輪詢多址接入控制技術及其軍事應用

柳虔林，高武堂，劉松泉

（云南省軍區，昆明　650051）

輪詢多址接入控制技術及其軍事應用

柳虔林，高武堂，劉松泉

（云南省軍區，昆明650051）

輪詢多址接入控制技術已經在多個領域得到了廣泛應用。本文首先介紹輪詢多址接入控制技術原理，然后對其發展情況進行了闡述，最后介紹該技術在軍事領域中的具體應用。

輪詢；多址接入控制；軍事應用

1　引言

多址接入技術是信息網絡傳輸技術的重要組成部分，它以信息的數字傳輸和處理理論為基礎，其目標是在網絡系統中最大限度地提高通信資源使用效率［1，2］。在系統容量、網絡吞吐效能、信道利用率、時延特性、業務能力、用戶支持數量、資源利用效率、QoS保障等方面，多址接入技術已被視為信息網絡系統設計的關鍵。根據業務傳輸和調度方式的不同，通信系統可以分為隨機多址通信和輪詢多址通信兩種方式。在通信與計算機領域，輪詢多址通信系統源于輪詢多址接入控制技術理論并得以不斷發展，它代表線路共享和資源共享相結合的有效方法，使每個通信終端均有訪問信道的機會，可達到不同業務數據傳輸延遲的要求［3-5］。六十多年的研究與實踐表明：輪詢多址接入控制技術在工業過程控制、交通運輸調度、物流系統管理等領域已成為一種非常有用的工具，可對相應的控制模型進行有效分析，并對相應的控制機制進行改進；輪詢多址接入控制系統因其公平性、靈活性和實用性，已經被廣泛用于通信網絡、計算機網絡、工業過程控制、交通運輸調度、物流系統管理以及社會經濟等領域，并在這些領域中產生了積極有效的技術推動作用［5-9］。

2　系統原理

2.1基本模型

輪詢多址接入控制系統基本模型可以表述為：由一個服務器和 個終端組成，服務器依據一定的規則按一個方向依次對每一個終端進行服務，最后一個終端服務完成后再返回第一個終端，這樣便實現由 個終端共享一個或多個資源，應用時由一個或多個邏輯上的中心按照一定的周期順序對各個終端進行查詢，對有服務需求的終端提供資源的使用權［1，2］。從該基本模型中不難看出，輪詢多址接入控制過程包括終端中信息分組的到達過程、服務器對信息分組的服務過程和終端間的轉換查詢過程。

輪詢多址接入控制系統的性能通常由以下幾個基本要素來決定［10］：

（1）服務器對各終端的查詢順序：決定輪詢多址接入控制系統是靜態還是動態的。對于靜態系統，服務器查詢各終端的順序保持固定不變；對于動態系統，服務器查詢終端的順序隨時間或控制機制而變化。

（2）服務器每查詢一個終端時所能服務的信息分組數：根據不同的輪詢服務策略，主要有完全服務、門限服務和限定K服務。

（3）同一終端中信息分組的服務順序：由同一終端中信息分組的服務順序來確定，其規則有其規則有先到先服務、后到先服務、隨機服務、短業務優先、固定優先級等。

（4）信息分組到達過程，服務器對信息分組的服務過程以及查詢詢轉換過程：到達過程由信息分組到達率這一隨機變量所服從的概率分布來描述；服務過程由服務器按相應服務規則對信息分組進行傳輸服務時間這一隨機變量所服從的概率分布來描述；輪詢轉換過程由服務器輪詢相鄰終端所需轉換時間這一隨機變量所服從的概率分布來描述。

2.2系統分類

根據國內外學者研究，輪詢多址接入控制系統大致可分為以下幾類［1，2］：

（1）根據服務器查詢每個終端時，服務信息分組多少的方式可分為門限服務、完全服務和限定K服務三種類型。

（2）按不同分析方法可分為連續時間系統和離散時間系統。

（3）按緩沖區大小情況可分為每個終端只有單個信息分組的容量和容量無限的系統。

（4）按轉換時間為零與否可分為有轉換時間和無轉換時間（并行）的系統。

（5）按照各終端相應參數所遵從的概率分布相同與否可分為對稱系統和非對稱系統。

（6）根據各終端是否可享有服務優先級情況分為區分優先級和不區分優先級的系統，即系統可以是嚴格意義上依次查詢，也可以根據優先級情況調整順序查詢。

（7）按系統是否能夠進行解析的情況分為精確解析系統和近似解析系統。

2.3系統特性參數

在實際問題中，研究和分析一個具體的輪詢多址接入控制系統的首要目標是要獲取系統特性參數，主要有平均排隊隊長、平均循環周期、系統吞吐量、平均等待時延以及平均響應時間等［1，2，5］。其中，平均排隊隊長為終端中信息分組的平均數量（長度）；平均循環周期為服務器相繼兩次訪問同一終端的時間；系統吞吐量為單位時間內系統傳輸服務的信息分組數；平均等待時延為自終端中信息分組到達直至其開始接受服務的時間；平均響應時間為平均等待時延加上平均服務時間；平均排隊隊長、平均循環周期和系統吞吐量通常為系統的一階特性參數（在限定服務系統中，平均排隊隊長為二階特性參數，因為它需要通過二階特性求解才能得出），而平均等待時延和平均響應時間為系統的二階特性參數，平均等待時延是解析較為困難且非常重要的一個參數。獲取上述參數通常按三個步驟來進行。首先是要建立起相應的數學模型或仿真實驗平臺；其次是要解析出系統特性參數表達式，或模擬出輪詢多址接入控制，并求算（模擬）出具體參數值；最后就是依據所獲取的特性參數來衡量或改進系統的控制性能，為系統應用打下堅實的理論基礎。

3　研究發展

3.1技術背景

在二十世紀五十年代后期，作為一個種檢測手段和方法，輪詢模式應用到設備檢修控制過程，既降低了設備故障率，還提高了生產效率，使其上升到一種技術層面；相關學者將設備檢修以及交通信號控制等技術抽象為輪詢系統模型，并采用概率論、排隊論等數學理論加以研究，使該項技術研究上升到理論化和系統化階段［10］。二十世紀六十年代，兩隊列的輪詢系統模型被用于交通信號控制中；隨著隊列增加，系統描述的參數增加，系統狀態表示的難度也增加。二十世紀七十年代，隨著計算機網絡的出現，輪詢系統理論被用于多個計算機終端共享一臺中央主機的數據傳輸網絡中，使輪詢多址接入控制技術得以廣泛應用和發展。二十世紀八十年代，輪詢多址接入控制技術在計算機局域網的研究中得以不斷充實和完善，在令牌環協議中通過令牌的循環傳遞，獲得令牌的站點即獲得了控制信道發送信息的權利，以此來實現數據通信。二十世紀九十年代，輪詢多址接入控制技術應用到ATM網絡中，使ATM網絡較好地實現信道資源共享，顯示了這種控制方式所具有的良好時延保障特性，該特性在多處理器計算機系統以及工業制造中又得到了進一步的應用。進入二十一世紀，輪詢多址接入控制技術又應用到物流加工控制、智能交通信號控制、設備故障檢測、各種總線系統、無線電臺組網、無線計算機網絡、寬帶無線通信網絡、無線傳感器網絡、Ad Hoc網絡、EPON、社會經濟以及RFID等領域中，較好地解決了相關資源優化分配與調度控制等問題［5-9］。

3.2研究方法

從國內外學者對輪詢多址接入控制技術的研究和分析情況看，大致有緩沖區占有法、站點時間法、后代集方法、均值分析法、嵌入式馬爾可夫鏈和概率母函數方法以及計算機模擬仿真法［1，2］。前面五種方法能夠針對一般的輪詢模型進行分析，也能夠計算出一階特性參數；對于二階特性，精確計算的難度比較大，有的方法只能給出近似解，對于三階特性（平均等待時延方差），有的方法因計算相當復雜，只能得出近似解；對于較為復雜的混合服務、優先級服務、多級輪詢等系統模型，有的方法很難以此建立數學模型，只能通過仿真實驗給出結果；對于限定（K≥1）服務系統的平均等待時延，因計算難度較大，多數學者采用近似計算或通過模擬仿真實驗給出結果。由此可見，輪詢多址接入控制技術的性能分析不是任何時候都能夠得出各基本參數的精確解析式，有時只能得出近似的關系式，有時只能通過大量仿真實驗來得到相關參數值。六十多年來，國內外學者針對實踐中不斷出現的輪詢多址接入控制模型，一直在尋求有效方法來獲取系統特性參數，以此分析和評價其性能指標，最終把模型用于生產實踐。

3.3研究熱點

鑒于輪詢多址接入控制技術在不同領域的廣泛應用，激發了研究者不斷改進分析方法，使解析的精確度不斷提高，同時還改進和拓展了傳統的系統模型，提高了接入控制效率。隨著該項技術研究的不斷深入，相關理論研究成果又反過來促進該項技術的應用和發展，實現理論分析和應用實踐相輔相成、共同提高的目標。當前，輪詢多址接入控制技術的研究熱點主要體現在以下幾個方面。

（1）系統特性參數精確解析：精確解析一直是該項技術研究的重點和難點，尤其是二階特性以及高階特性的分析，多數情況下得不到精確解，并且理論計算的復雜度和難度都很大［2，11，13］。

（2）基本要素優化調整：依據輪詢系統的基本模型，結合實際應用中的具體要求和問題的復雜性，需要對輪詢系統的基本要素進行不斷地優化和調整，以提高輪詢接入控制性能［4，5，13］。

（3）服務策略優化組合：服務策略的選擇決定了每個站點的服務時間和服務效率，選擇合適的服務策略是改進系統性能的重要方法；有時單一的服務策略是不夠的，需要綜合利用多種服務策略的混合模式來滿足實際應用的需要［2，7，10］。

（4）服務順序控制調整：同一終端內的信息分組有多種服務順序，信息分組在接受完服務后就離開或發送出去，也可以在服務完成后按一定概率轉到其它終端繼續等待，形成系統內終端間的路由方式，這與實際通信應用中的自動重發機制或選擇重發機制等是相對應的，反映此項研究的成果還較為鮮見［8，9］。

（5）優先級多級輪詢服務：區分業務優先級控制的輪詢系統成為當前研究的一個熱點；此類系統能夠充分考慮站點所處特殊地位和作用，將特殊站點進行分級，形成多級輪詢系統，特殊站點則作為高優先進行區分服務，普通站點作為低優先級進行服務，此時系統模型的建立及解析成為一個難點課題［6，14］。

（6）輪詢與隨機多址融合服務：針對特定網絡資源調度與分配需求，將輪詢多址接入控制技術與隨機多址接入控制技術進行有機結合，形成新的多址融合接入控制技術，以進一步提高信息網絡業務傳輸控制和業務調度性能［8］。

（7）新業務需求研究：WLAN，WiMAX，WMSN，Ad Hoc，EPON等代表著二十一世紀網絡的先進技術，具有廣泛的應用空間，但如何對網絡資源進行有效分配、管理和調度，并根據實時性、公平性、重要性和QoS要求，合理地分配數據和帶寬一直是該領域研究的熱點課題，如何從理論上采用精確解析方法來對其多址接入控制協議作進一步分析、優化并改進系統總體性能，是該領域研究的難點課題［4，6，7，9，12］。

4　軍事應用

在軍事領域，輪詢多址接入控制技術的應用主要體現在以下方面。

（1）光纖傳輸網：SDH、EPON等傳輸系統在部隊固定通信臺站中發揮著重要作用。上述系統有一個共性，這就是以星型、環型等網絡拓撲結構，采用輪詢多址接入控制協議來實現光纖信道資源共享，實現語音、數據、視頻等多媒體業務高速和高效傳遞。在SDH傳輸系統中，及時發現和處理機線設備故障，提供實時的線路和設備故障預警是日常值勤工作的一個重要環節。采用輪詢多址接入控制技術設計網絡協議，通過嵌入到網絡管理系統中，由代理軟件來輪詢采集SDH網絡設備的相關數據，并把這些數據記錄到管理信息庫中，網管員通過查看相關信息便能掌握網絡的運行狀況，還可實時監測網絡線路的連通狀態、設備的運行情況、故障的實時報知、流量的查詢統計、數據的統計分析等［15］。EPON傳輸系統是千兆以太網技術和PON技術相結合的產物，它在千兆以太網的MAC控制幀中設置有流量控制pause幀（暫停幀），EPON采用輪詢多址接入控制技術，通過該幀周期性地輪詢控制各個ONU，實現各ONU有序接入，使各類業務數據高速、寬帶和綜合接入［16］。這種多址接入控制方式不但協議簡單，而且便于將以太網設備直接應用到EPON傳輸系統中。

（2）計算機網絡：構建一個具體的計算機網絡，網絡設計者應高度重視數據高效傳輸問題。其中，采用輪詢多址接入控制技術的令牌環網控制方式，成功地解決計算機網絡數據高效、無沖突傳輸等問題［7］，這對各類作戰指揮數據高效傳輸顯得更為重要。在具體控制過程中，網絡各站點進行控制權爭奪來確立控制站和非控制站；控制站輪詢控制各站點，被輪詢的站點若有數據發送即成為主站，執行主機/從機的通信；通信結束后（無論成功與否）主站將控制權歸還給控制站；控制站然后輪詢下一個站點，周而復始［17］。在野戰無線計算機網絡中，其MAC協議采用IEEE 802.11x標準，該標準定義了DCF分布式協調功能和PCF點協調功能兩種信道接入控制機制。其中，DCF通過CSMA/CA載波偵聽多路接入/沖突避免機制，為異步數據傳輸提供分布式的基于競爭的信道接入，而PCF則是通過輪詢多址接入控制技術為實時業務提供無競爭的服務，而且能夠區分實時與非實時業務類型，對語音、視頻等實時業務提供優先級服務［3］。在各類門戶網站值勤管理中，采用輪詢多址接入控制技術，使網頁防篡工作擺脫了以人力檢測恢復為主體的原始手段，利用特定的網頁檢測程序，以輪詢方式讀出要監控的網頁，與真實網頁相進行比較，進而判斷網頁內容的完整性，一旦發現網頁被篡改便會立即報警。目前，這種采用輪詢多址接入控制技術的網頁防篡改系統已廣泛用于各軍事信息網站日常業務中。

（3）短波數據通信：短波數傳電臺在我軍無線電通信保障中發揮著重要作用，在具體應用中通常采用輪詢與競爭兩種方式進行組網。其中，競爭方式會因數據發送沖突、重發增多導致數據吞吐量下降。輪詢式采用星型網絡結構，中心站和子站之間的通信協議來源于分組交換網中基于幀的傳輸控制方式，為保證分組數據可靠傳輸，采用Send/ Answer/Hand/Fail方式，即發送一幀數據需收到一個應答；若應答沒收到，則重新協商握手；若握手失敗，則向應用程序報告發送錯誤。各子站和中心站建鏈之后，中心站根據輪詢呼叫序列分別對子站發送輪詢控制幀［18］。被輪詢電臺如果有數據需要發送，則立即按輪詢控制方式向中心站發送數據，待數據傳送結束后，中心站經過一個輪詢轉換時間后，繼續輪詢下一個子站。如果被輪詢電臺無數據需要發送，則向中心站發送無數據控制幀，中心站繼續輪詢下一個子站，子站識別出自己的地址后，根據不同的內容回發相應的數據。這種組網方式的優點是信道利用率高，數據傳輸時延和要求有保障，數據發送過程可以避免沖突；中心站具有對整個網絡的管理和控制功能，可對網內硬件設備進行動態調度和管理，實現硬件資源共享；可對全網頻率資源進行動態調度和管理，防止頻率碰撞，實現頻率資源共享；可在線監督數傳質量，實現自適應變速和自適應變頻［19］。

（4）無線傳感器網絡：在無線傳感器網絡中，介質訪問控制協議決定無線信道的使用方式，在傳感器節點之間分配有限的無線通信資源，以構建傳感器網絡系統的底層基礎結構。其中，MAC協議處于傳感器網絡協議的底層部分，對傳感器網絡的性能有較大影響，是保證無線傳感器網絡高效通信的關鍵網絡協議之一［5］。基于時分復用的MAC協議，在傳感器網絡中采用TDMA機制，通過輪詢多址接入控制技術為每個節點分配獨立的用于數據發送或接收的時隙，而節點在其他空閑時隙內轉入睡眠狀態。與競爭類MAC協議相比，它沒有競爭機制的數據碰撞和重傳問題，數據傳輸時不需要過多的控制信息，節點在空閑時隙能夠及時進入睡眠狀態，使節能及數據采集等性能均有改善，這對特定地域軍事信息的采集與傳輸有著極其重要的作用［20］。

（5）數據鏈系統：數據鏈是采用無線網絡通信技術和應用協議，實現機載、陸基和艦載戰術數據系統之間的數據信息交換，從而最大限度地發揮戰術系統效能的系統。值得關注的是，數據鏈中所采用的輪詢MAC協議順應了作戰指控中戰術單元之間的隸屬關系，同時其時延確保特性又在一定程度上滿足了戰術通信的實時性要求，因此在數據鏈系統中有著廣泛的應用［21］。如數據鏈在鏈接武器平臺與信息系統的過程中，采用輪詢多址接入控制協議確立時序和優先級，由指控中心按規定順序“點名呼叫”網內單元，被呼叫者將報告信息發送指控中心，所有其他成員可以接收，這樣就把指揮部門與戰場武器系統、各參戰部隊、分隊、乃至單兵有機地聯系起來，實現上下左右近實時的信息交換，以便在整個作戰范圍內共享戰場信息資源，最終實現戰場指揮、通信、控制、情報、信息以及綜合保障等功能的一體化［22］。

5　結束語

輪詢系統理論是一種重要的資源分配和共享理論，輪詢所特有的接入控制和高效調度、查詢功能，使其成為一種非常有用的工具。本文簡要介紹輪詢多址接入控制技術的原理及其研究發展情況，并對其在軍事領域中的具體應用作了介紹，旨在進一步推進輪詢多址接入控制技術研究與發展工作。

［1］V. M. Vishnevskii， O. V. Semenova. Mathematical methods to study the polling systems［J］. Automation and Remote Control， 2006，67（2）:173-220.

［2］Onno Boxma， Josine Bruin， Brian Fralix. Sojourn times in polling systems with various service disciplines［J］. Performance Evaluation， 2009， 66（5）:621-639.

［3］Baldini G.， Karanasios S.， Allen D.， etc. Survey of wireless communication technologies for public safety［J］. IEEE Communications Surveys & Tutorials， 2014，16（2）:619- 641.

［4］Khoshnevis B.， Wei Yu， Lostanlen Y.. Two-stage channel quantization for scheduling and beamforming in network MIMO systems: feedback design and scaling laws［J］. IEEE Journal on Selected Areas in Communications，2013， 31（10）:2028-2042.

［5］Cai Q.，Ding H.W.，Liu Q.L..An effective polling MAC scheme for wireless sensor networks［J］. Information Technology Journal， 2013， 12（22）:6631-6635.

［6］M. Iftikhar， N. A. Elaiwi， M. S. Aksoy. Performance analysis of priority queuing model for low power Wireless Body Area Networks （WBANs）. Procedia Computer Science， 2014，34（7）:518-525.

［7］F. Fadhil， M. Marcelo， M.Carvalho. Performance of polling disciplines for the receiver-initiated binary exponential backoffMAC protocol. Ad Hoc Networks， 2015，31（3）:1-19.

［8］Ding H.W.， Guo Y.Y.， Zhao Y.F.， Zhou S.J.， Liu Q.L.. Research on the multi-channel probability detection CSMA protocol with sensor monitoring function［J］. Sensor Letters， 2015，13（2）:143-146.

［9］Qiao Y.，Chen S.G.，Li T.，Chen S.P..Tag-ordering polling protocols in RFID systems［J］. IEEE/ACM Transactions on Networking， 2016， 24（3）:1548-1561.

［10］柳虔林，趙東風，丁洪偉.輪詢系統的演進及發展［J］.無線電通信技術，2013，39（2）:55-59

［11］Gharavi， H.， Chong Xu. Traffic scheduling technique for smart grid advanced metering applications［J］. IEEE Transactions on Communications， 2012， 60（6）:1646-1658.

［12］Choi Woo-Yong. Random sequence based multipolling method for collecting ubiquitous RFID tag data in Wireless LANs. FREQUENZ，2013，67（3）: 229-232.

［13］Wang J.J， Zhu X.M.， Qiu D.S... Dynamic scheduling for emergency tasks on distributed imaging satellites with task merging［J］. IEEE Transactions on Parallel and Distributed Systems， 2014，25（9）:2275-2285.

［14］G. Horvath. Efficient analysis of the MMAP［K］/PH［K］/1 priority queue. European Journal of Operational Research， 2015（3）:1-12.

［15］李恩，劉志強，敬玉鄉.基于SDH網絡的時間同步技術研究［J］.光通信技術，2013（7）:14-16

［16］費義偉，王金宇.EPON技術的應用與設備維護［J］.通信士官，2012，14（2）:61-62

［17］藍深，王呈貴，龔玉萍，張玉立，張林元.802.11 MPR MAC協議的吞吐量和時延分析［J］.軍事通信技術，2015

［18］許道峰，張才華.HF電臺網絡組網［J］.指揮信息系統與技術，2013，4（2）:54-58

［19］Gianluca Aloi， Luca Bedogni， Luciano Bononi， etal. STEM-NET: How to deploy a self-organizing network of mobile end-user devices for emergency communication［J］. Computer Communications，2015，60（1）:12-27.

［20］徐楊，曹琪.現代戰場監測中無線傳咸器網絡的關鍵技術研究［J］.工程技術，2014（4）:17-19

［21］李林，毛玉泉，李連寶.陸航數據鏈輪詢組網模式應用研究［J］.通信技術，2009，42（1）:43-45

［22］張紅梅，彭沙沙，趙玉亭，卞東亮.基于多信道優先級統計的戰術數據鏈MAC協議［J］.火力與指揮控制，2014，39（8）:137-141

Polling Multiple Access Control Technique and Its Military Applications

Liu Qianlin， Gao Wutang， Liu Songquan
（Yunnan Provincial Military Command Region， Kunming， 650051）

The polling multiple access control technique has been widely used in the many areas.This paper firstly gives brief introduction to the theorem， then summarizes the evolution and development trends of the polling multiple access control technique. Lastly， it illustrates its specific applications in military fields.

Polling； multiple access control technique； military applications

10.3969/J.ISSN.1672-7274.2016.10.006

TN92文獻標示碼：A

1672-7274（2016）10-0020-06

柳虔林，男，1966年生，工學博士，高級工程師，研究方向為通信與信息系統。

高武堂，男，1977年生，工學碩士，研究方向為指揮信息系統。

劉松泉，男，1976年生，工學碩士，研究方向為車輛維修保障、軍民融合裝備維修保障。