面向空天地一體化的空時(shí)多址接入?yún)f(xié)議*

李光明，孫曉磊，謝杰榮

（海軍潛艇學(xué)院，山東 青島 266199）

0 引言

5G 商用促進(jìn)了萬物互聯(lián)的發(fā)展，然而地面網(wǎng)絡(luò)越來越難以滿足大覆蓋、高移動(dòng)性以及多視距鏈路等通信需求。空天地一體化網(wǎng)絡(luò)由衛(wèi)星、空中網(wǎng)絡(luò)和地面通信集成，在緊急通信、對(duì)地觀測和空間探索等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用[1]。其中，高空網(wǎng)絡(luò)具有機(jī)動(dòng)靈活、快速共享等特性，為空天地一體化網(wǎng)絡(luò)提供高度靈活、可靠生存的快速接入能力；但網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)多變、接入節(jié)點(diǎn)繁多復(fù)雜等復(fù)雜環(huán)境，對(duì)空中組網(wǎng)的接入?yún)f(xié)議提出了新的要求和挑戰(zhàn)。目前，高空節(jié)點(diǎn)組網(wǎng)數(shù)據(jù)鏈采用的多址接入?yún)f(xié)議方式主要有3 種：指令/回應(yīng)協(xié)議、輪詢協(xié)議和固定時(shí)分多址接入（Time-Division Multiple Access，TDMA）協(xié)議[2-4]。其中，TDMA 具有較高的頻帶利用率、抗干擾性能良好，在數(shù)據(jù)鏈的開發(fā)、研制過程中應(yīng)用廣泛[5-7]。根據(jù)節(jié)點(diǎn)數(shù)量和不同節(jié)點(diǎn)對(duì)時(shí)隙的要求，固定時(shí)隙分配TDMA 為每個(gè)節(jié)點(diǎn)分配了一組固定、唯一的時(shí)隙，節(jié)點(diǎn)在各自的時(shí)隙上進(jìn)行信息發(fā)送[8]；但是，即使某些節(jié)點(diǎn)沒有發(fā)送信息，其他節(jié)點(diǎn)也無法占用這些節(jié)點(diǎn)的時(shí)隙，造成信道利用率下降。這種設(shè)計(jì)雖然簡單，但隨著網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)量的增加，網(wǎng)絡(luò)規(guī)模不斷增大、分配時(shí)隙增加，數(shù)據(jù)包的端到端發(fā)送容易出現(xiàn)停等過久等現(xiàn)象，無法滿足時(shí)延要求較高業(yè)務(wù)的需求。同時(shí)，高動(dòng)態(tài)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓菀自斐删W(wǎng)絡(luò)內(nèi)節(jié)點(diǎn)退網(wǎng)、入網(wǎng)等情況，造成大量時(shí)隙空閑或者時(shí)隙動(dòng)態(tài)競爭，不利于高空高速節(jié)點(diǎn)組網(wǎng)。

文獻(xiàn)[9-10]創(chuàng)新性地提出了公平調(diào)度算法和嚴(yán)格優(yōu)先級(jí)調(diào)度分配算法兩種動(dòng)態(tài)時(shí)隙分配算法。公平調(diào)度算法根據(jù)優(yōu)先級(jí)的所占的百分比分配時(shí)隙，而嚴(yán)格優(yōu)先級(jí)調(diào)度按照高、中、低優(yōu)先級(jí)的順序分配時(shí)隙。假設(shè)1 個(gè)TDMA 幀由6 個(gè)時(shí)隙組成，請(qǐng)求數(shù)組包含6 個(gè)高優(yōu)先級(jí)和6 個(gè)低優(yōu)先級(jí)請(qǐng)求，公平調(diào)度算法將為兩個(gè)優(yōu)先級(jí)分配相同數(shù)量的數(shù)據(jù)時(shí)隙，而嚴(yán)格優(yōu)先級(jí)算法將僅調(diào)度高優(yōu)先級(jí)請(qǐng)求。總的來說，兩種算法在處理低優(yōu)先級(jí)“餓死”問題和高優(yōu)先級(jí)“優(yōu)先”問題上均存在優(yōu)勢與不足。

為了解決上述問題，本文結(jié)合固定時(shí)隙分配和動(dòng)態(tài)時(shí)隙分配，提出了一種基于高空高速節(jié)點(diǎn)自組網(wǎng)的多址接入?yún)f(xié)議方案。該方案首先為所有節(jié)點(diǎn)分配1 個(gè)專屬數(shù)據(jù)時(shí)隙，在遵循嚴(yán)格優(yōu)先級(jí)的前提下，節(jié)點(diǎn)預(yù)約競爭分配空閑時(shí)隙。在該算法中，網(wǎng)絡(luò)對(duì)有數(shù)據(jù)傳輸需求的節(jié)點(diǎn)依據(jù)其任務(wù)等級(jí)、節(jié)點(diǎn)狀態(tài)進(jìn)行排隊(duì)，優(yōu)先為高優(yōu)先級(jí)節(jié)點(diǎn)分配時(shí)隙，當(dāng)?shù)蛢?yōu)先級(jí)節(jié)點(diǎn)請(qǐng)求k次失敗后，該節(jié)點(diǎn)的優(yōu)先級(jí)提高1 級(jí)，有效解決了高優(yōu)先級(jí)“優(yōu)先”問題和低優(yōu)先級(jí)“餓死”問題。

1 物理層幀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

高空高速節(jié)點(diǎn)組網(wǎng)的通信要求高效率的通信幀格式，因?yàn)樵摻M網(wǎng)通信具有非連續(xù)、突發(fā)通信的特點(diǎn)，需要滿足多種業(yè)務(wù)速率，通常情況下需要支持800 Kb/s 以上的可變速率的鏈路。本文根據(jù)鏈路整體性能需求，設(shè)計(jì)系統(tǒng)數(shù)據(jù)時(shí)隙程度為 5 ms，為了滿足長距離傳輸時(shí)延，時(shí)隙保護(hù)間隔設(shè)為 1.7 ms。空時(shí)多址接入（Space-Time-Division Multiple Access，STDMA）協(xié)議的時(shí)幀結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 STDMA 協(xié)議的時(shí)幀結(jié)構(gòu)

由圖1 可知，STDMA 協(xié)議的時(shí)幀結(jié)構(gòu)主要由控制區(qū)間和數(shù)據(jù)發(fā)送區(qū)間組成。在控制區(qū)間里，控制消息由各種定義消息格式組成，專屬于中心節(jié)點(diǎn)，主要用于資源分配、組網(wǎng)控制信令和時(shí)隙分配結(jié)果的分發(fā)；時(shí)隙保護(hù)需滿足高空通信平臺(tái)之間視距距離高達(dá)百千米級(jí)，因此需要留出足夠的保護(hù)間隔，擴(kuò)大高空節(jié)點(diǎn)之間的通信距離。

n個(gè)等長的發(fā)送時(shí)隙構(gòu)成多個(gè)數(shù)據(jù)發(fā)送區(qū)間，其組成部分主要有以下特點(diǎn)：

（1）訓(xùn)練序列占用兩個(gè)字節(jié)，用于對(duì)準(zhǔn)收發(fā)兩端的時(shí)間；

（2）幀校驗(yàn)序列占用1 個(gè)字節(jié)，用于檢測數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性；

（3）開始標(biāo)志和結(jié)束標(biāo)志結(jié)構(gòu)簡單，占用1個(gè)字節(jié)，是數(shù)據(jù)包傳輸?shù)钠鹬箻?biāo)志；

（4）數(shù)據(jù)域主要分為信息類型標(biāo)志和信息內(nèi)容，信息類型標(biāo)志占用兩個(gè)字節(jié)，用于提供信息類型、優(yōu)先級(jí)以及收發(fā)路徑等控制信息，信息內(nèi)容為要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)。

2 STDMA 協(xié)議設(shè)計(jì)

針對(duì)智能化定向組網(wǎng)內(nèi)無線信道資源有限的問題，本文提出了一種改進(jìn)的STDMA 時(shí)隙調(diào)度算法。通過時(shí)隙調(diào)度，節(jié)點(diǎn)得到預(yù)分配的時(shí)隙資源，進(jìn)行數(shù)據(jù)包傳輸，從而實(shí)現(xiàn)無沖突通信[11]。此外，本文考慮了高空節(jié)點(diǎn)的空域特性，為增大網(wǎng)絡(luò)的空間復(fù)用度，采用圖染色算法，在不同的時(shí)隙中同時(shí)傳輸盡可能多的非沖突鏈路，增加網(wǎng)絡(luò)吞吐量，提高網(wǎng)絡(luò)性能。本文的STDMA 協(xié)議設(shè)計(jì)主要針對(duì)時(shí)隙競爭機(jī)制和時(shí)隙重分配準(zhǔn)則兩部分。

2.1 時(shí)隙競爭機(jī)制

當(dāng)負(fù)荷量大于鏈路分配的時(shí)隙個(gè)數(shù)時(shí)，節(jié)點(diǎn)可根據(jù)兩跳內(nèi)不活躍鏈路和兩跳外鏈路時(shí)隙的監(jiān)聽情況發(fā)出時(shí)隙申請(qǐng)，獲得額外的時(shí)隙，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸[12]。若偵聽到兩跳內(nèi)的空閑時(shí)隙，則可以直接選擇與鄰居鏈路不發(fā)生沖突的時(shí)隙作為額外時(shí)隙，如果存在多個(gè)時(shí)隙申請(qǐng)，根據(jù)優(yōu)先級(jí)判別方式，緩沖隊(duì)列數(shù)據(jù)越多的鏈路獲得優(yōu)先權(quán)，未分配成功的鏈路向兩跳外鏈路時(shí)隙發(fā)出申請(qǐng)。若節(jié)點(diǎn)始終申請(qǐng)不到時(shí)隙，則通過調(diào)整幀長度適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)的變化。時(shí)隙競爭機(jī)制流程如圖2 所示。

圖2 時(shí)隙競爭機(jī)制流程

2.2 時(shí)隙重分配準(zhǔn)則

在以往的時(shí)隙分配過程中，通常設(shè)定固定周期T對(duì)時(shí)隙進(jìn)行重新分配，但由于彈間自組網(wǎng)的高動(dòng)態(tài)特性，T的大小一直以來難以確定。T的值偏小，網(wǎng)絡(luò)更新頻繁，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)信道利用率降低，大大增加了數(shù)據(jù)傳輸延時(shí)；T的值偏大，如果網(wǎng)絡(luò)性能處于極其惡化的狀態(tài)，時(shí)隙可能無法得到更新。

為有效實(shí)現(xiàn)時(shí)隙更新，本文以全網(wǎng)絡(luò)信道的利用率為標(biāo)準(zhǔn)。信道利用率為：

式中：N為自組網(wǎng)內(nèi)鏈路總數(shù)；ri為第i條鏈路在一定時(shí)間內(nèi)利用的時(shí)隙個(gè)數(shù)；mi為中心節(jié)點(diǎn)為第i條鏈路分配的時(shí)隙個(gè)數(shù)。

當(dāng)信道利用率ρ低于某固定閾值時(shí)，中心節(jié)點(diǎn)重新分配時(shí)隙。

3 協(xié)議性能分析

本文以數(shù)據(jù)包為單位，將節(jié)點(diǎn)優(yōu)先級(jí)分為高、中、低3 個(gè)等級(jí)，對(duì)網(wǎng)絡(luò)中各種業(yè)務(wù)服務(wù)質(zhì)量的平均時(shí)延性能進(jìn)行分析。由基于固定+動(dòng)態(tài)分配的STDMA 協(xié)議的等效模型可知：為保證節(jié)點(diǎn)的公平性，每個(gè)節(jié)點(diǎn)至少分配1 個(gè)固定時(shí)隙[13]；其余空閑時(shí)隙由各節(jié)點(diǎn)向中心節(jié)點(diǎn)預(yù)約申請(qǐng)，中心節(jié)點(diǎn)根據(jù)節(jié)點(diǎn)優(yōu)先級(jí)進(jìn)行動(dòng)態(tài)分配。

以圖3 的12 個(gè)節(jié)點(diǎn)為例，假定一個(gè)時(shí)隙內(nèi)發(fā)送1 個(gè)數(shù)據(jù)包，時(shí)隙數(shù)為19 個(gè)。其中，1 個(gè)為TS0的控制時(shí)隙，12 個(gè)分配給每一個(gè)節(jié)點(diǎn)，剩下6 個(gè)時(shí)隙由節(jié)點(diǎn)競爭分配。圖中x,y,z表示每個(gè)節(jié)點(diǎn)距中心節(jié)點(diǎn)（節(jié)點(diǎn)A）的相對(duì)位置，v表示節(jié)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)速度，θ表示節(jié)點(diǎn)相對(duì)于中心節(jié)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)方向[14]。

圖3 12 個(gè)節(jié)點(diǎn)分布

這里主要討論后6 個(gè)競爭時(shí)隙內(nèi)，信息端到端的時(shí)延問題，考慮排隊(duì)等待時(shí)間、傳輸時(shí)間和固定時(shí)隙的長度問題，并假設(shè)每個(gè)節(jié)點(diǎn)固定時(shí)隙長度、傳輸時(shí)間和每個(gè)數(shù)據(jù)包的服務(wù)時(shí)間均為5 ms，則總固定時(shí)隙長度為60 ms。

對(duì)于第1 個(gè)競爭時(shí)隙，數(shù)據(jù)包端到端時(shí)延為：

對(duì)于第2 個(gè)競爭時(shí)隙，數(shù)據(jù)包端到端時(shí)延為：

其余競爭時(shí)隙同理。

因?yàn)榕抨?duì)時(shí)延是一個(gè)隨機(jī)量，量化難度較大，所以考慮最壞情況，即節(jié)點(diǎn)間距500 km，排隊(duì)在最尾端（第12 位），且第1 個(gè)數(shù)據(jù)包剛開始被服務(wù)。

則每個(gè)競爭時(shí)隙包端到端時(shí)延如表1 所示。

表1 每個(gè)競爭時(shí)隙包端到端時(shí)延

以上計(jì)算過程可以擴(kuò)展到更一般的情景。假設(shè)每個(gè)節(jié)點(diǎn)固定時(shí)隙長度為5 ms，平均分組傳送時(shí)間為1/μ，m個(gè)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)包的到達(dá)率獨(dú)立同分布，且滿足參數(shù)為λ/m的泊松過程，因此可等效為單節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)包到達(dá)率為λ的泊松過程[15]。

設(shè)第i個(gè)節(jié)點(diǎn)到達(dá)系統(tǒng)時(shí)，第l個(gè)節(jié)點(diǎn)正在發(fā)送數(shù)據(jù)包，剩余時(shí)間為Ri，有Ni個(gè)節(jié)點(diǎn)在等待隊(duì)列。那么節(jié)點(diǎn)i需要等待的時(shí)間可用Wi表示，具體為：

為驗(yàn)證STDMA 協(xié)議的有效性和相關(guān)參數(shù)對(duì)其性能的影響，本方案利用MATLAB 仿真平臺(tái)對(duì)系統(tǒng)內(nèi)數(shù)據(jù)包的時(shí)延與節(jié)點(diǎn)數(shù)變化關(guān)系進(jìn)行驗(yàn)證。其中，網(wǎng)絡(luò)仿真參數(shù)設(shè)置為：總時(shí)隙數(shù)=節(jié)點(diǎn)數(shù)×1.5+1，加1 的時(shí)隙是TS0 控制時(shí)隙，其他多余的時(shí)隙分配給不同優(yōu)先級(jí)的節(jié)點(diǎn)。假設(shè)各個(gè)優(yōu)先級(jí)的節(jié)點(diǎn)都在同一時(shí)間發(fā)送且都為單位時(shí)間。

經(jīng)過仿真得到的結(jié)果如圖4 所示。可知，節(jié)點(diǎn)優(yōu)先級(jí)越高，分配的時(shí)隙越多，此時(shí)端到端時(shí)延也就越低；反之，節(jié)點(diǎn)優(yōu)先級(jí)越低，分配的時(shí)隙越少，端到端的時(shí)延就越高。當(dāng)仿真參數(shù)節(jié)點(diǎn)優(yōu)先級(jí)分布調(diào)整，即低等級(jí)節(jié)點(diǎn)在競爭到更多時(shí)隙后，仿真結(jié)果顯示，系統(tǒng)的端到端時(shí)延明顯改善。

圖4 系統(tǒng)端到端時(shí)延隨節(jié)點(diǎn)數(shù)目變化的關(guān)系

4 結(jié)語

針對(duì)空天一體化網(wǎng)絡(luò)高空組網(wǎng)內(nèi)無線信道資源有限的問題，本文提出了一種基于高空高速節(jié)點(diǎn)自組網(wǎng)的多址接入?yún)f(xié)議方案，各個(gè)節(jié)點(diǎn)統(tǒng)一采用分布式算法完成資源分配。本文首先對(duì)STDMA 協(xié)議的物理層幀結(jié)構(gòu)進(jìn)行介紹；其次設(shè)計(jì)改進(jìn)了時(shí)隙競爭機(jī)制和時(shí)隙重分配準(zhǔn)則，在不同的時(shí)隙中同時(shí)傳輸盡可能多的非沖突鏈路，增加網(wǎng)絡(luò)吞吐量；最后通過理論推導(dǎo)與實(shí)驗(yàn)仿真論證了該協(xié)議的良好性能。