甚高频空地数据链信道访问模型及性能分析

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1、甚高频空地数据链信道访问模型及性能分析　飞机与地面之间的甚高频(VHF)上下行双向数据通信系统又称VHF空地数据链。空地间信道访问协议将直接影响到飞机与地面间双向数据通信性能，由于信息传播时延与信息传输时间之比很小(<<0.01)，使得空地数据链的信道访问协议(ARINC618)采纳了非坚持策略的载波检测多址访问(CSMA)方式［1］。文献［2～4］采用概率分析方法对CSMA进行了性能分析，但由于其假设用户数为无限，不适合空地数据链用户数目有限的情况。文献［5,6］给出了以传输时延τ为基本时隙的

2、时隙CSMA分析方法，它采用离散马尔可夫链作为分析工具，给计算机仿真带来极大的便利，但与空地数据链时间异步非连续CSMA方式的实际情况也存在较大差异。　　通过建立甚高频空地数据链信道访问的状态分析模型，在文献［7］的矩阵分析方法的基础上，利用连续马尔可夫链模型分析方法，研究不同报文数据用户访问规律(空地数据包试图发送率，数据重传率，信道传输检测时间)，不同的数据发送用户数下对信道吞吐量和报文数据延时等性能指标的影响，给出了仿真结果，得出了有意义的结论，为空地数据链系统的设计及参数优化提供了依据。

3、1　空地数据链信道访问模型1.1　基本定义和假设条件　　VHF空地数据链的地面接收系统为远端地面站(RGS)，在RGS站的覆盖范围内进行数据通信的飞机数称为用户数。设在与该RGS站通信的最大用户数为N，每架飞机在一个时刻只能传送一个数据包，各飞机之间相互独立，即系统构成非同步系统。对于VHF信道，所有飞机都检测到信道上有数据包在传输的时间为TDT，设其服从负指数分布:E(TDT)=1/λd;信道中发生碰撞到飞机检测到信道重新空闲的时间称为延迟时间TRT，设其服从负指数分布:E(TRT)=1/λc

4、。飞机收到新数据包待发或正在传送数据包，称此飞机为忙用户。飞机无包发送或数据包已发送完，称此飞机为空闲用户。　　设每架飞机产生新数据包的速率为λ，且以泊松流方式到达。设飞机只有一个接收缓存，一个发送缓存，系统中(N-n)架飞机用户产生新包的速率为NP(n)=(N-n)λ，其中n为系统的忙用户数目。当飞机的数据包必须延时然后重试时，延时的间隙为1/R(n)，即每秒重试R(n)次，则系统中数据包的试图发送率为：CL(n)=NP(n)+(n-1)R(N)。数据包的长度用PL表示，服从负指数分布:E(P

5、L)=1/λp。1.2　信道访问状态模型　　图1给出了信道访问状态分析模型。设某一特定时刻t，空地数据链所处的状态表示为DSt=(n,AS)，n为忙用户数目，n∈{0,1,…,N},AS∈{I,SOT,S,SPT,C}。设信道起始处于空闲状态I，当某一飞机产生新包并检测到信道空闲，便发送数据包，信道进入状态SOT。在信道检测时间TDT内，如果没有其他飞机发送数据包，则当信道检测时间到期时，所有飞机都已经得知有一飞机已在传递数据，便不会打扰，信道进入安全状态S。如果信道检测时间到期前，某些飞机并未

6、探知信道中有数据在传输，从而发送数据包，就会发生碰撞，信道进入状态C。如果数据包特别短，在信道检测时间到期之前或其它飞机传送数据之前就已发送完毕，信道进入状态SPT。但是此时的数据包仍然易受攻击，因为此时并非所有的飞机都探知有飞机在发送数据，仍有可能发送数据，从而导致碰撞发生。当数据发送完毕，信道进入状态I。另外，在飞机无法探知碰撞发生，碰撞发生后，仍坚持发完数据，碰撞各方全部发送完数据，信道进入状态I。1.3　空地数据链系统状态分析［8］　　由1.1节的假设条件，可对图1的状态分析模型进行分析

7、计算。设空闲的N-n个用户产生数据包数目为K1，到达强度为(N-n)λ。n个忙用户产生数据包个数为K2，到达强度为nR(n)。则Δt内系统由(n，I)至(n，SPT)的转移概率　　　　(1)可得limΔt→0(PI,SOT/Δt)=nR(n),即(n,I)到(n,SOT)的概率转移强度为nR(n)。按照上述的分析方法，可以得到各状态之间的转移概率强度。图1　空地数据链信道状态分析模型2　系统分析计算2.1　系统稳态概率计算　　　　(2)令　　　　(3)　　　　(4)　　　　(5)　　　　(6)　

8、　　　(7)根据状态转移图，可得到瞬时转移矩阵Q　　　　(8)　其中:W［0　λp　λd0］T,W0=［Nλ　000］,　　令　P=［P(0)　P(1)　P(2)　…　P(N)］;　　　　e=［1　1　1…　1］　　则有　PQ=0;Pe=1　　利用上述方程，就能计算出系统各状态的稳态概率。2.2　空地数据链系统性能分析　　(1)吞吐量　空地数据链信道访问协议中，数据包传送时只有在传输检测时间内不被其他用户打扰才能成功传输，所以数据包成功传送的概率与包的长度独立，被成功传输数据包的长度分布与进入信