xiaofei2*， Ma Shiyin2

（1. Space Star Technology Co.， LTD， Beijing 100086， China;

2. Xian Aerospace Remote Sensing Data Technology Co.， LTD， Xian 710054， China）

Abstract： To solve the problem of large delay and small capacity of tactical cooperative network data link，  in order to meet the requirements of low delay and large capacity in tactical network，  a threshold adaptive access mechanism based on multi-channel simultaneous reception is proposed based on tactical targeting network technologies （TTNT）. A layered open architecture is adopted in this mechanism，  and the physical layer adopts multi-channel simultaneous receiving technology based on fast frequency hopping to realize virtual full-duplex transmission mode. The MAC layer adopts threshold adaptive access technology based on channel load statistics，  which can realize fast access of burst service. Compared with SR-ATMA， CSMA，  TDMA and other access mechanisms，  it has higher channel utilization and lower access delay， and can be well applied to the tactical network with the characteristics of burst service.

Key words： tactical coordination; time sensitive target; burst service; TTNT; load statistics; multiple addresses access; data communication