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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(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絡中的時隙選擇策略、自組織接入技術和網絡登陸方式,并在此基礎上分析了其網絡性能和時隙沖突。  

　　自組織時分多址技術SOTDMA(Self-Organized Time Division Multiple Access),是在TDMA基礎上發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(GP&C)的核心。在沒有通信基礎設施支持、網絡節點變化劇烈的場合,自組織網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(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絡以及無線局域網相比,自組網絡具有以下特征:

　　(1)網絡的自組性。自組織網絡可以在任何時刻任何地點同時產生多個網絡環境支持移動協同計算,不需要基站支持。

　　(2)動態的拓撲結構。由于網絡中的節點可以任意速度和任意方式移動,節點間通過無線信道形成的網絡拓撲結構可以隨時發生變化。

　　(3)分布式控制網絡。網絡各節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癱瘓的危險。

　　SOTDMA與一般TDMA技術很大的區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沒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)當一個站臺發射數據或為將來發射數據而進行時隙預定時,首先確定將要選擇時隙的范圍SI。在網絡登陸階段,SI一般取150個時隙,大約相當于4s;在連續運行時,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的一部分時隙,由“自由(未預定)”時隙和“可用”時隙組成。可用時隙是指那些已被其它站臺預定的,但可以依據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) 由于信道轉換需要時間,系統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,周期性重復播發信息的傳輸應在這兩個信道之間交替發射。這種交替傳輸是以信道上的信息報告率為基礎的,與時間幀和時隙無關。

　　2 自組織接入技術與網絡登陸步驟

　　自組織接入算法是保證系統進行自主和連續運行的關鍵。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	說 明	最小值	最大值
NSS	標稱開始時隙	系統在鏈路上傳輸的第一個時隙	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	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	船位報告候選時隙的選擇范圍	0.2NI	0.2NI
NTS	標稱傳輸時隙	在選擇間隔SI內選中的時隙	0	2249
TMO	超時	連續占據某時隙的次數	3	7

　　AIS站臺在開機后首先進入1min的初始化階段。在此階段,系統要監視SOTDMA信道上的時隙占用情況,了解信道的活動狀態,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的時隙表。1min后,系統進入網絡登陸階段,開始根據不斷刷新的時隙表進行信號發射。

　　在網絡登陸階段,系統選擇信息傳輸的第一個時隙, 以便讓鏈路上的其它站臺發現自己。首次發送的信息總是船位報告,發射該報告的時隙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)
　　在第一個時隙發射之前,應當選擇好下一個要發射的時隙。如圖2所示,在選擇第二個發射時隙時,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,按照上節敘述的策略隨機地選擇發射時隙NTS。在選擇每一個需要重復使用的時隙時,都要為它隨機地從3到7之間選擇一個"超時"值。這個值將插入數據報文中,以便通知其它站臺該時隙已被本站預約。

　　經過第一幀的時隙分配與發射,新入網的船站就完成了入網過程,隨后系統進入正常運行狀態(自主連續運行階段)。
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重疊的情況,于是有可能發生時隙選擇的沖突。這時,假設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生沖突的概率。

　　假設船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,選擇一個具體的發送時隙發生沖突的概率為:
　　
　　由全概率可得在傳送一個報文時,發生沖突的概率為:
　　
　　當發送n次連續的報文時,對于固定的報文數量,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,也可以得到系統連續發生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,發送報文發生沖突的概率。從表2的結果可以看出,發生時隙沖突的概率相當小,加上信道編碼等差錯控制,這種信道質量是可以滿足AIS系統要求的。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,連續發生1、2、3、4、5次時隙沖突的概率。可以看到,SOTDMA信道連續發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 兩條船發生L次連續時隙沖突的概率 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n=1000時發生時隙沖突的概率分布。從圖3曲線可以看出,報告率越小,發生沖突的次數越偏向于0,平均值越小,信道傳輸質量越高。


圖3 時隙沖突概率與報告率的關系

　　下面基于以上的分析推導N個船站的VHF信號覆蓋范圍重疊時發生時隙沖突的概率。當有N個船站時,其中任意兩艘船之間的某一預約時隙有可能發生沖突,任意三艘船之間的某一預約時隙也有可能發生沖突,甚至任意N艘船之間的某一預約時隙也可能發生沖突。

　　根據概率論知識,假設三艘船分別為A、B、C,由任意兩艘船發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。三艘船同時發生沖突的概率記為:P3ABC。所以A發送報文時發生沖突的概率為:

　　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生沖突的概率為:
　　P4ABCD=P33　 　 　 　 　 　　　(13)
　　依次推導,N艘船同時發生沖突的概率為:
　　PN=P3N-1　 　 　 　 　 　 　 (14)

　　因此可得三艘船存在時,其中一艘船發送一個報文時發生沖突的概率為:
　　
　　四艘船存在時,其中一艘船發送一個報文時發生沖突的概率為:
　　
　　依次推導,可得N艘船存在時,其中一艘船發送一個報文時發生沖突的概率為:
　 　
　　當連續發送n個報文時,由于前后時隙都是獨立的,因此發生L個時隙沖突的概率分布為:
　 　
　　本文所涉及的技術都在實際AIS系統平臺中得到實現和應用。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。其網絡動態性能也完全符合上述的分析和仿真,AIS中采用SOTDMA通信協議進行通信,信道阻塞率較低,發信成功率較高,具有良好的性能。