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李大軍, 姚罡,常青,梅順良

　　[摘要]以船舶自動識別系統(tǒng)(AIS)為應(yīng)用背景,介紹了SOTMDA的特點和應(yīng)用方式,詳細給出了自組織網(wǎng)絡(luò)中的時隙選擇策略、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)性能和時隙沖突。  

　　自組織時分多址技術(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)可以在任何時刻任何地點同時產(chǎn)生多個網(wǎng)絡(luò)環(huán)境支持移動協(xié)同計算,不需要基站支持。

　　(2)動態(tài)的拓撲結(jié)構(gòu)。由于網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點可以任意速度和任意方式移動,節(jié)點間通過無線信道形成的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)可以隨時發(fā)生變化。

　　(3)分布式控制網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點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。

　　SOTDMA與一般TDMA技術(shù)很大的區(qū)別在于其時隙的預(yù)約方式。在SOTDMA技術(shù)中,信道時間被分為固定長度的時間間隔。一幀包括一組時隙,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。信息報告在數(shù)據(jù)鏈上可以根據(jù)傳輸情況占有一個或更多的時隙。如圖1所示。

圖1 SOTDMA示意圖

　　1 時隙選擇策略

　　SOTDMA的一個重要特征是它采用一種為一個新傳輸或為將來傳輸而進行時隙預(yù)定的接入方法。當信道不忙時,時隙的選擇是直接的,因為很容易就能找到?jīng)]有被其它站臺預(yù)定的時隙。當信道變忙而不容易找到未預(yù)定的時隙時,SOTDMA技術(shù)允許一個站臺根據(jù)Robin Hood準則使用已被另一個遠距離站臺預(yù)定的時隙。這種時隙選擇方法的益處是時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行信道資源管理。時隙選擇的策略如下:

　　(1)當一個站臺發(fā)射數(shù)據(jù)或為將來發(fā)射數(shù)據(jù)而進行時隙預(yù)定時,首先確定將要選擇時隙的范圍SI。在網(wǎng)絡(luò)登陸階段,SI一般取150個時隙,大約相當于4s;在連續(xù)運行時,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) 計算出一個候選時隙的列表。這些候選時隙是選擇范圍內(nèi)的一部分時隙,由“自由(未預(yù)定)”時隙和“可用”時隙組成。可用時隙是指那些已被其它站臺預(yù)定的,但可以依據(jù)準則進行復(fù)用的時隙。在最終選擇一個時隙前,找出4個以上的候選時隙是很重要的,因為這樣可以將多個站臺選擇同一時隙的可能性降低到可以接受的水平。

　　(3)當從一個信道的候選時隙中進行最終選擇時, 要考慮另一個信道中的情況。如果另一個信道中的相應(yīng)時隙被一個近距離站臺使用,這個時隙就要從候選時隙列表中刪除。

　　(4) 由于信道轉(zhuǎn)換需要時間,系統(tǒng)自身無法在位于兩個平行信道相鄰的時隙上傳輸信息。因此,在一個信道所用時隙任意一邊的兩個相鄰時隙不應(yīng)作為另一個信道上的候選時隙。

　　(5) 最終時隙是從可選時隙中等概率地隨機選出。所有可選時隙的選擇可能性是完全一樣的。

　　(6) 時隙選擇應(yīng)在兩個信道上平行進行,周期性重復(fù)播發(fā)信息的傳輸應(yīng)在這兩個信道之間交替發(fā)射。這種交替?zhèn)鬏斒且孕诺郎系?a class="channel_keylink" href="/search.asp">信息報告率為基礎(chǔ)的,與時間幀和時隙無關(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)進行自主和連續(xù)運行的關(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	標稱開始時隙	系統(tǒng)在鏈路上傳輸?shù)牡谝粋�時隙	0	2249
NS	標稱時隙	選擇時隙的參考中心	0	2249
NI	標稱增量	標稱時隙間的時隙數(shù)	75	1125
RR	報告率	每幀中理想的船位報告數(shù)量	2	30
SI	選擇間隔	船位報告候選時隙的選擇范圍	0.2NI	0.2NI
NTS	標稱傳輸時隙	在選擇間隔SI內(nèi)選中的時隙	0	2249
TMO	超時	連續(xù)占據(jù)某時隙的次數(shù)	3	7

　　AIS站臺在開機后首先進入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、當前時隙分配和其他用戶報告的位置,建立在整個鏈路上運行的所有站臺的通信目錄和反映信道活動狀態(tài)的時隙表。1min后,系統(tǒng)進入網(wǎng)絡(luò)登陸階段,開始根據(jù)不斷刷新的時隙表進行信號發(fā)射。

　　在網(wǎng)絡(luò)登陸階段,系統(tǒng)選擇信息傳輸?shù)牡谝粋�時隙, 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告,發(fā)射該報告的時隙NSS應(yīng)當在當前時隙至未來標稱增量NI的時間范圍內(nèi)隨機選擇。該時隙作為第一幀階段選擇標稱時隙NS的參考,如圖2所示。NI為:


圖2 時隙選擇示意圖

　　NI=2250/RR　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 (1)
　　標稱時隙為:
　　NS=NSS+(n×NI)(0< n< RR)　 　 　 　 　　　 (2)
　　在第一個時隙發(fā)射之前,應(yīng)當選擇好下一個要發(fā)射的時隙。如圖2所示,在選擇第二個發(fā)射時隙時,先以標稱時隙NS為中心,向其前后確定一個選擇范圍SI:
　　SI={[NS-(0.1×NI)], [NS+(0.1×NI)]}　 　 　 　 　 (3)

　　然后,按照上節(jié)敘述的策略隨機地選擇發(fā)射時隙NTS。在選擇每一個需要重復(fù)使用的時隙時,都要為它隨機地從3到7之間選擇一個"超時"值。這個值將插入數(shù)據(jù)報文中,以便通知其它站臺該時隙已被本站預(yù)約。

　　經(jīng)過第一幀的時隙分配與發(fā)射,新入網(wǎng)的船站就完成了入網(wǎng)過程,隨后系統(tǒng)進入正常運行狀態(tài)(自主連續(xù)運行階段)。
3 時隙沖突分析

　　當幾個船站的VHF信號覆蓋范圍相重疊時,各個用戶的時隙選擇窗口會出現(xiàn)重疊的情況,于是有可能發(fā)生時隙選擇的沖突。這時,假設(shè)各個站臺的報文報告率RR相同,則各用戶的時隙選擇窗口寬度SI相同。下面分析在兩艘船時一個時隙選擇中可能發(fā)生沖突的概率。

　　假設(shè)船A與船B的時隙選擇窗口SI重疊了M個時隙。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,當重疊M個時隙時,兩艘船時隙的總長度為:2SI-M。因此重疊的可能有NI-(2SI-M)+1=3SI+M+1種情況。

　　(1)當兩個用戶的時隙選擇窗口完全重合,即M=SI時,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)而當不完全重合即M< SI時,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個時隙的概率為:
　　
　　當船A與船B在SI重疊M個時隙的條件下,選擇一個具體的發(fā)送時隙發(fā)生沖突的概率為:
　　
　　由全概率可得在傳送一個報文時,發(fā)生沖突的概率為:
　　
　　當發(fā)送n次連續(xù)的報文時,對于固定的報文數(shù)量,RR越高,意味著每幀中傳送的報文越多,而需要傳送的總幀數(shù)越少,反之亦然。由于各幀相互獨立,各幀中的每個時隙窗口也相互獨立,由二項分布可知,在n次發(fā)送報文中,有L次時隙沖突的概率分布為:
　　
　　同時,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給出了兩艘船的報告率RR分別為2、15、30時,發(fā)送報文發(fā)生沖突的概率。從表2的結(jié)果可以看出,發(fā)生時隙沖突的概率相當小,加上信道編碼等差錯控制,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,時隙沖突的概率明顯增加。

表2 發(fā)生1次時隙沖突的概率 RR 時隙沖突概率

RR	時隙沖突概率
2	0.0010
15	0.0076
30	0.0151

　　表3給出了當兩艘船RR=15時,連續(xù)發(fā)生1、2、3、4、5次時隙沖突的概率。可以看到,SOTDMA信道連續(xù)發(fā)生時隙沖突的可能性不大,這樣非常有利于信道的差錯控制。

表3 兩條船發(fā)生L次連續(xù)時隙沖突的概率 L 時隙沖突概率

L	時隙沖突概率
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為當兩艘船報告率分別為2、15、30,報文總數(shù)n=1000時發(fā)生時隙沖突的概率分布。從圖3曲線可以看出,報告率越小,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。


圖3 時隙沖突概率與報告率的關(guān)系

　　下面基于以上的分析推導(dǎo)N個船站的VHF信號覆蓋范圍重疊時發(fā)生時隙沖突的概率。當有N個船站時,其中任意兩艘船之間的某一預(yù)約時隙有可能發(fā)生沖突,任意三艘船之間的某一預(yù)約時隙也有可能發(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)生一次時隙沖突的概率為P3,則當A選中一個時隙時,與B、C發(fā)生時隙沖突的概率記為:P3AB、P3AC,易知它們都為P3。三艘船同時發(fā)生沖突的概率記為:P3ABC。所以A發(fā)送報文時發(fā)生沖突的概率為:

　　P3A=P3AB+P3AC-P3ABC　 　 　 　 (11)
　　由于A、B沖突事件與A、C沖突事件相互獨立,所以:
　　P3ABC=P3AB×P3AB=P32　 　 　 　(12)
　　同理可得四艘船同時發(fā)生沖突的概率為:
　　P4ABCD=P33　 　 　 　 　 　　　(13)
　　依次推導(dǎo),N艘船同時發(fā)生沖突的概率為:
　　PN=P3N-1　 　 　 　 　 　 　 (14)

　　因此可得三艘船存在時,其中一艘船發(fā)送一個報文時發(fā)生沖突的概率為:
　　
　　四艘船存在時,其中一艘船發(fā)送一個報文時發(fā)生沖突的概率為:
　　
　　依次推導(dǎo),可得N艘船存在時,其中一艘船發(fā)送一個報文時發(fā)生沖突的概率為:
　 　
　　當連續(xù)發(fā)送n個報文時,由于前后時隙都是獨立的,因此發(fā)生L個時隙沖突的概率分布為:
　 　
　　本文所涉及的技術(shù)都在實際AIS系統(tǒng)平臺中得到實現(xiàn)和應(yīng)用。實際測試中,SOTDMA的時隙選擇策略、自組織接入方式都得到了驗證。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。