SOTDMA技術(shù)應用及其性能分析

摘　要：以船舶自動(dòng)識別系統(AIS)為應用背景,介紹了SOTMDA的特點(diǎn)和應用方式,詳細給出了自組織網(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基礎上發(fā)展起來(lái)的一種新型的、用于未來(lái)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(GP&C)的核心。在沒(méi)有通信基礎設施支持、網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)變化劇烈的場(chǎng)合,自組織網(wǎng)絡(luò )引起越來(lái)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)識別系統(AIS)采用SOTDMA技術(shù)。本文正是以SOTDMA在A(yíng)IS中的實(shí)際應用為背景,研究SOTDMA技術(shù)和性能。
　　與常見(jiàn)的有線(xiàn)固定網(wǎng)絡(luò )以及無(wú)線(xiàn)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)同計算,不需要基站支持。
　　(2)動(dòng)態(tài)的拓撲結構。由于網(wǎng)絡(luò )中的節點(diǎn)可以任意速度和任意方式移動(dòng),節點(diǎn)間通過(guò)無(wú)線(xiàn)信道形成的網(wǎng)絡(luò )拓撲結構可以隨時(shí)發(fā)生變化。
　　(3)分布式控制網(wǎng)絡(luò )。網(wǎng)絡(luò )各節點(diǎn)沒(méi)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。
　　SOTDMA與一般TDMA技術(shù)很大的區別在于其時(shí)隙的預約方式。在SOTDMA技術(shù)中,信道時(shí)間被分為固定長(cháng)度的時(shí)間間隔。一幀包括一組時(shí)隙,跨度為1min,所有數據鏈上的電臺都易于接收和傳送信息。信息報告在數據鏈上可以根據傳輸情況占有一個(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)新傳輸或為將來(lái)傳輸而進(jìn)行時(shí)隙預定的接入方法。當信道不忙時(shí),時(shí)隙的選擇是直接的,因為很容易就能找到?jīng)]有被其它站臺預定的時(shí)隙。當信道變忙而不容易找到未預定的時(shí)隙時(shí),SOTDMA技術(shù)允許一個(gè)站臺根據Robin Hood準則使用已被另一個(gè)遠距離站臺預定的時(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)當一個(gè)站臺發(fā)射數據或為將來(lái)發(fā)射數據而進(jìn)行時(shí)隙預定時(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,大約相當于4s;在連續運行時(shí),該值與報告率有關(guān),一般取值范圍為報告間隔的五分之一。
　　(2) 計算出一個(gè)候選時(shí)隙的列表。這些候選時(shí)隙是選擇范圍內的一部分時(shí)隙,由“自由(未預定)”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定的,但可以依據準則進(jìn)行復用的時(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,因為這樣可以將多個(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) 由于信道轉換需要時(shí)間,系統自身無(wú)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)隙選擇應在兩個(gè)信道上平行進(jìn)行,周期性重復播發(fā)信息的傳輸應在這兩個(gè)信道之間交替發(fā)射。這種交替傳輸是以信道上的信息報告率為基礎的,與時(shí)間幀和時(shí)隙無(wú)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進(jìn)行自主和連續運行的關(guān)鍵。該算法所涉及的主要參數有NSS、NS、NI、RR、SI、NTS和TMO,如表1所示。
表1 SOTDMA接入算法的參數 符號 名稱(chēng) 說(shuō) 明 最小值 最大值
NSS 　標稱(chēng)開(kāi)始時(shí)隙 　系統在鏈路上傳輸的第一個(gè)時(shí)隙 0 2249
NS 　標稱(chēng)時(shí)隙 　選擇時(shí)隙的參考中心 0 2249
NI 　標稱(chēng)增量 　標稱(chēng)時(shí)隙間的時(shí)隙數 75 1125
RR 　報告率 　每幀中理想的船位報告數量 2 30
SI 　選擇間隔 　船位報告候選時(shí)隙的選擇范圍 0.2NI 0.2NI
NTS 　標稱(chēng)傳輸時(shí)隙 　在選擇間隔SI內選中的時(shí)隙 0  2249
TMO 　超時(shí) 　連續占據某時(shí)隙的次數 3
7

　　AIS站臺在開(kāi)機后首先進(jìn)入1min的初始化階段。在此階段,系統要監視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、當前時(shí)隙分配和其他用戶(hù)報告的位置,建立在整個(gè)鏈路上運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,系統進(jìn)入網(wǎng)絡(luò )登陸階段,開(kāi)始根據不斷刷新的時(shí)隙表進(jìn)行信號發(fā)射。
　　在網(wǎng)絡(luò )登陸階段,系統選擇信息傳輸的第一個(gè)時(shí)隙, 以便讓鏈路上的其它站臺發(fā)現自己。首次發(fā)送的信息總是船位報告,發(fā)射該報告的時(shí)隙NSS應當在當前時(shí)隙至未來(lái)標稱(chēng)增量NI的時(shí)間范圍內隨機選擇。該時(shí)隙作為第一幀階段選擇標稱(chēng)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)
　　標稱(chēng)時(shí)隙為:
　　NS=NSS+(n