李曙光

(中國電子科技集團(tuán)公司第20研究所，西安 710068)

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一種高速通信系統(tǒng)動態(tài)時(shí)隙分配設(shè)計(jì)

李曙光

(中國電子科技集團(tuán)公司第20研究所，西安 710068)

為了滿足高速通信系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)、動態(tài)性的要求，提出一種動態(tài)時(shí)隙分配方案，引入時(shí)隙成塊分配思想，給出動態(tài)時(shí)隙塊的分解與合并的方法，最后給出時(shí)隙動態(tài)調(diào)整工作流程。

時(shí)隙分配；時(shí)隙塊；分解與合并；工作流程

0 引 言

在同步時(shí)分多址接入方式的通信系統(tǒng)中，把時(shí)間按時(shí)元、時(shí)幀、時(shí)隙結(jié)構(gòu)劃分。時(shí)隙是系統(tǒng)時(shí)間劃分的最小單位，也是系統(tǒng)成員在網(wǎng)內(nèi)發(fā)射或接收消息的基本時(shí)間單位。系統(tǒng)內(nèi)成員在分配給自己的時(shí)隙內(nèi)發(fā)射信息，在其它時(shí)隙內(nèi)則接收其它成員分發(fā)的各類信息。為了滿足高速通信系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)管理需求，急需依據(jù)網(wǎng)絡(luò)成員所需實(shí)際資源需求，采用動態(tài)時(shí)隙再分配手段，實(shí)時(shí)對通信系統(tǒng)網(wǎng)路成員的資源進(jìn)行動態(tài)分配[1]。

1 動態(tài)時(shí)隙分配方案

為了滿足高速通信系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)、動態(tài)性的要求，采用一種動態(tài)時(shí)隙分配方案，即在組網(wǎng)以及網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行過程中網(wǎng)絡(luò)中心節(jié)點(diǎn)根據(jù)路由的狀態(tài)實(shí)時(shí)分解與合并通信系統(tǒng)網(wǎng)內(nèi)成員的時(shí)隙資源。

具體的實(shí)現(xiàn)方案：在組網(wǎng)階段，由網(wǎng)絡(luò)中心節(jié)點(diǎn)決定基本消息類型和工作消息類型，網(wǎng)絡(luò)開始運(yùn)行后根據(jù)路由的狀態(tài)變化，網(wǎng)絡(luò)中心節(jié)點(diǎn)為新加入節(jié)點(diǎn)分配基本消息和工作消息，并實(shí)時(shí)下發(fā)給網(wǎng)內(nèi)各節(jié)點(diǎn)，由各個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行時(shí)隙分配表的更新。當(dāng)路由狀態(tài)穩(wěn)定后，各個(gè)節(jié)點(diǎn)將得到一張新加入節(jié)點(diǎn)后的時(shí)隙分配表。當(dāng)某個(gè)網(wǎng)內(nèi)成員脫網(wǎng)時(shí)，網(wǎng)絡(luò)中心節(jié)點(diǎn)也將根據(jù)路由變化情況實(shí)時(shí)回收該路由鏈路上此成員所占用的時(shí)隙，并下發(fā)給網(wǎng)內(nèi)各個(gè)節(jié)點(diǎn)，由各節(jié)點(diǎn)進(jìn)行更新。當(dāng)某個(gè)節(jié)點(diǎn)完全脫網(wǎng)，路由狀態(tài)穩(wěn)定后，各節(jié)點(diǎn)將得到一張?jiān)摴?jié)點(diǎn)脫網(wǎng)后的時(shí)隙分配表。若在網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行過程中，網(wǎng)絡(luò)中心節(jié)點(diǎn)脫網(wǎng)或退網(wǎng)，各節(jié)點(diǎn)將根據(jù)某種算法統(tǒng)一計(jì)算出新的網(wǎng)絡(luò)中心節(jié)點(diǎn)，該新網(wǎng)絡(luò)中心節(jié)點(diǎn)立即執(zhí)行網(wǎng)絡(luò)中心更替方案，制定出新的時(shí)隙分配表并下發(fā)給網(wǎng)內(nèi)各成員，網(wǎng)內(nèi)各成員收到后立即更新時(shí)隙分配表，系統(tǒng)將按新的時(shí)隙表正常運(yùn)行。

2 時(shí)隙成塊的引入

在時(shí)分多址的通信系統(tǒng)中，以時(shí)元、時(shí)幀、時(shí)隙為資源分配的組織管理單位，通常周期是時(shí)元，多個(gè)時(shí)幀組成時(shí)元，而多個(gè)時(shí)隙組成時(shí)幀，若按單個(gè)時(shí)隙進(jìn)行資源分配增加了實(shí)現(xiàn)難度，為此提出“時(shí)隙組”、“時(shí)隙塊”、“時(shí)隙矩陣”的概念，將時(shí)隙“成塊”地分配給各用戶[2-3]。

(1) “時(shí)隙組”

盡可能保證網(wǎng)絡(luò)成員公平占用時(shí)隙資源，64個(gè)時(shí)隙組成“組”分布在各個(gè)時(shí)幀中，時(shí)幀中的序號為“組”號，“組”號的取值范圍從0～255，256個(gè)“組”組成時(shí)元，組中相鄰時(shí)隙的時(shí)間間隔為1個(gè)時(shí)幀，1個(gè)時(shí)元中時(shí)隙序號相同的時(shí)隙集合稱為1個(gè)“時(shí)隙組”。

(2) “時(shí)隙塊”

“時(shí)隙塊”由2N個(gè)指數(shù)冪周期間隔組成，同時(shí)處在間隔均勻的時(shí)幀中的時(shí)隙集合稱為一個(gè)“時(shí)隙塊”。時(shí)隙塊可以根據(jù)路由表提供的網(wǎng)內(nèi)成員的資源使用情況進(jìn)行時(shí)隙塊的合并與分解，動態(tài)調(diào)整時(shí)隙塊大小。時(shí)隙塊用組號G(0～255)、起始時(shí)幀號F(0～63)和塊大小N(0～6)表示。

(3) “時(shí)隙矩陣”

高速通信系統(tǒng)以時(shí)元為周期工作，每個(gè)時(shí)元有256組，每個(gè)組有64個(gè)時(shí)隙，用1個(gè)256×64的矩陣來表示，1個(gè)時(shí)元有16 384個(gè)時(shí)隙，1個(gè)時(shí)隙就是1個(gè)元素。初始化這個(gè)矩陣的所有元素為0，表示時(shí)隙資源未使用。當(dāng)把1個(gè)時(shí)隙塊分配給用戶后，就將這個(gè)時(shí)隙塊在矩陣中的元素置為1，表示已使用，時(shí)隙資源的占用情況及分布情況可以觀察時(shí)隙矩陣元素的變化。

要對大于用戶需求的時(shí)隙塊進(jìn)行分解，使其成為所需時(shí)隙塊的大小；對于某些用戶脫網(wǎng)或退網(wǎng)等原因所釋放出不用的瑣碎的時(shí)隙塊，而另一些用戶可能需要較大的時(shí)隙塊，這時(shí)要將現(xiàn)存的小時(shí)隙塊進(jìn)行合并，以滿足需要。

3 動態(tài)時(shí)隙塊的分解與合并

在高速通信系統(tǒng)中時(shí)隙塊大小默認(rèn)為6，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)成員處于監(jiān)控狀態(tài)時(shí)，需要的時(shí)隙塊很小，就需要分解時(shí)隙塊；當(dāng)網(wǎng)絡(luò)某些成員脫網(wǎng)或退網(wǎng)，就會釋放時(shí)隙塊，而有些成員資源開銷增大，就需要合并小時(shí)隙塊，本高速通信系統(tǒng)中采用美軍Link-16數(shù)據(jù)鏈?zhǔn)褂玫臉?biāo)準(zhǔn)經(jīng)典基于時(shí)隙塊二叉樹的時(shí)隙分配算法，網(wǎng)絡(luò)成員需要的時(shí)隙數(shù)量為2的指數(shù)冪。

3.1 時(shí)隙塊的分解

時(shí)隙塊的分解是把處于監(jiān)控狀態(tài)成員所占的時(shí)隙塊分成兩半，釋放一些時(shí)隙塊被大的時(shí)隙塊得到，其等分方法如圖1所示。分解到第r葉節(jié)點(diǎn)就是需要的時(shí)隙塊，分解后對時(shí)隙資源表中的記錄做相應(yīng)的修改。

圖1 二叉樹分解時(shí)隙塊示意圖

分解時(shí)隙塊應(yīng)有以下特點(diǎn):

(1) 時(shí)隙塊每分解1次，塊大小減1。

(2) 節(jié)點(diǎn)分成2塊，1塊進(jìn)入上子樹，標(biāo)記為1；1塊進(jìn)入下子樹，標(biāo)記為0。

(3) 每個(gè)節(jié)點(diǎn)包含2個(gè)參數(shù)：塊大小和標(biāo)記號，葉節(jié)點(diǎn)就是需要的時(shí)隙塊。

(4) 葉節(jié)點(diǎn)的起始時(shí)幀號的二進(jìn)制表示為將標(biāo)記號沿著葉節(jié)點(diǎn)到根節(jié)點(diǎn)的順序組合。

3.2 時(shí)隙塊的合并

時(shí)隙塊合并有2種情況：

(1) 當(dāng)網(wǎng)絡(luò)某些成員脫網(wǎng)或退網(wǎng)，釋放的時(shí)隙塊組成大時(shí)隙塊；

(2) 時(shí)隙塊分解過程中，產(chǎn)生的時(shí)隙無法分給用戶的時(shí)隙碎塊組成用戶可用時(shí)隙塊。

合并時(shí)隙塊的過程應(yīng)遵循以下規(guī)律：

(1) 合并時(shí)隙塊的組號和塊大小相同；

(2) 合并時(shí)隙塊的起始時(shí)幀號滿足關(guān)系：

|F1一F2|=2(8-S-1)

(1)

式中：F1與F2為合并的時(shí)隙塊的起始時(shí)幀號；S為塊大小。

合并新生成時(shí)隙塊具有以下特點(diǎn)：

(1) 合并后的時(shí)隙塊的組號與合并前時(shí)隙塊的組號相同；

(2) 合并后時(shí)隙塊的塊大小為合并前時(shí)隙塊加1；

(3) 合并后時(shí)隙塊的起始時(shí)幀號等于合并前時(shí)隙塊中起始時(shí)幀號較小者。

4 時(shí)隙動態(tài)調(diào)整工作流程

時(shí)隙動態(tài)調(diào)整工作流程如圖2所示。

高速通信系統(tǒng)的鏈路信息管理機(jī)接收到網(wǎng)管中心下發(fā)的時(shí)隙增加命令時(shí)，將再分配時(shí)隙的網(wǎng)內(nèi)成員編識號下發(fā)至通信端機(jī)，通信端機(jī)進(jìn)行時(shí)隙增加操作，完成后將執(zhí)行結(jié)果上報(bào)至鏈路信息管理機(jī)，鏈路信息管理機(jī)將執(zhí)行結(jié)果上報(bào)網(wǎng)管。

高速通信鏈路信息管理機(jī)接收到網(wǎng)管中心下發(fā)的時(shí)隙刪除命令時(shí)，將回收時(shí)隙的網(wǎng)內(nèi)成員編識號下發(fā)至通信端機(jī)，通信端機(jī)進(jìn)行時(shí)隙刪除操作，完成后將執(zhí)行結(jié)果上報(bào)至鏈路信息管理機(jī)，鏈路信息管理機(jī)將執(zhí)行結(jié)果上報(bào)網(wǎng)管。

圖2 時(shí)隙動態(tài)調(diào)整工作流程

5 結(jié)束語

本文提出一種高速通信系統(tǒng)動態(tài)時(shí)隙分配方案，在時(shí)隙分配中采用“時(shí)隙成塊分配”的思想，該方法算法簡單，計(jì)算量小，具有較低的信息碰撞率、較好的公平性，并且減少了網(wǎng)絡(luò)上重復(fù)傳輸?shù)男畔⒘亢徒Y(jié)點(diǎn)的能量損耗。經(jīng)過試驗(yàn)反復(fù)驗(yàn)證，該高速通信系統(tǒng)動態(tài)時(shí)隙分配方案滿足高速通信系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)、動態(tài)性的要求。

[1] 賈銘.數(shù)據(jù)鏈組網(wǎng)技術(shù)研究[M].西安:西安電子科技大學(xué),2009.

[2] 盛亮.基于動態(tài)優(yōu)先的數(shù)據(jù)鏈時(shí)隙分配模型[J].信息傳輸與接入技術(shù),2011，37(2)：26-28.

[3] 丁銳,鄭龍,王玉文,孟凡計(jì).動態(tài)TDMA時(shí)隙分配算在數(shù)據(jù)鏈中的仿真[J].通信技術(shù),2011,44(2):105- 107.

DesignofDynamicTimeSlotAllocationforAHighSpeedCommunicationSystem

LIShu-guang

(The20thResearchInstituteofCETC,Xi'an710068,China)

Tomeettherequirementsofreal-timeanddynamicperformanceofnetworkinhighspeedcommunicationsystems，thispaperpresentsadynamictimeslotallocationplan,drawsintotheideaoftimeslotbeingdividedintoblocks,givesthemethodofdecomposingandmergingthedynamictimeslotblocks，finallygivestheworkflowofdynamictimeslotadjustment.

timeslotallocation;timeslotblock;decompositionandmerging;workflow

2015-11-30

TN

B

CN32-1413(2016)03-0115-03

10.16426/j.cnki.jcdzdk.2016.03.029