數據鏈輪詢多網優化設計方法研究*

夏白樺 李洪業 張 海

(通信指揮學院 武漢 430012)

1 引言

描述數據鏈網絡性能主要用系統響應時間、消息更新率、網絡容量、多網能力等[1]。這些指標從不同側面描述了數據鏈的作戰能力,但它們之間往往存在著相互影響和制約的關系。如為了降低數據鏈網絡的系統響應時間以提高作戰反應速度,可能需要降低網絡容量[2],使得網絡的潛力不能充分地發揮出來。為了保證在滿足實時性要求前提下提高網絡資源的利用率,王瑩提出了由從站申請、主站根據從站要求動態改變輪詢表,使某個需要發送高實時性消息的從站立刻獲得呼叫的策略[3]。但該策略的技術實現難度較大。張海等人則提出根據各成員的呼叫時限(成員所發消息的最小響應時間)要求,通過合理設置成員在一個輪詢周期內的呼叫次數,構建了單網結構數據鏈輪詢網絡的優化設計理論[4]。利用該理論對Link-11的優化設計表明,分析計算簡單易行,網絡容量及網絡資源利用率都大幅提升,系統的整體性能得到優化。數據鏈網絡也可以采用輪詢多網方式組網,但網絡優化設計更加復雜。本文將在分析輪詢多網數據鏈網絡特點的基礎上,結合文獻[4]輪詢單網優化設計理論,給出輪詢多網的優化設計方法。

2 輪詢網絡及工作方式[5]

數據鏈輪詢單網由一個主站和一個或多個從站組成,如圖1所示。所有網絡成員使用相同的頻率、波形、加密信息等網絡運行參數,共享系統資源。網絡工作時,主站依次呼叫各從站以及主站自身,被呼者根據要求應答并報告消息。在通常的網絡設計方法中,每個從站(包括主站)在一個輪詢周期內均只被呼叫一次,以此方式循環往復。

圖1 數據鏈輪詢單網示意圖

圖2 數據鏈輪詢多網示意圖

圖2所示為數據鏈輪詢多網示意圖。其中,主網由一個主站和若干個次主站組成,子網由一個主/次主站和若干從站組成。主站和次主站都具有雙重身份。主站是主網和子網的主站,而次主站既是各子網的主站,又是主網的從站。主網和子網不同時運行,但為了提高時間資源的利用率,各子網應同時運行。這樣,主網運行時,由主站輪詢呼叫各次主站(包括主站自身),被呼者應答。呼叫完畢后主網工作模式被切換到子網工作模式,由主/次主站輪詢呼叫各子網從站以及主/次主站自身,被呼者應答,然后再將子網工作模式切換到主網工作模式。

主網與每個子網都采用不同的頻率、波形、加密信息等網絡參數進行區分,子網之間通過主網協同通信。

子網中的各從站可以參加多個子網,但這會增加網絡控制的復雜度,圖2中未給出這種情況。另外,圖2中所示是三層結構的輪詢網,多于三層的輪詢網因為太復雜,實際應用中可能難以運轉,這里也不作討論。

3 輪詢多網優化設計理論

輪詢多網雖然在形式上是由多個輪詢單網組成,但與輪詢單網有很大的不同,因此優化設計方法較之單網也有很大的不同。

假設輪詢多網中的主網有m+1個成員。不失一般性,定義第0個成員為主站,其余第1至第m個成員為次主站,且共有m+1個子網。令nl(l=0,1,…,m)表示第l個子網的成員數(若nl=1則表示主/次主站 l下沒有從站),且用 p(p=0,…,nl-1)表示子網中的成員。不失一般性,定義p=0對應各子網中的主/次主站。

1)子網成員呼叫時限。子網中每個成員發送的幾類不同消息的響應時間要求各不相同[6]。每個成員相隔多長時間需要呼叫一次,取決于其中的最小響應時間要求,稱為呼叫時限。令τ子lp表示子網l中成員p的呼叫時限,即表示該成員在τ子lp時間內必須獲得一次呼叫。如果同一子網中的τ子lp彼此間相差很大,對不同成員的呼叫要求很不相同,給網絡設計帶來很大困難,系統的運行效率也大為降低。在實際作戰中,各個子網對應的可能是一個作戰飛機編隊或水面艦艇編隊,成員性質相同或相近,它們所發消息的實時性要求也相同或相近。所以這里給出:

假定一 子網內所有從站可近似當成同一種平臺處理。

由此得子網l的呼叫時限為:

由假定一知,在子網l的一個輪詢周期內,每個成員(包括主/次主站)只需呼叫一次。如果給出各成員所傳送的消息類別及其響應時間,就可計算出τ子lp值。假如成員p總共傳送n類消息,每類消息的響應時間為τ子lpq(q=1,…,n),由此得到[4]:

結合式(1)和式(2),便可求得τ子l。

2)子網工作時間。令 T子l表示子網l的輪詢周期(即子網輪詢完網內全部成員的時間),T子lp表示子網l輪詢時,每一次呼叫成員p的輪詢時隙(p=0表示發送次主站報告時間),故有:

供子網工作的時間由(T子0,…,T子m)中的最大值確定,這樣可確保各子網輪詢完網內全部成員。所以,如果某個子網的 T子l值很大,其它子網很快輪詢完,該子網還在工作,將造成網絡資源的浪費。為此,這里給出:

假定二 各子網輪詢周期相近或相差較小。

我感到一股熱血呼呼地沖上了頭頂，把我的頭脹得大了一圈兒。里面山呼海嘯巨浪滔天。我覺得自己應該毫不猶豫地沖過去，啪啪啪啪，朝李老黑的臉上一陣耳刮子，把那張黑臉揍個七歪八扭皮開肉綻。或者飛起一腳把李老黑踹倒，再撲過去一頓拳打腳踢，乒乒乓乓，然后在李老黑痛苦的呻吟聲里揚長而去。

由此得到分配給子網的工作時間 Δ t2為:

在實際組網運用中,如果個別子網成員較多,輪詢周期(每個成員只呼叫一次)與其他子網相比過長,可以將這樣的子網拆分成幾個子網,使其滿足第二條假設的要求。

如果給出子網內各成員所傳送的消息量及成員數,就可計算出 T子lp值,從而得到 Δ t2。以 Link-11為例,其計算公式如下[4]:

式中bp為子網工作時,成員p發送消息的總幀數,Rbp為發送消息的速率,常設定為75幀/s。

式中Δ t1表示子網暫停時間,該時間用于主網輪詢次主站。

5)主網成員輪詢表[4]。分析完子網并設定虛擬從站后,對網絡的分析就回到了主網并參考單網優化設計理論進行。假定成員(此時指主/次主站及虛擬從站)i(i=0,1,…,m+1,其中 i=m+1對應為虛擬從站)的輪詢時隙為 Ti,且在一個輪詢周期內每個成員被呼叫ki次,則主網輪詢周期T為:

圖3 輪詢多網簡化為輪詢單網示意圖

若每個成員的呼叫時限用 τi表示,且τij(j=1,2,…,n)為成員i傳送j類消息的響應時間,則有:

取ki的全部初始值為 1,將式(7)、(8)迭代計算。若τi≥T,則在一個輪詢周期內,成員 i被呼叫ki次不變,否則,應增加一次呼叫,即ki→ki+1,最后得到網絡的輪詢周期及各成員在一個周期內的呼叫次數。根據輪詢次數,可安排它們在一個輪詢周期內的輪詢順序,得到輪詢表。

子網的呼叫時限Δ t1不能太小,否則就不能給主網留有較多的時間輪詢次主站,導致以上的計算結果不能收斂。在網絡設計時,可根據實際情況,通過減少子網中的從站數量,或減少次主站數目等方式進行調整,使其收斂。

4 網絡優化設計示例

1)模型建立。這里以Link-11組建輪詢多網為例。假設主網中有1個主站和6個次主站,其中次主站1、次主站2和次主站3下分別設置3個、3個和4個完全相同的從站。另外,這簡單起見,假定每個成員只傳輸3類消息,每次呼叫時發送的消息量及響應時間等如表1所示(表中0/500表示該成員不發送該類消息。為了方便分析,將響應時間設為500s)。

表1 各成員發送的戰術消息量/響應時間

2)計算結果及分析。根據表1的數據及上述分析理論,計算得到網絡輪詢周期為19.656s,各主/次主站及虛擬從站的輪詢時隙、呼叫時限和一個周期內的呼叫次數如表2所示。呼叫時限小的成員在一個周期內的呼叫次數多。根據各成員的呼叫次數安排呼叫順序,便可以實現各成員間消息的實時傳送。

表2 計算結果

5 結語

論文在分析了數據鏈網絡結構特點的基礎上,提出利用網絡成員所傳送消息的響應時間作為網絡設計的基本要求,建立了輪詢多網的優化設計理論。在該理論中,通過分析計算子網的輪詢時間和子網兩次呼叫的間隔時間,將子網輪詢和等待的過程看作是主網對一個虛擬從站的輪詢,從而將輪詢多網問題轉變成輪詢單網問題,并繼承了輪詢單網優化設計理論的優點:網絡容量和網絡利用率均得到提高。通過一個示例的計算表明,輪詢多網的優化設計理論簡單易行,可用于數據鏈網絡的設計工作。

[1]董超,田暢,倪明放,等.戰術數據鏈性能評估方法研究[J].軍事運籌與系統工程,2007,21(3):62～67

[2]NCTSI Understanding Link-11:a Guidebook for Operators,Technicians and Net Managers[R].San Diego,1996,9:CH-6

[3]王瑩.戰術數據鏈Link-11的仿真研究[D].西南交通大學碩士學位論文,2008

[4]張海,陶小宇,夏白樺.戰術數據鏈網絡設計優化方法研究[J].火力與指揮控制,2009,34:108～111

[5]周銳銳,陳振華,崔蘊華,等.戰術數據鏈層次化網絡拓撲模型研究[J].彈箭與制導學報,2007,27(4):330～332

[6]查光明,楊斌,邱致和,等.數據鏈-信息系統連接武器系統的捷徑[M].2008