面向空天地一体化的空时多址接入协议*

李光明，孙晓磊，谢杰荣

（海军潜艇学院，山东 青岛 266199）

0 引言

5G 商用促进了万物互联的发展，然而地面网络越来越难以满足大覆盖、高移动性以及多视距链路等通信需求。空天地一体化网络由卫星、空中网络和地面通信集成，在紧急通信、对地观测和空间探索等领域有广泛的应用[1]。其中，高空网络具有机动灵活、快速共享等特性，为空天地一体化网络提供高度灵活、可靠生存的快速接入能力；但网络动态多变、接入节点繁多复杂等复杂环境，对空中组网的接入协议提出了新的要求和挑战。目前，高空节点组网数据链采用的多址接入协议方式主要有3 种：指令/回应协议、轮询协议和固定时分多址接入（Time-Division Multiple Access，TDMA）协议[2-4]。其中，TDMA 具有较高的频带利用率、抗干扰性能良好，在数据链的开发、研制过程中应用广泛[5-7]。根据节点数量和不同节点对时隙的要求，固定时隙分配TDMA 为每个节点分配了一组固定、唯一的时隙，节点在各自的时隙上进行信息发送[8]；但是，即使某些节点没有发送信息，其他节点也无法占用这些节点的时隙，造成信道利用率下降。这种设计虽然简单，但随着网络节点数量的增加，网络规模不断增大、分配时隙增加，数据包的端到端发送容易出现停等过久等现象，无法满足时延要求较高业务的需求。同时，高动态的网络拓扑变化容易造成网络内节点退网、入网等情况，造成大量时隙空闲或者时隙动态竞争，不利于高空高速节点组网。

文献[9-10]创新性地提出了公平调度算法和严格优先级调度分配算法两种动态时隙分配算法。公平调度算法根据优先级的所占的百分比分配时隙，而严格优先级调度按照高、中、低优先级的顺序分配时隙。假设1 个TDMA 帧由6 个时隙组成，请求数组包含6 个高优先级和6 个低优先级请求，公平调度算法将为两个优先级分配相同数量的数据时隙，而严格优先级算法将仅调度高优先级请求。总的来说，两种算法在处理低优先级“饿死”问题和高优先级“优先”问题上均存在优势与不足。

为了解决上述问题，本文结合固定时隙分配和动态时隙分配，提出了一种基于高空高速节点自组网的多址接入协议方案。该方案首先为所有节点分配1 个专属数据时隙，在遵循严格优先级的前提下，节点预约竞争分配空闲时隙。在该算法中，网络对有数据传输需求的节点依据其任务等级、节点状态进行排队，优先为高优先级节点分配时隙，当低优先级节点请求k次失败后，该节点的优先级提高1 级，有效解决了高优先级“优先”问题和低优先级“饿死”问题。

1 物理层帧结构设计

高空高速节点组网的通信要求高效率的通信帧格式，因为该组网通信具有非连续、突发通信的特点，需要满足多种业务速率，通常情况下需要支持800 Kb/s 以上的可变速率的链路。本文根据链路整体性能需求，设计系统数据时隙程度为 5 ms，为了满足长距离传输时延，时隙保护间隔设为 1.7 ms。空时多址接入（Space-Time-Division Multiple Access，STDMA）协议的时帧结构如图1 所示。

图1 STDMA 协议的时帧结构

由图1 可知，STDMA 协议的时帧结构主要由控制区间和数据发送区间组成。在控制区间里，控制消息由各种定义消息格式组成，专属于中心节点，主要用于资源分配、组网控制信令和时隙分配结果的分发；时隙保护需满足高空通信平台之间视距距离高达百千米级，因此需要留出足够的保护间隔，扩大高空节点之间的通信距离。

n个等长的发送时隙构成多个数据发送区间，其组成部分主要有以下特点：

（1）训练序列占用两个字节，用于对准收发两端的时间；

（2）帧校验序列占用1 个字节，用于检测数据传输的准确性；

（3）开始标志和结束标志结构简单，占用1个字节，是数据包传输的起止标志；

（4）数据域主要分为信息类型标志和信息内容，信息类型标志占用两个字节，用于提供信息类型、优先级以及收发路径等控制信息，信息内容为要传输的数据。

2 STDMA 协议设计

针对智能化定向组网内无线信道资源有限的问题，本文提出了一种改进的STDMA 时隙调度算法。通过时隙调度，节点得到预分配的时隙资源，进行数据包传输，从而实现无冲突通信[11]。此外，本文考虑了高空节点的空域特性，为增大网络的空间复用度，采用图染色算法，在不同的时隙中同时传输尽可能多的非冲突链路，增加网络吞吐量，提高网络性能。本文的STDMA 协议设计主要针对时隙竞争机制和时隙重分配准则两部分。

2.1 时隙竞争机制

当负荷量大于链路分配的时隙个数时，节点可根据两跳内不活跃链路和两跳外链路时隙的监听情况发出时隙申请，获得额外的时隙，实现数据传输[12]。若侦听到两跳内的空闲时隙，则可以直接选择与邻居链路不发生冲突的时隙作为额外时隙，如果存在多个时隙申请，根据优先级判别方式，缓冲队列数据越多的链路获得优先权，未分配成功的链路向两跳外链路时隙发出申请。若节点始终申请不到时隙，则通过调整帧长度适应网络的变化。时隙竞争机制流程如图2 所示。

图2 时隙竞争机制流程

2.2 时隙重分配准则

在以往的时隙分配过程中，通常设定固定周期T对时隙进行重新分配，但由于弹间自组网的高动态特性，T的大小一直以来难以确定。T的值偏小，网络更新频繁，导致网络信道利用率降低，大大增加了数据传输延时；T的值偏大，如果网络性能处于极其恶化的状态，时隙可能无法得到更新。

为有效实现时隙更新，本文以全网络信道的利用率为标准。信道利用率为：

式中：N为自组网内链路总数；ri为第i条链路在一定时间内利用的时隙个数；mi为中心节点为第i条链路分配的时隙个数。

当信道利用率ρ低于某固定阈值时，中心节点重新分配时隙。

3 协议性能分析

本文以数据包为单位，将节点优先级分为高、中、低3 个等级，对网络中各种业务服务质量的平均时延性能进行分析。由基于固定+动态分配的STDMA 协议的等效模型可知：为保证节点的公平性，每个节点至少分配1 个固定时隙[13]；其余空闲时隙由各节点向中心节点预约申请，中心节点根据节点优先级进行动态分配。

以图3 的12 个节点为例，假定一个时隙内发送1 个数据包，时隙数为19 个。其中，1 个为TS0的控制时隙，12 个分配给每一个节点，剩下6 个时隙由节点竞争分配。图中x,y,z表示每个节点距中心节点（节点A）的相对位置，v表示节点的运动速度，θ表示节点相对于中心节点的运动方向[14]。

图3 12 个节点分布

这里主要讨论后6 个竞争时隙内，信息端到端的时延问题，考虑排队等待时间、传输时间和固定时隙的长度问题，并假设每个节点固定时隙长度、传输时间和每个数据包的服务时间均为5 ms，则总固定时隙长度为60 ms。

对于第1 个竞争时隙，数据包端到端时延为：

对于第2 个竞争时隙，数据包端到端时延为：

其余竞争时隙同理。

因为排队时延是一个随机量，量化难度较大，所以考虑最坏情况，即节点间距500 km，排队在最尾端（第12 位），且第1 个数据包刚开始被服务。

则每个竞争时隙包端到端时延如表1 所示。

表1 每个竞争时隙包端到端时延

以上计算过程可以扩展到更一般的情景。假设每个节点固定时隙长度为5 ms，平均分组传送时间为1/μ，m个节点的数据包的到达率独立同分布，且满足参数为λ/m的泊松过程，因此可等效为单节点的数据包到达率为λ的泊松过程[15]。

设第i个节点到达系统时，第l个节点正在发送数据包，剩余时间为Ri，有Ni个节点在等待队列。那么节点i需要等待的时间可用Wi表示，具体为：

为验证STDMA 协议的有效性和相关参数对其性能的影响，本方案利用MATLAB 仿真平台对系统内数据包的时延与节点数变化关系进行验证。其中，网络仿真参数设置为：总时隙数=节点数×1.5+1，加1 的时隙是TS0 控制时隙，其他多余的时隙分配给不同优先级的节点。假设各个优先级的节点都在同一时间发送且都为单位时间。

经过仿真得到的结果如图4 所示。可知，节点优先级越高，分配的时隙越多，此时端到端时延也就越低；反之，节点优先级越低，分配的时隙越少，端到端的时延就越高。当仿真参数节点优先级分布调整，即低等级节点在竞争到更多时隙后，仿真结果显示，系统的端到端时延明显改善。

图4 系统端到端时延随节点数目变化的关系

4 结语

针对空天一体化网络高空组网内无线信道资源有限的问题，本文提出了一种基于高空高速节点自组网的多址接入协议方案，各个节点统一采用分布式算法完成资源分配。本文首先对STDMA 协议的物理层帧结构进行介绍；其次设计改进了时隙竞争机制和时隙重分配准则，在不同的时隙中同时传输尽可能多的非冲突链路，增加网络吞吐量；最后通过理论推导与实验仿真论证了该协议的良好性能。