短波數傳電臺輪詢組網性能分析

黃佑強，胡義祥，董毅恒，柳虔林

（1.云南省軍區，云南 昆明 650051；2.清華大學自動化系，北京 100084）

0 引言

近年來，光纖通信、移動通信和衛星通信技術的迅猛發展，為相關行業、部門提供了可靠的通信保障。然而，在某些特定任務地域會在出現光纖通信支線難以引接，移動通信信號難以覆蓋，衛星通信便攜站因地勢地貌等因素影響難以開設等現實問題[1]，在一定程度上制約著森林防火、礦山開發、野外施工以及應急處突、反恐穩維等通信保障要求，而短波通信因機動靈活、組網快捷，即使在信息網絡技術非常發達的國家也在研究應用，原因在于無線電臺能夠在特定地域發揮支撐保障作用[2，3]。無線電臺是相關行業、部門配備的重要通信裝備，大多具備數據傳輸功能，探討采用無線電臺在特定地域組網具有重要而現實的意義。本文將輪詢系統理論引入無線電臺組網研究，對其輪詢組網性能進行分析，為相關行業、部門科學制定組網方案及開展通信保障提供理論支撐和技術保障。

1 輪詢組網模型建立

無線電臺在相關行業、部門現有短波綜合業務網、分組無線網中發揮著重要作用，其中分組無線網應用終端軟件支持現有多種電臺點對點數傳、點對點輪詢和無線分組三種工作模式，支持報文傳輸業務[1，3]。在點對點輪詢模式中，采用簡單輪詢R R（Rou nd Robin）控制機制，實現中心站與遠端站文本、表格等數據業務傳輸功能[4]。針對相關行業、部門在特定地域遇到光纖通信、移動通信以及衛星通信均難以實施保障的技術問題，依托無線電臺，采用輪詢多址通信網絡技術，構建通信站點 輪詢組網模型，具體如圖1所示。

圖1 基于數傳電臺的輪詢組網結構圖

根據特定行業、部門通信保障要求[1，3，4]，考慮多個行動小組攜帶數傳電臺分別到達指定地域開設通信站點時，采用圖1所示的輪詢組網結構，將指揮中心和分布在指定地域的通信站點進行組網，確保各通信站點的信息能夠實時、高效傳輸到指揮中心控制服務器，為指揮中心的領導同志提供決策參考。

2 輪詢組網模型分析

根據圖1所示指揮中心與各通信站點信息傳輸控制組網系統結構，現采用輪詢系統理論[5，6]，通過設定工作條件，解析系統平均循環周期、信息分組平均排隊隊長、系統吞吐量等特性參數，采用理論計算與模擬仿真實驗等步驟，對該組網模型進行性能分析。

2.1 工作條件設定

結合圖1所示控制機制和特點，對系統工作條件作如下設定：

（1）進入各通信站點存儲器內等待發送的信息分組數的隨機變量是相互獨立且服從相同的概率分布，其概率母函數、均值和方差分別為和。

（2）任何一個通信站點在接受服務時發送信息分組所需時間的隨機變量是相互獨立且服從相同的概率分布，其概率母函數、均值和方差分別為和。

（3）任何兩個相鄰通信站點之間的輪詢轉換時間的隨機變量是相互獨立且服從相同的概率分布，其分布的概率母函數、均值和方差分別為和。

（4）各通信站點的存儲器容量足夠大，不會產生信息分組丟失；站點存儲器內的信息分組按先進行出順序規則進行服務，系統工作在離散時間狀態，時間軸按單位時隙劃分，系統的平均循環周期為。

從上述系統工作條件中可以看出，該系統模型的調度控制包含以下三個相互獨立的隨機過程：一是通信站點中信息分組的到達過程；二是通信站點中信息分組的傳輸服務過程；三是相鄰通信站點之間的輪詢轉換過程。根據上述系統工作條件，在tn時刻，該系統中的N個系統狀態變量構成嵌入式Markov鏈；（其中的條件下，系統的概率分布達到穩態，此時系統狀態變量的概率分布函數為：

當指揮中心服務器在tn+1時刻開始對第i+1號通信站點服務時，系統狀態變量在tn+1時刻的概率母函數為：

2.2 特性參數解析

定義在tn時刻第i 號通信站點開始接受服務時，第j號通信站點存儲器中平均存儲的信息分組數，即信息分組的平均排隊隊長為gi（j），則有：

2.2.1 平均排隊隊長

由式（4）求偏導并循環化簡計算得該系統各通信站點信息分組的平均排隊隊長為：

2.2.2 平均循環周期

該系統的平均循環周期為指揮中心服務器對系統中的N個通信站點按服務規則完成一次服務所用時間的統計平均值，它由服務時間和輪詢轉換時間所組成。利用平均循環周期與平均排隊隊長的關系得：

2.2.3 系統吞吐量

系統吞吐量是指單位時間內該系統所能傳輸的信息分組數，相應的表達式為：

2.3 組網性能分析

現結合所提出的輪詢組網系統模型，提出相應的計算機仿真算法，并采用MATLAB編制計算機仿真程序，對該系統模型進行仿真實驗，在系統運行環境和初始參數相同的情況下，從輪詢站點數量以及信息分組到達率變化兩方面來對該系統模型的性能進行比較分析。其中，模擬實驗采用專門設計的prand（mu，v）函數來生成信息分組到達分布，而服務過程和輪詢轉換過程可直接由MATLAB自帶函數生成。

圖2 輪詢組網算法流程圖

基于這種輪詢組網接入控制機制，在對圖1組網模型進行理論分析基礎上，提出基于計算機仿真實驗的輪詢組網算法流程，具體如圖2所示。

在計算機仿真實驗中，假定系統網絡各通信站點中信息分組的到達過程為泊松分布，信息分組傳輸服務過程為一般分布，相鄰站點輪詢轉換過程為一般分布，對該系統進行了計算機仿真實驗。

表1 系統參數設置表

其中，理論計算與計算機仿真實驗采用相同參數值，并按表1所示數值進行歸一化設置，從信息分組到達率變化來對系統的平均循環周期、各站點信息分組的平均排隊隊長以及系統吞吐率曲線來對組網模型作性能分析。根據圖2所示算法流程圖，通過高性能PC機仿真實驗而得出系統特性參數曲線，具體如圖3至5所示。

圖3 平均循環周期隨通信站點采集信息分組到達率變化曲線

圖4 平均排隊隊長隨通信站點采集信息分組到達率變化曲線

從圖3至圖5可看出：假設指揮中心外圍通信站點為9個，整個傳輸網絡的傳輸性能主要取決于中心站與各通信站點之間信息傳輸量的大小。在信息分組傳輸時間控制為500 ms，輪詢轉換時間控制為50 ms，時隙為50 ms，傳輸速率為2400 b/s的情況下，當通信站點信息分組到達率為0.001分組/時隙時，整個網絡系統輪詢周期約為490ms，系統吞吐率為0.09，通信站點的信息分組平均排隊隊長約為0.008個分組；當通信站點信息分組到達率為0.005分組/時隙時，整個網絡系統輪詢周期約為800 ms，系統吞吐率為0.45，通信站點的信息分組平均排隊隊長約為0.08個分組；當信息分組到達率為0.01分組/時隙時，整個網絡系統輪詢周期約為4，500 ms，系統吞吐率為0.90，通信站點的信息分組平均排隊隊長約為0.88個分組。

從網絡數據傳輸性能分析來看，在定時聯絡情況下，該組網方式能夠滿足各通信站點數據信息傳輸要求，不致于發生基于隨機多址傳輸控制中的數據發送沖突情況，這正是得益于該組網模型所具有的避免沖突接入控制效能。

圖5 系統吞吐率隨通信站點采集信息分組到達率變化曲線

3 結束語

本文結合相關行業、部門在特定地域實施通信保障要求，結合現有短波數傳電臺工作性能，構建符合指揮通信保障的輪詢組網模型，通過輪詢系統理論分析，得出相關系統特性參數解析式，并采用MATLAB仿真實驗進行驗證，為科學制定組網方案及實施通信保障提供理論支撐和技術保障。