MIL-STD-188-220C中R-NAD算法的研究与仿真

强设计与实现　Ｍ＿Ｌ—ＳＴ　Ｄ一１　８８—２　２　０　Ｃ中　Ｒ—Ｎ　Ａ　Ｄ算法的研究与仿真　

邱宏燕　张剑　中国电子科技集团公司第七研究所　【摘要】ＭｉＬ—ＳＴＤ一１８８—２２０Ｃ协议ＭＡＣ层提供了５种网络接入延迟算法，文章对其中的随机网络接入延迟（Ｒ－ＮＡＤ）　算法进行了研究、建模仿真，找到了影响网络性能的关键参数，提出了基于自适应竞争窗口的Ｒ—ＮＡＤ。仿真试验结果　表明，该算法提高了网络吞吐量，减，Ｊ、了端到端延迟。　【关键词】２２０Ｃ协议　Ｒ－ＮＡＤ　自适应竞争窗口　ＮＢＤＴ　ＲＨＤｏ　

１　刖吾　２２０Ｃ协议是美国国防部指定的关于数字信息传输设　备子系统ＣＮＲ（战斗网无线电台）的通用标准”】。２２０Ｃ　协议是军队数字化的重要指导性文件，以２２０Ｃ为基础，　自主开发战术互联网关键技术与设备，是军队数字化部　队和数字化战场建设迫切需要解决的问题。研究２２０Ｃ协　议中的ＭＡＣ，对在野战无线条件下提高数据传输速率和　信道利用率以及端到端延迟具有非常重要的军事意义和　现实意义。　２２０Ｃ协议包含了控制节点访问信道的一系列规则。　根据网络接入定时模型，网络接入过程包括网络繁忙　侦听（ＮＢＤＴ）、响应保持延迟（ＲＨＤ。）、超时定时　器（ＴＰ）和网络接入延迟（ＮＡＤ）４个基本的接入子功　能。为了提高网络的性能和满足多种服务要求，２２０Ｃ协　议在网络接入延迟子功能的实现上定义了５种网络接入　

收稿日期：２０１０－０５—０５　责任编辑：吴竹立ｗｕｚｈｕｌｉ＠ｍｂｃｏｍ．ｃａ：：：●　

控制算法，有效地解决了无线分组网络ＭＡＣ层的技术难　题。　

２　Ｒ—ＮＡＤ算法研究和仿真建模　２　…｝、｛Ａ　毒　法　２２０Ｃ网络接入控制协议中的ＮＡＤ有５种计算方式　］：　Ｒ—ＮＡＤ（随机网络接入延迟）、Ｐ—ＮＡＤ（优先网络接　入延迟）、Ｈ—ＮＡＤ（混合网络接入延迟）、ＲＥ—ＮＡＤ　（电台嵌入式网络接入延迟）、ＤＡＰ—ＮＡＤ（确定自适应　优先一网络接入延迟）。其中Ｒ—ＮＡＤ接入算法最简单，　可保证每个站都有同等的机会接入网络。其随机特性也　提供了对接入碰撞的解决办法。网络中每一次接入都可　以使用与上次接入延迟不同的值。Ｒ—ＮＡＤ中网络接入延　迟的计算公式为：　１　ＮＡＤ＝Ｒａｎａｏｍ（ａｗ）×ａＳｌｏｔＴｉｍｅ　（１】　

其中Ｗ＝ｔ７　，１７是网络中的站点数，　取值的基　本做法是初始值为１，每次重传增加一倍。　

２０　０　痞　Ｉ　７７　１年第１４期　，，　ＮＡＤ只是考虑到当前网络中站点数，当网络繁忙　时，就加倍增加竞争窗口，没有考虑实际网络中当前某　个传输所需要的时间。　（１】自适应竞争窗ＩＺＩ　假如无线网络中有，７个固定的竞争节点，且老是有信　息包传输。对于某一固定竞争窗１３　Ｗ，假定二进制中的　退避值　（，）的初始值在（０，　之间随机选择，且在每一个　空闲时隙会减小１。对于随机过程６（，）可以通过下面的离　散马尔可夫链来建立它的模型　：　Ｐ｛ｂ（ｔ＋１）＝ｋ｝　＝Ｐ｛６（ｆ）＝　＋１））＋　，Ｊｊ｝＜　一ｌ（２）　尸｛６ｏ＋１）：　一ｌ｝＝　，　＝　一１（３）　通过上面两个式子以及随机过程的分析得到　６（，）＝膏｝的稳定概率为：　ｌ…ｉｍＰ｛ｂ（ｆ）＝＂＝ｐ　＝　２（Ｗ　－ｋ）　ｒ—｝∞　Ｗ●　＿ｌ　这样得到在一个时隙里一个节点传输的概率为　ｐ。　—Ｗ—＋Ｉ，那么网络中厂７个节点在一个时隙至少有一个　传输的概率为　＝１一（１一ｐｏ）　，平均连续空闲时隙数就　为Ｅ【ｍ】　玄一　。信道活动情况定义为：高，这里　７＿是一个完整信息包传输所需要的时间。　由于在活动时隙里只有成功传输信息包才能算　是系统的吞吐量，于是得到系统吞吐量的概率为：　一月Ｐｏ（１一Ｐｏ）　一　一ｌ—ｒ１一Ｐｏ）　，因此有：　（４）　其中ｙ是一个与网络７－有关的常数。从式　（１）～（４）可以看到，吞吐量Ｓ通过　。与竞争窗口　有关。Ｗ的最优化通过下面最普通的极值求导公式：　＝丢　ｄＰｏ。。。。，通过计算最后得到：　、　而一　——　一　一．４－ｆ　结　等　。　高衔　【５）Ｗ　≈ｎ４２Ｔ　、　７８　Ｉ　蚤蔫　这就得到了网络节点数为ｎ的竞争窗口白适应算法　值，其中７＿是成功传输包所需要的时间。　（２）基于自适应竞争窗口的Ｒ—ＮＡＤ算法　参见式（１】可知，当　＝１时。就是最常用的随　机网络接入延迟。但是，如果　运用自适应竞争窗口算　法，可以知道，此时的式（１】应该变为：　ｔ－－．　ＮＡＤ＝Ｒａｎｄｏｍ（４，ｚ　４２Ｔ）ｘａＳｌｏｔＴｉｍ　（６）　

其中ｎ为网络节点数。陧一个完整信息包传输所需　要的时间（包含前同步时间，同步传输时间，数据传输　时间，ＡＣＫ应答时间）。　

Ｒ—ＮＡＤ协议算法由五个状态组成，分别是“预　发射”、　“发射”、　“等ＴＰ定时器”、　“等ＮＡＤ定时　器”、“沉默”，状态转移图和转移条件如图１所示：　

。＼数据发送完毕．　发射　启动ＲＨＤ定时嚣　准备回送ＡＣＫ　

检测到信道忙或　数据碰撞　

图１　Ｒ—ＮＡＤ协议算法的有限状态机　在“预发射”状态系统可进行数据的接收和预发　射操作。此时，系统已经完成数据的接收，或者有数据　要发送，它检查系统发送队列是否为空，若发送队列为　空，则进入“发射”状态进行发送；否则进入“等ＴＰ定　时器”状态。　“发射”状态表示系统正在发送一个数据分组。此　时，系统将禁止新的发送请求，直到分组发送完毕。理　想情况下，在“发射”状态系统不应该收到其它站发出　的分组。　“等ＴＰ定时器”状态用于ＴＰ定时器。ＴＰ定时器是为　减少公共信道冲突和解决“隐终端”问题而设置的。当　终端收到不是给本站的需要应答的报文时，系统应启动　

责任编辑：吴竹立ｗｕｚｈｕｌｉ＠ｍｂｃｏｍ．ｃｎ　ＴＰ定时器等待一段时间，保证目的站点顺利发送应答信　息。当收￣ＪＲＴＳ发送请求和发送允许ＣＴＳ时，系统应根据　分组中所带的报文长度字段计算ＴＰ，保证在报文发送过　程中不会出现冲突。　“等ＮＡＤ定时器”状态表示当ＴＰ定时器终止的时候　应启动ＮＡＤ定时器来竞争信道，以便本站有机会将自己　的消息在适当的时候发送出去。理想情况下，在转移到　“等ＮＡＤ定时器”状态的开始一段时间内，网络应该处　于空闲状态。　“沉默”状态表示等ＡＣＫ定时器，或者是收到优先　权较高的Ｃ２信息。那么，ＡＣＫ定时器超时后就进入“预　发射”状态进行信道竞争。　依托ＯＰＮＥＴ［４　仿真工具来构建网络模型。网络由１　６　个节点组成，９个主动，同时各个节点全连通，均匀分　布在９ｋｍ　Ｘ　９ｋｍ的矩形区域里，通过无线链路通信。地　形是无遮挡、高差在５ｍ～１０ｍ的小起伏，网络具有良好　的电磁环境。暂时不考虑节点移动，负载不分优先级。　模型主要是为了分析出Ｒ—ＮＡＤ算法中影响网络性能的　重要参数和最合适的值，比较Ｒ—ＮＡＤ以及基于自适应　窗口算法的Ｒ—ＮＡＤ的性能，所以模型简化了２２０Ｃ的链　路层和物理层。假定设备滞后时间（ＥＬＡ　Ｇ）、ＤＴＥ周　转时间（ＤＴＥＴＵ　ＲＮ）、ＤＴＥ处理时间（ＤＴＥ　ＰＲＯＣ）　等均为零，则仿真的结果将直接反映Ｒ—ＮＡＤ算法的效　果。　在我们的仿真实验中，根据２２０Ｃ协议特性．发射机　和接收机的信道数据传输速率为１　６３４８ｂｐｓ，整个网络　的负载由１个业务模型产生。具体业务包括基于Ｃ２和基　于ＳＡ两大类，随机分配给不同站点，业务到达的时间间　隙服从指数分布，其中Ｃ２包平均到达间隔为１０ｓ，包大　小为１０２４字节；ＳＡ包平均到达间隔为１ｓ，包大小为５７６　或３０字节。　３仿真结果及分析　辩一　４趣　０　文ｌ毪　０　参考ＣＮＲＷＧ一１８８—２２０Ｃ—ＭＡＣ—Ｐａｒａｍｓ中的设置　责任编辑：吴竹立ｗｕｚｈｕｌｉ＠ｍｂｃｏｍ　Ｏ１３　设定ＲＨＤ０＝０　６ｓ，ＴＰ０＝Ｏ　１　７５ｓ，ＳｌｏｔＴｉｍｅ＝Ｏ．０２８ｓ，　Ｂ＝２５０ｓ，ＮＢＤＴ＝Ｏ．６ｓ，ＣＷ＝１。协议中约定，重传次　数０～５次缺省２次，选定ＲｅｔｒａｎｓＭａｘ＝３。同时，本次仿　真中拓扑模型使用１６个站，所以ＮＡＤ—Ｍａｘ初始化值为　ＮＡ　Ｍａｘ仂ｉｔ＝１２。　因ＥＴＥ平均时间决定了网络的吞吐量，所以我们研　究了ＮＢＤＴ、ＲＨＤ０、ＳｌｏｔＴｉｍｅ－－个参数和ＥＴＥ的关系，仿　真对比分析三个参数分别改变时对ＥＴＥ性能的影响。　（１】考虑ＮＢＤ　７＿（０．６ｓ）、ＲＨＤ　０（０．６ｓ）不　变，Ｓｌｏｔ　７－，，７７ｅ变。由于Ｓｌｏｔ　７Ｖｍｅ影响退避的ＮＡＤ　时间，ＳｌｏｔＴｉｍｅ应保证ＮＡＤ不要太大，以／＼／日　７＿为　标准。ＮＢＤＴ＝０．６ｓ、ＳｌｏｔＴｉｍｅ最大值＝０．６／１　２＝　０．０５ｓ的仿真结果如图２所示，对ＥＴＥ的影响不大，而　且改变趋势不明显。　

４０　３５　

苗　斋２５　

山　山　２０　

０．ＯＯ　０　０１　０　Ｏ２　Ｏ　Ｏ３　Ｏ　０４　０．Ｏ５　Ｓｌｏｔ　ｔｉｍ　ｅ　

图２　ＳｌｏｔＴｉｍｅ变化与ＥＴＥｑｚ均值、最大值（ｓ）的关系　（２）Ｓ／ｏｔＴｉｍｅ（０．０２８ｓ）和ＢＮＤＴ（０．６ｓ）不　变，ＲＨＤ０变化比较大，从０．００００２ｓ￣０．６ｓ。仿真结果　反映出ＲＨＤ。的改变对　的影响比较大，ＥＴＥ：￣Ｚ均值　最大差距有２０秒，ｆ　嘬大值最大差距有２００秒，如图　３所示：　

２０　０蚤痞４　ｌ　７９　１年第１期Ｉ，　

删　～　枷　一　枷　㈣　｜ｌⅢ　强硪；设计与实现ｉ；　１　岳１０　

舔　Ｅ　１　０　

１ＯＯ　

图３　？　。变化与ＥＴＥ＃－均值、最大值（ｓ）的关系　（３）ＳｌｏｔＴ／ｍｅ【０．０２８ｓ）和　（０．６ｓ）不变，　ＮＢＤＴｊＬ）￣Ｏ．００００２ｓ￣０．６ｓ变化。仿真结果反映出ＮＢＤ确　改变对　的影响比较大。ＥＴＥ４Ｚ均值最大差距有２Ｏ秒，　嘬大值最大差距有１　５０秒，如图４所示：　

∞　２６　

ｎ，２ｏ　善，　葛　

，。　

５　

蔓　岩，００　

图４　ＮＢＤ　７＿变化与ＥＴＥ￣－均值、最大值（ｓ）的关系　８０　Ｉ　筹　痞　

从以上分析可以看出，２２０Ｃ中影响ＭＡＣ层协议　性能的关键因素是ＮＢＤＴ和ＲＨＤ。。由于它们的计算　公式中共有朋尸　、ＥＬＡＧ和ＴＯＬ占各自３／４（分别是　２３０ｍｓ、１５７ｍｓ、５０ｍｓ，合计４３６ｍｓ），所以这两个　参数的改善基本是同步的。若能提高ＥＲＰＥ、ＥＬＡＧ、　ＴＯＬ，就能使性能明显提高。综合ＥＴＥ￣－均值和　最　大值，可以看出，ＮＢＤＴＴＦｉ］ＲＨＤ。的最佳设定在０．１　ｓ左　右。　

：＝一　薹　拉　０篓≥　。　０　、。　．　在给定的网络场景下，仿真对比分析Ｒ～ＮＡＤ（即公　式（１】中ＣＷ＝１】、Ｒ—ＮＡＤ与白适应竞争窗口算法相　结合（即公式（６））两种情况下的网络性能。其中网络　参数设置如前面所示，只改变ＮＢＤｌ￣ｉ］ＲＨＤ。，两者都为　０．１Ｓ。在上述网络模型１６４＂节点中，仿真得到的吞吐性　能和端到端迟延特性如图５和６所示：