面向多節點的協同突發業務接入體制研究

丁峰 陳小飛 馬世銀

摘 要： 針對戰術協同組網數據鏈延時大、 容量小的問題， 為滿足基于突發業務戰術網絡低延時、 大容量的要求， 以戰術瞄準網絡技術（TTNT）為背景， 提出一種基于多路同時接收的閾值自適應接入體制（MR-ATMA， Adaptive Threshold Multiple Access Based on Multi-Channel Simultaneous Reception）。 該接入體制采用分層設計的開放式體系架構， 物理層采用基于快速跳頻的多路同時接收技術， 實現了虛擬全雙工傳輸模式; MAC層采用基于信道負載感知的閾值自適應接入技術， 能夠實現突發業務的快速接入。 與基于單收處理的接入體制（SR-ATMA， Adaptive Threshold Multiple Access Based on Single-Channel Reception）， CSMA， TDMA等接入體制相比， MR-ATMA具有更高的信道利用率和更低的接入延時， 能很好地適用于具有突發業務特點的戰術網絡。

關鍵詞：戰術協同;? 時敏目標;? 突發業務;? TTNT;? 負載統計;? 多址接入; 數據通信

中圖分類號： TJ760; TN919? 文獻標識碼：??? A? 文章編號：1673-5048（2021）04-0103-09

0 引? 言

作為戰術協同數據鏈關鍵技術之一的接入控制技術決定了節點公平性、 傳輸可靠性、 分組端到端延時及帶寬利用率等網絡性能。 接入控制技術通過合理的通信協議和通信機制達到最小傳輸延時、 最大帶寬利用率和最小網絡開銷的可靠傳輸[1]。

隨著以整體對抗、 體系支撐、 信息主導、 聯合作戰等特點為代表的網絡中心戰的加劇， 技術創新與應用推動戰術數據鏈接入技術不斷取得突破， 以美國為首的北約（NATO）根據不同的作戰需求研制了一系列的戰術數據鏈[2-3]， 主要有Link4A，? Link11， Link16， Link22 和TTNT等。 Link4A接入方式為TDMA， 傳輸模式為半雙工， 在網節點不超過5個， 傳輸速率5 kbps， 主要用于向戰斗機傳送無線電引導指令; Link11接入方式為輪詢， 傳輸模式為半雙工， 在網節點不超過20個， 傳輸速率支持1.2 kbps和2.4 kbps兩個速率檔， 主要用于M系列格式報文進行空中、 陸地、 艦船等戰術通信系統之間的信息交換; Link16采用時間分隔多路存取結構、 預定時隙協議和無中心節點組網方式， 并采用時分多址（TDMA） 方式和擴頻、 跳頻、 跳時技術， 多網時在網節點不超過20個， 單網時在網節點可達100～200個， 傳輸速率支持28.8 kbps，? 57.6 kbps和115.2 kbps三個速率檔， 主要用于J系列格式報文進行航空母艦、 導彈巡洋艦、 導彈驅逐艦等戰術通信系統間的信息交互[4]; Link22集Link11和Link16功能于一體， 仍采用時分多址（TDMA） 或動態時分多址（STDMA） 方式， 其設計目的是提高Link11的抗干擾與傳輸能力和兼容Link16數據鏈 [5-6]; 戰術瞄準網絡技術（TTNT， Tactical Targeting Network Technologies）是美國在突破了先進戰術目標瞄準技術等高速移動目標對抗相關關鍵技術后提出的一種戰術協同數據鏈， 具有網絡容量大、 延時低、 抗干擾能力強等特點， 可以高效迅速地實現對機動目標的偵察和打擊[7-8]。

國內戰術數據鏈研究起步較晚， 但也取得相關成果， 如曾服役于海軍裝備的HN-900戰術數據鏈。 近年來， 隨著戰爭模式和對抗方式的改變， 國內學者及科研人員在面向時敏突發業務競爭接入機制領域開展了相關研究。? 文獻[9]提出面向時敏業務的接入體制， 該接入體

制通過多個不同跳頻圖案進行多路接收處理， 這樣必定造成處理成本增加， 其文獻中碼速率為64 Mbps， 未考慮造價和成本， 工程實現價值不高且僅適用于負載較輕的網絡。 文獻[10-13]提出了基于負載統計的多址接入， 其負載統計方式均采用廣播負載統計信令的方式， 引入了額外開銷， 而且大都采用單信道模擬仿真， 無法滿足戰術協同響應需求。

TTNT戰術數據鏈能夠很好地適用于具有突發業務特點的戰術網絡， 但由于國外技術封鎖僅可獲知TTNT和SPMA的相關框架， 相關技術實現細節無從知曉。 基于TTNT技術封鎖和國內突發業務相關接入體制容量小、 信道利用率不高的問題， 提出以TTNT戰術數據鏈為背景、 以多路同時接收為基礎、 以犧牲物理層處理算法復雜度為代價的低延時、 高信道利用率、 抗干擾強的接入體制， 對物理層多路接收機制和MAC層自適應接入機制的相關理論和實現過程進行了分析和描述， 并對此模型進行系統仿真得到傳輸成功率、 端到端延時及系統吞吐量等變化曲線。 最后分析了基于多路接收自適應接入體制的信道利用率， 并且同單路接收自適應接入體制、 CSMA和TDMA等常用接入體制和面向突發業務的接入體制進行網絡性能比較分析。

1 TTNT戰術數據鏈分析

TTNT采用無中心自組織網絡架構， 可以實現快速建網、 入網和網絡重構， 構建無預置設施、 抗毀能力強的戰術網絡; TTNT物理層采用基于跳頻復用的虛擬全雙工傳輸機制， MAC層采用基于優先級統計的多址接入（SPMA， Statistical Priority-Based Multiple Access）， 實現在網節點高效可靠共享無線信道。 在偵察、 監視、 對抗等平臺以及地面指揮控制中心間構建一個高速、 抗干擾、 自組織能力強的協同網絡， 具備大容量網絡吞吐能力， 可實現各級作戰平臺的無縫鏈接[14]。

TTNT在自適應編碼及功率控制下， 自適應地改變FEC、 編碼方式和功率調整， 在距離增大時自動降低傳輸速率。 當傳輸距離小于100 km， 傳輸速率可達2 Mbps， 端到端傳輸延時為2 ms; 當傳輸距離小于200 km， 傳輸速率可達500 kbps， 端到端傳輸延時為6 ms; 當傳輸距離為300 km， 傳輸速率可達250 kbps， 端到端傳輸延時為30 ms， TTNT主要技術指標如表1所示。

2 基于快速跳頻的多路同時接收處理

為了降低物理層數據包之間沖突碰撞， 物理層采用基于跳頻跳時技術的處理機制。 物理層信號處理架構如圖 1所示。

2.1 發射處理

為了進一步減小物理層數據包之間的相互碰撞， 可將每幀數據經編碼、 交織后拆分為多段數據， 每段數據加入導頻數據后分散在不同的頻率和不同的時間段上， 如圖2所示。

同時， 為了最大限度提高網絡節點吞吐率， 該物理層具有同時收發能力， 即物理層在發送數據的同時能夠接收多個其他用戶的數據。 通過特定的波形設計和高性能譯碼器的糾錯處理， 實現一發多收的功能。 在發送端系統采用跳頻跳時體制， 將一幀數據拆分為許多短的脈沖（子幀）數據， 如圖3所示。 通過跳頻跳時將其分散在不同的頻率以及不連續的時間段上， 這樣物理層以突發的方式發送數據， 在發送數據的空閑時隙還可以接收數據[9]， 實現了收發同時處理的虛擬全雙傳輸模式， 有效提高了帶寬利用率。

2.2 接收處理

物理層能夠在發送數據的同時接收多路數據， 如圖4所示。 圖4（a）表示疊加后的多路數據;? 圖4（b）為物理層分離后的多路數據。

各路數據以特定的跳頻跳時序列分別給該特定組網節點發送數據， 物理層信號處理部分的多個邏輯處理單元根據相應的跳頻跳時序列分別處理多路數據， 分離出各路數據。 考慮到物理層在發送數據時無法完全正確接收數據， 分離出的四路數據不完整， 通過高性能譯碼器的糾錯處理能夠恢復出各路完整數據。 雖然該物理層能夠實現一發多收， 但實際實現過程中并不占用額外的處理單元， 其處理單元均為邏輯處理單元。

2.3 多路同時接收處理能力分析

物理層采用基于收發快速切換的虛擬全雙工傳輸模式和高效的編碼機制。 編碼效率為1/3， 一個分組（1 024 bit）編碼后的長度為3 072 bit。 在2 Mbps傳輸模式下采用脈沖調制方式進行分組發送時， 將編碼后的分組拆分為12個脈沖在跳頻跳時圖案的控制下進行發送和接收。 對于1/3編碼效率的Turbo編碼只要能夠接收一半以上的突發便能恢復出完整的數據分組， 且能容忍脈沖不超過10%的沖突碰撞， 即單個脈沖沖突小于10%仍能正確接收該突發。 該傳輸處理機制下， 一個脈沖（256 bit）的傳輸時間tp為

tp=256/16 M=16 μs（1）

收發通道在幀長Tp內可傳輸突發p：

Tp=1024/2 M=500 μs（2）

p=500/16=31.25（3）

采用高效編譯碼處理后， 只要接收一半以上的突發便能恢復出整個分組， 則基于多路同時接收的處理機制在一個幀長內可處理分組數目Np描述如下：

Np=31.25/6>5（4）

即在一個幀長內可傳輸6個分組， 采用快速切換開關實現收發間的快速切換， 實現一發四收的虛擬全雙工傳輸， 在2 Mbps數據發送的同時可接收8 Mbps的數據， 吞吐量可達10 Mbps。

3 基于信道負載感知的自適應接入

戰術協同控制指令通常呈現出突發模式且對時效性有較高要求， CSMA和TDMA等接入協議無法滿足高動態時敏目標對抗要求。 本文結合文獻[15]的基于負載統計和自適應閾值幀調度方法思想， 提出基于信道負載感知的閾值自適應接入方法。 通過感知信道負載計算信道占用率， 根據當前分組接入閾值， 決定分組是否接入信道， 閾值通過傳輸成功率動態調整。 自適應接入機制為戰術信息傳輸提供有效QoS保障， 在網絡負載較大的情況下， 接入機制通過抑制低優先級業務來降低信道負載， 保證高優先級業務的可靠傳輸。

基于信道負載感知的閾值自適應接入體制主要由信道負載感知、 閾值自適應調整和分組調度處理三個模塊組成。

3.1 信道負載統計

文獻[16]給出了基于物理層和網絡層兩種負載統計方式并進行了仿真分析， 基于兩種統計方式提出混合式信道負載統計方式。 混合式信道負載統計采用容限控制的方式選擇控制信道負載統計方式， 當物理層統計結果和網絡層統計結果的差值小于容限時， 以物理層統計結果為負載統計結果;? 反之， 以網絡層統計結果為負載統計結果。 混合式信道負載統計仍保留了廣播負載統計信令的機制， 不僅為系統引入額外的傳輸開銷， 而且由于存在一定的延時， 造成信道負載統計結果不夠準確。 混合式信道負載統計還需要合適的容差作為統計方式的選擇控制， 如果容差設置不合適， 將造成負載統計方式選擇偏差， 致使負載統計結果不準。 文獻[10]也提出改進的混合式信道負載統計， 在負載較低的情況下采用網絡層和物理層統計結果的均值作為當前信道負載， 但仍保留了廣播負載統計信令和依據特定參數評判網絡負載大小的處理方法。

基于上述分析， 提出基于目的ID的信道負載統計方式。 自適應接入體制物理層采用快速跳頻跳時處理機制， 即每個節點存在一個與其ID對應的跳頻跳時圖案， 并在圖案的控制下接收數據。 只有同自己圖案相同的數據才會被接收處理， 其他圖案的數據均為噪聲。 基于目的ID的信道負載統計通過物理層持續統計更新頻率集內各個頻點偵聽到的脈沖數目， 并寫入負載統計隊列供上層分組接入信道判斷時使用。 當上層分組到達MAC層時， 通過解析幀頭獲得目的ID， 然后根據目的ID的圖案獲取統計時間內的接收脈沖并計算信道占用率， 進而可以將此信道占用率同閾值比較， 控制分組的信道接入。 負載統計采用滑動窗口積分的方式進行信道負載統計[17]。 滑動窗步進為500 μs（一個幀長）， 窗長為10 ms， 即物理層以500 μs為周期， 周期性上報各頻點所接收的脈沖數目， MAC層收到物理層上報的接收脈沖數并填入相應頻點的負載統計隊列， 信道負載統計可描述為

P=∑Ni=0Rxi/N（5）

L=∑20i=0Pi/20（6）

式中： P為滑動步進窗內目的節點跳頻圖案的平均脈沖; N為跳頻點數; Rxi為信道i上接收的脈沖數目;? L為目的節點跳頻圖案信道負載; Pi為第i個滑動步進窗內的脈沖數目。 窗長為10 ms， 則滑動步進窗的數目為20。

基于目的ID的信道負載統計方式不僅能夠精確計算目的節點的信道負載， 而且能夠兼容多節點點對點傳輸時的接入控制。

3.2 閾值自適應調整

由于分組到達時間的概率分布存在較大隨機性， 導致信道接入閾值很難通過公式給出， 即使分組到達時間分布滿足理想情況下的泊松分布， 但該等式因為不可積， 無法得到閾值的準確等式， 無法獲取準確的閾值[15]。 仿真測試可以通過多次測試得到信道接入閾值， 但基于仿真測試的閾值計算方法本質上是一種固定閾值的接入控制， 節點的加入、 離開、 拓撲變化及分組到達時間分布都會對閾值造成很大的影響， 且仿真環境同真實環境存在一定差異， 不適用于具有突發業務的戰術協同網絡。 文獻[18]在TSMP-MAC接入協議設計中采用業務分配的方式計算閾值， 首先需要最低優先級的閾值， 仍需要實驗測試等方式獲得， 不具有靈活性和實用性。 再者， 該方法需要節點業務量的比例， 不僅難以獲取全網業務量， 而且對于突發業務的戰術網絡統計業務比例難以表征當前的業務狀況。

基于上述分析， 結合文獻[15]基于幀成功傳輸概率自適應閾值調整方法的思想， 提出自適應動態調整的閾值計算方法。 文獻[15]的閾值調整方法乘法遞增階段本質上是一種指數遞增模式。 指數函數模型有著增長速度同自變量正相關的特點， 即開始增長速度很慢， 后來隨著自變量的增大而增長速度不斷加快， 不符合信道閾值動態調整初始階段的變化規律。 不僅會為系統帶來較大的穩態時間， 還會造成較大的超調量， 不利于系統快速達到穩定狀態。 為此，? 提出新的閾值自適應計算方法， 在閾值自適應的初始階段采用對數遞增模式。 對數函數模型有著同指數函數模型相反的特點， 增長速度隨著自變量的增加而不斷減小。 同閾值自適應初始階段的變化規律相同， 能夠使系統快速達到穩定狀態。

閾值自適應計算通過分組成功傳輸率和信道負載動態自適應計算閾值。 閾值自適應計算方法能夠很好地適用于高動態拓撲和具有突發業務的戰術協同網絡， 節點的加入和離開以及拓撲的變化均能很快達到當前系統的真實閾值。

閾值動態自適應調整過程如圖5所示。 閾值自適應過程可分為對數遞增、 比例遞增及自適應動態調整三個階段。

3.2.1 對數遞增階段

由于剛開始信道閾值是未知的， 且由于信道接入分組較少， 要想很快達到系統穩定時的穩態吞吐量， 接入

分組應滿足起初存在較大的增長速度， 且隨著時間的推

移增長速度持續變換的規律。 因此， 起初采用對數遞增的增長模式， 其閾值Thl可通過下式確定：

Thl=（-lg（Rc）+1）×L（7）

式中： Thl為對數遞增處理后的閾值; L為上一個幀長內的信道負載; Rc為信道占用率， 經歸一化處理后其取值范圍為 [0， 1]。 剛開始時， 信道負載為零， 允許所有分組接入， 信道占用率Rc較小， 即信道負載較低， Thl迅速增加。 由于初始階段主要為入網建網指令， 相對數據較少， 且設備上電時間存在較大隨機性， 分組間碰撞概率較低。 建網入網指令均為應答式交互， 當未收到應答指令時， 節點會再次下發建網入網請求指令， 即使分組碰撞丟失也不會造成網絡組建失敗。 隨著業務量的增加， 信道占用率Rc不斷增加， Thl增長速度越來越慢， 即Thl越來越接近信道負載L。 當信道負載較大時， Rc接近于1， Thl約等于信道負載L， 即

Thl≈L（8）

此時， 閾值基本同信道負載相同。 當分組到達時間間隔滿足信號可處理間隔時， 該閾值即為真實閾值。 但通常當負載較大時， 隨機分布的分組造成成功率分組間沖突碰撞， 傳輸成功率隨之降低（低于99%）。 當傳輸成功率首次低于99%時， 根據接入信道分組的90%計算退避時間， 使接入信道的分組降為原來的90%。 將此時信道接入閾值記為閾值初值Thb， 閾值調整進入比例遞增階段， Thb可描述為

Thb=0.9×L（9）

3.2.2 比例遞增階段

經過對數遞增階段， 系統得到最接近真實閾值且滿足傳輸可靠性要求的閾值初值Thb， 但此時接入信道的分組仍小于系統吞吐量。 由于接入信道的分組同真實閾值間的差值δT較小， 采用比例遞增即可很快逼近真實閾值且不會引入較大超調量。 閾值比例遞增調整可描述為

Thm=Thb+k×N（10）

式中：k為比例系數; N為比例遞增階段閾值調整的次數。 當傳輸成功率在比例遞增階段首次低于99%時， 將最近兩次信道接入分組的均值記為Thm， 即

Thm=Tri+Tri-12=Tri-1+Tri-Tri-12（11）

式中：

Tri為本次接入信道的分組量; Tri-1為上次接入信道的分組量。 Thm相比Thb更進一步接近真實閾值， 此時閾值調整進入動態調整階段。

3.2.3 動態調整階段

閾值調整進入動態調整階段， 閾值接近吞吐量， 僅需要在閾值附近適當波動即可達到穩定于系統吞吐量的接入信道分組。 當成功率低于99%時， 通過退避機制適當減少分組接入數目使傳輸成功率迅速回到99%以上; 當成功率高于99%時， 適當增加信道分組的接入， 提高系統吞吐量。 動態調整信道閾值Thd可通過下式確定：

Thd=[1+ki×（r-99%）]×L，? r≥99%

[1-kd×（99%-r）]×L，? r<99%? （12）

式中： r為傳輸成功率; L為信道負載; Thd為動態調整處理后的閾值; ki， kd均為修正系數， 默認為1， 可根據系統對可靠性和吞吐率的要求分別調整ki和kd。

3.3 分組調度處理

分組調度處理的本質是通過退避接入在時域上進行有效展寬， 降低分組間的沖突概率， 提高傳輸可靠性。 文獻[19]提出了基于優先級的退避策略， 可描述為

tbackoff， i=tupdate +rand tupdate2×（i-1）（13）

式中： tbackoff， i為退避時間; tupdate為負載統計窗口時長; i為優先級， i=1， 2， 3…， n; rand（x）為取區間[0，? x]內均勻分布隨機數。

通過上述機理分析， 基于優先級的退避策略本質上可視為時隙分配調度， 通過優先級將分組分散在滑動窗口時間內來降低分組間的沖突， 提高傳輸可靠性。 但基于區分優先級的退避策略存在不足之處， 首先， 基于區分優先級的退避策略存在較大延時， 就最高優先級（i=0）而言， 其平均端到端延時為tupdate無法滿足時敏目標瞄準要求。 其次， 基于優先級隨機退避的隨機過程采用均勻分布， 在節點較少時可以避免沖突， 當節點較多時， 仍存在較大的相同或相似的概率， 分組間存在較大沖突， 無法滿足大容量組網通信的要求; 且各優先級退避時間隨機分布過程的起始值均為0， 相應地也增加了隨機時間相同的概率， 高優先級分組傳輸成功率無法得到保證。 最后， 基于區分優先級的退避策略從概率的角度在時域上相當于整體向后搬移， 只有將閾值控制在較低時有效， 嚴重降低了系統信道利用率。

基于上述分析， 提出基于分組服務時間的退避策略。 該策略的思想是通過分組服務時間控制分組接入信道的數目接近信道真實閾值， 達到傳輸成功率不低于99%的傳輸可靠性; 通過基于區分優先級的隨機退避時間， 降低分組間的沖突概率， 提高信道利用率。

為了保證高優先級業務的可靠傳輸和時效性， 應增加低優先級業務退避時間， 減少低優先級業務的接入， 使接入信道的分組在系統吞吐量內， 便能達到99%的成功率和高優先級業務低延時的要求。 剩余閾值是計算滿足接入高優先級分組后系統剩余的閾值：

Bi=Li， i=0， CAT≥Li

CAT，? i=0，? CAT

CAT-∑j=i-1j=0Lj，? i>0（14）

式中： B為剩余閾值; L為信道負載; i為優先級; CAT為信道接入閾值。

允許接入分組比例Ai可描述為

Ai=BiCAT

本地節點可用閾值為

Thai=Bi·ri（15）

式中： Tha為本地節點可用閾值; r為本地節點業務分組占網絡業務分組的比例。

分組服務時間是計算低優先級分組被調度的時間和分組接入信道的時間， 使分組盡可能均勻地分布于發送信道， 降低沖突概率， 提高成功率。

分組服務時間ti可描述為

ti=T·Ai（16）

式中： T為系統允許的最大延遲時間。

隨機退避是增加分組接入信道的隨機性， 降低分組間的沖突。 隨機退避時間同優先級、 信道負載成正相關， 可描述為

TRi=N（Ti， δi）（17）

式中：

Ti=ti/2， i=0∑i-1j=0tj + ti/2， i>0; δi=ti/2;

N（T， δ）為期望為T、 方差為δ的正太分布。

當優先級分組負載Li較小時， 剩余閾值Bi遠大于負載Li， 允許接入當前優先級的全部分組; 當負載Li較大時， 剩余閾值Bi小于負載Li， 只允許接入當前優先級部分分組， 此時接入信道分組的總量剛好等于信道閾值， 信道利用率達到最大; 當負載Li很大時， 剩余閾值Bi等于0， 不允許當前優先級分組接入， 只允許接入高于當前優先級的分組， 接入信道分組的總量仍等于信道閾值， 信道利用率仍達到最大， 且分組傳輸成功率不低于99%。 在信道負載超過接入閾值的情況下， 無論信道負載如何變化， 系統的吞吐量總能恒定維持在真實閾值附近， 且傳輸成功率不低于99%。

基于閾值自適應的接入體制相比于文獻[20-24]等閾值設計算法具有更好的信道利用率， 文獻[17]的閾值設計算法可描述為

Thi=dN-1×∑N-1j=0rj∑ij=0rj， 0≤i≤N-2（18）

從式（18）可知， 閾值同ri為非線性關系， 這符合優先級退避的規律。 但由于非線性的存在和ri的隨機分布， 無法保證接入的分組維持在閾值ThN-1附近， 造成帶寬資源浪費。? 其信道接入分組可描述為

CA=L1-∑ri！≡ThN-1（19）

基于分組服務時間的退避策略是基于剩余閾值計算分配的方式， 避免了信道利用不充分的問題， 能夠將發送分組在有效的接入時域內進行展寬， 降低了分組間的沖突， 提高傳輸可靠性和信道利用率。

4 仿真及結果分析

從成功率、 端到端延時、 吞吐量等系統性能進行接入體制性能分析， 并將基于多路同時接收的接入體制同單路接收的接入體制、 CSMA和TDMA等接入體制進行比較。

4.1 仿真條件

面向多節點的協同突發業務接入體制采用OPNET仿真工具進行仿真驗證。 分別進行了24， 48， 72節點的動態仿真， 節點隨機動態地分布于100 km×100 km的區域中， 傳輸速率為2 Mbps。 業務分為0～3共4個優先級， 各優先級業務的到達時間服從泊松分布且時間間隔為1 ms， 分組長度為1 024 bit， 如表2所示。

4.2 性能分析

4.2.1 端到端延時分析

端到端延時統計結果如圖6所示。 可見， 24， 48， 72節點平均端到端延時分別為3.8 ms， 5 ms， 5.6 ms， 即隨著網絡規模的擴大和在網節點數目的增加， 平均端到端延時也隨之增大， 但仍能滿足不大于10 ms的延時要求。 高優先級業務的端到端延時約為1.2 ms， 滿足戰術協同網絡端到端延時的要求。 開始端到端傳輸延時出現較大波動是由于起初接入機制進入閾值自適應的對數遞增階段， 造成接入退避時間不夠穩定。 端到端延時包括接入延時、 傳輸延時、 傳播延時、 信號處理時間。

4.2.2 傳輸成功率分析

傳輸成功率統計如圖7所示。 由于信道接入閾值采用動態自適應的算法， 分組傳輸成功率能夠很好地穩定在99%以上。 當成功率低于99%時， 自適應算法立即降低信道接入閾值， 傳輸成功率很快達到99%的可靠傳輸。 但隨著網絡規模的擴大和在網節點數目的增加， 傳輸成功率也隨之出現波動， 但系統能夠很快回到成功率99%以上的傳輸。

4.2.3 吞吐量分析

吞吐量統計結果如圖8所示。 無論是24節點、 48節點， 還是72節點， 系統接收吞吐量均能接近8 Mbps， 系統平均吞吐量約為7.6 Mbps， 信道利用率為95%。 起初吞吐量為0， 是由于建網和入網過程致使節點無法發送數據所造成的， 節點越多， 建網所需時間越長。 自適應接入體制采用基于剩余閾值的閾值分配策略， 當信道負載遠大于接入閾值時， 只允許接入部分分組且接入的分組等于信道接入閾值， 信道利用率達到最大; 當信道負載小于接入閾值時， 降低接入延時， 減小平均端到端延時。

4.3 性能對比

網絡性能對比主要從閾值自適應接入體制（MR-ATMA）同普通接入和基于突發業務接入兩種體制分別進行對比， 參與對比的普通接入體制主要為SR-ATMA， CSMA及TDMA等常用接入體制， 突發業務接入體制主要為面向高時敏業務的多址接入協議（RT-MAC）[9]、 無需物理層統計數據的SPMA改進協議（SPMA-NPS）、 基于業務量統計的多優先級接入協議（TSMP-MAC）[11]等面向戰術數據鏈突發業務的接入體制。

4.3.1 普通接入體制比較

普通接入體制比較主要從端到端延時和信道利用率進行比較， 結果如表3所示。

（1） 延時比較

端到端延時統計如圖9所示。 多收體制下的平均端到端延時比SR-ATMA低2 ms， 較CSMA接入體制有更好的穩定性。 由于MR-ATMA采用信道負載統計的接入方式， CSMA在網絡負載較大時， 載波監聽持續偵聽到“信道忙”的信號， 造成分組接入持續退避， 端到端延時加大。 較TDMA有更低的延時， 比TDMA延時少45 ms。 TDMA采用時隙劃分的接入方式， 對于突發業務， 造成某些節點時隙浪費， 致使端到端延時較大[24]。

（2） 信道利用率比較

信道利用率比較結果如圖10所示。 MR-ATMA具有更高的信道利用率， 高達95%; CSMA的信道利用率只有51%; SR-ATMA的信道利用率為66%; TDMA的

信道利用率為80%。 MR-ATMA分別較CSMA， SR-ATMA， TDMA信道利用率高出44%， 29%和15%。 這是因為CSMA通信載波監聽決定信道接入， 造成信道資源浪費[25]; SR-ATMA采用單通道接收處理， 不利于沖突避免， 要達到高的可靠傳輸， 只能接入少的分組， 造成信道資源浪費;? TDMA需要時隙的預約和分配， 對于突發業務容易造成時隙浪費， 致使信道資源浪費。

4.3.2 突發業務接入體制比較

突發業務接入體制比較主要從傳輸可靠性和端到端延時進行比較。

（1） 端到端延時比較

端到端延時比較結果如圖11所示。? 隨著吞吐量的增加， MR-ATMA端到端延時較為穩定， 能夠穩定在5 ms左右。 當吞吐量達到10 Mbps時， 端到端延時約為5.6 ms。 RT-MAC端到端延時約為7 ms， 由于吞吐量超過0.2 Mbps時傳輸成功率幾乎為0， 不存在端到端延時， 延時記為0。? TSMP-MAC在吞吐量低于6 Mbps時， 端到端延時約為0.5 ms; 當超過6 Mbps時， 延時迅速增加; 當吞吐量為8 Mbps時， 延時高達85 ms， 且最大吞吐量僅9 Mbps。 SPMA-NPS在吞吐量低于6 Mbps時， 端到端延時約為0.5 ms; 當吞吐量超過6 Mbps時， 端到端延時快速增加; 當吞吐量達到10 Mbps時， 端到端延時為5 ms。

（2） 傳輸可靠性比較

傳輸可靠性主要通過分組傳輸成功率進行衡量， 分組傳輸成功率比較如圖12所示。 MR-ATMA傳輸成功率始終穩定在99%以上。 RT-MAC在吞吐量低于0.02 Mbps時， 成功率約為90%。 隨著吞吐量的增加， 傳輸成功率迅速下降。 當吞吐量超過0.2 Mbps時， 成功率幾乎為0。 這是由于RT-MAC采用跳頻圖案進行沖突避免， 但跳頻圖案有限， 造成分組間碰撞丟失。 TSMP-MAC在吞吐量低于6 Mbps時， 成功率可超過99%; 超過6 Mbps時， 成功率迅速下降;? 當吞吐量達到9 Mbps時， 傳輸成功率幾乎為0。 SPMA-NPS在吞吐量不超過4 Mbps時， 傳輸成功率能夠不低于99%; 當吞吐量達到10 Mbps時， 成功率約為60%。

根據上述分析， MR-ATMA更適用于具有業務突發特點的戰術協同網絡， 吞吐量可達10 Mbps， 且成功率不低于99%， 延時約為5.6 ms。

5 結? 論

本文基于TTNT戰術數據鏈體制提出一種基于突發業務的低延時接入體制。 首先進行了TTNT戰術數據鏈相關體制分析， 并基于TTNT體制進行了面向多節點協同突發業務接入體制設計及理論分析， 最后在OPNET網絡仿真軟件上進行了仿真。 面向多節點協同突發業務接入體制以物理層一發四收處理機制為支撐， 在閾值自適應接入機制的控制下， 在保證端到端延時和高可靠性的要求下， 有效提高了信道利用率， 信道利用率高達95%， 較CSMA， SR-ATMA和TDMA接入體制分別提高了44%， 29%和15%， 且高優先級業務端到端延時不超過2 ms， 平均端到端延時約為5.6 ms， 傳輸成功率不低于99%。 其處理機制和網絡性能同TTNT體制相當， 能很好地適用于具有突發業務特點的戰術網絡。

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Research on Burst Services Access Mechanism for

Multi-Node Cooperation

Ding Feng1， Chen Xiaofei2*， Ma Shiyin2

（1. Space Star Technology Co.， LTD， Beijing 100086， China;

2. Xian Aerospace Remote Sensing Data Technology Co.， LTD， Xian 710054， China）

Abstract： To solve the problem of large delay and small capacity of tactical cooperative network data link，? in order to meet the requirements of low delay and large capacity in tactical network，? a threshold adaptive access mechanism based on multi-channel simultaneous reception is proposed based on tactical targeting network technologies （TTNT）. A layered open architecture is adopted in this mechanism，? and the physical layer adopts multi-channel simultaneous receiving technology based on fast frequency hopping to realize virtual full-duplex transmission mode. The MAC layer adopts threshold adaptive access technology based on channel load statistics，? which can realize fast access of burst service. Compared with SR-ATMA， CSMA，? TDMA and other access mechanisms，? it has higher channel utilization and lower access delay， and can be well applied to the tactical network with the characteristics of burst service.

Key words： tactical coordination; time sensitive target; burst service; TTNT; load statistics; multiple addresses access; data communication