基于OPNET的Link 22數據鏈動態時隙分配算法仿真?

汪鵬志 繆學寧

（武漢船舶通信研究所 武漢 430205）

1 引言

現代戰場敵我態勢瞬息萬變，通信環境非常復雜。數據鏈是一種高效傳輸、實時分發保密、抗干擾和格式化消息的數據通信網絡［1］。它是數字化戰場聯合作戰體系組成單元（C4KISR）相互傳輸信息的“紐帶”，是實現C4KISR 系統的基石。Link 22數據鏈作為美軍和北約國家聯合研發的新型戰術數據鏈，旨在提高對抗能力、通信傳輸能力、與Link 16 數據鏈的兼容能力以及盟軍的互操作能力，最終替代Link 11 數據鏈系統［2～3］。Link 22 數據鏈網絡采用TDMA 或動態TDMA（DTDMA）多址接入方式，將時間資源劃分成固定時長的時隙，若干個時隙組成一個時幀，每幀中的時隙通過時隙分配算法分配給網內節點［4～5］。相比較固定TDMA 協議而言，DTDMA 協議可以將網內節點空閑的時隙動態分配給時隙資源缺乏的節點使用，從而提升系統資源利用率，減小網絡傳輸時延［6～7］。

本文介紹了Link 22 數據鏈的時隙基本結構，在此基礎上研究了一種動態時隙分配算法，闡述了時隙動態調整的流程，最后通過OPNET 建模仿真，對該算法的網絡性能進行了分析。

2 Link 22數據鏈網絡循環結構

在Link 22 數據鏈網絡中，作戰平臺通常被稱為NILE 單 元（NATO Improved Link Eleven Unit，NU）。Link 22數據鏈將時間資源劃分成時幀、時隙和微時隙，按照如圖1 所示的網絡循環結構（Network Cycle Structure，NCS）運行網絡。

微時隙是最小的時間單位，其具體長度由通信信道性能、最大通信距離等因素有關。時隙是NU節點的消息發送單位，由整數個微時隙構成，微時隙數目根據NU 節點業務量決定。時幀是Link 22數據鏈網絡的時間循環單位，由多個NU 節點發送時隙組成，其長度被稱為網絡循環時間（Network Cycle Time，NCT）。

時隙分為分配時隙（Allocated Timeslot，AS）和中斷時隙（Interrupted Timeslot，IS）兩種。NCS 中大多數時隙是分配時隙，它按照時隙分配算法分配給網絡內的每個NU 節點，各NU 節點在分配到的時隙中發送消息，其余NU 節點接受消息。NCS 中存在少量的中斷時隙，用于傳輸優先級高的緊急消息，NU 節點通過競爭的方式來決定中斷時隙的使用權。

與Link 11 數據鏈網絡中的輪詢原則類似，Link 22 數據鏈網絡中NU 節點指定時隙的順序不固定，可以根據網絡中NU節點數量的變化、消息優先級以及作戰態勢等改變交互順序。

3 Link22動態時隙分配算法描述

根據相關文獻［8］，本文設計如圖2 所示的時幀結構。每個時幀的總長度NCT 為15s，包含1 個網管時隙、4 個中斷時隙和128 個用于發送業務報文的微時隙，每個微時隙時間長度為112.5ms。

圖1 Link 22數據鏈網絡循環結構

圖2 動態時幀結構

考慮到公平性和均勻性［9～11］，各NU 節點的分配時隙中的微時隙將均勻分布在整個時幀結構中。本算法中，每個中斷時隙包含一個微時隙，主要用于傳輸高優先級的緊急業務報文。Link 22 數據鏈為所有業務報文設定4 種優先級，1、2、3、4 對應業務報文優先級從高到低。在業務報文傳輸過程中，系統根據優先級將報文插入到相應優先級的報文緩沖隊列中，當分配時隙到來時，優先級高的業務報文將優先獲得傳輸服務；由于各NU 節點通過競爭方式使用中斷時隙，報文在信道傳輸時可能會發生碰撞，所以當中斷時隙到來時，系統將優先級為1 的報文拷貝一次后直接傳輸，而隊列中原來的報文在下一個分配時隙中傳輸，以此來減小丟包率，增強報文傳輸的可靠性；當優先級低的報文在緩沖隊列中等待發送時長超過規定的等待時長T=15s，則將該報文的優先級提高1 級，同時規定優先級最多只能提升至2。業務報文傳輸流程如圖3所示。

網管時隙主要用于網絡時間資源的管理，即依據各NU 節點時隙使用情況，對NU 節點富余的時隙實施動態調整。網管時隙時間長度為150ms，分為廣播、請求以及確認三個階段，每個階段時長均為50ms 并且各階段被平均分成n 個小時隙，其中n為網絡內NU 節點數目，各NU 節點在其對應時隙內傳輸網管報文。

在廣播階段，各NU 節點根據自身時隙使用情況，判斷在接下來的時幀內占有的時隙是否滿足業務報文傳輸需求，向網絡內其余NU 節點發送自己的時隙需求信息。在廣播階段結束時，各NU 節點就知道了其他節點的時隙使用狀況。

在請求階段，有時隙需求的NU 節點根據在廣播階段收集的時隙需求信息，向時隙富余數目滿足請求時隙數目的NU節點發送請求報文。

在確認階段，時隙富余的NU 節點在收到請求報文后，如果自身時隙富余狀況符合請求報文中的時隙申請需求，則從自身最大時隙號開始釋放時隙資源，同時向請求報文的源節點發送確認報文。時隙缺乏的NU 節點收到確認報文后，根據報文中的時隙信息更新自身的時隙分配表。為了避免NU節點長期占用動態分配到的時隙資源，保證時幀內時隙分配的均勻性，規定在時隙動態分配一個時幀后，原時隙擁有者將釋放的時隙收回。

圖3 業務報文傳輸流程

4 OPNET仿真與結果分析

OPNET 是目前最廣泛使用的網絡仿真軟件之一，具有建模層次分明、API 函數庫的功能強大、開發界面友好等優點，為通信網絡的設計與仿真、故障診斷與優化升級提供了解決方案［12］。OPNET 提供三層建模機制:第一層為網絡模型，描述了整個網絡的拓撲結構；第二層為節點模型，由相應的協議模型組成，反映了設備特征；第三層是進程模型，通過有限狀態機（FSM）來描述協議。三層模型與實際的網絡、設備、協議相對應，可以全面體現網絡的相關特性［13］。本文將重點介紹Link 22 數據鏈進程模型設計。

4.1 進程模型設計

圖4是Link 22數據鏈mac模塊進程層模型，它是時隙分配算法的核心部分，負責業務報文和網管報文的處理以及整個網絡的動態時隙分配。圖中圓形圖標代表運行狀態，實線表示狀態無條件轉換，虛線表示狀態有條件轉移，圖形中的狀態和轉移條件通過C/C++以及OPNET核心函數編寫實現。

圖4 Link 22數據鏈mac模塊進程層模型

各狀態功能描述如下:

1）init_1狀態:狀態變量和中斷初始化。

2）init_2狀態:根據TDMA協議為NU節點分配相對應傳輸時隙，完成時隙表數據結構以及一些中斷的初始化。

3）wait 狀態:空閑等待狀態，根據不同的中斷進入對應的中斷狀態。

4）frame start 狀態:在每個時幀開始根據時隙表設置時隙中斷；

5）from upper 狀態:接收從source 模塊發來的業務報文，根據報文優先級將業務報文插入對應的優先級隊列中。

6）from lower 狀態:處理從物理層傳來的業務報文和網管報文。

7）adjust priority 狀態:根據報文在隊列中的等待時長判斷是否提升優先級，優先級的值最高提升至2。

8）xmit 狀態:響應時隙中斷，根據不同時隙類型發送業務報文或者網管報文。

9）proc nm slot 狀態:計算NU 節點的時隙利用情況，更新其時隙需求狀態。

4.2 仿真參數配置

根據Link 22 數據鏈相關特性，本文仿真參數配置如下:

1）仿真NU 節點數目為8，各NU 節點初始分配16個微時隙，仿真時長為1h；

2）業務報文長度為36字節；

3）NU1、NU3、NU5、NU7 節點的業務報文產生間隔服從參數為1 的泊松分布，其余節點的業務報文產生間隔服從參數為2的泊松分布；

4）4 種優先級業務報文產生的概率由優先級從高到低依次為0.1、0.2、0.3和0.4。

4.3 仿真結果分析

圖5 動態時隙分配算法與固定時隙分配算法端到端時延比較

本文以端到端時延以及時隙利用率來衡量采用動態時隙分配算法和固定時隙分配算法Link 22數據鏈網絡的性能。端到端時延是指業務報文從源節點應用層發送到目的節點應用層接收所消耗的時間。時隙利用率是指節點傳輸業務報文占用的時隙時間與系統仿真時間的比值。

圖6 動態時隙分配算法與固定時隙分配算法不同優先級報文端到端時延比較

圖5 為動態時隙分配算法與固定時隙分配算法端到端時延比較，從圖中可以看出，在采用4.2節仿真配置的情況下，動態時隙分配算法能夠降低端到端時延，降低幅度達到44.7%。圖6（a）～（d）為兩種算法的不同優先級報文端到端時延比較，對于高優先級報文（優先級為1），動態時隙分配算法的端到端時延有所增加，這是因為時隙富余的NU 節點將自身多余時隙借出后，相鄰分配時隙的平均間隔增大，這對低發送率的高優先級報文影響較大，從而導致其平均端到端時延增加；動態時隙分配算法對于低優先級報文（優先級為2、3、4）的端到端時延改善較大，相比較于固定時隙分配算法分別降低了32.2%、51.3%以及44.9%。

圖7 動態分配算法和固定分配算法每時幀的時隙使用情況

圖8 動態分配算法和固定分配算法系統時隙利用率比較

以NU1節點為例，兩種算法每個時幀的時隙使用情況如圖7 所示。采用固定時隙分配算法，NU1節點每個時幀的時隙使用最大個數為16，而采用動態時隙分配算法后，NU1節點可以申請使用其他節點富余的時隙，每個時幀的時隙使用最大個數達到了24，從而提高了NU1 節點的時隙利用率。圖8是兩種算法系統時隙利用率比較圖，當系統達到穩定狀態后，采用動態時隙分配算法可以小幅提升系統時隙利用率，最高時隙利用率達到了72.8%。

5 結語

本文針對固定時隙分配算法應對節點業務需求適應性不足，研究了一種符合Link 22 數據鏈相關網絡特性的動態時隙分配算法。通過OPNET 網絡仿真軟件對這兩種算法進行建模仿真，結果表明采用本文的動態時隙分配算法可以提高系統時隙利用率，降低業務報文端到端時延，提升了Link 22數據鏈網絡的性能。