◆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
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。
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。
2.1 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。
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。
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。
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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