SOTDMA技術(shù)應(yīng)用及其性能分析

摘　要：以船舶自動(dòng)識別系統(tǒng)(AIS)為應(yīng)用背景,介紹了SOTMDA的特點(diǎn)和應(yīng)用方式,詳細(xì)給出了自組織網(wǎng)絡(luò)中的時(shí)隙選擇策略、自組織接入技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)登陸方式,并在此基礎(chǔ)上分析了其網(wǎng)絡(luò)性能和時(shí)隙沖突。
　　關(guān)鍵詞：自組織 SOTDMA 時(shí)隙分析 AIS

　　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(dòng)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(dòng)協(xié)同計(jì)算,不需要基站支持。
　　(2)動(dòng)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(dòng),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。

圖1 SOTDMA示意圖

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(dòng)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。
表1 SOTDMA接入算法的參數(shù) 符號 名稱 說 明 最小值 最大值
NSS 　標(biāo)稱開始時(shí)隙 　系統(tǒng)在鏈路上傳輸?shù)牡谝粋€(gè)時(shí)隙 0 2249
NS 　標(biāo)稱時(shí)隙 　選擇時(shí)隙的參考中心 0 2249
NI 　標(biāo)稱增量 　標(biāo)稱時(shí)隙間的時(shí)隙數(shù) 75 1125
RR 　報(bào)告率 　每幀中理想的船位報(bào)告數(shù)量 2 30
SI 　選擇間隔 　船位報(bào)告候選時(shí)隙的選擇范圍 0.2NI 0.2NI
NTS 　標(biāo)稱傳輸時(shí)隙 　在選擇間隔SI內(nèi)選中的時(shí)隙 0  2249
TMO 　超時(shí) 　連續(xù)占據(jù)某時(shí)隙的次數(shù) 3
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　　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(dòng)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(dòng)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:

圖2 時(shí)隙選擇示意圖

　　NI=2250/RR　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 (1)
　　標(biāo)稱時(shí)隙為:
　　NS=NSS+(n