肖雷蕾， 張衡陽， 毛玉泉， 程國兵，卓　琨

(空軍工程大學(xué) 信息與導(dǎo)航學(xué)院，西安 710077)

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一種抖動(dòng)窗口自適應(yīng)的航空通信MAC協(xié)議QoS機(jī)制

肖雷蕾， 張衡陽， 毛玉泉， 程國兵，卓琨

(空軍工程大學(xué) 信息與導(dǎo)航學(xué)院，西安 710077)

摘要：根據(jù)面向“時(shí)敏目標(biāo)”打擊的航空通信系統(tǒng)信息傳輸要求，提出了一種差分服務(wù)媒質(zhì)接入控制協(xié)議。協(xié)議采用多信道隨機(jī)接入機(jī)制，通過信道忙閑程度自適應(yīng)地調(diào)整各優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)的發(fā)送時(shí)延抖動(dòng)窗口的方法，為各優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)提供差分服務(wù)。在分組排隊(duì)階段，建立了M/G/1/K排隊(duì)模型，得到了穩(wěn)定狀態(tài)下發(fā)送緩沖區(qū)隊(duì)列長度的概率；在分組服務(wù)階段，建立了突發(fā)時(shí)延抖動(dòng)自適應(yīng)模型，得到了分組的平均服務(wù)時(shí)間；在分組傳播階段，建立了突發(fā)碰撞模型，得到了分組成功傳播概率；然后推導(dǎo)了該協(xié)議的平均時(shí)延、傳輸成功率和系統(tǒng)吞吐量等性能指標(biāo)的理論表達(dá)式，并給出了最大抖動(dòng)窗口的設(shè)置原則。仿真結(jié)果表明，協(xié)議大大提高了系統(tǒng)重負(fù)載情況下高優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)的實(shí)時(shí)性和可靠性，適用于區(qū)分業(yè)務(wù)優(yōu)先級(jí)且對(duì)高優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)的實(shí)時(shí)性和可靠性要求很高的航空通信組網(wǎng)系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：航空通信；時(shí)敏目標(biāo)；媒質(zhì)接入控制協(xié)議；時(shí)延抖動(dòng)；差分服務(wù)

0引言

“時(shí)敏目標(biāo)”是指那些可移動(dòng)、機(jī)動(dòng)并具有很短“時(shí)間打擊窗口”的時(shí)效性很強(qiáng)的目標(biāo)。為了提高空中飛機(jī)編隊(duì)對(duì)機(jī)動(dòng)性很強(qiáng)的地面和空中的“時(shí)敏目標(biāo)”精確打擊能力，需要研制一種在復(fù)雜電磁環(huán)境下面向“時(shí)敏目標(biāo)”打擊的靈活、動(dòng)態(tài)、大容量、低時(shí)延的航空通信網(wǎng)絡(luò)，實(shí)時(shí)可靠地交換和共享戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)信息和指揮控制指令，提高空中各武器平臺(tái)網(wǎng)絡(luò)化協(xié)同作戰(zhàn)能力，縮短從發(fā)現(xiàn)目標(biāo)到摧毀目標(biāo)所需要的時(shí)間。

軍事航空通信中，業(yè)務(wù)信息可粗略分為作戰(zhàn)控制指令和情報(bào)態(tài)勢(shì)消息兩類，支持“時(shí)敏目標(biāo)[1]”打擊的航空通信MAC(media access control)協(xié)議則需為前者提供毫秒級(jí)[2]端到端時(shí)延的可靠傳輸。由于航空通信網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)分布范圍廣、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)高動(dòng)態(tài)、信道質(zhì)量不穩(wěn)定等特點(diǎn)[3]使得許多現(xiàn)有的技術(shù)、協(xié)議無法直接應(yīng)用，而MAC協(xié)議主要解決多個(gè)飛機(jī)節(jié)點(diǎn)之間如何高效共享通信信道的問題，對(duì)信息服務(wù)質(zhì)量影響非常大[4-5]。

現(xiàn)有軍事航空通信通常采用信道資源固定分配MAC協(xié)議，端到端時(shí)延一般在秒級(jí)，只能滿足對(duì)時(shí)延要求不高的應(yīng)用場(chǎng)景：如美軍Link11數(shù)據(jù)鏈?zhǔn)褂幂喸儥C(jī)制MAC協(xié)議，輪詢順序和輪詢周期預(yù)先確定，數(shù)據(jù)接入信道的時(shí)延隨著網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的增大而增大；Link-16數(shù)據(jù)鏈?zhǔn)褂没赥DMA(time division multiple access)的MAC協(xié)議，時(shí)隙預(yù)先靜態(tài)分配，時(shí)隙大小需考慮最大傳播時(shí)延的影響；Link-22數(shù)據(jù)鏈采用固定和預(yù)約分配相結(jié)合的DTDMA(dynamic TDMA)協(xié)議，通過競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制來申請(qǐng)時(shí)隙，同樣存在控制信息的交互時(shí)間消耗大的問題。以上數(shù)據(jù)鏈雖然具備一定的態(tài)勢(shì)感知和作戰(zhàn)指揮能力，由于信息傳輸時(shí)效性低而難以支持“時(shí)敏目標(biāo)”的打擊需求。

為保障航空通信的時(shí)效性，文獻(xiàn)[6]提出了SPMA(statistical priority based media access)協(xié)議，協(xié)議采用多信道、隨機(jī)接入機(jī)制，不需要事先預(yù)約時(shí)隙或者信道，可將100海里內(nèi)信息傳輸時(shí)延降低到2 ms內(nèi)；文獻(xiàn)[7]提出一種Aloha改進(jìn)協(xié)議Turbo_MAC，主要思想是將數(shù)據(jù)分組拆分為時(shí)間單元更小的突發(fā)，然后進(jìn)行Turbo編碼以減小信道碰撞概率，在繼承了Aloha低時(shí)延性能的同時(shí)大大提高了傳輸可靠性；在文獻(xiàn)[8]中，針對(duì)Turbo_MAC協(xié)議在重負(fù)載時(shí)吞吐量惡化問題提出了一種吞吐量自適應(yīng)機(jī)制，主要思想是對(duì)信道占用進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，在信道繁忙時(shí)限制節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)接入。

本文在以上研究基礎(chǔ)上，提出了突發(fā)時(shí)延抖動(dòng)自適應(yīng)機(jī)制，協(xié)議為高、低優(yōu)先級(jí)設(shè)置不同的突發(fā)時(shí)延抖動(dòng)策略，并根據(jù)網(wǎng)絡(luò)性能狀況自適應(yīng)調(diào)整抖動(dòng)窗口，以此保證高優(yōu)先級(jí)分組的高可靠和系統(tǒng)吞吐量的穩(wěn)定，并通過設(shè)置不同最大抖動(dòng)窗口為高、低2種優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)提供差分服務(wù)能力。

1協(xié)議描述

1.1總體設(shè)計(jì)方案

采用隨機(jī)信道接入機(jī)制，減小數(shù)據(jù)接入信道前的時(shí)間開銷；采用突發(fā)、跳頻技術(shù)，分組發(fā)送前拆分為若干時(shí)間單元更小的突發(fā)，然后在頻率庫中對(duì)每個(gè)突發(fā)隨機(jī)分配頻點(diǎn)，從而減小數(shù)據(jù)的時(shí)域碰撞、頻域交疊概率；采用Turbo編碼[9]技術(shù)，通過增加冗余信息提高分組解碼成功概率；采用突發(fā)時(shí)延抖動(dòng)自適應(yīng)機(jī)制，為高、低優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)提供QoS保障。

1.2突發(fā)時(shí)延抖動(dòng)自適應(yīng)機(jī)制

1.2.1基本思想

突發(fā)時(shí)延抖動(dòng)自適應(yīng)機(jī)制是協(xié)議實(shí)現(xiàn)差分服務(wù)、維護(hù)網(wǎng)絡(luò)性能的關(guān)鍵。其主要目的是在網(wǎng)絡(luò)負(fù)載較大時(shí)，通過增加低優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)接入時(shí)延以限制低優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)接入量，保證高優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)的可靠接入；而在網(wǎng)絡(luò)負(fù)載較小時(shí)，則適當(dāng)增加低優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)接入量，但始終要保證高優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)的傳輸成功率?；舅枷霝?/p>

1)利用窗口機(jī)制，為高、低優(yōu)先級(jí)設(shè)置不同的最大時(shí)延抖動(dòng)窗口；

2)定義自適應(yīng)因子p(0≤p≤1)，可以實(shí)時(shí)反映網(wǎng)絡(luò)性能并反饋給時(shí)延抖動(dòng)自適應(yīng)模塊；

3)以概率p隨機(jī)調(diào)整當(dāng)前時(shí)延抖動(dòng)窗口大小，從而調(diào)節(jié)突發(fā)接入時(shí)延。

1.2.2狀態(tài)轉(zhuǎn)移過程

各優(yōu)先級(jí)突發(fā)時(shí)延抖動(dòng)機(jī)制按照?qǐng)D1的狀態(tài)轉(zhuǎn)移策略獨(dú)立運(yùn)行。在發(fā)送突發(fā)狀態(tài)和空閑狀態(tài)后，如隊(duì)列中還有待發(fā)突發(fā)，則該機(jī)制按以下規(guī)則執(zhí)行：

1)如果當(dāng)前抖動(dòng)窗口小于該優(yōu)先級(jí)的最大抖動(dòng)窗口，且系統(tǒng)隨機(jī)重置窗口未發(fā)生(概率為p)，則當(dāng)前抖動(dòng)窗口加倍，隨機(jī)選擇抖動(dòng)時(shí)間，結(jié)束等待后發(fā)送突發(fā)；

2)如果當(dāng)前抖動(dòng)窗口等于該優(yōu)先級(jí)的最大抖動(dòng)窗口，且系統(tǒng)隨機(jī)重置窗口未發(fā)生，則在當(dāng)前窗口下隨機(jī)選擇抖動(dòng)時(shí)間，結(jié)束等待后發(fā)送突發(fā)；

3)無論當(dāng)前抖動(dòng)窗口與最大窗口是否相等，只要系統(tǒng)隨機(jī)重置窗口發(fā)生，則初始化當(dāng)前抖動(dòng)窗口，在當(dāng)前窗口下隨機(jī)選擇抖動(dòng)時(shí)間，結(jié)束等待后發(fā)送突發(fā)；

4)突發(fā)發(fā)送完畢后，如果該優(yōu)先級(jí)隊(duì)列為空，則進(jìn)入空閑狀態(tài)。

1.3條件假設(shè)

1)所有空中節(jié)點(diǎn)在空間均勻分布，組成分布式全連通網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)總數(shù)為Nnode；

2)收發(fā)機(jī)具有2個(gè)收發(fā)通道，保證高、低優(yōu)先級(jí)分組發(fā)送互不影響，且發(fā)送分組時(shí)接收不阻塞；

圖1　ABDJ_MAC協(xié)議自適應(yīng)狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖

3)各個(gè)節(jié)點(diǎn)從上層到達(dá)的分組服從參數(shù)為λ的泊松分布，分組長度為Lpacket、信道傳輸速率固定為Vchannel；

4)分組到達(dá)發(fā)送緩沖區(qū)后排到各自優(yōu)先級(jí)隊(duì)列中，隊(duì)列長度均為J，隊(duì)列中的分組按照到達(dá)順序排隊(duì)，隊(duì)列滿后新到達(dá)的分組自動(dòng)溢出；

5)隊(duì)首分組拆分為Nburst個(gè)等長的突發(fā)，然后進(jìn)行編碼效率ηTurbo=1/3的Turbo編碼，接收端正確接收到一半以上數(shù)量的突發(fā)便可恢復(fù)該分組；

6)突發(fā)發(fā)送前進(jìn)行時(shí)延抖動(dòng)，然后從Nchannel個(gè)頻點(diǎn)中隨機(jī)選擇一個(gè)接入信道。

2協(xié)議建模

2.1分組排隊(duì)模型

對(duì)于單個(gè)節(jié)點(diǎn)中一個(gè)優(yōu)先級(jí)隊(duì)列，從上層到達(dá)的分組與節(jié)點(diǎn)處理這些分組的過程構(gòu)成一個(gè)典型的排隊(duì)系統(tǒng)，且各優(yōu)先級(jí)隊(duì)列排隊(duì)模型一致，可用M/G/1/K[10]進(jìn)行建模。

定義aj為在一個(gè)分組的服務(wù)過程中新到達(dá)j個(gè)分組的概率，Xj為第j個(gè)分組接受完服務(wù)離開緩沖區(qū)的瞬間緩沖區(qū)隊(duì)列中的分組個(gè)數(shù)，則隨機(jī)過程Xj構(gòu)成一個(gè)離散時(shí)間馬爾可夫鏈，狀態(tài)轉(zhuǎn)移過程如圖2所示，轉(zhuǎn)移矩陣P可表示為

(1)

(2)

設(shè)pj為穩(wěn)態(tài)情況下隊(duì)列中有j個(gè)分組的概率，根據(jù)M/G/1/K排隊(duì)理論，有

(3)

ρ為業(yè)務(wù)強(qiáng)度

(4)

圖2　有限狀態(tài)馬爾可夫過程Xj的狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖Fig.2　State transition diagram of Xj

(5)(5)式中：Tpac_ser(k)表示分組服務(wù)時(shí)間分布律；Wm=2m·W0，其中，m為分組所能到達(dá)的最大抖動(dòng)階段，W0為一非零正整數(shù)。

聯(lián)合(1)—(2)式及(5)式可求得πj,j∈[0,J-1]的值。再由(3)式和(4)式可得p0,p1,…,pJ,ρ。

定義poverflow為分組丟棄概率，其值poverflow=pJ；定義pempty為緩沖隊(duì)列為空的概率，其值pempty=p0。

2.2突發(fā)時(shí)延抖動(dòng)自適應(yīng)模型

2.2.1二維Markov模型

突發(fā)時(shí)延抖動(dòng)自適應(yīng)機(jī)制的二維馬爾科夫鏈狀態(tài)轉(zhuǎn)移如圖3所示，設(shè)s(t)代表t時(shí)刻節(jié)點(diǎn)所處的抖動(dòng)階段i，b(t)代表t時(shí)刻節(jié)點(diǎn)抖動(dòng)計(jì)數(shù)器的值k，則可運(yùn)用Bianchi模型[11]進(jìn)行建模分析，二維隨機(jī)過程(s(t),b(t))的狀態(tài)轉(zhuǎn)移過程如圖3所示。

圖3　二維馬爾科夫鏈狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖

引進(jìn)一個(gè)狀態(tài)記為“空閑”，表示發(fā)送隊(duì)列為空，無需時(shí)延抖動(dòng)，同時(shí)引入“重置”“發(fā)送”分別表示初始化抖動(dòng)窗口和發(fā)送突發(fā)過程，以上狀態(tài)皆不是轉(zhuǎn)移狀態(tài)。

當(dāng)一個(gè)突發(fā)發(fā)送后且發(fā)送隊(duì)列不為空時(shí), 如果當(dāng)前抖動(dòng)階段i

二維隨機(jī)過程(s(t),b(t))非零一步轉(zhuǎn)移概率為

(6)

(7)

(8)

(9)根據(jù)Markov模型的歸一化條件可得

(10)將(8)式、(9)式帶入(10)式,可以解出

(11)

2.2.2分組平均服務(wù)時(shí)間

突發(fā)的服務(wù)時(shí)間包括2個(gè)部分：突發(fā)的實(shí)際信道傳輸時(shí)間Tbur_sen和突發(fā)在接入信道前的抖動(dòng)時(shí)間Tbur_wai(i,k)((i,k)表示在第i階段抖動(dòng)k個(gè)時(shí)隙后接入信道的突發(fā))。

(12)

(13)

定義Tbur_ser(i,k)表示突發(fā)(i,k)的服務(wù)時(shí)間，則其大小和概率分別為

(14)

0≤i≤m,0≤k≤Wi-1

(15)

令Tbur_ser(k)表示突發(fā)服務(wù)時(shí)間為Tbur_sen+k·σ，則其概率為

0≤k≤Wm-1

(16)

由于一個(gè)分組被拆分為Nburst個(gè)突發(fā)，則分組的服務(wù)時(shí)間為對(duì)應(yīng)突發(fā)服務(wù)時(shí)間之和。定義Tbur_ser(kj)表示一個(gè)分組中第j個(gè)突發(fā)的服務(wù)時(shí)間，由于突發(fā)抖動(dòng)過程相互獨(dú)立，可得Nburst個(gè)突發(fā)服務(wù)時(shí)間的聯(lián)合分布律為

(17)

令Tpac_ser(K)表示分組服務(wù)時(shí)間為Nburst·Tbur_sen+K·σ，0≤K≤(Wm-1)·Nburst，則其概率為

(18)

則分組的平均服務(wù)時(shí)間為

(19)

2.3突發(fā)信道碰撞模型

(20)

定義Rbur_in為突發(fā)接入總速率，表示所有節(jié)點(diǎn)在單位時(shí)間內(nèi)接入網(wǎng)絡(luò)的突發(fā)數(shù)量，則

(21)

由于采用隨機(jī)接入方式，接入網(wǎng)絡(luò)中的突發(fā)會(huì)在時(shí)域上、頻域上發(fā)生碰撞。突發(fā)的碰撞示意圖如圖4所示，突發(fā)在信道中成功傳輸，當(dāng)前突發(fā)與其前、后一個(gè)突發(fā)的間隔需同時(shí)大于Tbur_sen。

圖4　突發(fā)碰撞示意圖Fig.4　Schematic diagram of bursts collision process

(22)

定義pbur_suc表示單個(gè)突發(fā)的成功接入概率，則

(23)

定義ppac_suc表示分組成功接入概率。根據(jù)Turbo編譯碼原理，一個(gè)分組中只要有Mburst個(gè)突發(fā)能夠成功接收，接收機(jī)就能夠恢復(fù)該分組，根據(jù)排列組合可得分組被成功接收的概率為

(24)

2.4最大抖動(dòng)窗口設(shè)置

由2.2.1節(jié)可知，設(shè)置最大抖動(dòng)窗口，就在于設(shè)置高、低優(yōu)先級(jí)的最大抖動(dòng)階段m。目的是通過自適應(yīng)因子的調(diào)節(jié)，改變低優(yōu)先級(jí)分組的服務(wù)時(shí)間，從而在系統(tǒng)業(yè)務(wù)過載情況下限制低優(yōu)先級(jí)分組的接入，保證高優(yōu)先級(jí)分組可靠傳輸。原則上應(yīng)使高優(yōu)先級(jí)最大抖動(dòng)窗口值較小，在此令m1=1，以保證高優(yōu)先級(jí)分組的快速接入；低優(yōu)先級(jí)分組最大抖動(dòng)窗口足夠大，在業(yè)務(wù)過載且自適應(yīng)因子p=1時(shí)，能夠保證高優(yōu)先級(jí)分組的成功傳輸概率不低于0.95。

表1　不同Nchannel和λ1情況下m2的取值

3性能分析

3.1分組平均端到端時(shí)延

(25)

令Tpropagate表示分組傳播時(shí)間，只與傳播距離有關(guān)。則可得優(yōu)先級(jí)n分組的平均端到端時(shí)延為

(26)

3.2分組成功傳輸概率

(27)

3.3系統(tǒng)吞吐量

定義C表示單位時(shí)間內(nèi)網(wǎng)絡(luò)中正確傳輸?shù)姆纸M比特?cái)?shù)，即

(28)

4仿真分析

采用OPNET進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)仿真。假設(shè)節(jié)點(diǎn)在直徑為300 km的圓形區(qū)域內(nèi)隨機(jī)分布，組成全連通網(wǎng)絡(luò)，節(jié)點(diǎn)中上層分組以泊松過程到達(dá)，高優(yōu)先級(jí)分組到達(dá)率λ1固定為15 packet/s，低優(yōu)先級(jí)分組到達(dá)率λ2為從0不斷增加，最大達(dá)120 packet/s，分組到達(dá)后插入各自優(yōu)先級(jí)隊(duì)列隊(duì)尾，隊(duì)列可容納5個(gè)分組，隊(duì)列滿后丟棄新到達(dá)分組，分組發(fā)送前拆分為28個(gè)突發(fā)，根據(jù)突發(fā)時(shí)延抖動(dòng)自適應(yīng)機(jī)制進(jìn)行時(shí)延抖動(dòng)，然后從10個(gè)頻點(diǎn)中隨機(jī)選擇一個(gè)頻率，ABDJ_MAC協(xié)議其他仿真參數(shù)如表2所示，

表2　仿真參數(shù)

根據(jù)2.4節(jié)的最大抖動(dòng)窗口計(jì)算方法，取m1=1，m2=5。

以BDJ_MAC表示不支持差分服務(wù)能力的MAC協(xié)議，即高、低優(yōu)先級(jí)分組的最大抖動(dòng)窗口相同且固定，即令m1=m2=1，p=0，在仿真參數(shù)相同的情況下，ABDJ_MAC和B_MAC的仿真性能隨業(yè)務(wù)負(fù)載變化曲線如圖5所示。

圖5　B_MAC、ABDJ_MAC協(xié)議性能仿真對(duì)比Fig.5　Comparisons of simulation results between B_MAC and ABDJ_MAC

在圖5a中，B_MAC協(xié)議高、低優(yōu)先級(jí)分組成功傳輸概率曲線重合且同時(shí)降低，最終低于0.5，這是因?yàn)殡S著低優(yōu)先級(jí)分組到達(dá)率的增加，網(wǎng)絡(luò)負(fù)載不斷加重，接入網(wǎng)絡(luò)中的突發(fā)的碰撞概率加大；而在圖5b中，ABDJ_MAC協(xié)議的高、低優(yōu)先級(jí)分組在低優(yōu)先級(jí)分組到達(dá)率小于40 packet/s時(shí)基本一致，隨著低優(yōu)先級(jí)分組到達(dá)率的增加便出現(xiàn)了差異化的發(fā)展趨勢(shì)，其中高優(yōu)先級(jí)分組成功傳輸概率有所降低但始終大于0.95，這是因?yàn)橄惹熬W(wǎng)絡(luò)負(fù)載較輕，網(wǎng)絡(luò)性能較好，自適應(yīng)因子p取值較小從而差分服務(wù)機(jī)制作用不大，而隨著網(wǎng)絡(luò)負(fù)載的增加，分組的傳輸成功率有所降低，差分服務(wù)機(jī)制則通過犧牲低優(yōu)先級(jí)傳輸可靠性來保障高優(yōu)先級(jí)的成功傳輸概率。

對(duì)比圖5c和圖5d，B_MAC協(xié)議所有優(yōu)先級(jí)分組平均端到端時(shí)延保持在1.87 ms，而ABDJ_MAC協(xié)議在輕負(fù)載時(shí)在1.95 ms左右，低優(yōu)先級(jí)分組到達(dá)率大于45 packet/s后，低優(yōu)先級(jí)分組平均端到端時(shí)延迅速增加，最大值接近85 ms，高優(yōu)先級(jí)分組平均端到端時(shí)延增加較少，最終保持在2.47 ms；這是因?yàn)樵谳p負(fù)載時(shí)差分服務(wù)機(jī)制的作用不明顯，從而B_MAC協(xié)議和ABDJ_MAC協(xié)議的平均端到端時(shí)延曲線基本一致，而隨著網(wǎng)絡(luò)負(fù)載的增加，自適應(yīng)因子p變大，抖動(dòng)窗口加倍的概率增加，由于低優(yōu)先級(jí)分組相對(duì)高優(yōu)先級(jí)分組的最大抖動(dòng)窗口更大，從而低優(yōu)先級(jí)分組的接入等待時(shí)間急劇增加，差分服務(wù)作用增強(qiáng)。

在圖5e中，B_MAC和ABDJ_MAC協(xié)議系統(tǒng)吞吐量在輕負(fù)載時(shí)保持一致，隨著低優(yōu)先級(jí)分組到達(dá)率增大，B_MAC協(xié)議吞吐量在達(dá)到最大值4.62 Mbit/s后不斷降低，而ABDJ_MAC協(xié)議在業(yè)務(wù)過載時(shí)仍穩(wěn)定在4.15 Mbit/s。這是因?yàn)殡S著網(wǎng)絡(luò)負(fù)載的增加，低優(yōu)先級(jí)分組的服務(wù)時(shí)間也加大，到達(dá)低優(yōu)先級(jí)隊(duì)列的分組大量溢出，限制了低優(yōu)先級(jí)分組的接入數(shù)量，從而使網(wǎng)絡(luò)的吞吐量保持穩(wěn)定。

結(jié)論：①ABDJ_MAC協(xié)議的仿真結(jié)果中高優(yōu)先級(jí)的成功傳輸概率始終大于0.95，與理論要求一致，證明了低優(yōu)先級(jí)最大抖動(dòng)窗口設(shè)置的正確性；②ABDJ_MAC協(xié)議通過為高低優(yōu)先級(jí)設(shè)置不同的最大抖動(dòng)窗口，并根據(jù)網(wǎng)絡(luò)性能自適應(yīng)調(diào)整時(shí)延抖動(dòng)，以犧牲低優(yōu)先級(jí)分組傳輸?shù)目煽啃?、時(shí)效性和系統(tǒng)吞吐量為代價(jià)，保證了高優(yōu)先級(jí)分組的成功傳輸概率和端到端時(shí)延要求。

5結(jié)束語

提出一種支持“時(shí)敏目標(biāo)”打擊的航空網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議，運(yùn)用突發(fā)時(shí)延抖動(dòng)自適應(yīng)機(jī)制，使協(xié)議具備提供差分服務(wù)能力。運(yùn)用排隊(duì)模型、二維馬爾科夫模型和分組碰撞模型對(duì)協(xié)議進(jìn)行建模分析，得到各優(yōu)先級(jí)分組成功傳輸概率、平均端到端時(shí)延及系統(tǒng)吞吐量的表達(dá)式，通過與B_MAC協(xié)議仿真對(duì)比，驗(yàn)證了ABDJ_MAC協(xié)議差分服務(wù)機(jī)制的有效性和建模分析的準(zhǔn)確性。

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A media access control protocol QoS mechanism based on adaptive jitter window in aeronautical networks

XIAO Leilei, ZHANG Hengyang, MAO Yuquan, CHENG Guobing, ZHUO Kun

(Information and Navigation College, Air Force Engineering University, Xi’an 710077, P.R.China)

Abstract:According to the rigid demands of aeronautical communication for time-sensitive target attack, a media access control protocol with QoS is proposed. It provides differential services by adaptive adjustment of delay jitter window according to channel occupancy statistic. First, in packet queue stage, the queue length under steady-state conditions is derived from M/G/1/K queuing theory. Second, in packet service stage, the average packet service time is obtained by modeling the adaptive sending delay jitter mechanism. Then, in packet propagation stage, the packet successful propagation probability is acquired by modeling burst collision process. Finally, the mean delivery delay, successful transmission probability, system throughput are deduced and the principles of setting the max window are offered. The simulation results verify that it significantly increases the timeliness and reliability of high priority under heavy traffic load, so it can be applied to aviation communication network system with strict demand on timeliness and reliability.

Keywords：aeronautical communication; time-sensitive target; media access control protocol; delay jitter; differential service

DOI：10.3979/j.issn.1673-825X.2016.01.007

收稿日期：2015-01-21

修訂日期：2015-10-19通訊作者：肖雷蕾Xiao_llcry@163.com

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金(61202490); 航空科學(xué)基金項(xiàng)目(2013ZC15008)

Foundation Items：The National Natural Science Foundation of China(61202490); The Aeronautical Science Foundation of China(2013ZC15008)

中圖分類號(hào)：TN 915.04

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1673-825X(2016)01-0045-08

作者簡介：

肖雷蕾(1991-)，男，四川遂寧人，碩士研究生，主要研究領(lǐng)域?yàn)楹娇兆越M織網(wǎng)絡(luò)。 E-mail: Xiao_llcry@163.com。

張衡陽(1978-)，男，湖南祁東人，副教授，主要研究領(lǐng)域?yàn)楹娇兆越M網(wǎng)與數(shù)據(jù)鏈。

毛玉泉(1957-)，男，教授，碩士生導(dǎo)師,主要研究領(lǐng)域?yàn)楹娇諗?shù)據(jù)鏈。

(編輯：魏琴芳)