SOTDMA技術(shù)應(yīng)用及其性能分析

自組織時(shí)分多址技術(shù)sotdma(self-organized time division multiple access),是在tdma基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種新型的、用于未來航海和航空交通管理的通信技術(shù),是全球定位及通信系統(tǒng)(gp&c)的核心。在沒有通信基礎(chǔ)設(shè)施支持、網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)變化劇烈的場合,自組織網(wǎng)絡(luò)引起越來越多的關(guān)注。
　　
國際海事組織(imo)第42次會議上,決定船舶自動識別系統(tǒng)(ais)采用sotdma技術(shù)。本文正是以sotdma在ais中的實(shí)際應(yīng)用為背景,研究sotdma技術(shù)和性能。

與常見的有線固定網(wǎng)絡(luò)以及無線局域網(wǎng)相比,自組網(wǎng)絡(luò)具有以下特征:
　　
(1)網(wǎng)絡(luò)的自組性。自組織網(wǎng)絡(luò)可以在任何時(shí)刻任何地點(diǎn)同時(shí)產(chǎn)生多個(gè)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境支持移動協(xié)同計(jì)算,不需要基站支持。
　　
(2)動態(tài)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。由于網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)可以任意速度和任意方式移動,節(jié)點(diǎn)間通過無線信道形成的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以隨時(shí)發(fā)生變化。
　　
(3)分布式控制網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點(diǎn)沒有重要和次要之分,從而可以防止一旦控制中心被破壞而引起的全網(wǎng)癱瘓的危險(xiǎn)。
　　
sotdma與一般tdma技術(shù)很大的區(qū)別在于其時(shí)隙的預(yù)約方式。在sotdma技術(shù)中,信道時(shí)間被分為固定長度的時(shí)間間隔。一幀包括一組時(shí)隙,跨度為1min,所有數(shù)據(jù)鏈上的電臺都易于接收和傳送信息。信息報(bào)告在數(shù)據(jù)鏈上可以根據(jù)傳輸情況占有一個(gè)或更多的時(shí)隙。如圖1所示。

1 時(shí)隙選擇策略
　　
sotdma的一個(gè)重要特征是它采用一種為一個(gè)新傳輸或?yàn)閷韨鬏敹M(jìn)行時(shí)隙預(yù)定的接入方法。當(dāng)信道不忙時(shí),時(shí)隙的選擇是直接的,因?yàn)楹苋菀拙湍苷业經(jīng)]有被其它站臺預(yù)定的時(shí)隙。當(dāng)信道變忙而不容易找到未預(yù)定的時(shí)隙時(shí),sotdma技術(shù)允許一個(gè)站臺根據(jù)robin hood準(zhǔn)則使用已被另一個(gè)遠(yuǎn)距離站臺預(yù)定的時(shí)隙。這種時(shí)隙選擇方法的益處是時(shí)隙的選擇可以由所有移動站臺自主完成,而不需要由控制站進(jìn)行信道資源管理。時(shí)隙選擇的策略如下:
　　
(1)當(dāng)一個(gè)站臺發(fā)射數(shù)據(jù)或?yàn)閷戆l(fā)射數(shù)據(jù)而進(jìn)行時(shí)隙預(yù)定時(shí),首先確定將要選擇時(shí)隙的范圍si。在網(wǎng)絡(luò)登陸階段,si一般取150個(gè)時(shí)隙,大約相當(dāng)于4s;在連續(xù)運(yùn)行時(shí),該值與報(bào)告率有關(guān),一般取值范圍為報(bào)告間隔的五分之一。
　　
(2) 計(jì)算出一個(gè)候選時(shí)隙的列表。這些候選時(shí)隙是選擇范圍內(nèi)的一部分時(shí)隙,由“自由(未預(yù)定)”時(shí)隙和“可用”時(shí)隙組成?？捎脮r(shí)隙是指那些已被其它站臺預(yù)定的,但可以依據(jù)準(zhǔn)則進(jìn)行復(fù)用的時(shí)隙。在最終選擇一個(gè)時(shí)隙前,找出4個(gè)以上的候選時(shí)隙是很重要的,因?yàn)檫@樣可以將多個(gè)站臺選擇同一時(shí)隙的可能性降低到可以接受的水平。
　　
(3)當(dāng)從一個(gè)信道的候選時(shí)隙中進(jìn)行最終選擇時(shí), 要考慮另一個(gè)信道中的情況。如果另一個(gè)信道中的相應(yīng)時(shí)隙被一個(gè)近距離站臺使用,這個(gè)時(shí)隙就要從候選時(shí)隙列表中刪除。
　　
(4) 由于信道轉(zhuǎn)換需要時(shí)間,系統(tǒng)自身無法在位于兩個(gè)平行信道相鄰的時(shí)隙上傳輸信息。因此,在一個(gè)信道所用時(shí)隙任意一邊的兩個(gè)相鄰時(shí)隙不應(yīng)作為另一個(gè)信道上的候選時(shí)隙。
　　
(5) 最終時(shí)隙是從可選時(shí)隙中等概率地隨機(jī)選出。所有可選時(shí)隙的選擇可能性是完全一樣的。
　　
(6) 時(shí)隙選擇應(yīng)在兩個(gè)信道上平行進(jìn)行,周期性重復(fù)播發(fā)信息的傳輸應(yīng)在這兩個(gè)信道之間交替發(fā)射。這種交替?zhèn)鬏斒且孕诺郎系男畔?bào)告率為基礎(chǔ)的,與時(shí)間幀和時(shí)隙無關(guān)。

2 自組織接入技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)登陸步驟
　　
自組織接入算法是保證系統(tǒng)進(jìn)行自主和連續(xù)運(yùn)行的關(guān)鍵。該算法所涉及的主要參數(shù)有nss、ns、ni、rr、si、nts和tmo,如表1所示。

ais站臺在開機(jī)后首先進(jìn)入1min的初始化階段。在此階段,系統(tǒng)要監(jiān)視sotdma信道上的時(shí)隙占用情況,了解信道的活動狀態(tài),確定其它站臺的身份、當(dāng)前時(shí)隙分配和其他用戶報(bào)告的位置,建立在整個(gè)鏈路上運(yùn)行的所有站臺的通信目錄和反映信道活動狀態(tài)的時(shí)隙表。1min后,系統(tǒng)進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)登陸階段,開始根據(jù)不斷刷新的時(shí)隙表進(jìn)行信號發(fā)射。
　　
在網(wǎng)絡(luò)登陸階段,系統(tǒng)選擇信息傳輸?shù)牡谝粋€(gè)時(shí)隙, 以便讓鏈路上的其它站臺發(fā)現(xiàn)自己。首次發(fā)送的信息總是船位報(bào)告,發(fā)射該報(bào)告的時(shí)隙nss應(yīng)當(dāng)在當(dāng)前時(shí)隙至未來標(biāo)稱增量ni的時(shí)間范圍內(nèi)隨機(jī)選擇。該時(shí)隙作為第一幀階段選擇標(biāo)稱時(shí)隙ns的參考,如圖2所示。ni為:

ni=2250/rr　 　 　 　 　 　 　 　 　 　　　 　　　　(1)

標(biāo)稱時(shí)隙為:

ns=nss+(n×ni)(0< n< rr)　 　 　 　 　　　　　　　　(2)

在第一個(gè)時(shí)隙發(fā)射之前,應(yīng)當(dāng)選擇好下一個(gè)要發(fā)射的時(shí)隙。如圖2所示,在選擇第二個(gè)發(fā)射時(shí)隙時(shí),先以標(biāo)稱時(shí)隙ns為中心,向其前后確定一個(gè)選擇范圍si:

si={[ns-(0.1×ni)], [ns+(0.1×ni)]}　 　　　　 　　(3)
　　
然后,按照上節(jié)敘述的策略隨機(jī)地選擇發(fā)射時(shí)隙nts。在選擇每一個(gè)需要重復(fù)使用的時(shí)隙時(shí),都要為它隨機(jī)地從3到7之間選擇一個(gè)"超時(shí)"值。這個(gè)值將插入數(shù)據(jù)報(bào)文中,以便通知其它站臺該時(shí)隙已被本站預(yù)約。
　　
經(jīng)過第一幀的時(shí)隙分配與發(fā)射,新入網(wǎng)的船站就完成了入網(wǎng)過程,隨后系統(tǒng)進(jìn)入正常運(yùn)行狀態(tài)(自主連續(xù)運(yùn)行階段)。

3 時(shí)隙沖突分析
　　
當(dāng)幾個(gè)船站的vhf信號覆蓋范圍相重疊時(shí),各個(gè)用戶的時(shí)隙選擇窗口會出現(xiàn)重疊的情況,于是有可能發(fā)生時(shí)隙選擇的沖突。這時(shí),假設(shè)各個(gè)站臺的報(bào)文報(bào)告率rr相同,則各用戶的時(shí)隙選擇窗口寬度si相同。下面分析在兩艘船時(shí)一個(gè)時(shí)隙選擇中可能發(fā)生沖突的概率。
　　
假設(shè)船a與船b的時(shí)隙選擇窗口si重疊了m個(gè)時(shí)隙。由si=0.2ni可得ni=5si。每艘船可選擇的窗口都有ni-si+1=4si+1種情況,當(dāng)重疊m個(gè)時(shí)隙時(shí),兩艘船時(shí)隙的總長度為:2si-m。因此重疊的可能有ni-(2si-m)+1=3si+m+1種情況。
　　
(1)當(dāng)兩個(gè)用戶的時(shí)隙選擇窗口完全重合,即m=si時(shí),只有一種可能的重疊情況。其概率為:
　　
p01=(3si+m+1)/(4si+1)2=1/(4si+1)　 　　　　　　 　 　 (4)
　　
(2)而當(dāng)不完全重合即m< si時(shí),則有兩種情況,可能從左邊,也可能從右邊重合。即:
　　
p02=2×(3si+m+1)/(4si+1)2　 　 　 　 　　　　　　　　 (5)
　　
因此由上面的推導(dǎo)可得si重疊m個(gè)時(shí)隙的概率為:　

當(dāng)船a與船b在si重疊m個(gè)時(shí)隙的條件下,選擇一個(gè)具體的發(fā)送時(shí)隙發(fā)生沖突的概率為:

由全概率可得在傳送一個(gè)報(bào)文時(shí),發(fā)生沖突的概率為:　　

當(dāng)發(fā)送n次連續(xù)的報(bào)文時(shí),對于固定的報(bào)文數(shù)量,rr越高,意味著每幀中傳送的報(bào)文越多,而需要傳送的總幀數(shù)越少,反之亦然。由于各幀相互獨(dú)立,各幀中的每個(gè)時(shí)隙窗口也相互獨(dú)立,由二項(xiàng)分布可知,在n次發(fā)送報(bào)文中,有l(wèi)次時(shí)隙沖突的概率分布為:　　

同時(shí),也可以得到系統(tǒng)連續(xù)發(fā)生k次沖突的概率為:
　　
p5=(p3)k　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 (10)
　　
表2給出了兩艘船的報(bào)告率rr分別為2、15、30時(shí),發(fā)送報(bào)文發(fā)生沖突的概率。從表2的結(jié)果可以看出,發(fā)生時(shí)隙沖突的概率相當(dāng)小,加上信道編碼等差錯(cuò)控制,這種信道質(zhì)量是可以滿足ais系統(tǒng)要求的。另外可以看到,隨著rr的增加,時(shí)隙沖突的概率明顯增加。

表3給出了當(dāng)兩艘船rr=15時(shí),連續(xù)發(fā)生1、2、3、4、5次時(shí)隙沖突的概率?？梢钥吹?sotdma信道連續(xù)發(fā)生時(shí)隙沖突的可能性不大,這樣非常有利于信道的差錯(cuò)控制。

圖3為當(dāng)兩艘船報(bào)告率分別為2、15、30,報(bào)文總數(shù)n=1000時(shí)發(fā)生時(shí)隙沖突的概率分布。從圖3曲線可以看出,報(bào)告率越小,發(fā)生沖突的次數(shù)越偏向于0,平均值越小,信道傳輸質(zhì)量越高。

下面基于以上的分析推導(dǎo)n個(gè)船站的vhf信號覆蓋范圍重疊時(shí)發(fā)生時(shí)隙沖突的概率。當(dāng)有n個(gè)船站時(shí),其中任意兩艘船之間的某一預(yù)約時(shí)隙有可能發(fā)生沖突,任意三艘船之間的某一預(yù)約時(shí)隙也有可能發(fā)生沖突,甚至任意n艘船之間的某一預(yù)約時(shí)隙也可能發(fā)生沖突。
　　
根據(jù)概率論知識,假設(shè)三艘船分別為a、b、c,由任意兩艘船發(fā)生一次時(shí)隙沖突的概率為p3,則當(dāng)a選中一個(gè)時(shí)隙時(shí),與b、c發(fā)生時(shí)隙沖突的概率記為:p3ab、p3ac,易知它們都為p3。三艘船同時(shí)發(fā)生沖突的概率記為:p3abc。所以a發(fā)送報(bào)文時(shí)發(fā)生沖突的概率為:

p3a=p3ab+p3ac-p3abc　 　 　 　　　　　　　　 　　　　　(11)
　　
由于a、b沖突事件與a、c沖突事件相互獨(dú)立,所以:
　　
p3abc=p3ab×p3ab=p32　 　 　　　　　　　　　　　　 　　(12)
　　
同理可得四艘船同時(shí)發(fā)生沖突的概率為:
　　
p4abcd=p33　 　 　 　　　　　　　　　　　　　 　 　 　(13)
　　
依次推導(dǎo),n艘船同時(shí)發(fā)生沖突的概率為:
　　
pn=p3n-1　 　 　 　 　 　　　　　　　　　　　　　　 　(14)
　　
因此可得三艘船存在時(shí),其中一艘船發(fā)送一個(gè)報(bào)文時(shí)發(fā)生沖突的概率為:

四艘船存在時(shí),其中一艘船發(fā)送一個(gè)報(bào)文時(shí)發(fā)生沖突的概率為:　　

依次推導(dǎo),可得n艘船存在時(shí),其中一艘船發(fā)送一個(gè)報(bào)文時(shí)發(fā)生沖突的概率為: 　　

當(dāng)連續(xù)發(fā)送n個(gè)報(bào)文時(shí),由于前后時(shí)隙都是獨(dú)立的,因此發(fā)生l個(gè)時(shí)隙沖突的概率分布為: 　　

本文所涉及的技術(shù)都在實(shí)際ais系統(tǒng)平臺中得到實(shí)現(xiàn)和應(yīng)用。實(shí)際測試中,sotdma的時(shí)隙選擇策略、自組織接入方式都得到了驗(yàn)證。其網(wǎng)絡(luò)動態(tài)性能也完全符合上述的分析和仿真,ais中采用sotdma通信協(xié)議進(jìn)行通信,信道阻塞率較低,發(fā)信成功率較高,具有良好的性能。