航空自组网拓扑透明时分多址接入协议设计与建模优化分析

◆邹 健 刘蓝田



航空自组网拓扑透明时分多址接入协议设计与建模优化分析

◆邹 健 刘蓝田

（中国电子科技集团第二十八研究所 江苏 210007）

航空自组网允许节点通过两种方式直接通信，即单跳式和多跳式，其不需要依赖于地面控制中心，即可为航空通信提供灵活网络架构。以此为基础，改设计能够自行组织多址接入协议——TDMA。在拓扑透明时和时隙自组织的基础上，通过引入时隙二次分配形式，能够保障网络时针保持空闲与冲突时隙。通过数字模块分析二次节点竞争中的最佳概率，能够使保障时隙的最佳利用率。

航空自组网；时隙利用率；自组织时分多址接口；二次分配

0 引言

随着我国移动自组网不断发展与革新，该技术在航空通信领域中的应用愈加广泛，进而形成航空自主网。在该网络中，节点是通过自组织的形式形成自发组网，该通信方式不需要依赖地面控制中心，并通过单跳式和多跳式实现两种直通通信。航空自组网具备灵活、效率高、可靠性高、抗冲击等优点，能够有效满足未来飞行器的运行需求，该技术无论在民航还是军用航空都具备广阔前景，具有重要的应用价值和理论研究价值。

1 STDMA协议

STDMA是当今航空领域应用比较广的技术，其每个节点网络所选的时隙数量，要以自身报文报告率决定——。以现有的STDMA协议分析，该节点自组织选取传输时隙主要有以下四种阶段：

1.1 初始阶段

在该阶段中，节点通过侦听其它节点中的报文形成系统时隙状态，进而预设选择最优网络节点。

1.2 入网阶段

节点在确定为最优网络节点后，会根据时隙状态选择第一个传输时隙，并且通过网络定位来传输自身的位置信息，并告知其它节点加入本节点网络。节点首先要根据网络时帧中的总时隙S与的比例指来确定时隙间隔。待到确定后，要根据时隙状态表中的时隙占有率来选择最优可传输时隙，并根据时隙来确定后续的选择基准。

1.3 第一时帧阶段

待到节点选择万后续传输时隙时，要定义NTS中心时隙选择窗口——，窗口大小为1/5。在每个中，每个节点都会在空闲时选择最优传输时隙。待到节点前一个时隙接受时，会自动广播下一个时隙信息。待到第一时帧完毕之后，即进入后续时帧阶段。

1.4 后续时帧阶段

待到第一时帧阶段结束之后，该节点会继续使用第一时帧阶段来播放传输时隙未来的预约信息。

2 ESTDMA协议

2.1 网络时帧结构定义

ESTDMA协议将网络时帧时隙划分为四个阶段，即首次分配阶段、二次分配阶段、数据传输阶段、收方应答阶段。其中，首次、二次分配阶段还能够进一步划分为预约请求RTR与预约应答CTR。

2.2 自组织时隙选取中的时隙首次分配

节点选择要根据STDMA中的时隙选择法，进而选择自身的信息传递时隙。当新时隙到来之时，节点可自主判断当前所选时隙是否满足预设时隙效果。如果所选时隙符合标准，则将该时隙设置成待发状态，进而对广播发送时隙进行分组，或者预约当前时隙。如果节点内容为广播业务，则需要将广播数据进行分组；如果节点内容为单播任务，则可以在首次分配阶段发送RTR帧来预约当前时隙。待到接收点接受到RTR时帧后，要对CTR帧给予回复。如发送点接受到CTR数据，则代表间隙预约成功，所发送的节点可以在实习数据传输中无冲突的发送数据分组信息。如果节点时隙在首次分配阶段出现问题，则代表在同一网络中有多个节点选择了同一时隙，造成预约拥堵或预约冲突，这时即可采用二次分配手段让节点再次竞争时隙。在时隙选择过程中，如果节点所选时隙不是预设时隙，那么该节点所发送的认为即为单播任务，节点在首次分配阶段CTR阶段监听信道，如果该信道保持空闲，那么节点即可采用二次分配时隙竞争策略来预测当前时隙。

2.3 竞争时隙时的二次分配测量

在特定的网络条件下，节点通过建模分析技术来确定网络吞吐最大值，进而获取二次分配阶段预约时隙最大概率P。如果节点在首次分配阶段没有成功获取时隙，或者首次肥培阶段的CTR监听通道空闲，那么该几点要进入二次竞争配分节点，并将最大概率P值发送到RTR中，待到RTR受到指令后进行竞争二次预约时隙。接受节点受到RTR命令后，要给CTR发送应答信息。如果节点在竞争中的二次分配中预约成功，那么当前时隙数据节点会无冲突地传输数据信息。

3 二次分配节点节点竞争预约时隙模块优化

二次分配节点竞争预约时隙最大概率是影响预约成功率（P）的关键因素，因此，为了能够提高最大预约率P可以从以下几点出发：

当发送节点在首次配分选择时隙向接受节点发送时隙预约时，如果发送节点临据节点同时向接受节点发送预约指令时，要进行广播数据分组，由于预约节点过多，会使首次预约间隙发生冲突，导致发送节点时隙预约失败。假设网络中的节点预约成功率相同、时隙选择窗口相同时，则预约节点时隙和选择窗口会有一个重复率。则会出现首次分配预约率吞吐量T1与二次预约成功吞吐量T2，因此，想要提高首次分配成功率可以提高发送节点的数据量，减少其他发送节点的数据量；二次竞争时隙预约要重点提高竞争预约率P，将竞争预约时隙获得系统中最大的单播吞吐量，进而提高竞争预约成功率。

4 结果比较分析

本文重点提出了ESTDMA 协议与 STDMA 协议，二者作为两种不同的通信协议，通过二者进行比较能够选择最优的通信协议。

4.1 模型验证

在不同发送节点条件下，能够得到单播吞吐量与最大预约量之间的关系。通过二者能够的竞争最大预约概率P，并将ESTDMA 协议与 STDMA 协议中的P进行对比，由于ESTDMA通过多次预约，并且能够融入多个发送节点，因此在发送节点相同的情况下，在二次分配中竞争节点中，ESTDMA的预约时隙最佳概率最大，即在二次分配中ESTDMA预约成功率最大。

通过对二次分配阶段预约时隙所获得的最大吞吐量值与ESTDMA的最大吞吐量进行对比。我们从中可以分析到，在不同的发送节点条件下，ESTDMA所得出的最大单播吞吐量能够与理论最大吞吐量保持一致。无论是实验值还是仿真值，都能够说明ESTDMA协议在特定的发送节点条件下，能够保障最大吞吐量。

4.2 协议性能评估

通过对发送节点数量、预约最大概率、播放组概率分析比较，能够得出，在节点数量与播放组概率相同时，发送节点数据业务为单播业务概率越大，ESTDMA 协议与 STDMA 协议所获得单播吞吐量越大。如果发送节点数量与预约量一定时，则网络层队列中的数据组发送概率越大，ESTDMA 协议与 STDMA 协议的获得单播吞吐量就越大，因此，发送节点数量与单播最大吞吐量有直接关系。这是由于播放组概率和最大预约率与网络层队列单播数据组为正比，数据组越多，发送的单播数组组的概率越大，因此2中协议会获得最大吞吐量。由于ESTDMA中存有二次竞争预约技术，如果首次分配出现问题会进行二次竞争分配，因此，ESTDMA 协议与 STDMA 协议相比，ESTDMA能够获得更好的单播吞吐性能。随着发送节点不断增加，2中协议的单播吞吐量也随之减少，但ESTDMA依然更胜一筹。

5 结束语

航空自组网在航空通信领域中有着广阔的应用前景。本文介绍了ESTDMA 协议与 STDMA 协议，其中，ESTDMA引入了二次竞争预约方案，能够实现时隙利用率的最大化。因此，ESTDMA是航空通信领域应用与发展的一大趋势。希望相关部门、相关人员结合节点不同服务需求与类型，不断研究时隙最佳优化方法，推动我国航空通信发展。

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