无线双通道网络话音业务信道接入性能分析*

杜传报,全厚德,唐友喜,崔佩璋,郑保明

(1.军械工程学院信息工程系，石家庄　050003；2.电子科技大学通信抗干扰技术国家级重点实验室，成都　610054；3.总装通保部采购中心，北京　100000)

无线双通道网络话音业务信道接入性能分析*

杜传报**1,全厚德1,唐友喜2,崔佩璋1,郑保明3

(1.军械工程学院信息工程系，石家庄050003；2.电子科技大学通信抗干扰技术国家级重点实验室，成都610054；3.总装通保部采购中心，北京100000)

无线双通道网络能够有效解决战术环境下码分组网数目过小造成的码分资源浪费问题。混合业务传输环境下,实时话音业务信道接入性能是衡量无线双通道网络性能的关键指标之一。通过使用一种理想的固定时分信道带宽分配方案,在保障话音业务传输实时性的条件下,分别从单跳网络拓扑和多跳网络拓扑结构给出了双通道网络可用信道数目。使用基于优先权的混合业务多服务台离散时间排队模型分析了双通道网络的话音业务平均数目、呼叫阻塞概率、平均网络吞吐量和信道利用率等性能。数值计算结果证明:相比传统网络,双通道网络在混合业务高负载条件下能够容纳更多的话音业务并具有更低的呼叫阻塞概率。

双通道网络;码分资源;话音业务;信道接入;阻塞概率;网络吞吐量

引用格式:杜传报，全厚德，唐友喜，等.无线双通道网络话音业务信道接入性能分析[J].电讯技术，2016，56(3)：252-258.[DU Chuanbao，QUAN Houde，TANG Youxi，et a1.Channe1 access Performance ana1ysis of voice services in wire1ess dua1-channe1 networks[J].Te1ecommunication Engineering，2016，56(3)：252-258.]

1　引 言

初级战术互联网主要使用码分组网方式划分群网内部子网[1]。由于实际组建子网数目通常远远小于理论组网容量(正交同步组网理论容量等于跳频频率集数目)，大部分跳频序列空闲未被利用，造成网络码分资源严重浪费[2]。针对某型电台设计的无线双通道网络采用由控制通道和数据通道构成的双通道结构，分配给每个数据业务的数据通道均能够独自使用一条跳频序列。在高业务负载条件下，双通道网络能够充分利用跳频序列集，减小码分资源浪费。

实时话音业务和非实时数据业务是战术环境下的主要业务类型。当混合业务接入网络时，保障话音业务的实时性和服务质量(Qua1ity of Service，QoS)是衡量无线双通道网络性能好坏的关键技术指标。无线ad hoc网络由于节点移动性、信道资源有限等特性，其语音分组实时性和低时延等QoS质量需要设计特有的具有语音QoS保障机制的信道接入协议完成。文献[3-4]使用连续时间拟生灭过程分析混合业务排队模型，文献[5]基于IEEE802. 11b分布式协议研究了无线自组网的实时语音业务质量，文献[6]针对无线ad hoc网络设计了支持语音/数据业务的信道接入协议，文献[7-8]给出了无线ad hoc网络使用不同路由协议时语音业务的性能评估。上述研究主要是使用连续拟生灭过程、基于Markov链方法、随机性排队理论和排队网络等方法得到系统稳态概率分布，进而求解语音业务接入性能解析式。因为双通道网络基于时隙同步，需要使用基于离散时间的混合业务排队模型。

本文通过使用一种理想的固定时分信道带宽分配方案给出双通道网络在保障语音实时性前提下的可用信道数目，并使用基于优先权的混合业务多服务台离散时间排队模型求得网络稳态概率分布，进而得到话音业务性能指标解析表达式。数值结果验证了双通道网络具有比传统网络更为优越的话音业务容量和更低的话音业务阻塞概率。

2　无线双通道网络

战术网络中群网内部的子网区分通常使用码分组网方式，其使用的跳频序列本质是时频序列，代表的时频资源称为码分资源。以正交同步组网为例，实际使用的子网数目远远小于可用的正交跳频序列数目，造成码分资源的严重浪费。如图1所示，群网1频率集为{f0，f1，f2，…，fn-1}，频率集数目为n，组网容量为n，子网数目为m，序列m+1～m为空闲码分资源。

图1　空闲码分资源示意图Fig.1 The id1e code resource

双通道网络[9]使用由控制通道和数据通道构成的双通道结构，网内节点通过单收发机动态切换实现控制通道和数据通道间的通道转换。网内所有节点在控制通道上传输管理控制信息，有业务需求的源目节点沿路由构建一条数据通道实现数据传输，网络构建的数据通道数目由业务数目决定。控制通道和数据通道均使用不同跳频序列，节点通过动态切换收发机实现不同跳频序列的使用。

传统ad hoc网络(设子网数目为1)内多业务间竞争的是同一跳频序列对应的频率资源，随业务数目增加，单业务得到的信道资源快速下降，网络会出现过载现象，但组网过程中剩余的码分资源仍处于浪费状态。正交同步组网时，双通道网络每条业务使用一条跳频序列，业务数目增加不会影响单业务传输性能，进而提高业务传输效率。但非正交同步组网时，由于序列非正交性，随业务数目增加会产生更多碰撞频点，降低单业务传输性能。因为双通道网络基于时隙同步，正交跳频序列容易实现，本文仅考虑正交同步组网方式下的业务接入性能。

3　双通道网络话音接入性能分析

3.1固定时分信道带宽分配方案

多业务接入本质上是指多个业务节点竞争相同信道资源以获得数据分组发送的权限，通过设计合理的信道接入协议实现信道资源的最优化分配。为简便起见，假设双通道网络使用一种理想时分信道带宽固定分配方案，节点不存在分组碰撞冲突问题。假设超短波频段信道带宽为N，系统首要保障实时话音业务，以话音业务带宽M为单位信道大小，故可用于业务分配的信道数目为N/M。借鉴时分复用思想，我们将帧作为单位时隙，帧由多个分组构成，单位帧长表示信道可用带宽N，帧内分组数目按照特定比例划分为可用信道，则单位信道带宽在时间轴上看作是由一定数目的分组构成，帧内分组按照一定规则固定分配给各信道。

3.2可用信道数目

正交同步组网方式下，设每条跳频序列对应的信道带宽为N。数据业务分为数据信息和控制信息，以话音业务带宽为例，其数据信息和控制信息所占带宽分别为Md和Mc。双通道网络所有数据业务的控制信息均使用控制通道传输，其数据信息部分分别在不同的数据通道中传输。为简便起见，非实时数据业务带宽分配和话音业务相同。

单跳双通道网络是全连通网络，不存在中继转发节点，控制通道信道带宽为N。因此，设双通道网络业务数目为Numtask，则有Numtask≤⎿N/Mc」，⎿N/Mc」表示双通道网络的可用信道数目，其上限取决于双通道网络控制通道信道带宽和业务控制信息所占带宽的比值。由于单跳传统ad hoc网络中的所有业务均使用同一条跳频序列，故其可用信道数目为⎿N/(Mc+Md)」。

多跳双通道网络存在的流内干扰问题是分析多跳ad hoc网络和单跳ad hoc网络端到端可用带宽的主要区别，流内干扰本质是指路径上邻跳节点对相同信道资源的竞争使用。本方案采用学者普遍使用的理想分组调度模型[10]，即路径上的链路间分组传输同步，链路间无分组碰撞。理想分组调度模型给出的是端到端可用带宽的理论上限，实际网络中由于链路间分组碰撞等缘故会低于理论值。图2为理想分组调度模型示意图。由图可知，理想分组调度模型中，多跳路径的端到端可用带宽为单链路信道可用带宽与竞争链路数目之比。当路径长度小于4时，竞争链路数目减小，端到端可用带宽增加。故路径长度为nhoP时，端到端可用带宽WB表达式[11]为

结合式(1)，类似单跳网络，⎿WB/Mc」表示多跳双通道网络的可用信道数目，多跳传统网络的可用信道数目有WB/(Mc+Md)」。

图2　理想分组调度模型Fig.2 The idea1 Packet schedu1e mode1

3.3话音业务信道接入性能分析

本节使用基于业务优先权的信道预留方案[12]保障话音业务实时性。设系统有两类业务：第一类是非实时性数据业务；第二类是实时性话音业务。网络首先满足话音业务优先接入，当总业务数目小于可用信道数目，优先满足话音业务接入；其次是数据业务接入，当总业务数目等于可用信道数目时，将某数据业务中断放入缓存排队等待接入，接入话音业务，设缓冲为无限长buffer；当所有话音数目等于可用信道数目时，网络满载，阻塞请求接入的任何业务；当总业务数目等于可用信道数目时，请求接入的数据业务均放入缓存排队等待接入。图3为网络优先接入机制示意。

图3　网络优先接入机制示意Fig.3 The Priority access mechanism for the wire1ess network

3.3.1二维状态转移概率矩阵P

网络业务接入使用基于业务优先接入的混合业务多服务台早到系统离散时间排队模型[12]。该模型为早到系统，业务接入只能在时隙开始时刻进入，业务离开只能在时隙结束时刻离开。假设双通道网络有Numch个信道供混合业务同时接入，并且第i类业务到达发送窗口的时间间隔分布服从参数为业务到达速率λi的几何分布，业务服务时间(业务离开速率倒数)服从参数为业务离开速率μi的几何分布，即P{T=k}=λi，P{S=k}=μi，k=1，2，3…；i=1，2。

3.3.2系统稳态概率分布

当系统处于某稳定状态时，据矩阵P可知，{Task1(n)，Task2(n)，n＞0}的稳态极限使用{Task1，

3.3.3系统关键性能指标

本节仅关注实时话音业务信道接入性能。当系统平衡时，双通道网络的话音业务的平稳概率分布为

双通道网络中传输话音业务的平均数目Numtask2为

话音业务的阻塞概率Pb1ock为

话音业务的平均网络吞吐量Tvoice为

话音业务的信道利用率U为

4　数值计算

本节基于现役超短波跳频电台组网主要参数配置，使用MATLAB软件对4种网络的话音业务接入性能数值计算。

假设网络使用超短波频段30～87.975 MHz，信道带宽N=64 kb/s，跳频频率数目256，跳速1 000 hoP/s，数据分组大小SdP=128字节，控制分组大小ScP=128 b。设话音业务带宽M=2 400 b/s，非实时数据带宽与其相同，其中业务中的数据信息所占带宽Md=2 160 b/s，控制开销所占带宽Mc=240 b/s。传统网络所有节点使用相同跳频序列，在单跳拓扑结构条件下可用信道数目为Numchst=⎿N/M」=26。双通道网络的控制通道和数据通道均使用不同的跳频序列，其信道带宽均为N，其可用信道数目受限于控制通道最大能够传输的控制信息数目，其Numchsd=⎿N/Mc」=266。设帧为时隙单位，帧长Ts=1 s，每个帧内的分组使用固定分配方式以保证业务传输质量。多跳拓扑网络结构下，设业务平均路径为3跳，则依据式(1)可知，信道带宽为N/3=21 kb/s。根据单跳拓扑条件下各网络的可用信道数目可知，多跳传统网络可用信道数目为Numchmt=⎿N/M」=8，多跳双通道网络可用信道数目为Numchmd=⎿N/Mc」=85。业务到达速率是指单位时隙开始时刻进入的业务数目占可用信道数目的比值，有λ2=5λ1。数据业务的平均持续时长为200 s，语音业务平均持续时长为100 s。

4.1话音业务平均数目vs.到达速率

图4是话音业务平均数目随话音业务到达速率的变化曲线图。由图可知，单跳拓扑结构条件下话音业务平均数目明显多于多跳拓扑网络结构，这是由于多跳路径为了避免路径内干扰使用时分机制传输分组造成可用信道数目减小所产生。其次，双通道网络的话音业务平均数目随业务到达速率增加快速增长，这是因为相同业务到达速率条件下，双通道网络单位时间到达的话音业务数目大于传统网络。再者，相对于传统网络，双通道网络话音业务平均数目趋于信道数目上限时有更高的话音业务到达速率，即能够承受更多的话音业务需求。

图4　话音业务平均数目vs.业务到达速率Fig.4 Average number of voice service varying with different arriva1 rates

4.2话音阻塞概率vs.到达速率

图5是话音业务阻塞概率随业务到达速率变化曲线示意图。由图可知，阻塞概率随到达速率增加而增加。其中，由于多跳传统网络可用信道数目最小，因此当业务到达速率较小时其话音阻塞概率就急剧增加，远远高于其他网络。其次，相比其他网络，单跳双通道网络由于具有大量的可用信道数目，故其阻塞概率最小，且随到达速率增大而缓慢增加。再者，双通道网络的话音业务数目只要在跳频序列数目之内，不存在阻塞数据通道的问题，其话音业务数目主要受限制于控制通道传输业务控制信息数目的能力。

图5　话音业务阻塞概率vs.到达速率Fig.5 B1ocking Probabi1ity of voice service varying with different arriva1 rates

4.3平均网络吞吐量vs.到达速率

图6给出了话音业务吞吐量随业务到达速率变化曲线。由图可知，相比较于传统网络仅使用一条跳频序列使得跳频周期内的频率利用率非常低，双通道网络能够使用和话音业务数目相同多的跳频序列，因此具有更逼近网络吞吐量理论极限的能力。其次，单跳双通道网络的话音业务吞吐量最大值之所以仍远远小于理论值，这是由于网络的话音业务数目上限受限于控制通道所能够容纳的控制信息数目。

图6　话音业务平均网络吞吐量vs.到达速率Fig.6 The average networkthroughPut of voice servicevarying with different arriva1 rates

4.4话音业务信道平均利用率vs.到达速率

话音业务信道利用率是指话音业务数目占可用信道数目的比值。图7为话音业务信道利用率随业务到达速率变化示意。由图可知，随业务到达速率增加，话音业务信道业务利用率快速增加，这是因为接入网络的业务数目增多所致。其次，网络可用信道数目越少，比如多跳传统网络，其在业务到达速率较小的情况下增长越快。因此，双通道网络由于利用更多跳频序列，具有更多的可用信道数目，能够允许更大的业务接入速率。

图7　话音业务信道利用率vs.到达速率Fig.7 Channe1 uti1ization of voice service varyingwith different arriva1 rates

4.5系统性能参数最优配置

结合上述数值结果，给出了当话音业务阻塞概率为5%时各类型网络的性能参数指标，见表1。据表1可知，单跳双通道网络可用信道数目远远大于其他类型网络。双通道网络在以话音业务阻塞概率5%为QoS约束条件下，具有相比较于传统网络更优的性能指标。

表1　话音业务阻塞概率为5%时各类型网络性能参数指标Tab.1 The Performance Parameters existing in a11 tyPica1 networks when the b1ocking Probabi1ity of voice service is 5%

5　结束语

本文通过使用一种理想固定时分信道带宽分配方案求解出双通道网络面向混合业务接入的可用信道数目，使用基于业务优先权的离散时间排队模型求解出网络的稳态概率分布，进而求解得到话音业务平均数目、阻塞概率、网络吞吐量和信道利用率等解析表达式；最后分别从单跳拓扑结构和多跳拓扑结构角度对双通道网络和传统网络的话音业务接入性能做了数值计算和性能比较。理论数值结果证明：相比较传统网络，双通道网络具有更多的可用信道数目，能够保障更多的实时话音业务接入和较低的阻塞概率。下一步将通过网络仿真验证网络性能。

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杜传报(1987—)，男，陕西人，2011年获硕士学位，现为博士研究生，主要研究方向为无线通信组网；

DU Chuanbao was born in Shaanxi Province，in 1987.He received the M.S.degree in 2011.He is current1y working toward the Ph.D degree.His research concerns wire1ess communication networks.

Emai1：1eoPard0306@126.com

全厚德(1963—)，男，辽宁人，军械工程学院教授、博士生导师，主要研究方向为无线通信技术；

QUAN Houde was born in Liaoning Province，in 1963.He is now a Professor and a1so the Ph.D.suPervisor.His research concerns wire1ess communication techno1ogy.

Emai1：quanhoude@126.com

唐友喜(1964—)，男，河南人，电子科技大学教授、博士生导师，主要研究方向为无线通信网络、MIMO等；

TANG Youxi was born in Henan Province，in 1964.He is now a Professor and a1so the Ph.D.suPervisor.His research concerns wire1ess communication network and MIMO.

Emai1：tyx@uestc.edu.cn

崔佩璋(1974—)，男，山西人，军械工程学院副教授，主要研究方向为无线通信技术。

CUI Peizhang was born in Shanxi Province，in 1974.He is now an associate Professor.His research concerns wire1ess communication techno1ogy.

Emai1：cuiPeizhang@126.com

Channel Access Performance Analysis of Voice Services in Wireless Dual-channel Networks

DU Chuanbao1，QUAN Houde1，TANG Youxi2，CUI Peizhang1，ZHENG Baoming3
(1.DePartment of Information Engineering，Ordnance Engineering Co11ege，Shijiazhuang 050003，China；2.Nationa1 Key Laboratory of Science and Techno1ogy on Communication，University of E1ectronic Science and Techno1ogy of China，Chengdu 610054，China；3.Procurement Center，Communications SuPPort DePartment，PLA Genera1 EquiPment DePartment，Beijing 100000，China)

Dua1-channe1 network(DCN)can reduce code resource wastage caused by the condition that a fewer subnets are needed for the tactica1 very high frequency(VHF)network with code division networking scheme.Under the hybrid services transmission environment，the channe1 access Performance of rea1-time voice service is one of the key issues to eva1uate DCN Performance.In this PaPer，an idea1 fixed channe1 bandwidth a11ocation scheme based on time division mechanism is emP1oyed to ana1yze the avai1ab1e channe1 number in DCNs.Then a hybrid service mu1ti-server discrete s1ot queue mode1 based on access Priority is used to derive the network state transition Probabi1ity and steady state Probabi1ity distribution.The mathematica1 exPressions of average number，ca11 b1ocking Probabi1ity，average network throughPut and channe1 uti1ization efficiency of voice services in DCNs are a1so devided according to the mode1.Numerica1 resu1ts demonstrate that，comPared with the traditiona1 network，DCN can own a higher voice service number and a 1ower ca11 b1ocking Probabi1ity.

dua1-channe1 network；code resource；voice service；channe1 access；ca11 b1ocking Probabi1ity；network throughPut

The Nationa1 Natura1 Science Foundation of China(U1035002/L05);The Nationa1 Science and Techno1ogy Major Project (2014ZX03003001-002)

TN929

A

1001-893X(2016)03-0252-07

10.3969/j.issn.1001-893x.2016.03.004

2015-09-07;

2016-01-20 Received date:2015-09-07;Revised date:2016-01-20

国家自然科学基金资助项目(U1035002/L05);国家科技重大专项(2014ZX03003001-002)

**通信作者:1eoPard0306@126.com Corresponding author:1eoPard0306@126.com