丁 锐， 郑 龙， 王玉文， 孟凡计

（①电子科技大学 空天科学技术研究院，四川 成都 611731；②中航工业洛阳电光设备研究所，河南 洛阳 471000）

0 引言

数据链是现代信息技术与战术理念相结合的产物，是为了适应机动条件下作战单元共享战场态势和实时指控的需要，采用标准化的消息格式、高效的组网协议、保密抗干扰的数字信道而构成的一种战术信息系统[1]。

战术瞄准网络技术又称TTNT，其目的是在未来的有人、无人空中平台和地面站之间建立一个高速数据链网络，满足未来空军作战飞机对机动性很强的地面活动目标的精确打击的需要[1]。TTNT数据链网络组织结构很灵活，参与网络互联的作战单元能快速进入退出网络，无需架设任何中心节点，具有很强的抗毁性,因此采用Ad Hoc网络。TDMA协议为Ad Hoc网络中每个节点分配独立的用于数据发送或者接收的时隙，节点在其他空闲时隙进入睡眠状态，符合 Ad Hoc网络及数据链的需求[2]。对于有节点随时入退网需求的TTNT数据链，TDMA协议的时隙分配算法对整个网络系统的吞吐量和时延都有巨大的影响，改进后的动态 TDMA时隙算法实现相邻节点之间的无碰撞传送，并尽可能地减少空白时隙浪费，以获得较高的系统吞吐量和时隙的空间复用性。

1 动态TDMA机制

1.1 动态TDMA流程描述

图1为完整的动态TDMA帧结构，一个完整的帧由三个子帧组成，分别是请求帧、应答帧和数据帧。根据 TTNT数据链的需求，其中请求帧用于各个节点交换各自数据包发送请求信息，请求帧的时隙个数与簇内节点数目一致。若节点处于发送请求信息时隙，检查该节点内有无数据包发送并按格式封装相应的值后发送。TTNT数据链要求节点自动组网，各个节点可以灵活入退网等功能，故请求帧时隙的数量可以根据当前网内节点数目进行变动。如果侦测到有节点入/退网，则在下一个动态TDMA帧中加/减一个请求帧时隙；应答帧用于簇头节点统计簇内各节点的发送请求信息，再按照动态分配算法制定时隙分配表并发送至各节点，非簇头节点则在此时隙内只需要接收和解封装该时隙分配表；数据帧用来各节点根据收到的时隙分配表来传输和接收数据包，时隙个数不固定。当所有数据帧完全结束后，再次进入请求帧阶段。三个阶段的单个时隙长度可以各不相同。

图1 动态TDMA帧结构

1.2 动态时隙分配分析

假设网络中的节点只带有一个全向天线的无线电接收发机，并工作在时分多址协议下，则节点不能同时接收多个节点发送的信号，即在接收范围内同时只能有一个发送节点，这就要求在分配时一个时隙最多只能分配给至多一个节点，否则会出现接收冲突导致丢失数据。

TTNT数据链将各种消息类型划分为不同的优先级，优先信息时延最短。这就要求采取不同的策略进行传输，保障高优先级的QoS。在进行MAC层设计时，根据优先级使用不同的队列缓冲数据，并针对优先级改变分配机制，在不同数据包排队等待发送时优先发送高级别数据包，始终保证高优先级数据包的高速率和低时延。

动态时隙分配算法与固定TDMA相比，固定TDMA事先约定对每个时隙的分配使用,能够保证节点数据发送的公平性，并且协议的控制开销很小。当网络规模较大，节点数较多，网络的时延会很大。另外节点所使用的时隙为固定分配，因此不可能针对节点的业务和当前网络状态信息进行时隙预留调度，很难实现差别服务和提供支持QoS的机制[3-4]。相比较之下，动态时隙分配算法在兼顾数据发送公平性的同时，为业务量大的节点提供更多的数据时隙并结合了优先级机制，减小了高优先级数据的时延[5]。在有节点入网或退网时，也不会造成数据时隙浪费或者无法分配，具有良好的可扩展性。

1.3 动态时隙分配算法

动态时隙分配算法流程如图2所示。动态时隙分配算法：

①预先设定数据时隙个数M×N（N为节点数量，M为预设值，可根据M的值来控制初始数据时隙个数和高负载的网络环境下数据时隙个数的大致范围，M和N均为整数）；

②统计所有请求总数。如果总数为 0，表示此时没有任何节点有发送任务，不分配任何数据时隙，分配算法结束；

③如果总数不为0并小于预定数据时隙总数量M×N，则按照先高优先级后低优先级的顺序在完整的请求清单中对数据时隙进行划分，剩余数据时隙删除；

④如果请求总数大于预定数据时隙总数量 M×N，但其中高优先级请求总数小于预定数据时隙总数，先对所有高优先级请求分配数据时隙。剩余数据时隙按照每个节点平均的原则分配给低优先级请求，若某节点没有请求则不分配时隙。预定数据时隙数量不变；

⑤如果高优先级请求总数大于预定数据时隙总数量 M×N，首先扩展预定数据时隙数至目前高优先级请求总数（原则上扩展后的时隙数不超过预定数量的两倍），再为所有高优先级请求分配时隙，低优先级请求放入缓存等待下一帧。

图2 动态时隙分配算法

2 OPNET网络建模仿真

2.1 仿真场景介绍

这里采用 OPNET作为仿真工具来实现数据链通信的性能分析及其比较。OPNET是美国MIL3公司开发的网络仿真软件，通过执行离散事件驱动的机制仿真来分析各种模型的行为和性能。它为通信协议的研究提供了与真实网络相似的环境，并采用分层建模机制和基于包的通信机制，几乎可以完成现有的各种通信系统的仿真[6]。

为了验证和比较动态TDMA时隙分配算法的性能，建立一个范围为200 km×200 km的仿真场景，拓扑结构为8个移动节点随机分布，如图3所示。TTNT要求数据链可进行静态图像和动态视频的传输，这些都会产生部分节点较大的业务量。为验证高优先级数据的 QoS和在处理某节点大流量突发业务能力，上层业务模型发包概率服从泊松分布，设置其中一个节点每秒平均产生500个数据包，其余节点平均产生50个数据包。各种优先级数据占总数据比例为：高优先级20%，低优先级80%。每个时隙长度为2 ms，仿真时间为300 s。

图3 仿真拓扑结构模型

2.2 仿真结果分析

对动态TDMA算法和固定TDMA分别进行了建模和仿真，并将结果进行对比，如图4、图5所示。实线为动态TDMA算法，虚线为固定TDMA算法。

图4为高优先级数据端到端时延比较，固定TDMA时延为60 ms左右，动态TDMA算法则为30 ms，对比有明显提高。固定 TDMA中，业务量大的节点所分配的时隙数与其他节点相同，遇到紧急情况时时延较大。在动态 TDMA算法中不断针对业务量进行比较，请求数据发送的数量决定了时隙进行更合理分配。

图4 动态TDMA和固定TDMA时延比较

图5为两种算法的系统总吞吐量比较，动态TDMA算法高出30%左右。固定TDMA最大容量在事前就已完全确定，而动态 TDMA算法不断调整各节点的发送容量，避免空白时隙浪费，在网络传输业务量不均衡时具有更高效率，可以较好地支持 TTNT数据链实时传输图像和视频，满足高速数传要求。

图5 动态TDMA和固定TDMA吞吐率比较

3 结语

TTNT数据链是一种高速动态宽带数据链，针对其低延时，数据和多媒体突发大容量传输要求，通过改进帧结构、增加优先级服务以及改变原有时隙分配方式，提出了一种新型动态 TDMA时隙分配算法。仿真结果表明该算法的时隙利用率较高，端到端时延较低，并能根据各节点业务量需求灵活分配时隙，提高整个网络性能。

[1]骆光明.数据链—信息系统连接武器系统的捷径[M].北京：国防工业出版社，2008.

[2]于宏毅.无线移动自组织网[M].北京：人民邮电出版社，2005：26-35.

[3]WANG P, JIANG H, ZHUANG W.A New Mac Scheme Supporting Voice/Data Traffic in Wireless Ad hoc Networks[J].IEEE Trans.on Mobile Computing,2008,7(12):1491-1503.

[4]MADUENO M,VIDAL J.Joint Physical-MAC Layer Design of the Broadcast Protocol in Ad hoc Network[J].IEEE Journal on Selected Areas in Communications,2005,23(01):65-75.

[5]韩成,吴援明.多跳无线网中基于空分 TDMA的时隙分配策略[J].通信技术,2010,43(03):90-95.

[6]陈敏.OPNET网络仿真[M].北京:清华大学出版社,2004:186-194.