一种新型VHF/UHF数据链中的时隙分配策略

梁 爽，赵伟光

（空军工程大学 理学院，陕西 西安 710051）

时隙分配算法对充分提高系统资源利用率，缩短系统响应时间、提高整个网络的运行效率均具有重要意义[1-3]。本文在VHF/UHF数据链系统的基础上，首先通过对常用时隙分配策略的分析和比较，提出了一种新型时隙分配高层算法——渐变分配策略，之后，给出了算法所用竞争信道的优化方案，并证明它优于另外两种优化方案。

1 常用时隙分配策略的比较

目前，常用时隙分配策略有固定、动态、竞争以及预约等分配策略。

固定分配，根据用户最大需求量，通信前将所有时隙一次性分配给用户。它适用于信道容量足够大或用户数量不多的情况。该方法实现简单，且不会出现多址干扰。但信道利用率过低。动态分配，则是根据用户容量和业务量的大小变化来实时改变其时隙分配的多少，以提高资源使用效率。但实现比较复杂，并要为传输新的分配而开销信道。竞争分配就是用户在每时隙内采用ALOHA方式抢占该时隙，如果只有一个用户发送信息则发送成功，反之产生碰撞。用户检测到碰撞后，各自随机延迟后重发。由于采用吞吐率不高的ALOHA方式，该方法不适合较大规模网络使用。预约分配，是对竞争分配的改进。用户需要发送信息时，首先在专用信道中向网管中心预约，网管中心按照收到预约申请的先后顺序给各申请用户分配特定时隙。但这种分配策略实现起来较复杂[6-10]。

基于上述分析可见，预约分配策略对地空通信的可靠性要求过高，不适用于当前时隙分配策略。固定分配策略相对不够灵活，容易造成时隙浪费或信息阻塞的可能。动态分配虽然可以提高用户时隙的使用率，但实现过于复杂，所消耗的额外开销太多（因为需要强运算能力以应对随时出现的时隙释放和时隙再分配）；同时，该策略还将占用很多通信资源来通知用户新分配的时隙块。而竞争分配策略在竞争用户过多时，碰撞概率将大大增高，因而不适合较大规模的网络使用。

2 渐变策略的基本思想

渐变分配策略预先利用固定分配方式为用户分配时隙块，同时再分配一个时隙块作为所有用户的公共信道，该信道所用时隙块的大小可根据突发性信息的多少来确定，所有用户可以采用竞争方式来使用该公共信道。由于竞争信道的存在，在分配时隙块时，仅提供该用户分配一个较小的时隙块，将其他的信息传输任务交由竞争信道完成。如果用户的信息传输高峰只持续较短时间，并且出现高峰概率较低时，这两种分配方式便有机地结合在一起。但是，在某些特殊情况下，用户的信息传输量需要大于设定量，且传输时间较长，如果有多个用户出现这种情况，这时的竞争信道可能就会因碰撞概率过大而无法正常工作。鉴于此，再引入动态分配策略的思想：如果用户使用竞争信道的时间越过一定值时，将给它动态地增加时隙；否则，将动态地减小其所属时隙块的尺寸。由于有竞争信道作缓冲，不必频繁地动态调整用户的时隙块尺寸，进而克服了动态分配策略使用资源过多的缺点。

3 竞争信道

在渐变分配策略中，采用了竞争分配技术，利用竞争信道可以为多个用户提供临时的信息传输通道。

3.1 使用方式

通过载波监听多址接入（CSMA）使用竞争信道，但在目前现有设备的条件下，用户采取CSMA方式使用竞争信道的同时会出现这样的问题：飞机上的设备无法同时发送与接收信号。这就意味着用户在发送信息时，无法检测是否发生碰撞。为此，利用处于竞争信道某一发送时隙及其下一发送时隙之间的时隙，来负责检测碰撞。如果一旦出现碰撞，则在它的消息尾部加一标识符，该标识符表明是否处于碰撞状态。

3.2 优化方案

为了降低竞争信道的碰撞概率，在文献[4-5]中提出了两种方案：优先级检测方案和优先级预分配方案。

对于前者，如果用户有信道可以通告其他用户自身优先级的话，那么它完全可以直接利用该信道发送消息而不必再使用竞争信道，鉴于此，其优先级检测部分无法实现。

对于后者，可通过如下证明来说明它不可能同时降低两个优先级的碰撞概率，而只能是：在提高其中一个竞争信道碰撞概率的同时，降低另一竞争信道的碰撞概率。

证明：为了简化证明过程，作如下假设：竞争信道中的时隙间隔是均匀的，在两个竞争时隙之间突发信息产生的概率远远小于1。

设Ai= {在第i-1个时隙到第i个时隙期间产生突发信息的事件}；

Di= {在第i-1个时隙到第i个时隙期间所产生的突发信息发生传输碰撞的事件}；

Fi={第i个时隙产生传输碰撞的事件}；

Ei= {第i个时隙的前k个竞争时隙有冲突发生并有1个突发信息顺延到第i个时隙的事件}；

Pk表示第i个时隙产生冲突后，后k个竞争时隙中任选一个时隙被作为下一次发送时隙的概率。

由式（3）～式（6）可以看出，在第i个时隙发生传输碰撞的概率只与两个竞争时隙间突发信息产生的概率P{Ai}有关：当P{Ai}减小时，P{Fi}减小；而当 P{Ai}增大时，P{Fi}也增大。

将竞争信道按图1所示划分为高低优先级两个信道，假设高低优先级的突发信息产生概率P{A1i’}和P{A2i’}是相同的，则：

图1 竞争信道的优先级划分Fig.1 Priority partition of competation channel

虽然，通过将突发信息划分为高低两类将它们的发生概率降低了一倍，但是竞争的划分又将时隙间隔增大了一倍。所以划分后的两个竞争信道，其时隙间突发信息产生的概率分别为P{A1i}和P{A2i}，它们与划分前的竞争信道，其时隙间突发信息产生的概率P{Ai}是完全相同的，即：

而第i个时隙发生碰撞的概率只与两个竞争时隙间突发信息产生的概率P{A1i}或P{A2i}有关，因此，将信道划分为高低两个优先级并不能降低碰撞的概率。

如果高低优先级的突发信息的产生概率不同，可以证明：划分后用于传输突发信息产生概率低的竞争信道，其碰撞概率将比划分前低，而划分后用于传输突发信息产生概率高的竞争信道，其碰撞概率将比划分前高。综上所述，通过优先级的划分无法同时降低两个划分后信道的碰撞概率。

虽然划分高低优先级别无法同时降低两个划分后信道的碰撞概率，但划分优先级别可对划分后两个信道的碰撞概率进行调整。本文利用该特性对竞争信道进行了优化：首先，将竞争信道划分为高低优先级两种竞争信道，高优先级别的竞争信道用于传输高优先级别的消息，而低优先级别的竞争信道用于传输低优先级别的消息。因为高优先级别的消息发生概率小于低优先级别，所以高优先级竞争信道的碰撞概率小于低优先级，进而使高优先级消息能更快地发送出去。其次，还须对竞争时隙块的尺寸引入动态调整机制，进而实现竞争信道的动态优化：当竞争信道的碰撞概率长时间大于某一门限值时或长时间小于某一门限值时，将相应地调整竞争时隙块尺寸的大小，其实现流程如图2所示。

4 结 论

本文针对地空数据链系统的特点，在比较常用时隙分配策略优缺点的基础上，提出了一种新的高层时隙分配算法——渐变分配策略。它主要是以固定分配方式为主，以竞争分配和动态分配为辅的一种新的时隙分配策略，兼有固定分配、竞争分配以及动态分配的优点，同时又尽可能地避免它们的缺点，以最小代价换来最大成效。同时，在竞争信道方面，给出了竞争信道的使用方式及其优化的具体方案，并且通过证明得出两种方案的缺陷。参考文献:

图2 竞争信道的优化方案Fig.2 Priority method of competition channel

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