SOTDMA技术应用及其性能分析

摘　要：以船舶自动识别系统(AIS)为应用背景,介绍了SOTMDA的特点和应用方式,详细给出了自组织网络中的时隙选择策略、自组织接入技术和网络登陆方式,并在此基础上分析了其网络性能和时隙冲突。
　　关键词：自组织 SOTDMA 时隙分析 AIS

　　自组织时分多址技术SOTDMA(Self-Organized Time Division Multiple Access),是在TDMA基础上发展起来的一种新型的、用于未来航海和航空交通管理的通信技术,是全球定位及通信系统(GP&C)的核心。在没有通信基础设施支持、网络节点变化剧烈的场合,自组织网络引起越来越多的关注。
　　国际海事组织(IMO)第42次会议上,决定船舶自动识别系统(AIS)采用SOTDMA技术。本文正是以SOTDMA在AIS中的实际应用为背景,研究SOTDMA技术和性能。
　　与常见的有线固定网络以及无线局域网相比,自组网络具有以下特征:
　　(1)网络的自组性。自组织网络可以在任何时刻任何地点同时产生多个网络环境支持移动协同计算,不需要基站支持。
　　(2)动态的拓扑结构。由于网络中的节点可以任意速度和任意方式移动,节点间通过无线信道形成的网络拓扑结构可以随时发生变化。
　　(3)分布式控制网络。网络各节点没有重要和次要之分,从而可以防止一旦控制中心被破坏而引起的全网瘫痪的危险。
　　SOTDMA与一般TDMA技术很大的区别在于其时隙的预约方式。在SOTDMA技术中,信道时间被分为固定长度的时间间隔。一帧包括一组时隙,跨度为1min,所有数据链上的电台都易于接收和传送信息。信息报告在数据链上可以根据传输情况占有一个或更多的时隙。如图1所示。

图1 SOTDMA示意图

1 时隙选择策略
　　SOTDMA的一个重要特征是它采用一种为一个新传输或为将来传输而进行时隙预定的接入方法。当信道不忙时,时隙的选择是直接的,因为很容易就能找到没有被其它站台预定的时隙。当信道变忙而不容易找到未预定的时隙时,SOTDMA技术允许一个站台根据Robin Hood准则使用已被另一个远距离站台预定的时隙。这种时隙选择方法的益处是时隙的选择可以由所有移动站台自主完成,而不需要由控制站进行信道资源管理。时隙选择的策略如下:
　　(1)当一个站台发射数据或为将来发射数据而进行时隙预定时,首先确定将要选择时隙的范围SI。在网络登陆阶段,SI一般取150个时隙,大约相当于4s;在连续运行时,该值与报告率有关,一般取值范围为报告间隔的五分之一。
　　(2) 计算出一个候选时隙的列表。这些候选时隙是选择范围内的一部分时隙,由“自由(未预定)”时隙和“可用”时隙组成。可用时隙是指那些已被其它站台预定的,但可以依据准则进行复用的时隙。在最终选择一个时隙前,找出4个以上的候选时隙是很重要的,因为这样可以将多个站台选择同一时隙的可能性降低到可以接受的水平。
　　(3)当从一个信道的候选时隙中进行最终选择时, 要考虑另一个信道中的情况。如果另一个信道中的相应时隙被一个近距离站台使用,这个时隙就要从候选时隙列表中删除。
　　(4) 由于信道转换需要时间,系统自身无法在位于两个平行信道相邻的时隙上传输信息。因此,在一个信道所用时隙任意一边的两个相邻时隙不应作为另一个信道上的候选时隙。
　　(5) 最终时隙是从可选时隙中等概率地随机选出。所有可选时隙的选择可能性是完全一样的。
　　(6) 时隙选择应在两个信道上平行进行,周期性重复播发信息的传输应在这两个信道之间交替发射。这种交替传输是以信道上的信息报告率为基础的,与时间帧和时隙无关。
2 自组织接入技术与网络登陆步骤
　　自组织接入算法是保证系统进行自主和连续运行的关键。该算法所涉及的主要参数有NSS、NS、NI、RR、SI、NTS和TMO,如表1所示。
表1 SOTDMA接入算法的参数 符号 名称 说 明 最小值 最大值
NSS 　标称开始时隙 　系统在链路上传输的第一个时隙 0 2249
NS 　标称时隙 　选择时隙的参考中心 0 2249
NI 　标称增量 　标称时隙间的时隙数 75 1125
RR 　报告率 　每帧中理想的船位报告数量 2 30
SI 　选择间隔 　船位报告候选时隙的选择范围 0.2NI 0.2NI
NTS 　标称传输时隙 　在选择间隔SI内选中的时隙 0  2249
TMO 　超时 　连续占据某时隙的次数 3
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　　AIS站台在开机后首先进入1min的初始化阶段。在此阶段,系统要监视SOTDMA信道上的时隙占用情况,了解信道的活动状态,确定其它站台的身份、当前时隙分配和其他用户报告的位置,建立在整个链路上运行的所有站台的通信目录和反映信道活动状态的时隙表。1min后,系统进入网络登陆阶段,开始根据不断刷新的时隙表进行信号发射。
　　在网络登陆阶段,系统选择信息传输的第一个时隙, 以便让链路上的其它站台发现自己。首次发送的信息总是船位报告,发射该报告的时隙NSS应当在当前时隙至未来标称增量NI的时间范围内随机选择。该时隙作为第一帧阶段选择标称时隙NS的参考,如图2所示。NI为:

图2 时隙选择示意图

　　NI=2250/RR　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 (1)
　　标称时隙为:
　　NS=NSS+(n