SOTDMA技術(shù)應(yīng)用及其性能分析

出處：郭靖發(fā)布于：2006-07-10 14:42:20

　　摘　要：以船舶自動(dòng)識(shí)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),是定位及通信系統(tǒng)(GP&C)的。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(chǎng)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(huì)議上,決定船舶自動(dòng)識(shí)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(zhǎng)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(tái)都易于接收和傳送信息。信息在數(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(tái)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(tái)根據(jù)Robin Hood準(zhǔn)則使用已被另一個(gè)遠(yuǎn)距離站臺(tái)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(tái)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(tái)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),該值與率有關(guān),一般取值范圍為間隔的五分之一。
　　(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(tái)預(yù)定的,但可以依據(jù)準(zhǔn)則進(jìn)行復(fù)用的時(shí)隙。在終選擇一個(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(tái)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(tái)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) 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⒙蕿榛A(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(hào)	名稱	說明	值	值
NSS	標(biāo)稱開始時(shí)隙	系統(tǒng)在鏈路上傳輸?shù)膫€(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	率	每幀中理想的船位數(shù)量	2	30
SI	選擇間隔	船位候選時(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	7

　　AIS站臺(tái)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(tái)的身份、當(dāng)前時(shí)隙分配和其他用戶的位置,建立在整個(gè)鏈路上運(yùn)行的所有站臺(tái)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(hào)發(fā)射。
　　在網(wǎng)絡(luò)登陸階段,系統(tǒng)選擇信息傳輸?shù)膫€(gè)時(shí)隙, 以便讓鏈路上的其它站臺(tái)發(fā)現(xiàn)自己。首次發(fā)送的信息總是船位,發(fā)射該的時(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×NI)(0< n< RR)　　　　　 (2)
　　在個(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(tái)該時(shí)隙已被本站預(yù)約。
　　經(jīng)過幀的時(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(hào)覆蓋范圍相重疊時(shí),各個(gè)用戶的時(shí)隙選擇窗口會(huì)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(tái)的報(bào)文率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(zhǎng)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(duì)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2 發(fā)生1次時(shí)隙沖突的概率

RR	時(shí)隙沖突概率
2	0.0010
15	0.0076
30	0.0151

　　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。表3 兩條船發(fā)生L次連續(xù)時(shí)隙沖突的概率

L	時(shí)隙沖突概率
1	0.0076
2	5.8×10^-5
3	4.3×10^-7
4	3.3×10^-10
5	2.5×10^-11

　　圖3為當(dāng)兩艘船率分別為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,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。

圖3 時(shí)隙沖突概率與率的關(guān)系
　　下面基于以上的分析推導(dǎo)N個(gè)船站的VHF信號(hào)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(shí),假設(shè)三艘船分別為A、B、C,由任意兩艘船發(fā)生時(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:P_3AB、P_3AC,易知它們都為P₃。三艘船同時(shí)發(fā)生沖突的概率記為:P_3ABC。所以A發(fā)送報(bào)文時(shí)發(fā)生沖突的概率為:
　　P_3A=P_3AB+P_3AC-P_3ABC　　　　 (11)
　　由于A、B沖突事件與A、C沖突事件相互獨(dú)立,所以:
　　P_3ABC=P_3AB×P_3AB=P₃²　　　　(12)
　　同理可得四艘船同時(shí)發(fā)生沖突的概率為:
　　P_4ABCD=P₃³　　　　　　 (13)
　　依次推導(dǎo),N艘船同時(shí)發(fā)生沖突的概率為:
　　P_N=P₃^N-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(tái)中得到實(shí)現(xiàn)和應(yīng)用。實(shí)際測(cè)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(dòng)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。

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