卫星高速数据链中MF－TDMA协议改进研究

王 伟，梁 俊，贾 伟，赵尚弘

（空军工程大学电讯工程学院，陕西西安 710077）

高速数据链专门用于分发对带宽要求高的数据信息，如图像、视频、高速数据流等，以满足现代战争情报实时分发的需求。随着远程杀伤性武器及高机动战术在战场的应用，现代战场的规模逐步扩大，战场侦察情报服务范围已远远超出了视距范围。利用高轨卫星实现真正的超视距（BLOS）宽带传输已经成为高速数据链研究的一个新领域。卫星高速数据链具有一系列优点，如超视距、高带宽、适应复杂地理环境和抗干扰、传输信道稳定可靠等。

多终端要共享带宽有限的无线信道，需要有效的多址接入协议来更好地利用信道资源并满足不同的需求。传统的卫星数据链多采用单一时分多址（TDMA）工作方式［1－2］，频带利用率低，不能有效地满足多种业务的接入需求，在现代卫星带宽不敷使用的情况下，已经远远不能满足信息化战争的需要。本文参考现代宽带通信卫星系统，在卫星高速数据链系统中引入了多载频时分多址（MF－TDMA）协议。该协议采用频分和时分相结合的二维多址方式，具有高效性和灵活性，可以实现信道资源的动态调整和对带宽的高利用率。同时，为了满足不同优先等级用户的使用需求，引入优先级机制，提出了一种具有优先级的MF－TDMA协议，该协议通过在随机预约区间增加固定预约时隙，来实现高优先级节点预约请求的发送。理论分析和仿真结果表明，具有优先级的MF－TDMA协议在保证了较高吞吐量的基础上，能够有效地降低高优先级用户的平均等待时延，系统性能得到了明显提高。

1 MF－TDMA协议描述

MF－TDMA多址接入协议是一种按需分配的多址方式，用户根据业务需求动态地向卫星申请上行链路信道，卫星上存有时隙分配表，在执行完时隙分配后通过下行链路向各个用户广播时隙分配信息，这样用户才能在属于自己的发送时隙发送数据包。协议重点在于时隙分配算法的实现，其过程可以分为两步:第1步是确定在哪个载波信道中为用户分配资源;第2步是如何在该信道中确定分配给用户的可用时隙资源［3－4］。具体的时隙分配流程如图1所示。

首先，用户在预约时隙通过上行链路向卫星发送预约包，卫星收到预约包后从中获得该用户的预约信息，然后将预约信息插入时隙分配表中。

其次，卫星根据用户资源申请要求，选择相应的载波信道，判断该载波信道是否有足够的时隙，如果满足用户请求分配的时隙，则继续进行时隙分配;如果不能够满足用户的需求，则进行载波调整，为用户选择其他载波信道。

图1 时隙分配流程

在时隙分配阶段，时隙以时隙块的方式被分配给用户，采用倒序编号资源二叉树作为时隙管理模型，在资源树的各层中查找最合适的节点，然后将其代表的时隙组分配给该用户。如果符合用户要求的时隙组没有被占用，则直接分配;如果该组内有被其他用户占用的资源，则进行时隙块调整，若调整成功，那么分配该时隙组，若调整不成功，重新进行载波信道的选择。

最后，卫星通过下行链路发送时隙分配包告知用户时隙分配情况，以便使各用户能在规定的数据时隙发送数据包。

2 性能分析

为了提高帧效率，MF－TDMA多址协议将用户的业务申请时隙安排在几个帧内传输，这几个帧又组成一个超帧，如图2所示，以一个典型的MF－TDMA系统为例，一个超帧由5帧构成。时隙分配时，将用户请求的时隙数进行划分成符合二叉树各层时隙组大小的块，即分成若干个2x的和（即N=2k+2l+…+2m，其中lb N＞k＞l＞m＞0）。在倒序资源树结构的每一层中，分别对各块进行资源搜索，并对相应的时隙进行分配。

2.1 延时分析

卫星数据传输的时延主要是从发送终端产生发送数据到接收终端收到全部信息的时间间隔，通常由4个部分构成:传播时延、传输时延、排队时延和处理时延。为简化分析，本文仅考虑从用户发送业务申请到数据包开始发送之间的等待时延，而不考虑发送端数据包的传输时延和传播时延［5－7］。

采用固定帧长的方案，每一个用户在预约时隙中以S－ALOHA竞争的形式进行预约。设随机预约区间长度为D=mv，数据区间长度为U，则帧长为T=D+U。系统总的平均等待时延W为随机预约时延W1与数据传输等待时延W2之和。

1）随机预约时延

假设某用户的一个预约分组在某帧中随机选择一个预约时隙发送，若成功到达，则进行数据时隙分配;若在规定的时间Twait内未正确接收到CTS帧，就认为发生碰撞，那么，该预约分组再随机选择一个预约时隙重发，直至发送成功。

随机预约时延主要由4部分组成:

（1）重发时延t1。若用N表示重发的次数，那么重发需要的平均时延为t1=N·Twait。

（2）传输时延t2。一个预约请求的传输时间就是一个预约时隙，则t2=（N+1）·（D/m）。

（4）传播时延t。传播时延为用户发送的预约请求经过卫星转发后回到该终端的时间，若定义τ为预约请求在卫星与终端之间单程传播的时间，则t=2τ。

随机预约时延为上述4部分之和，即

2）数据传输等待时延

系统总的平均等待时延W为随机预约时延W1与数据传输等待时延W2之和，即

其中带宽分配为Q个时隙/帧，即μ=Q/（T－D）。进一步假设分配给业务平均带宽为B的α倍（令α为带宽分配比例因子），即每帧分配时隙数N=α·B，其中B=T·λ。

考虑到不同用户终端对话音、图像、视屏等不同业务的需求，引入了高低两种优先级，本文通过在预约区间增加固定时隙，来实现高优先级节点预约请求的发送。优先级帧结构如图3所示。设固定预约区间长度为A，随机预约区间长度为B，数据区间长度为U，则帧长为A+B+U。固定预约区间由m个固定预约时隙构成，不需要竞争就可预约到数据发送时隙，因此适用于优先级较高的终端站;随机预约区间由s个随机预约时隙构成，终端站通过S－ALOHA方式竞争预约时隙用来传输上行预约帧，适用于优先级较低的终端站。

图3 优先级帧结构

（1）低优先级节点时延分析

在对低优先级节点时延进行分析的过程中，可以将固定预约区间看作是闲期，那么低优先节点的时延就可以用随机预约条件下MF－TDMA协议增加了一段闲期的平均等待时延近似地估计。数据预约区间为B，由公式（3）就可以得到低优先级节点的平均等待时延公式

（2）高优先级节点时延分析

由于随机预约包的发送与固定预约包的发送是一个相对独立的过程，不影响固定预约区间预约包的发送，而且随机预约区间在整个时帧中所占的比例很小，因此可将随机预约区间看作固定预约区间中无预约包发送的区间，那么高优先节点的时延就可以用固定预约条件下MFTDMA协议的平均等待时延近似地估计。

若帧长为T，则预约期占的比例β=mv/T。现在假定把系统的带宽分为两部分:一部分用于预约分组的传输，其所占带宽比例为β;另一部分用于数据分组的传输，所占带宽比例为1－β，如图4所示。

可以看出，每个预约分组的传输时间为T/m，接收到预约分配应答信息所需的时延约为卫星链路来回传播时延即2τ。因此一个分组从它到达系统至获得预约分配信息的预约时延为2τ+T/m。

图4 假定模型

式中:r为数据区间在时帧中所占的比例。

因此，系统总的等待时延为该等待时延与预约时延之和为

应注意，因为在MF－TDMA协议中，时隙是均匀分配的，所以式（6）中变量值为均值。

2.2 吞吐量分析

评价MF－TDMA协议性能的一个重要指标是饱和吞吐量，吞吐量是指单位时间内网络中实际传输的业务量的大小。为分析方便，有时也用单位时间内网络中实际传输的业务量与信道允许的最大业务量之比来评价网络的性能，称为归一化吞吐量。归一化吞吐量是多址接入方式性能评价中的重要标准之一，反映了网络中信道资源的有效利用程度。在给定传输信道容量的前提下，较高的吞吐量意味着支持接入更多的用户数量或在相同数量用户时提供更高的数据速率。网络的归一化饱和吞吐量可以由数据区间在整个上行信道时帧结构中所占的比例来表示，由卫星高速数据链上行链路的时帧结构可以看出，当预约区间为D，数据区间长度为U时，网络的归一化饱和吞吐量为

如果一帧中数据包的发送时隙越多，则数据区间所占的比例就越大，帧的开销就越小，网络的归一化饱和吞吐量就越大。

3 仿真结果与分析

为了直观地看出系统的平均等待时延性能以及与归一化吞吐量的关系，更好地对比不同条件下系统的时延性能，采用Matlab进行了仿真分析。假设一个超帧由5帧构成，每帧中预约区间D有7个预约时隙，其中2个固定预约时隙，5个随机预约时隙，预约时隙长度为2 ms，带宽分配比例因子α=2，平均包到达速率λ=50 Packet/s（包/秒），Twait=250 ms，N=2。根据前面对平均时延近似计算公式的推导结果，得到图5和图6所示的结果。

图5给出了系统平均等待时延特性曲线，可以看出，在卫星高速数据链系统中，系统的平均时延主要是传播时延。如图5所示，系统的平均等待时延对帧长不敏感，这是因为在MF－TDMA协议中时隙是均匀分配所致;低优先级节点的平均时延比不区分优先级节点的略高;高优先级节点的平均等待时延明显要低于低优先级节点和MFTDMA协议的平均时延。从而可以这样认为，MF－TDMA协议高优先级节点较小的平均时延是以牺牲低优先级节点的时延性能为代价的。

从图6可以直观地看出，在相同优先级的情况下，节点的平均时延随着吞吐量的增大而逐渐增加;在不同优先级的情况下，在吞吐量未达到饱和之前，高优先级节点的平均等待时延明显低于低优先级节点。这主要是因为在协议设计中，高优先级的节点在每帧中都被分配了一个固定的预约时隙，节点只要有数据包发送，就能通过分配的预约时隙发送预约包，无需竞争，节省了预约等待的时间;而低优先级的节点每次发送预约包都要竞争有限的预约时隙，若发生碰撞还要重发，直到成功为止，由此可见，低优先级的节点是以降低接入时延性能为代价来换取入网的灵活性。

4 结论

本文将MF－TDMA多址接入协议引入到卫星高速数据链系统中，并针对不同用户的使用需求引入了优先级机制，结合排队理论建立模型，推导了不同条件下MF－TDMA协议的平均等待时延公式，并在对协议进行理论分析的基础上，利用Matlab仿真软件绘制了吞吐量和时延关系曲线，直观地分析了平均等待时延性能以及与吞吐量的关系。结果表明，具有优先级的MF－TDMA协议在保证了低优先级用户较高的吞吐量和较低的平均时延的基础上，能够有效地降低高优先级用户的平均等待时延。

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