基于移動終端的臨近空間通信網MAC協議仿真

仝亞光， 崔蘇雯， 梁 俊， 朱子行(.空軍工程大學電訊工程學院，陜西西安70077；.海軍司令部，北京0007)

0 引 言

臨近空間通常是指距地表20~100km處的空域，其下面的空域(20km以下)是傳統航空器的主要活動空間，其上面的空域(100km以上)是航天器的主要運行空間[1]。隨著技術的進步和資源的緊缺，近年來臨近空間通信網逐漸成為各國研究的熱點。然而目前對臨近空間通信網MAC協議的研究并不多，且僅有的研究主要是針對固定終端或是固定業務[2-6]，還沒有專門針對移動終端的臨近空間通信網的MAC協議進行的研究。因此，本文結合隨機分配和按需分配兩種協議各自的特點，提出了一種基于隨機預約的按需分配MAC協議，從而比較適合于移動終端對臨近空間通信網的接入要求。

1 基于隨機預約的DAMA協議原理

基于隨機預約的 DAMA協議是一種通過隨機競爭方式進行預約的按需分配接入方式，各終端站以S-ALOHA隨機預約的方式動態地向臨近空間平臺申請上行鏈路信道；臨近空間平臺上存有時隙分配表，在執行完時隙分配算法后通過下行鏈路向各個終端站廣播時隙分配信息，這樣各終端站才能在屬于自己的發送時隙發送數據包[7]。

該協議時隙分配算法的工作流程如下：

(1)終端站在預約時隙通過上行鏈路向臨近空間平臺發送預約包，臨近空間平臺收到預約包后從中獲得該終端站的預約信息，如果預約時隙數大于0，則將預約信息插入時隙分配表中。

(2)臨近空間平臺判斷該終端站請求分配的時隙數是否大于一幀內總的數據時隙個數，如果沒有超出本幀的時隙個數，則將本幀內的剩余時隙分配給該終端站；如果超出了本幀的時隙個數，則在將本幀的剩余時隙分配完后再將下一幀的部分時隙分配給該終端站。

(3)臨近空間平臺通過下行鏈路發送時隙分配包告知各終端站時隙分配情況，以便使各終端站能在規定的數據時隙發送數據包。

2 建立仿真模型

本文利用OPNET軟件建立了基于移動終端的臨近空間通信網仿真模型。該軟件常用的編輯器主要有項目編輯器、節點模型編輯器和進程模型編輯器，相應的要建立網絡模型、節點模型和進程模型[8]。

2.1 網絡模型

由于本仿真涉及的通信節點都在同一個子網中，不存在子網之間的嵌套關系，且各通信節點通過無線鏈路進行通信，因此網絡模型就是一個無線子網，如圖1所示。臨近空間平臺靜止于 100km的高空，20個移動終端站隨機分布在700km×700km的空域中。每個終端在全網中都有唯一的平臺標識號，通信終端的網絡地址與平臺標識號相對應，確保了網絡地址的唯一性。同時假定各節點的發射功率足夠大，任意節點都能與臨近空間平臺進行通信。

圖1 網絡模型

2.2 節點模型

2.2.1 移動終端節點模型

移動終端節點模型由源模塊gen、發送處理模塊tx_proc、無線發射機模塊r_tx、接收處理模塊rx_proc、無線接收機模塊r_rx和天線模塊ant等6部分組成。主要功能為將gen模塊產生的數據分組和tx_proc模塊產生的預約請求分組發送到無線發射機r_tx模塊，調制后通過天線ant模塊發送到臨近空間平臺。與此同時接收臨近空間平臺廣播的時隙分配分組和數據分組，分別送到tx_proc模塊和rx_proc模塊以決定是否發送數據分組或對網絡的端到端時延和分組數進行統計。

2.2.2 臨近空間平臺節點模型

臨近空間平臺節點模型由一個全向天線ant模塊、一個無線接收機r_rx模塊、一個無線發射機r_tx模塊和一個具有時隙分配和信息轉發功能的near_space模塊組成。主要功能為接收移動終端節點發送的預約請求分組和數據分組，并通過時隙分配算法，以廣播的形式將時隙分配幀和數據分組發送給其覆蓋區域內的所有節點。

2.3 進程模型

由于進程較多，篇幅所限，只對實現協議的關鍵進程進行闡述，主要有移動終端節點中的發送處理模塊tx_proc的進程模型以及臨近空間平臺near_space模塊的進程模型。

2.3.1 發送處理模塊tx_proc的進程模型

發送處理模塊tx_proc的進程模型由init、idle、queue、slotassign、data、req這6種轉移狀態和相關轉移連接線組成。主要功能有接收gen模塊產生的數據分組、根據要發送的數據分組數量生成預約分組、根據時隙分配列表發送數據分組等。

仿真開始時，進程首先處于init狀態，初始化仿真參數，獲取上行鏈路幀長、傳輸速率、帶寬以及組成上行幀結構的預約和固定時隙數量等仿真屬性值，同時對各個統計量進行聲明。

idle狀態是一個過渡狀態，其中沒有任何代碼，主要作用是作為連接其他各個狀態的樞紐，從任一狀態轉移到另一個狀態幾乎都需要先經過idle狀態，這樣就避免了狀態直連而導致的連接線的可視復雜性。

queue狀態由流中斷PKT_ARRVL觸發，獲取輸入流的數據包，并插入子隊列中。

slotassign狀態由遠程中斷RX_ALLOC觸發，獲得遠程中斷的接口控制信息ICI的指針，判斷是否為本節點信息，如果是則根據所分配時隙的幀數和時隙數，計算下一次數據包發送的時間，并預設中斷時間。

在data狀態中，由自中斷TX_PKT觸發后，將位于子隊列頭部的數據包取出并發送，同時將隊列時延寫入統計量。

req狀態是體現低優先級節點預約方式的核心部分，由自中斷TX_RES觸發后，根據隊列中等待發送的數據包個數，隨機選擇競爭預約時隙發送。具體由以下代碼實現：

/*獲取當前仿真時間*/

current_time=op_sim_time();

/*生成隨機時隙序號*/

num_res=(int)rand()%numnodes;

/*計算隨機預約時間和下一幀開始時間*/

restime=k*frameduration+uldataslots*uldataslotduration+num_res*ulresslotduration;

restime2=k*frameduration+uldataslots*uldataslotduration+numnodes*ulresslotduration;

/*隨機預約時隙到來(預留的預約時間與當前仿真時間之差很小)*/

if(fabs(restime-current_time)<0.00000001){

/*獲取隊列中等待發送的數據包數量*/

numpktsqueued=(int)op_subq_stat(0,OPC_QSTAT_PKSIZE);

/*如果隊列中有等待發送的數據包*/

if(numpktsqueued>0) {

/*需要預約的數據包數量=等待發送的總數據包數量-已經預約成功但未發送的數據包數量*/

numreqslots=numpktsqueued-numawaitedslots;

/*創建上行鏈路預約包*/

pktptr=op_pk_create_fmt("damapkt_ulres");

/*將本節點ID寫入預約包*/

op_pk_nfd_set(pktptr,"src_id",node_id);

/*將需要預約的數據包數量寫入預約包*/

op_pk_nfd_set(pktptr,"req_slots",numreqslots);

/*發送預約包*/

op_pk_send(pktptr,OUT_STRM);

}

}

/*本幀時隙結束*/

if(fabs(restime2-current_time)<0.00000001){

/*幀序號加1*/

k=k+1;

}

2.3.2 near_space模塊的進程模型

臨近空間平臺near_space模塊主進程模型由init、allocate、tx_slotassign、end這4種轉移狀態和相關轉移連接線組成。主要功能有接收上行鏈路的預約包和數據包、完成預約時隙分配、向下行鏈路發送時隙分配包和數據包等。為有效使用內存，在設計時采用進程調用的方法進行。在init狀態，初始化仿真參數，獲取下行鏈路幀長、傳輸速率、帶寬以及組成上行鏈路幀結構的預約和固定時隙數量等仿真屬性值，給預約分配列表分配內存，并設置調用子進程的代碼。在allocate狀態中，獲取預約包隊列長度，判斷每一幀預約區間是否結束。tx_slotassign狀態是預約時隙的分配階段，首先從預約分配表中獲取預約信息(預約時隙個數、預約節點ID等)，然后創建下行時隙分配幀，將預約信息寫入下行幀中，最后為下行幀預設中斷，并發送。end狀態結束仿真，并統計。

near_space模塊的子進程模型由init、idle、receive這 3 種轉移狀態和相關轉移連接線組成。首先，在init狀態中完成變量初始化，并由觸發中斷直接進入idle狀態；idle狀態屬于非強制狀態，內部沒有代碼，各個強制狀態執行完畢后都回到這個狀態，在由流中斷RX_PKT觸發后進入receive狀態；在receive狀態中，判斷接收的上行包格式，如果是預約包則將預約信息插入時隙分配列表，如果是數據包則直接轉發。

3 仿真分析

3.1 仿真環境

本仿真采用衛星通信系統中常用的C波段，具體仿真環境配置如表1所示。

表1 仿真環境

3.2 仿真結果分析

平均時延和吞吐量是衡量網絡性能的重要指標，也是網絡中關于各種業務服務質量的主要評估參數。因此，為實現網絡的最佳性能，在仿真過程中，將平均時延和吞吐量作為統計量，分別選取0.024s、0.048s、0.072s和0.096s這4個時幀長度，分析不同時幀長度對平均時延和吞吐量的影響。

3.2.1 平均時延

在上述環境下對該網絡進行了仿真，對平均時延統計量結果進行了收集，得到網絡負載與平均時延的關系圖，如圖2~圖5所示?？梢钥闯?，網絡的負載越大，平均時延越大；相同負載的情況下，選取的時幀長度越大，平均時延也越大。

圖2 幀長為0.024s時的平均時延曲線

圖3 幀長為0.048s時的平均時延曲線

圖4 幀長為0.072s時的平均時延曲線

圖5 幀長為0.096s時的平均時延曲線

3.2.2 吞吐量

為了比較不同業務量的情況下時幀長度對平均時延的影響，同樣選取4個不同的時幀周期，觀察網絡負載與吞吐量的關系圖。仿真結果如圖6~圖9所示，當幀長分別為0.024s、0.048s、0.072s和0.096s時，網絡的飽和吞吐量約分別為3000 packets/s、1550 packets/s、1030 packets/s和 780 packets/s。由此可見，隨著幀長的增加，網絡的飽和吞吐量逐漸減小，系統利用率降低。

圖6 幀長為0.024s時的吞吐量曲線

圖7 幀長為0.048s時的吞吐量曲線

圖8 幀長為0.072s時的吞吐量曲線

圖9 幀長為0.096s時的吞吐量曲線

仿真結果表明，該仿真場景在選擇較小的時幀長度時，能夠保證較穩定的系統利用率和較低的端到端時延，因此可以作為抗洪搶險、抗震救災等用戶數量不確定時應急通信的有效手段之一。

4 結束語

本文設計了一種適用于移動終端的臨近空間通信網MAC協議，解決了移動終端動態接入臨近空間通信網的問題，并運用 OPNET軟件建立了基于移動終端的臨近空間通信網仿真模型，分析了不同時幀長度對平均時延和吞吐量的影響。論文的研究為應急通信提供了一種有效手段，適用于移動終端等用戶隨機入/退網的應用場景。論文的研究是對臨近空間通信網中競爭型MAC協議的初探，下一步的工作是研究如何給不同的移動終端設置優先級，以滿足其不同的業務需求。

[1]曹秀云.美國臨近空間飛行器技術發展概述[J].現代軍事,2007(3):54-58.

[2]朱子行.臨近空間通信網多址接入協議研究[D].西安:空軍工程大學,2010.

[3]管明祥,郭慶,李陸.基于臨近空間通信網絡混合業務的MAC協議[J].華南理工大學學報(自然科學版),2008,36(5):65-69.

[4]朱子行,梁俊,趙輝.基于TDMA的臨近空間通信網MAC層協議仿真[J].電訊技術,2009,49(6):19-22.

[5]王久輝,趙博,蔡青青.基于OPNET的臨近空間通信網仿真研究[J].通信對抗,2009(1):45-50.

[6]GUAN Ming-xiang,GUO Qing,LI Lu.A novel MAC protocol for mixed traffics in communication network in near space[C].Second International Conference on Space Information Technology,2007:631-636.

[7]仝亞光,梁俊,薛徳友,等.臨近空間通信網RA/DAMA協議時延性能分析[J].燕山大學學報,2010,34(6):537-541.

[8]陳敏.OPNET網絡仿真[M].北京:清華大學出版社,2004.

[9]仝亞光,梁俊,朱子行.一種競爭型的臨近空間通信網多址接入協議仿真[J].電訊技術,2010,50(8):111-115.

[10]Giuseppe Araniti,Antonio Iera,Antonella Molinaro.The role of HAPs in supporting multimedia broadcast andmulticast services in terrestrial-satellite integrated systems[J].Wireless Personal Communications,2005(32):195-213.

[11]周熙,王柱京,佘陽.采用預測算法的衛星CFDAMAMAC協議時延性能分析[J].電訊技術,2006,46(5):58-62.

[12]Kalyan Rao D.Performance comparison of DAMA MAC schemes over satellite networks[D].India:Kanwal Rekhi School of Information Technology,Indian Institute of Technology,2004.

[13]Fotini-Niovi Pavlido,Marina Ruggieri,Mario Gerla,et al.Communications via high altitude platforms:technologies and trials[J].International Journal of Wireless Information Networks,2006,13(1):1-4.

[14]梁俊,田斌,仝海波,等.一種支持QoS的D-TDMA協議性能分析與仿真[J].空軍工程大學學報(自然科學版),2010,11(1):59-63.

[15]John Farserotu,Ramjee Prasad.IP/ATM mobile satellite networks[M].Beijing:Publishing House of Electronics Industry,2005.