一种双通道数据链端机的多址接入方法设计

石伟明

（中国电子科技集团公司第二十研究所，西安，710068）

0 引言

数据链是采用网络通信技术和应用协议有效地链接各种作战平台，实现战术信息处理和传输的军用数据通信系统。数据链在现代信息化战争中起着神经网络的作用,能够快速激活全维战场中的各种作战力量，对作战能力的提升起到“黏合剂”和“倍增器”的作用，能够有效地缩短传感器到射手的反应时间。

多址接入协议提供了一种信道共享的调度机制，确保多个通信节点间公平、高效地共享相同的无线信道资源，决定了节点业务量和网络吞吐量，是数据链路层设计的重中之重。多址接入协议决定了分组接入信道的方式，确保多个通信节点间公平、高效地共享相同的无线信道资源，很大程度上影响了分组传输成功率和平均时延性能，是数据链路层设计的核心问题。

1 现有数据链接入协议

现有数据链数据链路层设计大多基于 TDMA或者SPMA接入体制。两种体制分别有以下优缺点：

TDMA协议属于固定接入协议的一种，TDMA协议在节点个数较少或信道带宽较大时，可以满足节点的业务量需求；并且由于各时隙间互不重叠且具有保护时隙，使用 TDMA协议可以避免多址干扰，保证分组传输的成功率。但是 TDMA协议的信道利用率较低，不能根据节点业务需求的变化及时调整时隙分配方案，从而导致时隙分配不合理，造成资源浪费[1]。

SPMA属于随机接入协议的一种，它是一种跨层协议，具有远距离、低时延、高速率的特点[2]。一方面，它需要物理层统计无线信道出现的分组总数，作为衡量信道负载拥塞情况的依据；另一方面，SPMA 支持多优先级传输功能。SPMA协议根据当前的信道负载统计信息和对应的门限阈值来控制其是否接入网络，视信道负载的升高来逐步减少低优先级分组的发送机会，从而合理地控制信道负载，减少脉冲间发送碰撞的概率。但是在节点数多的情况下，碰撞不可避免，较 TDMA体制，传输成功率低。

现有 TDMA网络具有传输的可靠性却无法保证信息传送时延的问题，而SPMA网络虽然具有很好的低时延性，但却无法保证数据包传输的可靠性，为了克服现有技术的不足，本协议提出并设计了一种基于SPMA与TDMA混合接入的自组织网络体系的多址接入协议。

2 基于双通道多址接入方法设计介绍

本协议采用物理层双通道接收特性，建立2个物理隔离通道，分别用于TDMA和SPMA，每个成员同时在两个通道上进行数据收发。

图1 TDMA发送管理

2.1 TDMA接入方法设计

TDMA多址接入方法主要维护网络的可靠运行，网络分配的资源仅保留入网、PPLI、网管资源和相应的中继资源，采用预先分配的方式。为了保证组网灵活性仅设计大、中、小三种成员规模，网络资源和平台对应关系采用平台 ID号实现方式，这些资源都是主网资源。保留时间基准、辅助时间基准、替补时间基准、中继等网络责任。该通道仅限于组网使用，主要消息包括PPLI、入网、网管等，TDMA通道无层叠网，采用中继的方式实现信息转发。

在系统组网前，由网络层向 TDMA资源管理器设置资源分配表。TDMA通道严格按照时隙起点发送数据，网络层在网络建立前将时隙分配方式下发到链路层，链路层根据时隙类型建立发送队列。例如当网络层需要发送 NPG为入网消息类型的数据帧时，将产生的数据通过接口送往 TDMA发送管理模块，TDMA发送管理模块根据类型将该数据放入入网消息发送队列，等待入网时隙的到来。当从接收模块接收到入网消息，将数据拷贝送往TDMA发送管理模块，TDMA发送管理模块的中继过滤器判决是否转发，如需转发将数据帧放入入网中继发送队列。当新的一个时隙到来时，根据下一时隙NPG类型从不同NPG队列中获取TDMA数据帧发送物理层，并向发送调度模块发送 TDMA预约信号，物理层在下一个时隙到来时发送TDMA数据帧，数据发送完成后向发送调度模块发送“信道释放信号”。

2.2 SPMA接入方法设计

所有应用层业务使用SPMA通道，采用SPMA调度算法实现信息收发，业务消息的超视距通信采用路由方式传输。SPMA接入方法设计主要由信道负载统计、多优先级QoS及流量控制组成。

2.2.1 信道负载统计

信道占用状态通过 SPMA协议的控制算法从物理层获得，根据信道中检测到的脉冲的数目和预先设定的阈值确定信道的占用状态。通过在每个频点上都分别统计信道占用状态，最后得出整个可用时频空间中的信道负载统计。从物理层获得的信道负载统计还将通过网络层的网络感知消息（PPLI消息）进行校准，若两者的测量结果之间的差距超过一定容限时，使用启发式技术去估计实际的信道占用状态。

2.2.2 多优先级的QoS设计

SPMA协议采用了多优先级的QoS机制[3]，总体的原则是高优先级的包比低优先级的包有更大的概率接入信道。根据信道负载统计，当网络的负载超过一定阈值时，SPMA协议将优先保证高优先级包的信道接入，而减少低优先级包接入信道的机会。另外，低时延业务具有最高优先级，不经过SPMA调度算法协议直接进入物理层发射。

2.2.3 流量控制机制

当网络超载时，SPMA协议将首先控制低优先级数据的流量，减少低优先级包接入信道的机会，直到网络负载降低到一定水平以下时，再恢复低优先级包的正常接入。如果网络负载始终很高，SPMA协议会阻塞低优先级包的发送；若网络变得严重超载，会相继阻塞高优先级包的发送。这样做的效果是，SPMA协议使得网络中的各个节点具备了认知属性，可以根据网络负载状态选择是否接入信道，避免信道繁忙造成的碰撞丢包，实现“削峰填谷”让网络负载保持平稳状态。

2.3 发送调度设计

2.3.1 负载统计模块

现有的负载统计是基于物理层获取信道负载或者网络层获取信道负载统计，两种方法各有优缺点。在轻负载情况下，使用物理层获得的信道负载统计值具有很高的准确性，但重负载下同步信号严重丢失导致从物理层获得的信道负载统计值比实际信道负载值偏小。网络层负载统计对统计时效性比较差，但在重负载情况下具有较高的正确性。本文结合两种方法的优缺点，设计了一种准确的混合式信道负载统计方法。

该统计方法在轻负载情况下，使用物理层获得的信道负载统计值，在避免重负载下同步信号严重丢失导致从物理层获得的信道负载统计值比实际信道负载值偏小，可以通过网络层获得的信道负载统计值进行校准，若两者统计结果之间的差距超过一定容限时，从物理层获得的信道负载统计值可信度较低，此时使用网络层获得的信道负载统计值进行校准。

2.3.2 发送决策模块

网络中真正存在的数据包个数是由网络中的每个发送端决定的，因此每个发送端的数据包发送速率是网络中真实网络负载的决定因素。因此采用基于发送端的网络负载感知与控制方法。

首先，每个节点采用离线仿真的方法，获取本节点传输覆盖范围内的网络负载与丢包率、吞吐率等的映射关系，并确定出给定丢包率P下的节点发送速率之和UP；其次，每个节点根据负载统计模块更新统计的网络负载及发送速率，并预测其在下一个时钟周期内的业务发送速率；然后，每个节点通过与其邻节点交互各自预测的发送速率μ，获知其传输覆盖范围内其他邻节点的发送速率；最后，每个节点在发送数据包时，根据下述公式计算当前数据包的发送速率μ。

其中，数据包的发送速率μ的计算公式如下：

其中，Δ为速率变化的增量，Δ=0.1*Up total _ node。若连续两次0μ+Δ，则Δ=2Δ；若连续两次0μ-Δ，则Δ=Δ/2。称为该节点处的剩余网络负载容限，该值的大小决定了本节点在下一个时钟周期内的发送速率。

式（1）是将剩余网络负载容限与上个周期的数据包发送速率进行比较，在原有的发送速率的基础上进行调整，保证发送速率不会有太大的波动。

2.3.3 发送调度控制

由于端机发射机只有一个，应优先保障网络运行正常，因此 TDMA通道数据发送优先级最高，SPMA任何发送数据都需要避让 TDMA发送的数据。其次才是采用 SPMA优先级发送策略决定SPMA发送队列中各优先级数据业务的发送顺序。

发送调度控制示意图如图 2所示，当有 TDM数据发送时，TDMA发送管理模块提前一个时隙向调度模块发送预约信号，预约信号可以在下一时隙暂停SPMA发送调度，待TDMA发送管理模块发送“发送完成”信号，释放信道资源后，调度模块继续工作。

图2 发送调度示意图

图3 轻负载下负载统计

图4 重负载下负载统计

负载统计模块接收物理层和网络层信道负载统计及本节点发送统计，当两者统计结果相近时，向发送决策模块输送物理层统计结果，当物理层和网络层统计相差达到一定门限是，说明网络存在严重的冲突，向发送决策模块输送网络层统计结果，降低各个节点发送速率，降低网络的负载。

发送决策模块根据负载统计模块统计结果用式（1）实时计算节点发送速率，即单位时间内发送脉冲的个数。当发送决策模块可以发送SPMA数据时，根据优先级选择器输出结果，调度相应优先级的SPMA数据。

3 仿真研究

3.1 发送速率UP

仿真得出在10、20、40和80个节点下丢包率为5%的情况下发送速率UP值如表1所示。

表1 不同节点个数下丢包率5%的发送速率UP值（个/s）

3.2 混合式信道负载统计

图3和图4分别是轻负载和重负载下网络层负载统计和物理层负载统计仿真图。当在轻负载下，物理层负载统计和网络层负载统计结果基本一致，所以此时向发送调度模块输出的是物理层负载统计结果。当在整个网络负载较重的拥塞情况下，信道由于冲突，从物理层获得的信道负载统计值与实际信道负载值相比存在很大误差，此时，使用网络层获得的信道负载统计值进行校准，向发送调度模块输出网络层负载统计结果，发送调度模块根据网络当前负载情况，降低本节点发送速率，从而限制网络实际输出负载到丢包率较小水平，使物理层信道负载统计恢复准确，从而保障网络不再拥塞进入良好工作状态。

4 结束语

本文主要介绍了利用TDMA和SPMA多址接入方法各自的优点，创新性的将两者结合起来的多址接入协议设计方法，该方法提供了一种信道共享的调度机制，确保多个通信节点间公平、高效地共享相同的无线信道资源，既保证组网的可靠性，又保证特殊业务对时延的要求。

本文介绍的多址接入方法已经在原理样机上实现，并多次进行外场试飞实验，适合大规模多成员节点间组网，具有快速组网，实时传送战场态势的特点，还可以根据不同业务特性，使用不同的接入方式，可以灵活的为不同应用的数据链实现动态化定制。

参考文献：

[1]梅文华, 蔡善法. JTIDS/Link 16 数据链[M]. 北京: 国防工业出版社, 2007: 66-67.

[2]刘志峰. 网络协同数据链数据链路层的研究与设计[D].北京理工大学, 2016.

[3]周赛. TTNT数据链的多址接入协议研究[D]. 西安电子科技大学, 2015.