SOTDMA技術應用及其性能分析

摘　要：以船舶自動識別系統(tǒng)(AIS)為應用背景,介紹了SOTMDA的特點和應用方式,詳細給出了自組織網(wǎng)絡中的時隙選擇策略、自組織接入技術和網(wǎng)絡登陸方式,并在此基礎上分析了其網(wǎng)絡性能和時隙沖突。
　　關鍵詞：自組織 SOTDMA 時隙分析 AIS

　　自組織時分多址技術SOTDMA(Self-Organized Time Division Multiple Access),是在TDMA基礎上發(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,是全球定位及通信系統(tǒng)(GP&C)的核心。在沒有通信基礎設施支持、網(wǎng)絡節(jié)點變化劇烈的場合,自組織網(wǎng)絡引起越來越多的關注。
　　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。本文正是以SOTDMA在AIS中的實際應用為背景,研究SOTDMA技術和性能。
　　與常見的有線固定網(wǎng)絡以及無線局域網(wǎng)相比,自組網(wǎng)絡具有以下特征:
　　(1)網(wǎng)絡的自組性。自組織網(wǎng)絡可以在任何時刻任何地點同時產(chǎn)生多個網(wǎng)絡環(huán)境支持移動協(xié)同計算,不需要基站支持。
　　(2)動態(tài)的拓撲結構。由于網(wǎng)絡中的節(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)絡拓撲結構可以隨時發(fā)生變化。
　　(3)分布式控制網(wǎng)絡。網(wǎng)絡各節(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技術很大的區(qū)別在于其時隙的預約方式。在SOTDMA技術中,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)]有被其它站臺預定的時隙。當信道變忙而不容易找到未預定的時隙時,SOTDMA技術允許一個站臺根據(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)而進行時隙預定時,首先確定將要選擇時隙的范圍SI。在網(wǎng)絡登陸階段,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,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(未預定)”時隙和“可用”時隙組成?？捎脮r隙是指那些已被其它站臺預定的,但可以依據(jù)準則進行復用的時隙。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) 時隙選擇應在兩個信道上平行進行,周期性重復播發(fā)信息的傳輸應在這兩個信道之間交替發(fā)射。這種交替?zhèn)鬏斒且孕诺郎系男畔蟾媛蕿榛A的,與時間幀和時隙無關。
2 自組織接入技術與網(wǎng)絡登陸步驟
　　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
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　　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