無線雙通道網絡話音業務信道接入性能分析*

杜傳報,全厚德,唐友喜,崔佩璋,鄭保明

(1.軍械工程學院信息工程系，石家莊　050003；2.電子科技大學通信抗干擾技術國家級重點實驗室，成都　610054；3.總裝通保部采購中心，北京　100000)

無線雙通道網絡話音業務信道接入性能分析*

杜傳報**1,全厚德1,唐友喜2,崔佩璋1,鄭保明3

(1.軍械工程學院信息工程系，石家莊050003；2.電子科技大學通信抗干擾技術國家級重點實驗室，成都610054；3.總裝通保部采購中心，北京100000)

無線雙通道網絡能夠有效解決戰術環境下碼分組網數目過小造成的碼分資源浪費問題?；旌蠘I務傳輸環境下,實時話音業務信道接入性能是衡量無線雙通道網絡性能的關鍵指標之一。通過使用一種理想的固定時分信道帶寬分配方案,在保障話音業務傳輸實時性的條件下,分別從單跳網絡拓撲和多跳網絡拓撲結構給出了雙通道網絡可用信道數目。使用基于優先權的混合業務多服務臺離散時間排隊模型分析了雙通道網絡的話音業務平均數目、呼叫阻塞概率、平均網絡吞吐量和信道利用率等性能。數值計算結果證明:相比傳統網絡,雙通道網絡在混合業務高負載條件下能夠容納更多的話音業務并具有更低的呼叫阻塞概率。

雙通道網絡;碼分資源;話音業務;信道接入;阻塞概率;網絡吞吐量

引用格式:杜傳報，全厚德，唐友喜，等.無線雙通道網絡話音業務信道接入性能分析[J].電訊技術，2016，56(3)：252-258.[DU Chuanbao，QUAN Houde，TANG Youxi，et a1.Channe1 access Performance ana1ysis of voice services in wire1ess dua1-channe1 networks[J].Te1ecommunication Engineering，2016，56(3)：252-258.]

1　引 言

初級戰術互聯網主要使用碼分組網方式劃分群網內部子網[1]。由于實際組建子網數目通常遠遠小于理論組網容量(正交同步組網理論容量等于跳頻頻率集數目)，大部分跳頻序列空閑未被利用，造成網絡碼分資源嚴重浪費[2]。針對某型電臺設計的無線雙通道網絡采用由控制通道和數據通道構成的雙通道結構，分配給每個數據業務的數據通道均能夠獨自使用一條跳頻序列。在高業務負載條件下，雙通道網絡能夠充分利用跳頻序列集，減小碼分資源浪費。

實時話音業務和非實時數據業務是戰術環境下的主要業務類型。當混合業務接入網絡時，保障話音業務的實時性和服務質量(Qua1ity of Service，QoS)是衡量無線雙通道網絡性能好壞的關鍵技術指標。無線ad hoc網絡由于節點移動性、信道資源有限等特性，其語音分組實時性和低時延等QoS質量需要設計特有的具有語音QoS保障機制的信道接入協議完成。文獻[3-4]使用連續時間擬生滅過程分析混合業務排隊模型，文獻[5]基于IEEE802. 11b分布式協議研究了無線自組網的實時語音業務質量，文獻[6]針對無線ad hoc網絡設計了支持語音/數據業務的信道接入協議，文獻[7-8]給出了無線ad hoc網絡使用不同路由協議時語音業務的性能評估。上述研究主要是使用連續擬生滅過程、基于Markov鏈方法、隨機性排隊理論和排隊網絡等方法得到系統穩態概率分布，進而求解語音業務接入性能解析式。因為雙通道網絡基于時隙同步，需要使用基于離散時間的混合業務排隊模型。

本文通過使用一種理想的固定時分信道帶寬分配方案給出雙通道網絡在保障語音實時性前提下的可用信道數目，并使用基于優先權的混合業務多服務臺離散時間排隊模型求得網絡穩態概率分布，進而得到話音業務性能指標解析表達式。數值結果驗證了雙通道網絡具有比傳統網絡更為優越的話音業務容量和更低的話音業務阻塞概率。

2　無線雙通道網絡

戰術網絡中群網內部的子網區分通常使用碼分組網方式，其使用的跳頻序列本質是時頻序列，代表的時頻資源稱為碼分資源。以正交同步組網為例，實際使用的子網數目遠遠小于可用的正交跳頻序列數目，造成碼分資源的嚴重浪費。如圖1所示，群網1頻率集為{f0，f1，f2，…，fn-1}，頻率集數目為n，組網容量為n，子網數目為m，序列m+1～m為空閑碼分資源。

圖1　空閑碼分資源示意圖Fig.1 The id1e code resource

雙通道網絡[9]使用由控制通道和數據通道構成的雙通道結構，網內節點通過單收發機動態切換實現控制通道和數據通道間的通道轉換。網內所有節點在控制通道上傳輸管理控制信息，有業務需求的源目節點沿路由構建一條數據通道實現數據傳輸，網絡構建的數據通道數目由業務數目決定?？刂仆ǖ篮蛿祿ǖ谰褂貌煌l序列，節點通過動態切換收發機實現不同跳頻序列的使用。

傳統ad hoc網絡(設子網數目為1)內多業務間競爭的是同一跳頻序列對應的頻率資源，隨業務數目增加，單業務得到的信道資源快速下降，網絡會出現過載現象，但組網過程中剩余的碼分資源仍處于浪費狀態。正交同步組網時，雙通道網絡每條業務使用一條跳頻序列，業務數目增加不會影響單業務傳輸性能，進而提高業務傳輸效率。但非正交同步組網時，由于序列非正交性，隨業務數目增加會產生更多碰撞頻點，降低單業務傳輸性能。因為雙通道網絡基于時隙同步，正交跳頻序列容易實現，本文僅考慮正交同步組網方式下的業務接入性能。

3　雙通道網絡話音接入性能分析

3.1固定時分信道帶寬分配方案

多業務接入本質上是指多個業務節點競爭相同信道資源以獲得數據分組發送的權限，通過設計合理的信道接入協議實現信道資源的最優化分配。為簡便起見，假設雙通道網絡使用一種理想時分信道帶寬固定分配方案，節點不存在分組碰撞沖突問題。假設超短波頻段信道帶寬為N，系統首要保障實時話音業務，以話音業務帶寬M為單位信道大小，故可用于業務分配的信道數目為N/M。借鑒時分復用思想，我們將幀作為單位時隙，幀由多個分組構成，單位幀長表示信道可用帶寬N，幀內分組數目按照特定比例劃分為可用信道，則單位信道帶寬在時間軸上看作是由一定數目的分組構成，幀內分組按照一定規則固定分配給各信道。

3.2可用信道數目

正交同步組網方式下，設每條跳頻序列對應的信道帶寬為N。數據業務分為數據信息和控制信息，以話音業務帶寬為例，其數據信息和控制信息所占帶寬分別為Md和Mc。雙通道網絡所有數據業務的控制信息均使用控制通道傳輸，其數據信息部分分別在不同的數據通道中傳輸。為簡便起見，非實時數據業務帶寬分配和話音業務相同。

單跳雙通道網絡是全連通網絡，不存在中繼轉發節點，控制通道信道帶寬為N。因此，設雙通道網絡業務數目為Numtask，則有Numtask≤?N/Mc」，?N/Mc」表示雙通道網絡的可用信道數目，其上限取決于雙通道網絡控制通道信道帶寬和業務控制信息所占帶寬的比值。由于單跳傳統ad hoc網絡中的所有業務均使用同一條跳頻序列，故其可用信道數目為?N/(Mc+Md)」。

多跳雙通道網絡存在的流內干擾問題是分析多跳ad hoc網絡和單跳ad hoc網絡端到端可用帶寬的主要區別，流內干擾本質是指路徑上鄰跳節點對相同信道資源的競爭使用。本方案采用學者普遍使用的理想分組調度模型[10]，即路徑上的鏈路間分組傳輸同步，鏈路間無分組碰撞。理想分組調度模型給出的是端到端可用帶寬的理論上限，實際網絡中由于鏈路間分組碰撞等緣故會低于理論值。圖2為理想分組調度模型示意圖。由圖可知，理想分組調度模型中，多跳路徑的端到端可用帶寬為單鏈路信道可用帶寬與競爭鏈路數目之比。當路徑長度小于4時，競爭鏈路數目減小，端到端可用帶寬增加。故路徑長度為nhoP時，端到端可用帶寬WB表達式[11]為

結合式(1)，類似單跳網絡，?WB/Mc」表示多跳雙通道網絡的可用信道數目，多跳傳統網絡的可用信道數目有WB/(Mc+Md)」。

圖2　理想分組調度模型Fig.2 The idea1 Packet schedu1e mode1

3.3話音業務信道接入性能分析

本節使用基于業務優先權的信道預留方案[12]保障話音業務實時性。設系統有兩類業務：第一類是非實時性數據業務；第二類是實時性話音業務。網絡首先滿足話音業務優先接入，當總業務數目小于可用信道數目，優先滿足話音業務接入；其次是數據業務接入，當總業務數目等于可用信道數目時，將某數據業務中斷放入緩存排隊等待接入，接入話音業務，設緩沖為無限長buffer；當所有話音數目等于可用信道數目時，網絡滿載，阻塞請求接入的任何業務；當總業務數目等于可用信道數目時，請求接入的數據業務均放入緩存排隊等待接入。圖3為網絡優先接入機制示意。

圖3　網絡優先接入機制示意Fig.3 The Priority access mechanism for the wire1ess network

3.3.1二維狀態轉移概率矩陣P

網絡業務接入使用基于業務優先接入的混合業務多服務臺早到系統離散時間排隊模型[12]。該模型為早到系統，業務接入只能在時隙開始時刻進入，業務離開只能在時隙結束時刻離開。假設雙通道網絡有Numch個信道供混合業務同時接入，并且第i類業務到達發送窗口的時間間隔分布服從參數為業務到達速率λi的幾何分布，業務服務時間(業務離開速率倒數)服從參數為業務離開速率μi的幾何分布，即P{T=k}=λi，P{S=k}=μi，k=1，2，3…；i=1，2。

3.3.2系統穩態概率分布

當系統處于某穩定狀態時，據矩陣P可知，{Task1(n)，Task2(n)，n＞0}的穩態極限使用{Task1，

3.3.3系統關鍵性能指標

本節僅關注實時話音業務信道接入性能。當系統平衡時，雙通道網絡的話音業務的平穩概率分布為

雙通道網絡中傳輸話音業務的平均數目Numtask2為

話音業務的阻塞概率Pb1ock為

話音業務的平均網絡吞吐量Tvoice為

話音業務的信道利用率U為

4　數值計算

本節基于現役超短波跳頻電臺組網主要參數配置，使用MATLAB軟件對4種網絡的話音業務接入性能數值計算。

假設網絡使用超短波頻段30～87.975 MHz，信道帶寬N=64 kb/s，跳頻頻率數目256，跳速1 000 hoP/s，數據分組大小SdP=128字節，控制分組大小ScP=128 b。設話音業務帶寬M=2 400 b/s，非實時數據帶寬與其相同，其中業務中的數據信息所占帶寬Md=2 160 b/s，控制開銷所占帶寬Mc=240 b/s。傳統網絡所有節點使用相同跳頻序列，在單跳拓撲結構條件下可用信道數目為Numchst=?N/M」=26。雙通道網絡的控制通道和數據通道均使用不同的跳頻序列，其信道帶寬均為N，其可用信道數目受限于控制通道最大能夠傳輸的控制信息數目，其Numchsd=?N/Mc」=266。設幀為時隙單位，幀長Ts=1 s，每個幀內的分組使用固定分配方式以保證業務傳輸質量。多跳拓撲網絡結構下，設業務平均路徑為3跳，則依據式(1)可知，信道帶寬為N/3=21 kb/s。根據單跳拓撲條件下各網絡的可用信道數目可知，多跳傳統網絡可用信道數目為Numchmt=?N/M」=8，多跳雙通道網絡可用信道數目為Numchmd=?N/Mc」=85。業務到達速率是指單位時隙開始時刻進入的業務數目占可用信道數目的比值，有λ2=5λ1。數據業務的平均持續時長為200 s，語音業務平均持續時長為100 s。

4.1話音業務平均數目vs.到達速率

圖4是話音業務平均數目隨話音業務到達速率的變化曲線圖。由圖可知，單跳拓撲結構條件下話音業務平均數目明顯多于多跳拓撲網絡結構，這是由于多跳路徑為了避免路徑內干擾使用時分機制傳輸分組造成可用信道數目減小所產生。其次，雙通道網絡的話音業務平均數目隨業務到達速率增加快速增長，這是因為相同業務到達速率條件下，雙通道網絡單位時間到達的話音業務數目大于傳統網絡。再者，相對于傳統網絡，雙通道網絡話音業務平均數目趨于信道數目上限時有更高的話音業務到達速率，即能夠承受更多的話音業務需求。

圖4　話音業務平均數目vs.業務到達速率Fig.4 Average number of voice service varying with different arriva1 rates

4.2話音阻塞概率vs.到達速率

圖5是話音業務阻塞概率隨業務到達速率變化曲線示意圖。由圖可知，阻塞概率隨到達速率增加而增加。其中，由于多跳傳統網絡可用信道數目最小，因此當業務到達速率較小時其話音阻塞概率就急劇增加，遠遠高于其他網絡。其次，相比其他網絡，單跳雙通道網絡由于具有大量的可用信道數目，故其阻塞概率最小，且隨到達速率增大而緩慢增加。再者，雙通道網絡的話音業務數目只要在跳頻序列數目之內，不存在阻塞數據通道的問題，其話音業務數目主要受限制于控制通道傳輸業務控制信息數目的能力。

圖5　話音業務阻塞概率vs.到達速率Fig.5 B1ocking Probabi1ity of voice service varying with different arriva1 rates

4.3平均網絡吞吐量vs.到達速率

圖6給出了話音業務吞吐量隨業務到達速率變化曲線。由圖可知，相比較于傳統網絡僅使用一條跳頻序列使得跳頻周期內的頻率利用率非常低，雙通道網絡能夠使用和話音業務數目相同多的跳頻序列，因此具有更逼近網絡吞吐量理論極限的能力。其次，單跳雙通道網絡的話音業務吞吐量最大值之所以仍遠遠小于理論值，這是由于網絡的話音業務數目上限受限于控制通道所能夠容納的控制信息數目。

圖6　話音業務平均網絡吞吐量vs.到達速率Fig.6 The average networkthroughPut of voice servicevarying with different arriva1 rates

4.4話音業務信道平均利用率vs.到達速率

話音業務信道利用率是指話音業務數目占可用信道數目的比值。圖7為話音業務信道利用率隨業務到達速率變化示意。由圖可知，隨業務到達速率增加，話音業務信道業務利用率快速增加，這是因為接入網絡的業務數目增多所致。其次，網絡可用信道數目越少，比如多跳傳統網絡，其在業務到達速率較小的情況下增長越快。因此，雙通道網絡由于利用更多跳頻序列，具有更多的可用信道數目，能夠允許更大的業務接入速率。

圖7　話音業務信道利用率vs.到達速率Fig.7 Channe1 uti1ization of voice service varyingwith different arriva1 rates

4.5系統性能參數最優配置

結合上述數值結果，給出了當話音業務阻塞概率為5%時各類型網絡的性能參數指標，見表1。據表1可知，單跳雙通道網絡可用信道數目遠遠大于其他類型網絡。雙通道網絡在以話音業務阻塞概率5%為QoS約束條件下，具有相比較于傳統網絡更優的性能指標。

表1　話音業務阻塞概率為5%時各類型網絡性能參數指標Tab.1 The Performance Parameters existing in a11 tyPica1 networks when the b1ocking Probabi1ity of voice service is 5%

5　結束語

本文通過使用一種理想固定時分信道帶寬分配方案求解出雙通道網絡面向混合業務接入的可用信道數目，使用基于業務優先權的離散時間排隊模型求解出網絡的穩態概率分布，進而求解得到話音業務平均數目、阻塞概率、網絡吞吐量和信道利用率等解析表達式；最后分別從單跳拓撲結構和多跳拓撲結構角度對雙通道網絡和傳統網絡的話音業務接入性能做了數值計算和性能比較。理論數值結果證明：相比較傳統網絡，雙通道網絡具有更多的可用信道數目，能夠保障更多的實時話音業務接入和較低的阻塞概率。下一步將通過網絡仿真驗證網絡性能。

[1] 梅文華，王淑波，邱永紅，等.跳頻通信[M].北京：國防工業出版社，2005：195-213.

MEI Wenhua，WANG Shubo，QIU Yonghong，et a1.Frequency hoPPing communication systems[M].Beijing：Nationa1 Defense Industry Press，2005：195-213.(in Chinese)

[2] DU C B，QUAN H D，CUI P Z，et a1.A routing Protoco1 for uti1izing code resources in tactica1 ad hoc networks with a sing1e transceiver[J].WSEAS Transactions on Communications，2014，13：298-308.

[3] CHARALAMBOS M，PANAGIOTIS G，TASOS D，et a1. Performance qua1ity eva1ution with VoIP traffic aggregation in mobi1e ad hoc network[C]//Proceedings of 2013 IEEE 14th Internationa1 SymPosium and WorkshoPs a wor1d of Wire1ess，Mobi1e and Mu1timedia Networks.Madrid：IEEE，2013：231-242.

[4] GONG W，GAN Z.Performance ana1ysis for ca11 admission contro1 on voice/data integration mobi1e communication system[C]//Proceedings of 14th IEEE Internationa1 Conference on Persona1，Indoor and Mobi1e Radio Communications.Beijing：IEEE，2003：50-54.

[5] 陳璐.基于802.11的實時語音業務質量分析[J].計算機工程與設計，2008，29(1)：62-64.

CHEN Lu.Ana1ysis of rea1-time voice service based on 802.11[J].ComPuter Engineering and Design，2008，29 (1)：62-64.(in Chinese)

[6] 蔣靜雅，張邦寧，郭道省，等.適用于平臺擺動模型的HAPS通信系統信道分配算法[J].電訊技術，2015，55 (8)：906-912.

JIANG Jingya，ZHANG Bangning，GUO Daoxing，et a1.A channe1 assigning a1gorithm for P1atform disP1acement mode1 in HAPS communication system[J].Te1ecommunication Engineering，2015，55(8)：906-912.(in Chinese) [7] VUSGAK S，GARSYJGOREET S，MANDIP K，et a1.Performance eva1ution of reactive routing Protoco1s in MANET networks using GSM based voice traffic aPP1ications [J].OPtik，2013，124(15)：2013-2015.

[8] GOLAM K M，TAREK R S.Voice transmission over ad hoc network adaPting oPtimum aPProaches to maximize the Performance[J].ComPuter Communications，2009，32 (4)：634-639.

[9] QUAN H D，DU C B，CUI P Z.A nove1 hitting frequency Point co11ision avoidance method for wire1ess dua1-channe1 networks[J].KSII Transactions on Internet and Information Systems，2015，9(3)：941-955.

[10] MAO G.The maximum throughPut of a wire1ess mu1tihoP Path[J].Mobi1e Networks and APP1ications，2011，16(1)：46-57.

[11] RENESSE R，FRIDERIKOS V，AGHVAMI H.Cross-1ayer cooPeration for accurate admission contro1 decisions in mobi1e ad hoc networks[J].IET Communications，2007，1(4)：577-586.

[12] 劉洺辛.無線通信網絡接入性能分析的建模與優化研究[D].秦皇島：燕山大學，2006：45-101.

LIU Mingxin.Mode1ing and oPtimization research on access Performance of wire1ess communication networks [D].Qinhuangdao：Yanshan University，2006：45-101. (in Chinese)

[13] 孫榮恒，李建平.排隊論基礎[M].北京：科學出版社，2002.

SUN Rongheng，LI JianPing.Queuing theory basis[M]. Beijing：Science Press，2002.(in Chinese)

[14] 黎鎖平，劉存明，何志鵬.無線數據傳輸的GBNARQ和SR-ARQ系統時延性能研究[J].信號處理，2009，25(3)：384-388.

LI SuoPing，LIU Cunming，HE ZhiPeng.Research on the de1ay Performance of GBN-ARQ and SR-ARQ systems in wire1ess data transmission[J].Signa1 Processing，2009，25(3)：384-388.(in Chinese)

杜傳報(1987—)，男，陜西人，2011年獲碩士學位，現為博士研究生，主要研究方向為無線通信組網；

DU Chuanbao was born in Shaanxi Province，in 1987.He received the M.S.degree in 2011.He is current1y working toward the Ph.D degree.His research concerns wire1ess communication networks.

Emai1：1eoPard0306@126.com

全厚德(1963—)，男，遼寧人，軍械工程學院教授、博士生導師，主要研究方向為無線通信技術；

QUAN Houde was born in Liaoning Province，in 1963.He is now a Professor and a1so the Ph.D.suPervisor.His research concerns wire1ess communication techno1ogy.

Emai1：quanhoude@126.com

唐友喜(1964—)，男，河南人，電子科技大學教授、博士生導師，主要研究方向為無線通信網絡、MIMO等；

TANG Youxi was born in Henan Province，in 1964.He is now a Professor and a1so the Ph.D.suPervisor.His research concerns wire1ess communication network and MIMO.

Emai1：tyx@uestc.edu.cn

崔佩璋(1974—)，男，山西人，軍械工程學院副教授，主要研究方向為無線通信技術。

CUI Peizhang was born in Shanxi Province，in 1974.He is now an associate Professor.His research concerns wire1ess communication techno1ogy.

Emai1：cuiPeizhang@126.com

Channel Access Performance Analysis of Voice Services in Wireless Dual-channel Networks

DU Chuanbao1，QUAN Houde1，TANG Youxi2，CUI Peizhang1，ZHENG Baoming3
(1.DePartment of Information Engineering，Ordnance Engineering Co11ege，Shijiazhuang 050003，China；2.Nationa1 Key Laboratory of Science and Techno1ogy on Communication，University of E1ectronic Science and Techno1ogy of China，Chengdu 610054，China；3.Procurement Center，Communications SuPPort DePartment，PLA Genera1 EquiPment DePartment，Beijing 100000，China)

Dua1-channe1 network(DCN)can reduce code resource wastage caused by the condition that a fewer subnets are needed for the tactica1 very high frequency(VHF)network with code division networking scheme.Under the hybrid services transmission environment，the channe1 access Performance of rea1-time voice service is one of the key issues to eva1uate DCN Performance.In this PaPer，an idea1 fixed channe1 bandwidth a11ocation scheme based on time division mechanism is emP1oyed to ana1yze the avai1ab1e channe1 number in DCNs.Then a hybrid service mu1ti-server discrete s1ot queue mode1 based on access Priority is used to derive the network state transition Probabi1ity and steady state Probabi1ity distribution.The mathematica1 exPressions of average number，ca11 b1ocking Probabi1ity，average network throughPut and channe1 uti1ization efficiency of voice services in DCNs are a1so devided according to the mode1.Numerica1 resu1ts demonstrate that，comPared with the traditiona1 network，DCN can own a higher voice service number and a 1ower ca11 b1ocking Probabi1ity.

dua1-channe1 network；code resource；voice service；channe1 access；ca11 b1ocking Probabi1ity；network throughPut

The Nationa1 Natura1 Science Foundation of China(U1035002/L05);The Nationa1 Science and Techno1ogy Major Project (2014ZX03003001-002)

TN929

A

1001-893X(2016)03-0252-07

10.3969/j.issn.1001-893x.2016.03.004

2015-09-07;

2016-01-20 Received date:2015-09-07;Revised date:2016-01-20

國家自然科學基金資助項目(U1035002/L05);國家科技重大專項(2014ZX03003001-002)

**通信作者:1eoPard0306@126.com Corresponding author:1eoPard0306@126.com