基于资源分配策略的接入调度算法

第４卷第５期　２０１３年１Ｏ月　指挥信息系统与技术　Ｃｏｍｍａｎｄ　Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　Ｓｙｓｔｅｍ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｖｏ１．４　Ｎｏ．５　０ｃｔ．２０１３　

１　理论与探索・　

基于资源分配策略的接入调度算法　

许道峰高璇　

（中国电子科技集团公司第二十八研究所　南京２１０ＯＯ７）　

摘　要：采集中心对于较大规模的ＨＦ信号采集网络，一般配置多部发射机和接收机。提出方案将　

发射机、接收机及其使用的通信频率作为ＨＦ电台网络的待分配资源，并通过分配通信资源，实现　ＨＦ电台网络高效运作。该方案与传统电台组网方案相比，具有灵活性高、可通性好且扩展能力强　

的特点，并具有实用前景。　

关键词：短波通信；电台组网；资源分配；接入调度　

中图分类号：ＴＰ３９３　文献标识码：Ａ　文章编号：１６７４—９０９Ｘ（２０１３）０５—００３０—０５　

Ａｃｃｅｓｓ　Ｓｃｈｅｄｕｌｉｎｇ　Ａｌｇｏｒｉｔｈｍ　Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　Ｒｅｓｏｕｒｃｅ　Ａｌｌｏｃａｔｉｏｎ　

Ｘｕ　Ｄａｏｆｅｎｇ　Ｇａｏ　Ｘｕａｎ　

（Ｔｈｅ　２８ｔｈ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆ　Ｃｈｉｎａ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｇｒｏｕｐ　Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ，Ｎａｎｊｉｎｇ　２１０００７，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｆｏｒ　ｌａｒｇｅ—ｓｃａｌｅ　ＨＦ　ｓｉｇｎａｌ　ｃｏｌｌｅｃｔｉｏｎ　ｎｅｔｗｏｒｋｓ，ａ　ｃｏｌｌｅｃｔｉｏｎ　ｃｅｎｔｅｒ　ｉｓ　ｕｓｕａｌｌｙ　ｅｑｕｉｐｐｅｄ　

ｗｉｔｈ　ｍｕｌｔｉｐｌｅ　ＨＦ　ｒｅｃｅｉｖｅｒｓ　ａｎｄ　ｔｒａｎｓｍｉｔｔｅｒｓ．Ａ　ｓｃｈｅｍｅ　ｉｓ　ｐｒｏｐｏｓｅｄ　ｂｙ　ｕｓｉｎｇ　ｔｒａｎｓｍｉｔｔｅｒｓ，　ｒｅｃｅｉｖｅｒｓ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｆｒｅｑｕｅｎｃｉｅｓ　ｆｏｒ　ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ　ａｓ　ｔｏ——ｂｅ——ａｌｌｏｃａｔｅｄ　ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ　ｏｆ　ａｎ　ＨＦ　ｒａｄｉｏ　

ｎｅｔｗｏｒｋ．Ｂｙ　ｔｈｅ　ｓｃｈｅｍｅ，ｔｈｅｓｅ　ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ　ａｒｅ　ａｌｌｏｃａｔｅｄ　ＳＯ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ＨＦ　ｒａｄｉｏ　ｎｅｔｗｏｒｋ　ｏｐｅｒａｔｅｓ　ｗｉｔｈ　ｈｉｇｈ　ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ．Ｃｏｍｐａｒｅｄ　ｗｉｔｈ　ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ　ｒａｄｉｏ　ｎｅｔｗｏｒｋｉｎｇ　ｓｃｈｅｍｅｓ，ｔｈｅ　ｐｒｏｐｏｓｅｄ　ｓｃｈｅｍｅ　

ｈａｓ　ｈｉｇｈｌｙ　ｆｌｅｘｉｂｌｅ，ｃｏｎｎｅｃｔｉｂｌｅ　ａｎｄ　ｅｘｔｅｎｓｉｂｌｅ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ，ｔｈｕｓ　ｈａｖｉｎｇ　ａ　ｐｒｏｓｐｅｃｔ　ｉｎ　ｐｒａｃｔｉｃｅ　

ＵＳｅ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｈｉｇｈ　ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ；ｒａｄｉｏ　ｎｅｔｗｏｒｋｉｎｇ；ｒｅｓｏｕｒｃｅ　ａｌｌｏｃａｔｉｏｎ；ａｃｃｅｓｓ　

ｓｃｈｅｄｕｌｉｎｇ　

问题的提出　

对于较大规模的ＨＦ信号采集网络，外部节点　数量【，可达数百个。采集中心可以考虑配置Ⅳ个ＨＦ　接收机和　个ＨＦ发射机，进行集中的信号接收与　指令下发。对于如此中大规模的ＨＦ信号采集网络，　

一般将大网分成子网，子网再分成微网。每个子网或　微网形成一个一点对多点的星型网络。　所有外部节点根据其所处地理位置和通信条件　划分成Ｋ个分组，每个分组内平均拥有外部节点成　员数Ｖ一【，／Ｋ；每个分组与中心的一对发射接收机　对应；分组间采用不同的信道或频率进行频分多址　（ＦＤＭＡ）复用Ｌ１］，分组内采用同一信道或频率利用　

收稿１３期：２０１２—０９—２６　时分多址（ＴＤＭＡ）［２］或载波侦听多路访问　（ＣＳＭＡ）Ｉｓ］进行复用。为了考虑切换频，系统根据其　分组／子网个数Ｋ，设置Ｋ组通信频率，其结构如表１　所示。其中，　ｊ和ｇ　别为子网ｉ中的第　个上行和　下行频率。上行表明从外部节点至中心；下行表明从　中心至外部节点。　

表１

　ＨＦ信号采集网络通信频率结构　第４卷第５期　许道峰，等：基于资源分配策略的接入调度算法　

表１结构存在以下问题：将ｕ个外部节点固定　

分成Ｋ个子网，子网内节点成员数从ｕ变为　。利用　

１个信道使得子网内成员均能通信的概率大大提　

高，但问题依然存在。大网划分成固定子网的方案并　

不能保证１个子网内的　个成员都能在固定的接收　

机实现信号可靠接人；另外，１个子网内的信道争用　

问题没有根本解决，只是碰撞概率下降了。　

目前，ＨＦ星型网络主要应用于海上船只定期　

短消息通信。该类应用的共性是因有海面波传输，信　

道条件相对平衡，信息传输时延性要求较低，且通信　

数据量较小。基于上述特点，ＨＦ星型网络一般采用　

基于轮询策略［４］的类ＴＤＭＡ协议来解决共用信道　

竞争问题。中心有绝对控制权，可以决定在某时刻查　

询某外部节点，仅被查询节点有使用共用信道进行　

信息反馈的权利。因此，基于轮询的ＨＦ星型网络在　

解决传感器突发信息实时传输方面能力不足。　

在雷达数据情报传输方面，目前中心仍采用多　

接收机，与外站一对一接收［５］。在配置较大规模的　

ＨＦ接收中心时，同时配置数量庞大的ＨＦ接收机　

组，成本较高。故该组网手段不适合民用或低成本应　

用及突发型数据的集中采集。　

２关键技术　

针对上述问题，需解决以下２项关键技术：　

１）一点对多点通信频率的选择与切换　

中心所配置的ＨＦ接收机数量小于外部节点数　

量，则会存在一点对多点通信问题。如何选择一个频　

率或一个信道让多个外部节点均能和中心接收机通　

信是关键问题。另外，短波信道随时间变化而变化，　

如何确定合理的切换频机制也是核心问题。　

２）共用信道的利用　

一点对多点通信问题必然导致多个外部节点竞　

争共用信道的问题。如何调度这些节点使用共用信　

道是一项关键技术，需最大限度利用信道资源并减　

少信息传输碰撞，同时还需考虑各外部节点的公平　

调度。　

３基于资源分配策略的组网方案　

本文设计的ＨＦ信号采集网络采用图１所示的　

网络结构。各外部节点配置一半双工ＨＦ电台，进行　

信息上传与指令接收，中心配置发射机组及接收机　

组，通过网络控制器（ＮＣＵ）协同工作。网络拓扑总　／一一由　

图１　ＨＦ信号采集网络拓扑结构　

体呈星型。　

３．１上行链路调度设计　上行链路指从外部节点至中心的无线通信链　

路；下行链路指从中心至外部节点的链路。基于资源　

分配的组网策略将中心的发射机、接收机和可能使　

用的频率点组成系统可以利用的资源池，各外围节　

点接入均需利用现有的资源实现。　

因此，中心及各外围节点均需维护同一个通信　频率表，同时维护一个掩模ＭＡＳＫ矩阵ＰＭ　，形式　

如表２所示，其中Ⅳ为接收机数。由表可见，每个接　

收机将对Ｌ个通信频率进行扫描监听。　

表２上行通信频率表　

ＰＭ　ｓＫ矩阵为一个Ｌ×Ⅳ维０／１二值矩阵，１表　

明表２与该位置对应的频率可以选用；０表明与该位　

置对应的频率不可选用。ＰＭ心ｃ矩阵各元素初始状态　

均为１，表明通信频率表中所有频率均可使用，即：　

ＰＭＡｓＫ＝　１　１　

１　１　：　：　●　●　１　１　…　１　

・・・　１　。．　：　●　●　…　１　

表１每列对应中心的一个接收机所扫描的信　道，假设扫描的信道数为Ｌ。初始工作时，中心的接　

收机在通信频率表所设定的频点上扫描。由于频率　

表的频点数量较大，可以认为对任一外围节点，至少　

有１组频率能够通信。外围节点在通信频率表内随　

机选择１个频点　进行信息上传。一旦信息被第　指挥信息系统与技术　２０１３年１Ｏ月　

个接收机成功接收，该接收机将退出扫描状态，中心　

将ＰＭ　矩阵的第　列除第（　，ｚ）个元素外全部置０，　

并通过Ｍ个发射机下行信道将序号（　，ｚ）广播出去。　

外围节点收到广播信息后各自更新自己的ＰＭ　ｓＫ矩　

阵，保持与中心一致。　

随后，其他外围节点将在Ｐ　ｓｘ矩阵掩模（即矩　

阵元素与操作）后的通信频率表内随机选择通信频　

率。由于之前退出扫描状态的接收机　仅占用１个可　

用的频点，故其被选中的概率相对于其他接收机将　降低Ｌ倍。这在一定程度上可以减小初始阶段多个　

外围节点争用同一信道的概率。如选择的通信频率　

为厂　则有：若Ｐ一　且ｑ—ｚ，则节点进行竞争传输模　

式，传输正常报文；否则，传输与扫描相适应的报文。　

如此，系统一直动态为各外围节点分配通信资　

源，直至ＰＭ　ｓｘ矩阵最后变为每列仅有１个元素是１、　

其他元素均为０的矩阵。此时，通信资源分配完毕，　

后面的节点仅能通过竞争实现接人。　

因外围节点的传感器观测信息为突发数据，故　当外围节点数据传输业务结束后，可以通过上行信　

令告知中心。此时，中心将其所对应接收机　的资源　

释放，接收机　进入扫描状态，将ＰＭ　ｓＫ矩阵第　列所　

有元素置１，并将包含序号　的释放信令广播，以便　

各外围节点更新ＰＭ　ｓｘ矩阵第　列所有元素为１。　

３．２下行链路调度设计　中心配置Ｍ个ＨＦ发射机，故下行链路也存在　

相应的调度问题。如指令及信息的传输时延要求较　

低，可以采用与上行链路类似的设计，即发射机在一　

组频率库中随机选择频率发射，各外围节点在空闲　

时处于扫描状态。　

考虑到实时性要求，下行链路调度设计如下：　

中心和各外围节点需维护如表３所示的频率　

表，表中的每行表明某时段的工作主用频率ｇ　及备　

用频率　：，Ｍ为发射机数。　

外围节点扫描某时段　的主用频率ｇ　（　一１，　

２，…，Ｍ），经过Ｍ个发射周期，外围节点可以确定　

目前最佳的下行通信频点ｇ　，同时在本地形成一个　

表３下行通信频率表　信号质量排队列表，并在上行信令交互中将本节点　

站号、频点号二元组（　，　）反馈给中心。中心依据各　

外围节点的反馈，形成通信状态表，保存有每个发射　

机接入的外围节点序号和数量。信号质量排队列表　

和通信状态表形式如表４和表５所示。　表４信号质量表　

排序　频点　

表５通信状态表　

如中心某个发射机ｍ在主用频点上不能与任何　

外围节点联系上，即其对应的接入站点数量ｅ　一０，　则发射机ｍ将用备用频率发射信号。外围节点如扫　

描不到某个中心发射机的主用通信频率，则在下个　周期扫描该发射机的备用频率。　

入网后的外围节点将在一段时间内利用选择的　最佳频点ｇ　（和中心某个发射机对应）与中心进行　下行链路通信。未入网的外围节点将继续扫描，直至　

找到一个可通频点，而后进入数据传输模式。　

中心重要指令如换频和公共消息等将通过中心　所有发射机广播出去，以便各外围节点能成功接收；　

ＰＭ　矩阵更新序号（　，ｚ）等与特定外围节点相关的　

信息，可通过所有发射机广播，也可通过中心相应的　

发射机ｍ单播或组播出去。　下行广播和组播信息中还可以包含外围节点的　上行信噪比（ＳＮＲ），以便让外围节点选择是继续使　

用该频率通信，还是重新选择通信频率。经过时间积　累，各外围节点可知晓目前较好的通信频率，进而在　

后续的上行传输中以较高的权值选择这些频点。　３．３　资源需求　存储占用资源需求如下：１）中心和各外围节点　需存储上行通信频率表、下行通信频率表及ＰＭＡｓｘ矩　

阵；２）各外围节点需保存信号质量表；３）中心需保　

存通信状态表。假设一个通信频率长３　Ｂ，信号质量　长１　Ｂ，则存储需求如表６所示。　

表６

资源占用需求