基于信道估計自適應算法的AVLC重發機制仿真

郜林

(1.天津財經大學 理工學院，天津300222;2.天津大學 電子信息工程學院，天津300072)

為了適應空中交通管理的發展需要，國際民航組織提出了建立航空電信網(ATN)的目標.ATN可實現全球無縫隙覆蓋，將成為未來民用航空通信的基礎網絡.目前，VDL2已在國際上被確定為向ATN過渡的主流地空數據鏈，并已在歐洲得到部分應用［1］.我國也正在積極部署從現有的飛機通信選址報告系統(ACARS)到VDL2的轉型工作［2］.

VDL2采用半雙工工作方式，工作于VHF頻段(118 ～136.975 MHz)，帶寬為 25kHz，協議棧包括物理層、數據鏈路層和子網層［3］.數據鏈路層又分為兩個子層和一個實體:①介質訪問控制子層(MAC)，實現P堅持載波偵聽多路訪問(PCSMA);②數據鏈路服務子層(DLS)，實現AVLC;③甚高頻鏈路管理實體(VME)，完成鏈路建立與切換［4］.

作為航空數據鏈協議，AVLC在幀結構和控制方式上對高級數據鏈路控制(HDLC)都具有很大的繼承性，可視為HDLC的一個子集.AVLC對HDLC最明顯的改進是應用了信道估計算法，可自適應地調整發送重傳時間.

目前，對AVLC的直接研究較少見到，主要以HDLC的研究成果作為AVLC的應用基礎.Jacques等［5］應用排隊論方法，得出了對等節點非空條件下的HDLC最大吞吐量和非飽和鏈路條件下的響應時間.Daniel等［6］應用自動驗證系統，證明了HDLC協議的邏輯正確性.Lv等［7］推導出HDLC幀調整對SDH骨干網POS信號的影響關系.在應用方面，宋飛等［8］基于FPGA實現了HDLC.

鑒于協議棧的復雜性，目前對VDL2的相關研究主要采用網絡仿真方法.北京航空航天大學的專家學者作了大量工作，并取得了一定的研究成果.賈旭光等［9］通過基于OPNET的仿真，分析了VDL2中平均鏈路層延時與飛機數量之間的關系.韓亞啟等［10］對 VDL2的 MAC子層建立了OPNET仿真模型，分析了MAC子層中媒體接入概率p和最大信道訪問次數Ml對系統性能的影響.王曉琳等［11］建立了完整的VDL2三層協議模型，基于不同的飛機數量與報文特性分析了網絡吞吐量及端到端的網絡延遲性能.

本文將AVLC發送方重傳的自適應信道估計算法應用于接收方，提出基于自適應信道估計的監督幀定時算法.通過網絡仿真建模和實驗，驗證該算法對系統性能的改進作用.

1 自適應信道估計算法

VDL2主要承擔空管業務，對可靠性和實時性有很高的要求.同時，作為地空數據鏈，VDL2的帶寬資源嚴重受限，從而限制了最大傳碼率.改進AVLCHDLC的重傳算法為解決VDL2帶寬受限與高業務要求矛盾提供了一條有效途徑.

1.1 HDLC數據鏈路控制

HDLC使用了序號和確認方式，可提供無差錯、無丟失、無重復的可靠傳輸［12］.HDLC幀由地址域、控制域、信息域、幀檢驗序列以及兩個標志字段組成.依據控制域前兩位的比特取值，HDLC幀可分為信息幀(I幀)、起確認作用的監督幀(S幀)和起控制作用的無編號幀(U幀).在HDLC控制規程中，為了減少應答次數，提高傳輸效率，引入了滑動窗口和捎帶應答:

1)在最大窗口長度(默認值為7)內，通信雙方可連續發送未被確認的I幀，由控制域的N(R)位確認［N(R)－1］mod8各幀;

2)允許在反向傳輸的I幀中附帶確認信息.

為了防止發送方無期限地等待接收方的確認，HDLC引入了超時重發［13］:在發送方(強制策略)，每發送一個I幀后計時，直到收到接收方的確認(包括捎帶應答);若超時，則重發.在接收方(可選策略)，若正確接收到I幀，計時;若在一定的時間內未收到后繼信息，則發S幀，準備接收，并告訴發送方前面已接收到.

1.2 AVLC對HDLC協議的發展

在HDLC固定時長的重傳定時控制下:當信道利用率很高時，在固定時長后重發數據幀，很容易出現碰撞(對P-CSMA而言)，并進一步加劇信道負擔.反之，當信道利用率較低時，在固定時長后重發，又可能導致延時的無謂增大.

為了解決HDLC重發定時中的問題，AVLC基于信道估計，增加了自適應的重傳定時算法.基本思路是:認為信道特性具有連續性，用當前的信道利用率，預測未來的信道利用率.從而，用該預測值調整重發定時器的超時值(T1)，以期減小包(為了簡化問題，本文將包與幀等同)碰撞概率，提高系統性能.具體算法如下:

式中，μ(0≤μ≤1)為信道利用率的值，可由物理層的參數測試報告得到;TM1和M1為MAC子層的P-CSMA參數，TM1表示偵聽信道的時間間隔，默認值為4.5 ms，M1表示最大發送嘗試次數，默認值為135;TD99為在99%置信度下的傳輸延遲估計值，該值反映了由于發包碰撞而在P-CSMA作用下產生的等待時間.

式中，retrans為最大的重傳次數，AVLC協議默認值為6;T1mult，T1exp為可配置參數.

式中，u(x)為從0～x之間滿足平均分布的隨機數;T1min，T1max為可配置參數.

由式(1)～式(3)可知，隨著μ的增大，傳輸延遲估計值TD99增大，并且x增大.隨著x的增大，u(x)依平均分布概率而增大.而且，重傳計時器T1值依概率增加.因此T1與μ成同向變化.亦即:信道利用率高時重發幀慢發，信道利用率低時重發幀快發.

1.3 自適應S幀定時算法

AVLC所采用的自適應重傳算法是從發送方出發，而對HDLC進行的改進.事實上，在接收方也存在信道估計的問題.在接收方重發控制上，AVLC繼承了HDLC，可選擇固定時長的S幀確認方式:在正確接收到I幀后，開啟S幀定時器.若在一個預定的固定時長內，未收到來自發送方的后繼信息，則S幀定時器超時，從而觸發向發送方的S幀確認.這種固定時長方式，未考慮S幀定時與重發定時以及稍帶應答間隔(TR)之間的關系，會產生如下問題:①當固定時長(記作TS)取值過大時，有可能超過某一時刻自適應算法所計算的T1值.若接收方已成功接收到信息包，且在T1內發送方由于未收到有效信息包而不能通過稍帶應答得到確認，則此時由于TS＞T1，發送方也不能通過S幀在T1內得到確認.在此情況下，發送方重發計時器將超時，從而啟動重發.而這種重發是由于S幀不能對已成功接收包進行及時確認而產生的誤重發.誤重發將增大信道負擔，降低系統容量.②當TS取值過小時，稍帶應答的作用將被削弱，而確認將以S幀為主要方式.S幀密度的增加將加劇S幀對I幀的信道搶占，降低發送信息對信道的占用比率.

為了解決AVLC協議S幀確認中存在的問題，必須將TS與T1以及TR的關系加以考慮:一方面，TS不能取得過大，必須小于T1，否則將引起誤重發;另一方面，TS又不能取得過小，必須大于TR，否則將使稍帶應答失效.因此TS必須滿足:

由于在AVLC重發控制中T1是隨信道利用率自適應變化的，且TS必須滿足TS＜T1，因而TS也應隨信道利用率自適應變化.本文將AVLC重發算法應用于S幀重發控制中，提出了基于自適應信道估計的S幀定時算法:

由式(4)，可知:

應該指出，在以上分析中未考慮傳播時延問題.這是由于AVLC無需逐幀確認，而采用稍帶應答和重傳相結合的方式，從而AVLC的確認時間間隔是以發包間隔來量度的.根據VDL2業務情況，發包間隔在10－1數量級上.而VDL2工作在巨區(100～500 km)范圍內，電磁波(光速)的傳播時延在10－3數量級上，與發包間隔比較可忽略不計.

2 VDL2仿真建模

本節將基于OPNET仿真平臺，以實現自適應算法的DLS子層為重點，描述VDL2的建模過程.建模中應用了OPNET三級建模機制:網絡級，用子網、節點、鏈路以及地理背景描述網絡拓撲結構;節點級，用功能實體以及它們之間的數據流描述節點內部結構;進程級，用有限狀態機和可擴展高級語言定義進程行為.

2.1 建模總體描述

VDL2網絡可分為地面網和空中網:前者由固定的地面站(GS)節點構成;后者由可移動的飛機(AC)節點構成.GS間可相互通信;AC只能與GS實現通信，AC之間不能通信.本文建立了單個GS和多個AC(16架飛機)的VDL2場景，作為仿真實驗的網絡拓撲結構.

由于自適應算法在數據鏈路控制(DLS子層)層面上，本文未考慮AC在多個GS間的切換問題，只建立了一個GS節點，且假設GS僅占用一個25 kHz的VHF頻段，并屏蔽了地空兩側的VME實體.又由于自適應算法是以信道利用率為基礎的，與物理層和MAC子層直接相關;本文對物理層和MAC子層作了完整實現，并建立了多個AC節點，以模擬信道的搶用競爭.

在物理層模塊中，本文采用了OPNET收發信機機制，可提供內建的信道忙閑統計量:當信道由空閑變為占用時，仿真內核將產生信道忙統計量;反之，當信道由占用變為空閑時，仿真內核將產生信道閑統計量.通過建立收發信機與DLS模塊的統計量通信，可將當前信道忙閑統計量傳遞給DLS，為自適應算法提供數據.此外，使用頻率和發送功率等主要屬性的配置也是在收發信機中完成的［14］.

數據鏈路層分為 MAC模塊和 DLS模塊.MAC模塊實現P-CSMA協議，其接收來自DLS模塊的AVLC數據幀，但僅作訪問控制，不作任何修改.DLS模塊實現AVLC協議以及本文的S幀改進算法.DLS的源數據流是由子網層模塊提供的，數據流分布滿足泊松分布.

AC高速移動會帶來信噪比變化和多普勒效應，將對系統性能產生很大影響，從而弱化數據鏈路控制對系統性能的作用效果.為了消除干擾因素，本文實驗將飛機節點設置為靜止.又根據民用航空實際情況，在仿真場景中設置AC的飛行高度為10 km，GS的收發機高度為30 m.

2.2 DLS 進程

在DLS進程級模型中，要對GS和AC節點分別建模.以GS側DLS為例，根據VDL2協議，GS側DLS由多實體的DLE和單實體LLC以及發送隊列構成.一個DLE實體對應于GS和AC之間的一條邏輯連接鏈路，控制信息流量，完成I幀和S幀的接收.而LLC負責邏輯鏈路的管理，主要完成U幀的接收和處理.為了簡化進程和提高仿真效率，本文采用動態進程方法實現上述關系:首先建立DLS父進程，再由父進程在初始狀態(INIT)中建立LLC和DLE兩類子進程.DLE子進程根據由VME發送的鏈路信息，動態管理進程:當某鏈路建立時，產生一個對應的DLE子進程;當該鏈路釋放時，銷毀所對應的子進程［15］.

DLS父進程如圖1所示:狀態u_UPDATE通過處理來自物理層的信道忙閑統計量，估算當前的信道利用率μ.狀態pro_doy負責根據鏈路信息，動態銷毀DLE子進程.狀態INVOKE主要根據觸發中斷的幀類型，調用相應的子進程.ENDSIM負責收集仿真統計量.

在DLE子線程進程中，待發送的I幀加入到發送隊列排隊.在AVLC協議作用下，以FIFO方式向MAC子層發送數據.子線程有限狀態機如圖2所示:T1重傳定時和S幀確認自適應算法分別在I_RETRANS和S_SEND狀態中實現.

圖1 GS側DLS子層DLE父進程Fig.1 GS DLS sub-layer DLE father process

圖2 GS側DLS子層DLE子進程Fig.2 GS DLS sub-layer DLE child process

AC側DLS子層與GS側在DLE上基本相似，二者主要區別于LLC:在不考慮信道切換情況下，AC側僅存在一條邏輯連接鏈路.

3 仿真實驗

通過對比仿真實驗，驗證自適應信道估計算法在重傳定時和S幀定時中對系統性能的改進作用，并討論S_PARA的選取問題.

3.1 評價性能指標

選取吞吐量和包延時作為性能評價指標如下.

定義1 吞吐量是成功發送的比特速率與信道容量之比.信道容量表征系統的最大傳輸速率;在一定帶寬下，必須滿足奈奎斯特定理或奈氏一、二準則條件，從而保證不產生碼間串擾.

定義2 成功發包延時是從發送方產生數據包到接收方成功接收到該包的時間間隔.

上述指標反映了系統的整體性能，是多協議層共同作用的結果.為了分析自適應算法對系統性能的影響，本文將AC設置為靜止，并屏蔽了VME，從而消除了移動節點和切換所帶來的干擾.

3.2 系統仿真條件

選定和設置以下仿真參數:①假設任意節點的發包均符合泊松分布，且發送強度λ相同.記發包間隔為a，則由泊松過程可知:a=1/λ.②根據協議中對包長度的規定，假設數據包的信息長度符合0～8192bit上的均勻分布.③MAC子層參數均取為協議默認值:P-CSMA媒介接入概率p為13/256，最大發送嘗試次數M1為135.④DLS子層參數均取為默認值:最大重傳次數N2為6，滑動窗口長度為4.⑤T1計時器的可配置參數設定為默認值:T1min=1 s，T1max=15 s，T1mult=1.45 s，T1exp=1.7 s.

3.3 信道估計算法在重發過程中的有效性驗證

本實驗目的是驗證自適應信道估計算法對HDLC重傳定時的改進作用.實驗設定了布爾型全局仿真量 I_RETRAN_DYNAMIC_or_not，用以控制在重發過程中是否采用信道自適應估計算法:該仿真量為0對應于HDLC，表示采用了以0.1 s為間隔的固定重發定時;該仿真量為1對應于AVLC，表示采用了式(1)～式(3)的重傳自適應算法.仿真結果如圖3所示，每個仿真點的仿真時間為30 min.

圖3(a)為自適應信道估計與固定間隔兩種重發控制方法對吞吐量的影響對比:自適應算法吞吐量曲線中的所有點都處于靜態吞吐量曲線之上，應用自適應算法后吞吐量均值改善了7.6%.圖3(b)為成功發包的平均延時對比，結果表明:使用自適應算法后平均延時縮小了910 μs.

值得注意的是，當靜態值為0.6時，系統在吞吐量和延遲兩方面都表現出良好的特性.仿真數據表明，在本文特定場景下，該點以大概率接近于自適應算法的估算值，從而達到了與仿真參數的良好匹配.由于不作信道估計，其延時甚至優于自適應算法.但在現實中，由于AC數量與位置等因素的隨機變化，該靜態點并不能穩定存在.改變接入概率值，仿真結果與13/256時相類似.實驗結果表明，在HDLC重傳中加入自適應定時算法，可有效改善系統性能.

圖3 重傳自適應算法對性能的影響Fig.3 Effect of retransmission adaptive algorithm on performance

3.4 S幀自適應算法對系統性能的影響

本實驗目的是驗證S幀算法對AVLC的改進作用，并分析S_PARA的選取問題.作為S幀算法的實驗基礎，文中還驗證了S幀重發控制的有效性.

基于實驗目的，設計了兩組仿真實驗:①無S幀和AVLC中S幀固定間隔重發控制(靜態算法)的性能對比(圖4:以0.1 s為間隔作抽樣仿真，橫軸表示固定間隔);②無S幀和S幀自適應算法的性能對比(圖5:以0.1 s為間隔，取 S_PARA作抽樣仿真).

為了研究S幀對性能的影響，實驗中設定了S_SET布爾型全局仿真量，用以開關S幀重發控制:S_SET=1，打開;S_SET=0，關閉.在以上實驗中，對應每個仿真點的仿真時間為30 min.

圖4顯示:S幀在固定間隔小于0.7的范圍內可提高吞吐量，在所有的仿真點上都可縮短延時.圖5顯示:S幀自適應算法較無S幀情形可明顯提高系統性能.綜上所述，在S幀作用下，系統性能在總體上優于無S幀情況.

圖4 靜態算法對性能的影響Fig.4 Effect of static algorithm on performance

圖5 自適應算法對性能的影響Fig.5 Effect of adaptive algorithm on performance

在S幀重發控制下，對圖4和圖5中的吞吐量和延時做對比分析，表明S幀自適應算法較靜態算法有明顯的性能改善，吞吐量均值高出0.009，平均延時減小了 30 μs.此外，S 幀自適應算法在總體上表現出了良好的性能穩定性.

觀察圖5中S_SET=1下曲線:在S_PARA到達0.2之前，兩種性能指標都表現出高頻次的振蕩特征.這是因為:在S_PARA＜0.2區間內，S幀發送很早，引起:①較少啟動I幀重發和稍帶應答;②S幀發送頻繁，增加了與I幀的碰撞概率.在①和②的共同作用下，系統性能會不穩定，表現為強烈的振蕩.隨著S_PARA的增大，將引起捎帶應答比例不斷增加和S幀的發送頻次持續降低，從而信道的負荷減小，導致系統性能趨穩，表現為振蕩趨于緩和.在分區點0.2以后，系統趨于穩定，曲線隨著S_PARA的增大而緩慢減小，具有良好的平坦特性.由于筆者希望系統工作在平穩狀態，并結合式(6)，可知:在本實驗仿真環境下，區間(0.2，1)是S_PARA的合理取值范圍.

進一步實驗表明:改變多個飛行場景后，S幀自適應算法性能曲線仍呈先震蕩后平坦的特點，只是分區點發生了偏移.為了保證離開振蕩區域，可將S_PARA取較大值，如在(0.5，1)范圍取值.

4 結論

本文基于AVLC/HDLC提出了S幀定時自適應算法，并開展了仿真建模與實驗.結果表明:

1)在吞吐量和包延時兩方面，AVLC性能均明顯優于HDLC.AVLC重傳信道估計算法具有有效性.

2)加入S幀后，無論是原AVLC/HDLC算法還是自適應算法，均可在總體上改善系統性能.

3)S幀自適應算法較原AVLC算法在吞吐量和包延時性能上均有明顯的改善.在乘系數取值為(0.2，1)的合理區間內，S幀自適應算法表現出良好的穩定性.

仿真表明，本文所提出的S幀自適應算法明顯優于原AVLC算法，可應用于VDL2系統中.由于本文算法在數學形式上是以簡單的系數乘實現的，具有較大的局限性.事實上，可嘗試用更一般的函數關系逼近，以期得到更好的改善效果.

References)

［1］ Steven C B，Robert W M，Vijay K K.Characteristics and capacity of VDL mode 2，3，and 4 subnetworks［J］.Journal of AerospaceComputing，Information，and Communication，2005，2(11):470-489.

［2］ Zheng H Y.Migration form ACARS to new VHF data link in China［C］//ITS Telecommunications Proceedings.Piscataway，NJ:IEEE，2007:1297-1300.

［3］ 楊成雷，黃智剛，張軍.新航行系統中的 ATN及VDL2技術［J］.電訊技術，2003，53(3):87-91.Yang C L，Huang Z G，Zhang J.ATN and VDL 2 technique in CNS/ATM system［J］.Telecommunication Engineering，2003，53(3):87-91(in Chinese).

［4］ RTCA DO-224C Signal-in-space minimum aviation system performance standards(MASPS)for advanced vhf digital data communications including compatibility with digital voice techniques［S］.USA:RTCA，2010:56.

［5］ Jacques L，Guy P.HDLC throughput and response time for bidirectional data flow with nonuniform frame sizes［J］.IEEE Transactions on Computers，1981，C-30(6):405-413.

［6］ Daniel B，William H J.Verification of HDLC［J］.IEEE Transactions on Computers，1982，C-30(5):1136-1142.

［7］ Lv X Z，Su S J，Huang Z P.Influence analysis of HDLC frame alignment and ESC on link transport efficiency of POS signal［C］//Internet Technology and Applications Proceedings.Piscataway，NJ:IEEE，2010:1-4.

［8］ 宋飛，李志蜀.HDLC協議在FPGA通信系統中的實現［J］.計算機應用，2009，29(4):1092-1094.Song F，Li Z S.Implementation of HDLC protocol based on FPGA in communication systems［J］.Journal of Computer Applications，2009，29(4):1092-1094(in Chinese).

［9］ 賈旭光，張學軍，張軍.航空甚高頻數據鏈模式二建模及仿真研究［J］.系統仿真學報，2007，19(21):5046-5050.Jia X G，Zhang X J，Zhang J.Research on modeling and simulation of aviation VHF data link mode 2［J］.Journal of System Simulation，2007，19(21):5046-5050(in Chinese).

［10］ 韓亞啟，張學軍，張軍.甚高頻數據鏈模式二協議參數仿真研究［J］.計算機仿真，2006，23(11):66-70.Han Y Q，Zhang X J，Zhang J.Simulation research on parameters of VDL mode 2［J］.Computer Simulation，2006，23(11):66-70(in Chinese).

［11］ 王曉琳，張學軍，賈旭光.甚高頻數據鏈模式2網絡仿真分析［J］.系統仿真學報，2006，18(3):638-642.Wang X L，Zhang X J，Jia X G.Research on simulation of very high frequency data link network mode 2［J］.Journal of System Simulation，2006，18(3):638-642(in Chinese).

［12］ 謝希仁.計算機網絡［M］.4版.北京:電子工業出版社，2006:83-87.Xie X R.Computer network［M］.4rd ed.Beijing:Publishing House of Electronics Industry，2006:83-87(in Chinese).

［13］ ISO/IEC 13239 Information technology-telecommunications and information exchange between systems-high-level data link control(HDLC)procedures［S］.Switzerland:ISO，2002:71-73.

［14］ Zakrzewska A，Michael S，Ruepp S.Modeling multistandard wireless networks in OPNET［C］//Proceedings of OPNETWORK.USA:OPNETWORK，2011:1-5.

［15］ Malhotra R，Gupta V，Bansa R K.Simulation ＆ performance analysis of wired and wireless computer networks［J］.International Journal of Computer Applications，2011，14(7):11-17.