航空自組網拓撲透明時分多址接入協議設計與建模優化分析

◆鄒 健 劉藍田

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航空自組網拓撲透明時分多址接入協議設計與建模優化分析

◆鄒 健 劉藍田

（中國電子科技集團第二十八研究所 江蘇 210007）

航空自組網允許節點通過兩種方式直接通信，即單跳式和多跳式，其不需要依賴于地面控制中心，即可為航空通信提供靈活網絡架構。以此為基礎，改設計能夠自行組織多址接入協議——TDMA。在拓撲透明時和時隙自組織的基礎上，通過引入時隙二次分配形式，能夠保障網絡時針保持空閑與沖突時隙。通過數字模塊分析二次節點競爭中的最佳概率，能夠使保障時隙的最佳利用率。

航空自組網；時隙利用率；自組織時分多址接口；二次分配

0 引言

隨著我國移動自組網不斷發展與革新，該技術在航空通信領域中的應用愈加廣泛，進而形成航空自主網。在該網絡中，節點是通過自組織的形式形成自發組網，該通信方式不需要依賴地面控制中心，并通過單跳式和多跳式實現兩種直通通信。航空自組網具備靈活、效率高、可靠性高、抗沖擊等優點，能夠有效滿足未來飛行器的運行需求，該技術無論在民航還是軍用航空都具備廣闊前景，具有重要的應用價值和理論研究價值。

1 STDMA協議

STDMA是當今航空領域應用比較廣的技術，其每個節點網絡所選的時隙數量，要以自身報文報告率決定——。以現有的STDMA協議分析，該節點自組織選取傳輸時隙主要有以下四種階段：

1.1 初始階段

在該階段中，節點通過偵聽其它節點中的報文形成系統時隙狀態，進而預設選擇最優網絡節點。

1.2 入網階段

節點在確定為最優網絡節點后，會根據時隙狀態選擇第一個傳輸時隙，并且通過網絡定位來傳輸自身的位置信息，并告知其它節點加入本節點網絡。節點首先要根據網絡時幀中的總時隙S與的比例指來確定時隙間隔。待到確定后，要根據時隙狀態表中的時隙占有率來選擇最優可傳輸時隙，并根據時隙來確定后續的選擇基準。

1.3 第一時幀階段

待到節點選擇萬后續傳輸時隙時，要定義NTS中心時隙選擇窗口——，窗口大小為1/5。在每個中，每個節點都會在空閑時選擇最優傳輸時隙。待到節點前一個時隙接受時，會自動廣播下一個時隙信息。待到第一時幀完畢之后，即進入后續時幀階段。

1.4 后續時幀階段

待到第一時幀階段結束之后，該節點會繼續使用第一時幀階段來播放傳輸時隙未來的預約信息。

2 ESTDMA協議

2.1 網絡時幀結構定義

ESTDMA協議將網絡時幀時隙劃分為四個階段，即首次分配階段、二次分配階段、數據傳輸階段、收方應答階段。其中，首次、二次分配階段還能夠進一步劃分為預約請求RTR與預約應答CTR。

2.2 自組織時隙選取中的時隙首次分配

節點選擇要根據STDMA中的時隙選擇法，進而選擇自身的信息傳遞時隙。當新時隙到來之時，節點可自主判斷當前所選時隙是否滿足預設時隙效果。如果所選時隙符合標準，則將該時隙設置成待發狀態，進而對廣播發送時隙進行分組，或者預約當前時隙。如果節點內容為廣播業務，則需要將廣播數據進行分組；如果節點內容為單播任務，則可以在首次分配階段發送RTR幀來預約當前時隙。待到接收點接受到RTR時幀后，要對CTR幀給予回復。如發送點接受到CTR數據，則代表間隙預約成功，所發送的節點可以在實習數據傳輸中無沖突的發送數據分組信息。如果節點時隙在首次分配階段出現問題，則代表在同一網絡中有多個節點選擇了同一時隙，造成預約擁堵或預約沖突，這時即可采用二次分配手段讓節點再次競爭時隙。在時隙選擇過程中，如果節點所選時隙不是預設時隙，那么該節點所發送的認為即為單播任務，節點在首次分配階段CTR階段監聽信道，如果該信道保持空閑，那么節點即可采用二次分配時隙競爭策略來預測當前時隙。

2.3 競爭時隙時的二次分配測量

在特定的網絡條件下，節點通過建模分析技術來確定網絡吞吐最大值，進而獲取二次分配階段預約時隙最大概率P。如果節點在首次分配階段沒有成功獲取時隙，或者首次肥培階段的CTR監聽通道空閑，那么該幾點要進入二次競爭配分節點，并將最大概率P值發送到RTR中，待到RTR受到指令后進行競爭二次預約時隙。接受節點受到RTR命令后，要給CTR發送應答信息。如果節點在競爭中的二次分配中預約成功，那么當前時隙數據節點會無沖突地傳輸數據信息。

3 二次分配節點節點競爭預約時隙模塊優化

二次分配節點競爭預約時隙最大概率是影響預約成功率（P）的關鍵因素，因此，為了能夠提高最大預約率P可以從以下幾點出發：

當發送節點在首次配分選擇時隙向接受節點發送時隙預約時，如果發送節點臨據節點同時向接受節點發送預約指令時，要進行廣播數據分組，由于預約節點過多，會使首次預約間隙發生沖突，導致發送節點時隙預約失敗。假設網絡中的節點預約成功率相同、時隙選擇窗口相同時，則預約節點時隙和選擇窗口會有一個重復率。則會出現首次分配預約率吞吐量T1與二次預約成功吞吐量T2，因此，想要提高首次分配成功率可以提高發送節點的數據量，減少其他發送節點的數據量；二次競爭時隙預約要重點提高競爭預約率P，將競爭預約時隙獲得系統中最大的單播吞吐量，進而提高競爭預約成功率。

4 結果比較分析

本文重點提出了ESTDMA 協議與 STDMA 協議，二者作為兩種不同的通信協議，通過二者進行比較能夠選擇最優的通信協議。

4.1 模型驗證

在不同發送節點條件下，能夠得到單播吞吐量與最大預約量之間的關系。通過二者能夠的競爭最大預約概率P，并將ESTDMA 協議與 STDMA 協議中的P進行對比，由于ESTDMA通過多次預約，并且能夠融入多個發送節點，因此在發送節點相同的情況下，在二次分配中競爭節點中，ESTDMA的預約時隙最佳概率最大，即在二次分配中ESTDMA預約成功率最大。

通過對二次分配階段預約時隙所獲得的最大吞吐量值與ESTDMA的最大吞吐量進行對比。我們從中可以分析到，在不同的發送節點條件下，ESTDMA所得出的最大單播吞吐量能夠與理論最大吞吐量保持一致。無論是實驗值還是仿真值，都能夠說明ESTDMA協議在特定的發送節點條件下，能夠保障最大吞吐量。

4.2 協議性能評估

通過對發送節點數量、預約最大概率、播放組概率分析比較，能夠得出，在節點數量與播放組概率相同時，發送節點數據業務為單播業務概率越大，ESTDMA 協議與 STDMA 協議所獲得單播吞吐量越大。如果發送節點數量與預約量一定時，則網絡層隊列中的數據組發送概率越大，ESTDMA 協議與 STDMA 協議的獲得單播吞吐量就越大，因此，發送節點數量與單播最大吞吐量有直接關系。這是由于播放組概率和最大預約率與網絡層隊列單播數據組為正比，數據組越多，發送的單播數組組的概率越大，因此2中協議會獲得最大吞吐量。由于ESTDMA中存有二次競爭預約技術，如果首次分配出現問題會進行二次競爭分配，因此，ESTDMA 協議與 STDMA 協議相比，ESTDMA能夠獲得更好的單播吞吐性能。隨著發送節點不斷增加，2中協議的單播吞吐量也隨之減少，但ESTDMA依然更勝一籌。

5 結束語

航空自組網在航空通信領域中有著廣闊的應用前景。本文介紹了ESTDMA 協議與 STDMA 協議，其中，ESTDMA引入了二次競爭預約方案，能夠實現時隙利用率的最大化。因此，ESTDMA是航空通信領域應用與發展的一大趨勢。希望相關部門、相關人員結合節點不同服務需求與類型，不斷研究時隙最佳優化方法，推動我國航空通信發展。

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