一种定向传输武器协同数据链的时分调度信息共享方法*
肖 宇 1，徐任晖1，朱 军 2，杨建新2
（1.陆军工程大学通信工程学院，江苏 南京 210007；2.南京电子技术研究所，江苏 南京 210013）
摘 要： 具有定向收发能力的武器协同数据链,在时分半双工方式下完成实时信息共享对于系统效能提升有重要意义。结合理论分析，给出了既定通信模式下完成信息共享所需的最少时隙数，以此作为最优条件设计了相应的调度方案和计算机算法。计算机算法采用嵌套结构，易于实现。通过仿真从算法复杂度、实时性以及节点负载均衡等方面进行了分析。结果表明，算法能使共享所需时隙接近理论最优值，且性能优于传统的信息共享方法。
关键词： 信息共享；数据链；定向通信
0 引 言
海上防空反导作战由以往的以平台为中心向协同作战方式演进。为实现武器的协同，需要将多个武器平台的传感器、制导设备等交联在一起，共享目标信息和火力资源信息，从而产生具有武器控制级精度的统一战场态势。由此协调多平台火控系统，实现武器协同，提高联合打击能力。武器协同数据链为协同防空提供了态势共享的手段，不仅在武器平台间交换点迹和航迹等数据，还要实现传感器原始数据的实时共享。在武器协同数据链的应用场景中，网络中各节点所收集的信息能够被网络中所有其他节点收到并处理，即一点发现全网皆知。作为一种提升信息利用效率的信息分发机制，这种通过一定的组网方式，网络内所有节点共享网络其他节点的信息，我们称之为信息共享，抑或所有到所有的广播。
为了保证数据的实时共享，在武器协同数据链的链路接入层一般采用调度式的媒体接入控制（Medium Access Control，MAC）协议。通过对时域、频域、空域、码域的无线资源预先规划调度，每个节点在一定时间内总能获得通信机会，确保实时数据在严格时限要求下完成共享。
另一方面，随着天线技术和射频技术的发展，为武器平台上的无线收发信机配备相控阵天线已经可行。具有定向收发能力的武器协同数据链不仅传输距离远，而且抗截获能力强，还可以充分利用空间复用能力提高网络吞吐量，为战术级的武器协同作战提供了强有力的手段。但是，由于定向天线的收发在实现信号的广播方面具有天然的障碍，信息共享实现的难度更大，机制也更复杂。
美军的CEC（Cooperation Engagement Capability，协同作战能力）[1]就是这样一种既使用相控阵天线实现远距离传输，又要完成传感器数据实时共享的武器协同数据链。为了解决定向传输与信息共享之间的矛盾，CEC系统采用了一种时分成对调度的方法。由于这种调度方法的技术细节没有完全公开，因此我们设计了一种时分半双工节点使用单波束收发实现信息共享的方法，保证单跳簇内共享全部完成且易于工程实现。
1 相关工作
信息共享是一种特殊的全到全的广播，对于无线网络信息共享问题国内外理论研究较少，而无线网络的广播问题则研究较多。另一方面，相对于采用全向天线的无线网络广播问题，采用定向天线的无线网络广播协议的研究也相对较少。文献[2-4]提出了几种采用定向天线的概率转发广播协议。文献[5]提出了一种基于局部拓扑信息的转发节点优化选择方法。文献[6]在文献[5]的基础上，进一步精简了对信道的使用，获得了更高的能量效率。Yang等人[7]考虑了采用定向天线广播时转发节点的优化选择问题，在经典的图的连通支配集问题基础上将该问题建模为有向连通支配集构建问题，并指出该问题是NP（Non Polynominal，非多项式时间）完全问题。文献[8]提出了一种结合定向天线和网络编码的无线网络广播协议，在改进[7]中有向连通支配集构建方法的基础上，提出了一种动态选择转发节点的方法；然后，转发节点在发送报文时，根据邻居节点的接收情况，制定最佳的编码与天线调度策略，使得总的广播能耗最小。
2 系统假设
从某一个特定节点的角度考虑，假设其数据包扩散到整个网络所需要的最少时隙为Tsingle。同时，假设全网所有数据包扩散到整个网络所需的最少时隙为Tall。显然，Tall≥Tsingle。因此，如果Tall=Tsingle，则Tall必为全网完成共享的最少时隙，Tsingle是最优解的一个下界。
陈小华：O2O原来标准打法就是补贴，但58到家觉得补贴对于每个行业是不一样的。比如滴滴或者外卖，这种行业的补贴，是因为消费者或多或少都会打车，每天总要吃饭，那就有一个预算在这里，补贴就是培养用户习惯。但保洁补贴没有任何意义，这个行业的很多用户是如果不免单那就一辈子都不会用这个服务，而有经济承受力使用钟点工的消费者，很多时候也并不在意那个补贴。所以，大规模补贴给保洁行业带来的往往是大量的无效用户，后来没有补贴，也没有影响58到家的业务。
（1）每个节点通信时可在任意水平方向调度天线波束的指向，从而发送或接收；
（2）全网分时隙同步工作，每个节点均有准确的时钟同步脉冲，能准确判断时隙起始位置，不考虑频分或码分的情况；
则该方案所需的时隙数一定是最少的。
(2)注聚合物驱最佳工艺参数为:水油流度比(3∶1)～(1∶1);注入速度0.2 m L/min。流度比对提高采收率的影响明显。
（5）通信是一对一的（即不存在一发多收的情况）；
（1）首先，选择A子集内的任意n个元素，与B子集内的n个元素配对交换。
（7）从周期性的某时隙开始，全网节点同步进行一次信息共享过程。
3 令牌式信息共享
时分多址（Time-division Multiple Access，TDMA）是指网内节点依次获得发送机会。基于时分多址实现信息共享最简单的一种方法是令牌式信息共享。即，网内只有一个令牌，且网内每时隙只有一个节点获得发送机会；获得令牌的节点向其他节点依次发送数据，发送完毕后将令牌传递给下一个节点；当所有节点都获得过令牌且发送完数据后，令牌失效；下一次信息共享过程，重新产生一个令牌。
令牌式信息共享的最大缺点是没有利用定向传输无线网络的空分复用优势，造成一轮信息共享的时延过长，数据的实时性收到损害。
如果将网络建模为一个无向图G=（V,E），其中V是网内节点的集合，E是链路的集合。假设网内共有|V|=N个节点，且每个时隙长度均为T。全连通拓扑条件下，完成一轮信息共享的时延为N（N-1）T。
4 CEC的时分成对通信
图1所示为四个CEC节点的时分配对共享方法示意图[1]。在第一个时隙，各节点只发自己的数据；从第二个时隙开始，各节点不仅要发自己的数据，还要帮助其他节点转发它们的数据。例如，第1时隙，1号节点给3号节点发1号数据；第2时隙，3号节点给1号节点发3号数据；第3时隙，1号节点从2号节点收到2号和4号数据，此时1号节点收到了所有节点的数据；但第4时隙，1号节点还需转发3号和1号的数据给2号，帮助2号节点完成共享。
（4）网络拓扑为单跳；
时分成对通信方法只需要4个时隙即可完成信息共享，而令牌式通信方法在同频单波束条件下需要3×4=12个时隙。数据的实时性得到了保证。
图1 CEC 系 统时分成对通信示例
5 全连通拓扑下的最优调度方法
将网络建模为图之后，通过枚举E中链路的不同组合来寻找时隙最少的最优调度方法复杂度太高特别是节点数很大时。因此首先确定完成共享所需要的理论最少时隙数，在此基础上讨论最优调度方法。
“大蒜”是人们日常生活中的美蔬和佳料，过日子离不开它。据《本草纲目》记载：“其气熏烈，能通五脏，达诸窍，去寒湿，辟邪恶，消痈肿，化症积肉食，此其功也。”足见它的药用价值。
假设网络中每个节点产生一个数据包，信息共享的目标是当一轮信息共享调度完成后，所有节点都有其他所有节点的数据包。根据武器协同数据链的应用场景确定以下组网条件：
随着我国新型城镇化的快速发展，对我国绿色建筑的节能减排又提出了新阶段的高要求。国际上，建设被动式超低能耗绿色建筑是实现快速发展的关键路径。由于我国严寒地区具有特殊的气候特征，因此，需要依据现有的绿色建筑技术体系提出适合严寒地区超低能耗绿色建筑发展的新思路和新方法。
引理1：某时隙，第n个节点的第n号数据包，经过t个时隙至多到达包含第n个节点在内的2t个节点。
工程制图课程具有工程图形技术的基础性与图形性、工程性，是其他课程所不可替代的。图形性与基础性体现在：投影理论；形体造型方法；表达技术（视图、剖视等的表达，轴测图等）；绘图基础（徒手、尺规、计算机绘制）。工程性具体体现在：贯彻相关的国家标准与规范；学习专业图样的绘制（如机械图、土木图、水利图等）。
例如：图2所示1号数据包在三个时隙后到达8个节点，即每个时隙带有该数据包的节点数变为原来的两倍。
该书伊始，拜厄特提及这本随笔的创作源自四月份在威尼斯参观城市博物馆的经历，她对于佛坦尼宫殿颇感兴趣，并坦言自己对于佛坦尼知之甚少，但是佛坦尼总是让她想起另一位英国艺术家莫里斯，而她对于后者很熟悉，所以，她希望“利用莫里斯去理解佛坦尼，利用佛坦尼去想象莫里斯”（Byatt,2016：6）②。于是，拜厄特创作了这本关于佛坦尼和莫里斯的随笔。既然作者把两位艺术家并置一文，自然少不了相同和不同之处的比较，拜厄特也确实是这么创作的。
图2 全连通拓扑下1号数据包的扩 散过程
第二个时隙中，该数据包分别由1、2号节点向3、4号节点传递；第三个时隙中，该数据包分别由1～4号节点向7～8号节点传递。
母亲病好了没有？母亲自己拾柴烧吗？下雨房子流水吗？渐渐想得恶化起来：她若死了不就是自己死在炕上无人知道吗？
引理2：假设单跳网络内有N个节点，若一种完成信息共享的调度方案所需时隙数为
（3）每个时隙内，每个节点或者发送，或者接收，或者静默，三者状态取其一；
直到今天，大白兔奶糖和美加净仍然经久不衰，更是国货中的经典。此次，大白兔和美加净的跨界合作，也会给消费者带来一波“回忆杀”，两个经典国货的碰撞带来了不一样的火花，网上讨论度盛况空前，大白兔和美加净的这次跨界合作，也向新兴一代消费者展示了国货也可以玩出不一样的招数，改变了大众对于国货的定义，成为消费者心目中的网红。
证明：网内N个节点，即有N种不同的数据包要共享给网中所有节点。根据引理1，共享所需的最少时隙数为t≥log2N。则经过t个时隙后：
新课改初期，针对很多数学教师对新课程的困惑，我们将教研内容的重点放在了课堂教学上，教研活动以集体备课、公开课、研磨试题为主。定期开展包括教材分析研究、复习备考研讨等主题在内的多层次、多角度的备课活动，定期开展基于新课程理念的课堂教学交流、研讨等教研活动。区域教研组的公开课主要分为骨干教师的示范课和青年教师的展示课。青年教师的展示课多以同课异构、跨校上课的形式进行，并由专家、优秀教师现场指导。每个模块的教学结束后进行统一测评，并组织研磨试题活动。
如果2t＜N，拥有该数据包的节点数为2t；
如果2t≥N，拥有该数据包的节点数量为N。
成千上万匹蒙古马聚集在一起，呼啸奔腾，那是一幅奔腾的美、力量的美交织在一起的奇异画面。如今，经过历史的沉淀与实践的熔铸，“蒙古马精神”已融入各族人民的血脉，成为各族群众团结奋斗、开拓进取的重要精神源泉与纽带。随着时代的发展，“蒙古马精神”的内在价值和重要性更加凸显出来。弘扬“蒙古马精神”，已经成为时代的需要。
下面再分两种情况讨论。
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（1）当N为偶数时，单跳全连通条件下，每个节点都能找到与之配对的节点进行数据交换。从单个节点角度看，若是有一种方案使得拓扑中的每种数据包都能按照引理1的方式进行扩散，且不冲突，那么该方案完成信息共享所需的时隙数一定是最小的。在全双工通信条件下，t个时隙内，所有类型的数据包都通过交换扩散到2t个节点中；在半双工通信条件下，每时隙要么发要么收，需要的时隙数为2t。因此 t = 2[lo g 2N ]。
（2）当N为奇数时，每个时隙至少有一个节点无法与其它节点进行数据交换。
假设每一种数据包在节点成功配对且通信的情况下，均能按照引理1的最优方式扩散。然而在第一个时隙中，至少有一种数据包无法扩散到其他节点，因此，在其余数据包扩散到2t个节点时，该数据包最多扩散到2t-1个节点。因此，当其他所有节点完成共享时，至少还需再分配一个时隙给该数据包才能完成整个网络的信息共享。因此，需要的时隙数为
图3所示为根据式（1）所计算的全连通拓扑下信息共享所用的最少时隙数。
图3 全连通拓扑下信息共享所需最少时隙数
6 可嵌套实现的时分调度信息共享算法
全连通 拓扑情况下，如果N恰好是2的整数次幂，就可以递归地使用二分法进行时隙分配（如图4所示）。先把N个节点划分成两个相同大小的子集，利用2个时隙在子集的节点间进行成对数据交换，然后再递归地划分子集，完成子集内的数据共享。由于在逐对数据交换后，子集内的每个节点都包含着另一个子集节点的数据，当子集的节点嵌套执行划分子集并交换数据后，全网都完成了数据共享。
用函数f（N）表示完成一次全网信息共享需要的时隙数，当N=2k，其中k是大于0的整数，则f（N）满足递推式：
当节点个数不是2的整数幂时，可以把节点分为两个元素数量不等的子集A、B，其中元素较多的子集A具有的元素个数是：
图4 子集间配对示意图
另一个子集B内的元素个数n较少，元素数量为：
数据共享分3步完成。
（6）每时隙数据带宽一定，一个节点在一个时隙内能够发送的数据包的个数及每个数据包的长度须满足每时隙数据带宽限制；
证明：假设每个时隙，持有该数据包的节点总能有机会与没有该数据包的节点通信（根据前文假设通信是一对一的），且数据包大小不受带宽的限制，则该数据包在每个时隙都得到最大程度的扩散，扩散速度为每时隙持有该数据包的节点数翻番。因此，经过t个时隙后，含有该数据包的节点数最多为2t。
（2）然后，A子集内的元素进行嵌套划分子集并共享。
因为各状态矩阵的(0，n-1)，(0，n-2)元素值相加即可求得在t时刻系统处在危险状态的概率PFD。依据该情况，可以引入一个元素数与系统状态相同的危险失效向量Vd，应注意的是该向量表示的不是系统在某状态的概率，而表示在要求的情况下系统能够处于该状态。所求的为危险失效概率即FDD和FDU，因而“1oo1”模型的危险失效向量Vd=[0011]T。以此有n个状态的系统危险失效向量Vd=[00…11]T，Vd中的元素为n个。因此，可得PFD(t)的公式为
（3）最后，选择A子集内的任意n个元素，与B子集内的n个元素配对交换。该时隙内数据从A单向流向B，但过滤掉第一次A、B间交换已送给B的数据。B子集的所有元素完成共享。算法伪代码如下所示：
两元素配对交换
7 算法性能
7.1 算法复杂度分析
假设一次数据交换所需的算法复杂度是O（1）的。对于令牌式共享，需要O（N2）次数据交换。而对于嵌套实现的信息共享算法，当网络规模为2的整数次幂时只需要O（log2N）次数据交换；即使网络规模不是2的整数次幂，复杂度也不大于O（log2N+N）。因此算法复杂度大大降低。
另外，在前文已经提到，本文提出的算法在共享时延这一指标上明显低于令牌式共享。
7.2 数据吞吐量
本文通过仿真评估使用信息共享算法的网络的吞吐量。仿真时假设时隙长度为50 ms，点到点链路带宽为1.5 Mbit/s。
通过仿真给出了一轮共享完成时网内数据吞吐量的统计，其中有各节点原生的数据量统计、各节点转发的数据量统计和最终各节点接收到的数据量的统计。2个节点是特殊情况，需要转发的数据量是0，每个节点接收的数据量和发送的数据量相等。从图5中可以看出，为了完成共享，各节点都承担了大量的转发任务。当节点数为9和13时，由于个别节点一次转发的其他节点的数据包数量较大，在带宽受限的情况下各节点能传输自己原生数据包的大小反而小，因此9个节点相对于8个节点、13个节点相对于12个节点产生的原生数据总量要小。
图5 全网完成一轮数据共享后的数据吞吐量
7.3 负载公平性
共享算法还要顾及各节点的公平性，即尽可能让每个节点都有一样的转发负荷。通过仿真统计了每种情况下最繁忙的一个节点的收发数据量。从图6中可以看到最繁忙的节点在不同节点数情况下转发的数据量相对于发送自己报文的数据量基本保持在同一比例，因此可以推断其他节点的情况类似，网络负载基本保持公平。
图6 全网完成一轮数据共享后最繁忙节点的数据吞吐量
8 结 语
通过嵌套实现的时分调度算法能够保证在接近最优时延性能的情况下完成全网信息共享，而且算法易于计算机实现。仿真表明算法达到了信息共享的目的，且保证全网节点的负载基本公平。本文提出的方法为实现类似美军CEC的武器协同数据链提供了可行性方案。
(3)推进自动化监测技术，提高监测能力。自动化监测是地下水监测的发展趋势，新建设的监测站点一般都安装了自动化监测设备，提高了监测精度和频率[13]。同时应该加快推进人工长期监测点的改建工作，提高自动化监测点比例，全面提升地下水自动监测能力和现代化水平。
参考文献：
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An Information Sharing Method for Directional Transmission Weapon Collaborative Data Link
XIAO Yu1, XU Ren-hui1, ZHU Jun2, YANG Jian-xin2
(1.Communications and Information Engineering College, PLA Univ. of Army Engineering, Nanjing Jiangsu 210007, China; 2.Nanjing Research Institute of Electrical Technology, Nanjing Jiangsu 210013, China)
Abstract: The weapon collaborative data link with directional transmission and reception capability to realize real-time information sharing in time division and half-duplex mode is of great significance for system performance improvement. Combined with theoretical analysis, the minimum number of time slots required for information sharing in a given communication mode is given, and the corresponding scheduling scheme and computer algorithm are designed as optimal conditions. Computer algorithms use a nested structure that is easy to implement. The simulation is analyzed from the aspects of algorithm complexity, real-time ability and node load balancing. The results indicate that the algorithm can make the shared time slots close to the theoretical optimal value, and the performance is better than the traditional information sharing method.
Key words: information sharing; data link; directional transmission
中图分类号 ：TN915.85
文献标志码： A
文章编号： 1002-0802(2019)-06-1391-06
XIAO Yu,XU Ren-hui,ZHU Jun,et al.An Information Sharing Method for Directional Transmission Weapon Collaborative Data Link[J].Communications Technology,2019,52(06)：1391-1396.
doi： 10.3969/j.issn.1002-0802.2019.06.018
*收稿日期： 2019-02-17；
修回日期： 2019-05-07 Received date：2019-02-17;Revised date：2019-05-07
基金项目： 国家自然科学基金项目（No.61671471）
Foundation item: National Natural Science Foundation of China (No.61671471)
作者简介：
肖 宇（1996—），男，学士，主要研究方向为无线通信网络；
徐任晖（1978—），男，博士，副教授，主要研究方向为定向无线自组网；
朱 军（1975—），男，硕士，高级工程师，主要研究方向为电子系统工程，雷达通信多功能一体化；
杨健新（1974—），男，硕士，高级工程师，主要研究方向为无线通信。
标签：信息共享论文; 数据链论文; 定向通信论文; 陆军工程大学通信工程学院论文; 南京电子技术研究所论文;