戰術數據鏈網絡的介質訪問控制層優化控制及性能分析

楊志軍， 劉征， 丁洪偉， 柳虔林，3

(1.云南大學 信息學院， 云南 昆明 650500；2.云南省教育廳 科學教育研究院， 云南 昆明 650223；3.云南省軍區， 云南 昆明 650051)

0 引言

戰術數據鏈是以滿足聯合作戰為主要目的，應用于戰術級作戰區域，通過傳輸標準格式數字信號提供平臺間實時或準實時戰術數據交換和分發，實現態勢共享、指揮控制、戰術協同的數據通信鏈路[1-2]。在現代戰爭中，勝負不再僅依賴于武器的先進性和參戰人員規模，而是更加依賴于對戰場信息收集與傳遞的戰術數據鏈。通過戰術數據鏈可以實現陸海空三軍協調作戰一體化。自20世紀50年代以來，以美國為首的北約等國一直研制使用戰術數據鏈，其中有Link-4A(TADIL C)、Link-11(TADIL A/B)、Link-16(TADIL J)和Link-22(TADIL FJ)等[3]。

輪詢作為一種信道接入控制方法，可以實現信道資源的有效分配[4-6]。由于輪詢接入控制協議的低時延性和公平性，美軍將其應用于Link-11等數據鏈系統中。但是，單一的輪詢接入控制協議不能靈活地分配信道資源，只會按照順序依次分配信道資源。在戰場中肯定會有一些命令的優先級明顯高于其他命令的優先級，即某前哨站點收集到的信息重要程度很高且必須要及時傳遞到網絡控制站點(簡稱網控站點)，由于單一的接入控制協議，該信息可能延長一段時間才能被傳遞，由此而耽誤戰機。為解決這類問題，要對前哨站點區分優先級，對收集重要信息的前哨站點給予高優先級，對收集其他信息的前哨站點給予低優先級。很顯然，單一的輪詢控制系統不能實現該功能。因此，在戰術數據鏈中，對區分優先級的兩級輪詢接入控制協議的研究是非常有必要的。

輪詢接入控制協議有3種不同的基礎模型，分別是完全接入控制、門限接入控制和限定接入控制，且這3種接入控制策略適用于不同環境中[7]。完全接入控制是指該信道資源一直被一個站點占用，直至該站點發送完站點內所有信息分組。采用這種策略的系統平均排隊隊長(一個站點內等待發送的平均信息分組數)和平均等待時間(進入站點的信息分組等待發送的平均時間)最短，非常適用于收集信息少但信息重要程度高的站點。門限控制策略是指一個站點占用信道直至該站點發送完其占用信道那一時刻站點內所有的信息分組數，采用這種策略的系統性能在3種策略中居中。限定接入控制策略是指一個站點占用信道直至該站點發送完一個信息分組數，采用這種策略的系統平均排隊隊長和平均等待時間最長，但是公平性最好，適用于收集信息少且要求站點間公平的系統[8-10]。

戰術數據鏈中，各個前哨站點一直在收集信息，所要傳遞的信息分組數較多，而限定K=1(K為站點一次服務時間內發送的信息分組個數)控制策略則規定一個站點一次只能發送一個信息分組數，增加了系統在前哨站點間的查詢轉換時間，降低了系統接入效率。因此，本文根據數據鏈數據流較大的特點，結合3種控制策略的各自特點，提出一種基于完全控制策略和非對稱門限控制策略的區分優先級兩級輪詢接入控制系統[11-13]。在該系統模型中，處于低優先級的前哨站點(N個)即為普通站點采用非對稱門限控制策略，處于高優先級的前哨站點(1個)即為中心站點采用完全控制策略。在普通站點占用完信道資源后，網控站點將信道資源分配給中心站點，在該站點發送完信息分組數后，網控站點將信道資源又分給下一個普通站點。針對上述過程，本文首先建立該系統的數學模型，再求解出系統重要性能參數平均排隊隊長的精確表達式和平均等待時間的近似表達式。最后，通過MATLAB仿真軟件對理論結果進行驗證，對新系統性能進行分析。

在現有國內外文獻中，大多數都是從離散時間角度對系統進行分析。本文在信息分組以連續時間規律到達系統的基礎上對系統進行分析，仿真實驗結果表明理論結果與仿真結果高度吻合。

1 系統模型

1.1 系統網絡及輪詢控制模型

在戰術數據鏈網絡中，指定一個節點為網控站點，網內其他節點為前哨站點(或從屬站點)。網控站點控制接入網中所有其他站點對網絡的訪問，其拓撲結構圖如圖1所示[14]。針對前哨站點的優先級問題，指定前哨站點中的一個為中心站點，主要負責對重要程度較高的信息采集，其拓撲結構圖如圖2所示。戰術數據鏈的介質訪問控制(MAC)層主要負責信道資源分配，其協議描述了節點接入信道的規則，采取合理的MAC協議可以高效地分配信道資源，有效保證戰術數據鏈的實時性。

圖1 網絡結構拓撲圖Fig.1 Topological graph of network structure

圖2 具有優先級的網絡結構拓撲圖Fig.2 Topological graph of prioritized network structure

在圖2中，戰術數據鏈網絡中有一個網控站點、一個高優先級前哨站點和N個低優先級前哨站點。根據本文設定的新的輪詢接入控制系統，N個低優先級前哨站點即普通站點采用非對稱門限接入控制策略，一個高優先級前哨站點即中心站點采用完全服務，一個網控站點即服務器控制其內站點對網絡的訪問。根據實際戰場情況，設定各個站點的到達率、服務率和轉換率都互不相同。在該輪詢接入控制系統中，普通站點的序號由{1,2,3,…,N}表示，中心站點的序號由h表示，站點服務順序為：1→h→2→h→…→N→h→1，即普通站點i(i=1,2,3,…,N)在占用完信道后，服務器將信道資源分配給中心站點h，中心站點發送完信息分組數后，服務器又將信道資源分配給普通站點i+1. 在上述過程中，中心站點在發送信息分組數的同時，服務器也在對下一個等待發送的普通站點i+1進行查詢；當中心站點占用完信道后，服務器直接將信道資源分配給i+1站點，該站點可直接發送信息分組數，系統模型示意圖如圖3所示。圖3中，下標序號表示前哨站點序號，λ表示一個時隙內進入前哨站點的平均信息分組個數，β表示前哨站點傳輸一個信息分組所需要的平均時間，γ表示由低優先級前哨站點轉向高優先級前哨站點所需要的平均查詢轉換時間，N為低優先級前哨站點的序號，h為高優先級前哨站點的序號。

圖3 連續兩級非對稱輪詢系統模型Fig.3 Continuous two-stage asymmetric polling system model

設定在tn時刻，低優先級前哨站點i(i=1,2,3,…,N)開始占用信道，定義隨機變量ξi(n)為該前哨站點中等待傳輸的信息分組數，隨機變量ξh(n)為高優先級前哨站點h中等待傳輸的信息分組數，則整個系統狀態的隨機變量為{ξ1(n),ξ2(n),…,ξN(n),ξh(n)}；設定tn*時刻，低優先級前哨站點i占用完信道，網控站點將信道資源分配給站點h，定義此刻的系統狀態隨機變量為{ξ1(n*),ξ2(n*),…,ξN(n*),ξh(n*)}；設定tn+1時刻，站點h傳輸完站內所有信息分組數，站點i+1開始占用信道資源，定義此刻的系統狀態隨機變量為{ξ1(n+1),ξ2(n+1),…,ξN(n+1),ξh(n+1)}.

系統的狀態可以用馬爾可夫鏈描述，該馬爾可夫鏈是非周期的和各態歷經的[15]。

1.2 系統工作條件

根據戰術數據鏈網絡的數據流特點，同時結合輪詢控制機制及其特點，對系統模型進行如下設定：

1)進入每個前哨站點內等待傳輸的信息分組到達服從相互獨立的泊松分布，且對于站點i(i=1,2,3,…,N,h)到達率為λi；

4)高優先級前哨站點對在任一時隙內到達的信息分組進行完全服務所需時間的隨機變量服從一個相互獨立且同分布的概率分布，其分布的概率母函數為H(z)；

5)服務系統中任何一個隊列的緩存容量足夠大，不存在信息分組丟失的情況；

6)每一個加入進隊列的信息分組，將會按照先到先服務(FCFS)的方法接受服務。

定義隨機變量如下：

ui(n)：網控站點將信道資源分配給高優先級前哨站h前，從低優先級前哨站i查詢轉換到該站點所耗費的時間；

vi(n)：低優先級前哨站點i占用信道資源時傳輸信息分組數所耗費的時間；

vh(n*)：高優先級前哨站點h占用信道資源時傳輸信息分組數所耗費的時間；

μj(ui)：在ui(n)時間內進入前哨站點j(j=1,2,…,N,h)的信息分組數；

ηj(vi)：在vi(n)時間內進入前哨站點j(j=1,2,…,N,h)的信息分組數；

ηj(vh)：在vh(n*)時間內進入前哨站點j(j=1,2,…,N,h)的信息分組數。

1.3 數學模型建立

在系統工作過程中，已知該輪詢系統的狀態隨機變量及其概率分布的各階特性，因此為求解系統重要性能參數，概率母函數是一種非常重要的工具。

(1)

式中：πi(x1,x2,…,xi,…,xN,xh)表示系統狀態概率分布。

對連續時間型系統進行分析時，需要對系統關鍵參數進行LST。函數的LST定義為

(2)

式中：f(t)為連續時間函數。

對于以參數λ到達的泊松過程，時間t內到達的顧客數對應的概率母函數為

(3)

在tn*時刻，高優先級前哨站點h開始傳輸信息分組時，系統狀態變量的概率母函數為

(4)

在tn+1時刻，i+1站點開始傳輸信息分組時，系統狀態變量的概率母函數為

(5)

2 輪詢系統的1階和2階特性

2.1 平均排隊隊長

(6)

根據(4)式、(5)式和(6)式，得到低優先級前哨站點i的平均排隊隊長的表達式為

(7)

同理，可得高優先級前哨站點h的平均排隊隊長的表達式為

(8)

2.2 2階偏導量

(9)

(10)

(4)式和(5)式分別代入(9)式和(10)式，得

(11)

(12)

(13)

2.3 平均等待時間

信息分組的等待時間是指一個信息分組從進入一個前哨站點到其被傳輸的等待時間，平均等待時間是指進入一個前哨站點的所有信息分組數等待的平均時間。本文中Ti和Th分別表示低優先級前哨站點i與高優先級前哨站點h的平均等待時間，根據文獻[19]和文獻[20]，可得其平均等待時間為

(14)

(15)

3 仿真實驗及性能分析

3.1 仿真實驗

為驗證理論分析的正確性以及對基于連續時間區分優先級的輪詢控制系統性能分析，本文通過MATLAB 2014a軟件進行仿真實驗。在第2節理論分析過程中已經作了一些條件設定，同理，針對仿真實驗也需要滿足以下條件[15，21]：

1)各站點的參數變量都服從相同的分布，普通站點之間的到達率相同但與中心站點的到達率不同；

2)任一時隙內進入各站點的數據信息量都滿足泊松分布；

3)輪詢系統滿足穩態條件：

在本文仿真環境中，所有信息分組都能發送成功，歸一化處理后時間軸按時隙劃分，定義一個時隙為20 μs，信息分組的長度為1 100 Byte. 在仿真實驗中：首先，對第2節理論分析結果進行驗證，分別對有7個低優先級前哨站點和1個高優先級前哨站點以及有5個低優先級前哨站點和1個高優先級前哨站點的系統進行仿真實驗，系統初始條件設定以及結果對比如表1、表2所示，表1、表2中高優先級站點序號表示為低優先級前哨站點轉高優先級前哨站點時，高優先級前哨站點的狀態；其次，在低優先級前哨站點5個和高優先級1個的仿真環境中，通過改變系統中的總負載以及前哨站點的到達率、負載，觀察分析平均排隊隊長和平均等待時間的變化規律，如圖4～圖9所示；最后，將包含有5個普通前哨站點的1級非對稱門限接入控制系統與包含有低優先級前哨站點5個和高優先級1個的新系統進行對比，結果如表3所示。

表1 低優先級前哨站點為7的仿真值與理論值對比Tab.1 Experimental and theoretical values of Outpost 7 of polling system

表2 低優先級前哨站點為5的仿真值與理論值對比Tab.2 Experimental and theoretical values of Outpost 5 of polling system

圖4 低優先級前哨站點到達率設置Fig.4 Arrival rate setting of low priority outposts

圖5 低優先級前哨站負載設置Fig.5 Load setting of low priority outposts

圖6 總負載對低優先級前哨站點平均排隊隊長的影響Fig.6 Impact of total load on average queue length of low priority outposts

圖7 總負載對高優先級前哨站點平均排隊隊長的影響Fig.7 Impact of total load on average queue length of high priority outpost

圖8 總負載對低優先級前哨站點平均等待時間的影響Fig.8 Impact of total load on average waiting time for low priority outposts

圖9 總負載對高優先級前哨站點平均等待時間的影響Fig.9 Impact of total load on average waiting time for high priority outposts

表3 低優先級前哨站點平均等待時間仿真值Tab.3 Simulated average waiting time values of low priority outposts 時隙

3.2 性能分析

1)在表1、表2中，對低優先級前哨站點個數分別為7、5的輪詢系統進行了實驗，實驗結果表明系統重要性能參數的理論值與仿真值的差值極小，在誤差范圍內，驗證了系統理論分析的正確性與系統的可行性。

2)在圖4～圖9中，本文將系統總負載按照0.1的間隔從0.1逐次增加至0.9，其中圖4和圖5分別為系統低優先級前哨站點的到達率和負載設定。從圖6～圖9中可以看出：各前哨站點內等待發送的信息分組平均個數以及進入各前哨站點內的信息分組等待發送的平均時間隨著總負載增大而逐漸增大，在總負載越接近1的情況下，系統性能受到總負載的影響越大；對比圖4與圖6可以發現，到達率越大，低優先級前哨站點的平均排隊隊長越長；比較圖4、圖5與圖7、圖9可以發現，高優先級前哨站的平均排隊隊長和平均等待時間受到低優先級前哨站點到達率和負載影響，在總負載較低時到達率的影響較大；由圖8可以看出，平均等待時間都相差不多，這是因為各個低優先級前哨站點的負載差距不大，所得平均排隊隊長差距較小，很難從圖中分辨，但是，根據圖5以及表3易得，低優先級前哨站點的負載越大其平均等待時間越長。

表4 兩種接入控制策略的比較Tab.4 Comparison of two access control strategies

3)表4中對1級非對稱門限接入控制策略的系統與本系統進行了對比，觀察了高優先級前哨站點對低優先級前哨站點的影響。為了保證實驗的客觀性，該仿真實驗中，兩個系統初始系統條件設定相同。由表4中的數據可以看出，當高優先級前哨站點的負載遠小于總負載時，低優先級前哨站點的性能參數與1級門限接入控制策略的系統性能參數接近。

4)從圖6～圖9、表1～表4中可以看出，高優先級前哨站點的所有性能參數值都優于低優先級前哨站點的性能參數值，表明該系統即可以保障高優先級前哨站點內的信息分組在較短時間內傳輸，也能讓低優先級前哨站點之間公平傳輸，達到了高優先級前哨站點高服務質量、低優先級前哨站點之間公平享受服務的目的。

4 結論

本文根據戰術數據鏈的數據流特點，針對其前哨站點優先級問題以及系統實用性，對戰術數據鏈的媒介接入控制層接入控制協議采取了一種區分優先級的兩級非對稱輪詢接入控制系統。從連續時間角度對系統進行了數學分析，得到其重要性能參數的數學解析式，通過MATLAB軟件并根據系統模型進行了仿真實驗，驗證了理論分析的正確性。通過分析可知：系統總負載對系統的所有性能參數都有影響，且總負載越接近1，對系統性能影響越大；低優先級前哨站點的平均排隊隊長由其到達率決定，到達率越大其平均排隊隊長越大，但是，其平均等待時間是由負載決定；高優先級前哨站點的平均等待時間和平均排隊隊長受到低優先級前哨站點的到達率和負載的影響，且總負載越接近1，受到負載的影響越大；通過1級門限接入控制系統與該系統比較可以看出，兩個系統的重要性能參數差距不大，表明該系統在保障低優先級前哨站點服務質量的情況下，可為高優先級前哨站點提供較高的服務質量，且其針對實際環境中各低優先級前哨站點條件不同的情況，對低優先級前哨站點采用非對稱門限服務，增強了系統實用性。

需要說明的是，在對系統的平均等待時間進行數學解析式求解時，對其2階特性量采取了一種基于循環查詢周期的近似分析方法，根據仿真值與理論值比較，該方法合理有效。但是，2階特性量的近似方法不僅局限于這一種方法，還有其他方法可以探索。對于該接入控制系統，其不僅解決戰術數據鏈網絡中前哨站優先級問題，而且其非對稱特性還增強了系統的實用性。