一种SPMA协议的动态阈值设置方法
2022-12-01赵雄旺
丁 峰，史 琰，赵雄旺
(西安电子科技大学 通信工程学院，陕西 西安 710071)
基于统计优先级多址接入(Statistical Priority-based Multiple Access，SPMA)协议出现于战术目标定位网络技术(Tactical Targeting Network Technology，TTNT)数据链中[1]，它对载波侦听多址接入(Carrier Sense Multiple Access，CSMA)协议做了突破性的改进，可以看作是扩频CSMA协议的扩展。CSMA协议和SPMA协议相同之处在于：二者都对信道进行侦听；不同之处在于：SPMA协议由于采用了扩频和突发传输技术，物理层具备“一发多收”的能力，即收发机在一个信道发送的同时，可以在多个信道进行接收，因此信道不再被区分为只有忙和闲两种状态，而是根据业务的数量和特性，信道被划分为多个不同的状态。SPMA协议物理层将数据帧拆分成突发[2]，并对每个突发进行纠错纠删编码，然后以跳频跳时的方式在信道上发送突发，接收信机如果收到部分突发，就能成功恢复这个数据帧，这意味着数据帧成功传输。
SPMA协议接入过程[3]如图1所示。首先，数据帧根据其优先级进入不同的优先级队列中。然后采用特殊的发送判决机制，通过比较阈值和信道占用的大小来决定数据帧能否接入信道；若阈值大于信道占用值，则允许该数据帧接入信道，否则节点进行退避，待退避结束后重新调度和比较优先级阈值和信道占用值。
图1 SPMA协议示意图
阈值的设置决定着SPMA的协议性能。如果设置不正确，信道接入的判断标准将会出现偏差，造成吞吐量下降。如果各优先级阈值设置偏大，信道接入量会超过限制，则突发碰撞几率将会增大，数据帧成功传输概率下降，吞吐量也会下降；如果各优先级阈值设置偏小，则信道接入量将会减小，过度限制了业务的接入，浪费信道资源，信道利用率偏低。
信道承载能力受到多种因素的影响，包括通信环境、网络拓扑结构等，这些因素在场景中可能会发生变化。通信场景中的各类通信业务强度并不是恒定的，而是随着通信任务需求实时变化的突发业务。基于以上两方面可以看出，各优先级阈值的设置没有一个固定的结果，而是需要在通信过程中，根据实际情况不断地调整各优先级阈值，使其匹配不同环境的信道承载能力和不同场景业务需求，使得各优先级业务高效接入信道。
如何设置阈值显得尤为重要。然而SPMA专利文献中并没有提到阈值的设置方法。现有文献对阈值的设置方法进行了系列的研究[4-17]，但这些阈值的设置方法都是按照固定的强度比例为各个优先级业务设置阈值，难以适应网络承载能力和通信业务的变化，使得信道接入的判断出现偏差，影响SPMA协议接入性能[18]。因此，笔者提出了基于帧成功传输概率的动态阈值，通过对比当前的帧成功传输概率和最高优先级业务的帧成功传输概率来动态调整各个优先级的阈值，使得各优先级业务更好地接入信道，从而提升网络的吞吐量和信道利用率。最后，将所提方案在某军用项目中进行实现，用于完成多节点间的协同组网，并在自动化测试平台进行了传输性能测试。实验结果表明，基于动态阈值设置的SPMA协议能够有效保证高优先级业务的传输时延和传输可靠性。
1 阈值分析
本节将分析阈值的设置对SPMA协议的接入性能的影响，主要包括对帧成功传输概率和吞吐量的影响。
假设网络中有n个节点，各节点业务类型相同且节点间相互独立，各优先级数据帧的到达率为λi，0≤i≤pmin，优先级0为最高优先级，优先级Pmin为最低优先级。
数据帧的总达到率为
(1)
假设SPMA协议使用了Nf个频点，每个数据帧能够拆分成Nb个突发，每个突发持续时间为tb，假设系统中各节点数据帧的到达过程服从泊松分布且相互独立，则注入信道的突发也可以近似地看作服从泊松分布，其到达率可以表示为
(2)
突发以完全随机竞争的方式在信道中传输，突发的易受冲突区间为2tb[18]，即在2tb时间段内没有其他突发到达时，该突发能够成功传输，则单个突发成功传输概率为
Pbs=exp(-2λbtb) 。
(3)
物理层采用纠错纠删编码技术，使得当收信机收到一半以上的突发时，能成功恢复数据帧，则可得到信道中数据帧成功传输概率
(4)
不同突发接收门限下数据帧成功传输概率和突发成功传输概率关系如图2所示，当突发接收门限为2/5时，突发成功传输概率高于60%时，帧成功传输概率可高达99%以上；当突发接收门限为1/2时，突发成功传输概率高于70%时，帧成功传输概率可高达99%以上；当突发接收门限为3/5时，突发成功传输概率高于80%时，帧成功传输概率可高达99%以上；当突发接收门限为4/5时，突发成功传输概率高于93%时，帧成功传输概率可高达99%以上。由此可以看出，帧成功传输概率随着突发门限的增加而降低，在相同帧传输成功率要求下，突发接收门限越高，则需要更高的突发传输成功率。
图2 帧成功传输概率和突发成功传输概率关系
结合式(4)，设置数据帧拆分的突发个数Nb为30个，突发持续tb为3 μs，频点数Nf为5个，数据分组长度为1 200 bit。通过仿真分析，能够得到帧成功传输概率和突发成功传输概率随网络负载的变化曲线。通过阈值的设置可以限制业务接入信道的流量，设置不同的阈值可以得到不同的帧成功传输概率保障。例如阈值1的设置，可以限制网络负载不超过8 000 p/s(packet/s，pps)能够保障99%以上的可靠传输，而阈值2的设置，限制网络负载不超过12 000 p/s，仅能够保障90%以上的可靠传输。
网络吞吐量表示网络中单位时间内成功传输的数据量[19]，首先我们假设没有启动发送判决机制，则网络中各节点可以直接接入信道，此时网络吞吐量等于信道负载乘以数据帧成功传输概率，则吞吐量S可以表示为
(5)
图3 帧成功传输概率和突发成功传输概率随信道负载变化
图4为网络吞吐量随网络负载的变化情况，当网络负载较低时，信道较为空闲，分组间碰撞概率较低，此时吞吐量同网络负载成正相关，吞吐量随网络负载的增加而增加；随着网络负载的增加，分组间碰撞加剧，吞吐量随着网络负载的增加而降低。结果表明：阈值1能够达到的网络吞吐量为8 000 p/s左右，阈值2能够达到的网络吞吐量为11 000 p/s左右。
图4 网络吞吐吞吐量变化情况
综上所述可以看出，发送判决机制通过阈值的设置能够限制业务流量的接入，不同的阈值设置能够获得不同的服务质量，在不同程度上保证在信道中的帧成功传输概率，并能获得不同的网络吞吐量。
2 动态阈值设置方法
2.1 基本思想
动态阈值调整需要依据某种反馈信息来作为阈值调整的标准。由于网络承载能力和通信业务不是固定的，并不清楚信道最大可承载的业务量是多少，因此不能直接将信道最大可承载量作为反馈信息去调整各优先级阈值的大小。
将帧成功传输概率作为反馈信息来调整各优先级阈值，并认为物理层是可靠传输的。这样一来，只有当信道产生冲突时才会影响数据帧的传输，而信道的冲突程度又跟接入信道的负载有关，因此信道中帧成功传输概率可以反映信道负载情况，并保障信道传输的可靠性。将最高优先级业务的数据帧成功传输概率要求作为判断信道是否过载的标准，当信道中的帧成功传输概率低于预设的标准值时，认为信道过载。其基本思想是，当信道过载时，最低优先级的阈值会先减小；当减小至零后，若信道还过载，则继续减小次低优先级的阈值，即按照从低到高的顺序减小阈值限制业务接入信道；当信道空余时，高优先级的阈值会先增加；当增加至预先设定的最大值后，若信道还空余时，则继续增加次高优先级的阈值，即按照从高到底的顺序允许业务重新接入信道，其中最高优先级业务可以直接接入信道，不需要进行阈值调整。
2.2 动态阈值调整流程
阈值的大小与信道负载统计有关，文中阈值可表示为时间间隔tw内的数据帧个数。
假设网络的理论容量为CMb/s，帧成功传输概率的统计周期为tw，数据帧平均长度为L，动态阈值调整标准值为ξ，动态阈值调整灵敏度为δ，动态阈值调整过程如图5所示。
图5 动态阈值跳帧流程
步骤1 初始时刻，每个优先级的阈值设置为Tmax，保证初始时各优先级数据帧均能在信道中传输，其表达式为
(6)
步骤2 当业务流注入信道后，统计tw时间内信道中的数据帧成功传输概率Ps，比较ξ和Ps的大小。令数据帧成功传输概率调整下限Pa=ξ-δ，数据帧成功传输概率调整上限Pb=ξ-δ。若Ps
(7)
(8)
步骤5 执行步骤2，重复执行该过程。
根据上述动态阈值调整流程，结合图5所示阈值调整示例给出说明。
如图5(a)所示，网络中某个节点某一优先级i阈值调整过程，图中每次调整间隔时间Δt等于tw。
首先节点在第1个tw时间内统计到信道中的数据帧成功传输概率Ps，且有Ps 然后在第2个tw时间内，仍有Ps 在第3个tw时间内，由于Ps>Pb，则根据式(8)增加阈值，最终在第4个tw时间内，Ps∈(Pa，Pb)信道稳定不再调整阈值。 如图6(b)所示，为网络中某个节点优先级i和优先级i-1阈值调整过程。 首先节点在前几个tw时间段内持续统计到帧成功传输概率Ps，且有Ps 然后在下一个时间段内，仍有Ps 如图6(c)所示，为网络中某个节点优先级i和优先级i-1阈值调整过程。 图6 动态阈值调整示例 首先节点在前几个tw时间段内持续统计到帧成功传输概率Ps，且有Ps>Pb，因此按上述步骤找到阈值大于0的优先级i-1，按式(8)多次调整优先级为i-1的阈值，使得Thi超过上临界值，设置为Tmax。 然后在下一个时间段内，仍有Ps>Pb，此时由于优先级为i的阈值已经为0，则开始按式(8)增加i-1优先级阈值(i-1优先级高于i优先级)。最终Ps∈(Pa，Pb)，信道稳定不再调整阈值。 采用OPNET[20]进行仿真，仿真参数参照表1所示。仿真场景中有30个节点随机分布在10 km ×10 km内，各节点互连互通。网络系统中各节点维护8个优先级队列，对应8种优先级业务，各优先级业务到达过程独立且服从泊松分布。设置通信过程中存在2种通信业务模式，通信业务强度如表2所示。 表1 仿真参数 表2 业务模式 如图7所示，对比不同业务模式下，动态阈值调整方法和固定阈值方法帧成功传输概率随网络负载变化情况。对比的固定阈值方法中，阈值是在已知网络承载能力情况下，根据业务模式Ⅰ的业务强度按比例进行设置的。可以看出，在固定阈值方法中，业务I模式下随着网络负载的增加，能得到一个较高的网络吞吐量，但是当网络通信业务发生变化后，在业务Ⅱ模式下，网络负载在7 000 p/s时，吞吐量出现严重的下降，最低时仅有5 000 p/s，这是由于阈值是按照业务Ⅰ的强度预先设置的，但业务强度变化后，不能匹配业务Ⅱ的场景导致的。而在动态阈值方法中，阈值的设置并非固定，而是在通信过程中根据信道状态和业务强度动态调整的，能够适应网络场景的变化，由图可以看出不论业务Ⅰ还是业务Ⅱ中，都可以得到稳定的吞吐量性能。同图4相比较，当网络负载持续增加时，SPMA接入控制下的吞吐量可以维持饱和，达到最大的信道利用率。 图7 固定阈值和动态阈值在不同业务模式的网络吞吐量 如图8所示对比了不同业务模式下，动态阈值调整方法和固定阈值方法的帧成功传输概率随网络负载变化情况。在动态阈值调整方法中，将信道中的数据帧成功传输概率作为反馈信息进行动态调整，并将最高优先级数据帧成功传输概率要求作为动态调整标准。 图8 固定阈值和动态阈值在不同业务模式的帧成功传输概率 在本次仿真过程中动态阈值调整标准值设定为99%，因此从图8可以看出，在业务Ⅰ和业务Ⅱ模式下，随着网络负载的增加，动态阈值设置方法始终能保障最高优先级帧成功传输概率达到99%以上的性能。而在固定阈值方法中，并没有对最高优先级帧成功传输概率作强保障，因此随着网络负载的增加，固定阈值方法不能保证最高优先级业务服务质量，并且在不同业务模式下，接入性能出现较大波动，例如在业务模式Ⅱ中，最高优先级帧成功传输概率相比业务模式Ⅰ下降了5%。 为了验证基于动态阈值设置的SPMA接入协议网络传输性能，在xx数据链项目进行了实现，并在搭建了基于KSW自动化测试平台的测试系统下进行优先级0、优先级1、优先级2、优先级3等4个优先级业务传输性能测试；优先级0为最高优先级业务，优先级1业务优先级次之，优先级3业务优先级最低。 测试框图如图9所示，测试系统主要由自动化测试平台、交换机、射频交换网络、示波器、网络分析仪、信号分析仪等组成，对由5台加载SPMA接入协议端机构建的网络进行测试。端机实物和自动化测试系统分别如图10和图11所示。 图9 自动化框图 图10 加载SPMA协议端机实物图 图11 自动化测试系统图 测试系统主要针对接入时延和数据传输成功率进行测试，下面将从接入时延和数据传输成功率进行分析。 (1) 接入时延分析 接入时延测试结果如图12所示，SPMA根据传输成功率进行阈值动态调整，能够进行多优先级业务区分服务，且接入时延稳定，优先级0业务接入时延约为1.1 ms，接入时延最小，优先级1业务接入时延约为1.2 ms，优先级2业务接入时延约为2.8 ms，优先级3业务接入时延约为5.2 ms，接入时延最大。接入时延随着优先级的降低而增加。 图12 接入时延测试结果 (2) 数据传输成功率分析 数据传输成功率如图13所示，SPMA根据帧成功传输概率动态调整各个优先级的阈值。当成功率低于设定阈值时，通过减少接入信道的分组来保证当前优先级分组的传输成功率；当成功率高于设定阈值时，适当增加加入信道的分组，提高网络的网络吞吐量。实验测试了4个优先级业务的传输成功率，其传输成功率均能达到99%以上。 图13 数据传输成功率测试结果 为解决网络承载能力和通信业务的变化造成接入性能下降的问题，维护网络吞吐量的稳定和提升信道利用率，笔者对SPMA协议阈值设置方法进行研究，提出了基于帧成功传输概率的动态阈值设置方法，利用帧成功传输概率来反映信道接入情况，通过对比当前帧成功传输概率与最高优先级业务帧成功传输概率动态调整各个优先级阈值。为验证文中方法的效果，先对使用文中方法的SPMA协议进行系统仿真，并与固定阈值方法进行比较，最后在xx数据链端机进行了实现，并在自动化测试系统下进行了多次测试，测试结果同仿真结果和理论分析一致。由于文中方法根据网络状态周期动态调整阈值，能够有效应对网络承载能力和通信业务变化带来的影响，因此可发现文中方法相比固定阈值方法可使系统获得更稳定的接入性能，能够更好地保障最高优先级业务的服务质量。
3 仿真分析
3.1 仿真条件
3.2 结果分析
4 实验测试分析
4.1 测试条件
4.2 测试结果分析
5 结束语
