一种短波数据链的动态TDMA协议

左 卫

(海军驻成都地区通信军事代表室，四川成都610041)

0 引言

短波数据链可以有效地实现超视距战术数据信息交换，但短波频段窄，传输速率低，短波资源的动态使用可以有效地提高短波通信的运行效率。短波数据链的组网技术主要以轮询［1］、令牌环［2］以及TDMA(Time Division Multiple Access)［3－4］为主。轮询方式时延大，不能有效地满足大实时业务量传输的需求。令牌环方式在令牌丢失时给系统控制带来了很大的复杂度。和其他接入机制相比，TDMA机制由于按照时间关系协调了节点占用信道的机会，因此各节点不会发生碰撞，效率得到提高。而动态的资源分配策略更能满足短波信道带宽窄、资源有限的情况。增加了动态时隙分配策略，可以有效地保证信息传输的时效性。短波传输受到带宽窄的能力限制，使得应用于超短波的TDMA协议不能直接应用于短波信道，短波TDMA协议设计应该适应信道传输的特点。

目前，国外先进短波数据链以Link系列的22号链为主。Link22的［5－6］网络部分主要工作特点是采用了时分多址或动态时分多址的网络协议，北约和美军已经将该组网体制编入了STANAG 5522标准［7］，明确了动态TDMA协议是新一代短波数据链的支撑技术。但是5522标准没有描述动态TDMA协议的细节，只是建议了时隙分配框架。

针对短波数据链的应用特点，文中提出了分布式的短波动态TDMA(HF－DTDMA，High Frequency Dynamic Time Division Multiple Access)协议。采用的时隙分配策略可以满足短波资源动态分配的要求，更能适应短波通信的环境，利用分布式应用场景，满足节点的大业务量传输需求，有效地占用更多的信道资源，提高信道利用率。

1 动态时隙分配原理

一个TDMA超帧将时隙分为固定时隙与动态时隙，为了保证网络运行的可靠性，TDMA时元的结构固定。固定时隙分配给网络内的每个节点，如果是迟入网节点，则在一个时元的时隙中为迟入网节点预留。动态时隙主要用于分配给网络中的紧急业务，同时该业务为有效时间最短。也可以作为中断时隙，用于节点迟入网。动态时隙采用申请－分配－占用－释放的机制，由全网进行控制。一个时元的时隙结构如图1所示。

图1 动态时隙分配原理(以4节点为例)Fig.1 Theory of dynamic slot distribution(for 4 nodes)

组网中配置一个节点为主节点，备份节点主要在主节点损毁后作为主节点使用。主节点的主要工作是对全网的动态时隙进行分配，并将分配结果广播给全网。其他节点获知后续动态时隙的使用情况，从而能更新本地的时隙分配表。

当其他节点需要动态时隙时，首先在自己的时隙内发送动态时隙的使用申请信息，主节点在动态时隙的第一时隙内进行申请时隙的回复，并且让网络中其他节点能获知当前动态时隙的使用情况。因此，动态时隙的使用策略采用申请－分配－占用－释放的机制流程。

每个时隙保证可以传输一个或多个格式化报文，因此，时隙长度应该考虑报文的长度，同时也应该与底波形设计相结合;另一方面，一个时隙可以传输多个格式化报文，但必须保证一个时隙内能把一个完整的消息传输完毕，因此，多个格式化报文组成了一个完整消息。

2 HF－DTDMA协议描述

2.1 动态时隙分配流程

HF－DTDMA动态时隙的分配流程如图2所示。

图2 HF－DTDMA的动态时隙分配流程Fig.2 Process of HF － DTDMA distributing dynamic slots

图2中，①～⑤的流程说明如下:

①:节点2在自己的时隙(如图2中的2号时隙)内发送格式化报文信息，并且计算在该时隙结束后，本地的发送队列格式化信息的有效时间。如果剩余的格式化报文信息中，有效时间在T(下一个T超时时刻是当前T加上一个TDMA超帧的时间)时刻超时，或者在下一个2号时隙到来之前超时，则需要申请动态时隙，并且计算得出需要的动态时隙数;节点2将动态时隙请求信息携带在数据信息格式中，一起发送出去。

②:主节点接收到动态时隙请求信息，根据当前动态时隙的分配情况，在指定的5号时隙中回复动态时隙的申请，图2中，节点2获得了7和8号时隙。同时，其他节点接收到动态时隙的分配情况后，获知了当前时隙分配的情况。

③:节点2获得了7和8号时隙，在该分配的时隙中，将快要到期的格式化报文信息发送出去，保证该类信息的有效性。

④:下一个TDMA超帧开始时，2号节点释放掉占用的动态时隙，同时，在新的一个TDMA超帧中发送格式化报文。

⑤:如果节点4又有快到期的格式化报文发送，则在对应的4号时隙内，申请动态时隙，流程如上所述。

2.2 动态时隙分配策略

动态时隙由主节点规划分配，因此，存在以下几种分配情况:①主节点需要动态时隙资源;②多个节点同时申请动态时隙资源;③没有节点申请动态时隙。基于以上几种描述，动态时隙的分配策略如下。

主节点在动态时隙的第一个时隙内广播当前的动态时隙分配情况，将动态时隙的分配表广播给周围邻居节点。动态时隙的分配原则是主节点优先，然后根据先申请先分配的原则进行，即先满足主节点对动态时隙的资源需求，然后根据其他邻居节点对动态时隙的申请情况、动态时隙已占有情况，对后续的动态时隙进行分配。

主节点在动态时隙中的广播时隙除了对动态时隙的响应外，也可以发送本地的格式化报文信息。

3 HF－DTDMA协议参数

协议参数主要为了实现所要求的网络性能而提出了一些必要的参考值。根据仿真结果，协议参数可进行调整以适应设计的需求。HF－DTDMA协议的参数如表1所示。

表1 HF－DTDMA协议主要参数及说明Table 1 Main parameters and descriptions of HF－DTDMA

4 HF－DTDMA仿真分析

4.1 数据链性能指标定义

基于短波数据链的网络性能指标包括网络规模、端到端时延、系统吞吐量。

1)网络规模:满足一定性能要求，数据链系统能支持的节点数量。

2)端到端时延:从发送方MAC层接收到网络层的消息字开始，直到该消息字被预定接收方MAC层成功交付给其网络层时为止的一段时间。

3)系统吞吐量:在一定的确定时间段内，该数据链系统中所有成员成功接收和处理的消息字总量与时间的比值。

4.2 仿真模型

利用OPNET仿真工具对HF－DTDMA与固定TDMA协议进行了仿真对比。仿真软件建立了应用层、链路层和物理层模型，如图3所示。

图3 OPNET仿真模型Fig.3 Simulation model in OPNET

1)应用层模型封装为格式化报文信息，并且通过软件模拟链路传递给链路层协议。

2)在链路层建立了固定TDMA与HF－DTDMA协议的OPNET进程模型，接收来自于业务层的格式化报文，按照TDMA时钟调度传递给信道模型。

3)信道模型模拟短波信道条件，无线收发数据信息，结合仿真结果分析链路层协议性能。

4.3 仿真结果分析

主要仿真参数见表1。考虑在不同节点数情况下的网络端到端吞吐量以及最小传输时延。不同网络规模条件下的仿真结果如图4所示。

图4 HF－DTDMA与固定TDMA协议的性能对比Fig.4 Performance between HF － DTDMA and fixed TDMA

从图4中可以看出，随着节点数的增加，固定TDMA与动态HF－DTDMA协议在性能上都会降级。当节点数在10～20之间时，信道利用率和接入时延性能上，HF－DTDMA仍然优于固定TDMA时隙分配机制。

在节点数超过20以上时，端到端的传输时延仍然保持在100 s以内，当网络节点数在20个时，端到端时延迟大致为48 s，可以满足近实时格式化消息传输的需求。

需要注意的是，上述的动态时隙分配策略以单信道传输体制为主，而且每个节点在一次传输机会中发送的数据量受到时隙长度的限制，如何将动态的TDMA分配策略扩展到多信道传输体制下，同时依据短波波形体制和传输分组大小，确定TDMA时隙长度，保证在TDMA机制下的最优化传输性能是需要进一步解决的重点。

另外，由于实际的短波网络环境具有业务量动态变化的特点，如何根据每个节点的业务量大小建立业务传输的动态时隙分配竞争机制，保证优先级高的节点更快地接入信道，实现信息的实时传输，需要进一步的研究。

5 结语

短波数据链可以实现超视距传输的功能。但是短波频段窄，传输速率低，短波资源的动态使用可以有效地提高短波通信的运行效率。因此，结合短波数据链的应用需求，提出了HF－DTDMA协议，该协议通过同时时隙分配策略，实现对短波资源的动态分配，充分提高了短波信道的利用效率。通过仿真结果，提出的HF－DTDMA协议能满足短波数据链的设计要求。多信道的动态时隙分配策略以及动态时隙的竞争使用策略还有待进一步研究。

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