基于时分多址的网络时隙资源分配研究

刘怀远，陈志为，王 柯

(中国电子科技集团公司第二十研究所，陕西 西安710068)

0 引 言

Link 16是保密、大容量、抗干扰的无节点数据链，设计目的是要满足现代战争绝大多数作战任务的战术信息交换需求。Link 16是美国防部用于指挥、控制和情报的主要战术数据链，支持监视数据、电子战数据、战斗任务、武器分配和控制数据的交换。Link16自研制以来，所进行的持续改进主要包括提高抗干扰能力、增强保密性、提高数据率、提高使用灵活性、减小数据终端尺寸等。目前，美军装备Link 16数据链的飞机主要包括空军的E-3、E-8预警机、A-10攻击机、F-15和F-16战斗机、各类轰炸机、侦察机、加油机和其他特种飞机，海军的E-2预警机、F-14和F-18战斗机。同时，与飞机配套使用的地面指挥所、机动控制分队、战术空军控制组和空战支援中心，也都装备了Link 16数据链。

Link16是一种无中心节点的系统，采用时分多址(TDMA)方式工作，把整个时间轴按时间段划分，最小的时间段称为时隙。网络中的每个多功能信息分发系统(MIDS)端机都分配有互不重叠的时隙用于发射数据，各个端机发射的信号由此不会产生冲突，因此其时隙资源的分配尤为重要。

1 时隙分配概述

Link16是以网络参与组[1]的形式为网内成员按重要性、信息交互功能需求与资源数量需求分配时隙，例如参与组的数量和类型、网络参与组接入频率、预测的数据大小、信息更新率、中继需求等，为网内成员进行时隙分配时需要考虑平台类型(指控平台、武器平台)与时隙接入方式，其中时隙接入方式又可分为专用接入方式、竞争接入方式、时隙再分配接入方式。

2 专用接入方式

专用接入方式[2]是在一个周期内把指定的时隙分配给指定的作战成员，该成员可不受限制地接入为其分配的时隙。专用接入方式的优点是能够确保作战成员有足够可用的发送时隙资源，且可以保证一个时隙内的消息收发没有冲突。但由于实际使用时可能会有非固定或动态周期性信息的传输需求，此时只用到所分配时隙的一小部分，会造成系统容量的浪费。

图1 专用接入方式

3 竞争接入方式

竞争接入方式[3]允许每个作战成员根据需求从参与组中伪随机地选择发送时隙，争用资源，参与组资源数量的多少取决于接入速率。在突发传输或由响应时间驱动消息传输的情况下，这种接入方式可以节省更多的系统容量。但是，由于在视距范围内的多个作战成员有可能在相同的时隙、相同的网号中发送消息，而此时接收成员仅能接收距离自己更近成员的信息，因此消息到达其预定目的端的概率会降低。

图2 竞争接入方式

4 时隙再分配接入方式

时隙再分配接入方式[4]下，作战成员可以周期地重新分配共享时隙池，每个成员能根据其预期的需求和其它成员通告的需求，为自己不断地更新时隙资源。在某个特定的网络参与组中，不同成员共享和分配用于信息交换的时隙共享池被称为再分配时隙池。如果全体成员对时隙的总需求超过了再分配时隙池的总容量，每个成员将根据需求按公共因子比例缩减分配给自己的时隙，保证分配的总时隙不超过再分配池的容量。这种接入方式可以根据预期的需求总容量，调整再分配池的大小以节省系统容量的开销，而不再考虑所有参与成员峰值容量需求的总和。这种接入方式主要用于连通性较差或时隙超载荷等情况，此时由于时隙冲突导致消息接收受到影响，信息传输的成功率会急剧下降，在用户数量变化且用户对系统容量的需求波动较大，或当用户数量和需求在初始化阶段无法预测时，也常使用这种接入方式。

每个作战成员要确定每个间隔(称作再分配周期)的时隙需求，并在消息中预告其在下一个再分配周期内将要使用的时隙占再分配时隙池时隙的百分比。再分配周期可按预期的需求进行调整，一般为6～48 s。

实现时隙再分配的作战成员至少能够同时在两个再分配时隙池工作。每个再分配时隙池只能与一个网络参与组有关，该时隙池的时隙只能用于该网络参与组的消息发送。单个网络参与组则可以同时使用多个再分配时隙池，但是在这个网络参与组中，一个作战成员只能同时在某一个再分配时隙池内发送消息。

图3 时隙再分配接入方式

4.1 时隙再分配池的建立

时隙再分配池的建立[5]是在系统网络设计阶段完成。它根据预估的时隙需求及用户容量来设计并确定各个网络参与组的时隙再分配池，时隙再分配池的主要设计原则如下：

(1)每个再分配时隙池只能与一个网络参与组(NPG)有关。

(2)每个再分配时隙池只能进行与该再分配时隙池相关网络参与组的消息发送。

(3)单个网络参与组可以同时使用多个再分配时隙池。

再分配时隙池参数主要包括再分配时隙池号、时隙块数、时隙块参数等信息。设计好的再分配时隙池参数包含在JIDS网络初始化数据文件中，随网络初始化时加载到各个用户端机中。

4.2 时隙再分配池的初始接入

参与使用时隙再分配接入方式网络参与组的每个作战成员，必须在专用接入时隙首先交互时隙再分配消息，从时隙共享池中请求占用时隙的百分数，并发布其它作战成员的请求。

参与再分配池的作战成员应以每个再分配周期发送一条消息的速率，发送一条包含其自身请求的时隙再分配消息。如果接收到组内其它作战成员的请求，同时也可以报告组内其它作战成员的请求，作战成员应根据时隙再分配消息更新其数据库。

如果没有给作战成员分配专用接入方式时隙，则在初始接入的一个时隙发送。初始接入时隙分配一般采用时隙可复用的专用接入方式进行分配。尚未加入再分配时隙池的作战成员，可使用专用接入方式分配的一个时隙，发布在下一个再分配周期中所需的时隙占再分配时隙池时隙数的百分比。在参与组中已经分配了专用接入方式时隙的作战成员必须在专用接入方式时隙发送接入消息，而不需要竞争使用初始接入时隙。

4.3 时隙申请

当一个作战成员需要占用再分配时隙池时，应在接入时隙广播时隙再分配消息，以便于其他加入该时隙池的作战成员接收，时隙再分配消息包括本身的时隙需求以及接收到组内其他作战成员的需求信息。时隙再分配消息的主要参数如下：

(1)再分配池号；

(2)自身需求，请求在下一个再分配周期中分配的时隙数占再分配池时隙的百分数；

(3)自身接收数，已经收到的需要从该再分配池中分配时隙的参与者数。

同时，当在初始接入时隙中接收到其他作战成员的时隙再分配消息时，存入本地的数据链表中，并在本作战成员发送时隙再分配消息时将接收到的信息向系统内发送出去，让更多的用户了解接入再分配池的参与者数及需求。

4.4 时隙占用及动态调整接入时隙

作战成员根据自身需求和其它组内成员的需求划分容量。由于作战成员预先衡量过它们的需求，因此总的需求预算不会超过时隙池的容量。作战成员用伪随机算法选择时隙，但要避免计算出的时隙与已分配给了在选择顺序中优先等级较高的作战成员产生冲突。选择顺序是基于一个指定作战成员以直接、中继或相互发布的任一方式接收到其它作战成员的需求量。报告最低需求量的作战成员首先选择时隙。

如果组内作战成员需要的时隙总和超过再分配资源池的容量，则各作战成员按需要成比例地给自己分配时隙，而且会按一个公因数成比例地减少，以便整个分配容量在再分配资源池容量之内。因为需要的时隙是可以周期调整的，所以使用时隙再分配方式可通过按预计总容量需求分配时隙，达到节省系统容量的目的。

5 结束语

本文介绍了Link16中基于TDMA 的时隙接入算法，重点介绍了时隙再分配接入方式，可以最大限度地保证用户在有限资源条件下的灵活接入。该方法对我国基于TDMA体系的各项工程均有借鉴意义。