自組織時(shí)分多址技術(shù)SOTDMA(Self-Organized Time Division Multiple Access)，是在TDMA基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種新型的、用于未來(lái)航海和航空交通管理的通信技術(shù)，是全球定位及通信系統(tǒng)(GP&C)的核心。在沒(méi)有通信基礎(chǔ)設(shè)施支持、網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)變化劇烈的場(chǎng)合，自組織網(wǎng)絡(luò)" title="自組織網(wǎng)絡(luò)">自組織網(wǎng)絡(luò)引起越來(lái)越多的關(guān)注。
　　國(guó)際海事組織(IMO)第42次會(huì)議上，決定船舶自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)(AIS)采用SOTDMA技術(shù)。本文正是以SOTDMA在AIS中的實(shí)際應(yīng)用為背景，研究SOTDMA技術(shù)和性能。
　　與常見(jiàn)的有線固定網(wǎng)絡(luò)以及無(wú)線局域網(wǎng)相比，自組網(wǎng)絡(luò)具有以下特征：
　　(1)網(wǎng)絡(luò)的自組性。自組織網(wǎng)絡(luò)可以在任何時(shí)刻任何地點(diǎn)同時(shí)產(chǎn)生多個(gè)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境支持移動(dòng)協(xié)同計(jì)算，不需要基站支持。
　　(2)動(dòng)態(tài)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。由于網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)可以任意速度和任意方式移動(dòng)，節(jié)點(diǎn)間通過(guò)無(wú)線信道形成的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以隨時(shí)發(fā)生變化。
　　(3)分布式控制網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點(diǎn)沒(méi)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(wǎng)癱瘓的危險(xiǎn)。
　　SOTDMA與一般TDMA技術(shù)很大的區(qū)別在于其時(shí)隙的預(yù)約方式。在SOTDMA技術(shù)中，信道時(shí)間被分為固定長(zhǎng)度的時(shí)間間隔。一幀包括一組時(shí)隙，跨度為1min，所有數(shù)據(jù)鏈上的電臺(tái)都易于接收和傳送信息。信息報(bào)告在數(shù)據(jù)鏈上可以根據(jù)傳輸情況占有一個(gè)或更多的時(shí)隙。如圖1所示。

1 時(shí)隙選擇策略
　　SOTDMA的一個(gè)重要特征是它采用一種為一個(gè)新傳輸或?yàn)閷?lái)傳輸而進(jìn)行時(shí)隙預(yù)定的接入方法。當(dāng)信道不忙時(shí)，時(shí)隙的選擇是直接的，因?yàn)楹苋菀拙湍苷业經(jīng)]有被其它站臺(tái)預(yù)定的時(shí)隙。當(dāng)信道變忙而不容易找到未預(yù)定的時(shí)隙時(shí)，SOTDMA技術(shù)允許一個(gè)站臺(tái)根據(jù)Robin Hood準(zhǔn)則使用已被另一個(gè)遠(yuǎn)距離站臺(tái)預(yù)定的時(shí)隙。這種時(shí)隙選擇方法的益處是時(shí)隙的選擇可以由所有移動(dòng)站臺(tái)自主完成，而不需要由控制站進(jìn)行信道資源管理。時(shí)隙選擇的策略如下：
　　(1)當(dāng)一個(gè)站臺(tái)發(fā)射數(shù)據(jù)或?yàn)閷?lái)發(fā)射數(shù)據(jù)而進(jìn)行時(shí)隙預(yù)定時(shí)，首先確定將要選擇時(shí)隙的范圍SI。在網(wǎng)絡(luò)登陸階段，SI一般取150個(gè)時(shí)隙，大約相當(dāng)于4s；在連續(xù)運(yùn)行時(shí)，該值與報(bào)告率有關(guān)，一般取值范圍為報(bào)告間隔的五分之一。
　　(2) 計(jì)算出一個(gè)候選時(shí)隙的列表。這些候選時(shí)隙是選擇范圍內(nèi)的一部分時(shí)隙，由“自由(未預(yù)定)”時(shí)隙和“可用”時(shí)隙組成?？捎脮r(shí)隙是指那些已被其它站臺(tái)預(yù)定的，但可以依據(jù)準(zhǔn)則進(jìn)行復(fù)用的時(shí)隙。在最終選擇一個(gè)時(shí)隙前，找出4個(gè)以上的候選時(shí)隙是很重要的，因?yàn)檫@樣可以將多個(gè)站臺(tái)選擇同一時(shí)隙的可能性降低到可以接受的水平。
　　(3)當(dāng)從一個(gè)信道的候選時(shí)隙中進(jìn)行最終選擇時(shí)， 要考慮另一個(gè)信道中的情況。如果另一個(gè)信道中的相應(yīng)時(shí)隙被一個(gè)近距離站臺(tái)使用，這個(gè)時(shí)隙就要從候選時(shí)隙列表中刪除。
　　(4) 由于信道轉(zhuǎn)換需要時(shí)間，系統(tǒng)自身無(wú)法在位于兩個(gè)平行信道相鄰的時(shí)隙上傳輸信息。因此，在一個(gè)信道所用時(shí)隙任意一邊的兩個(gè)相鄰時(shí)隙不應(yīng)作為另一個(gè)信道上的候選時(shí)隙。
　　(5) 最終時(shí)隙是從可選時(shí)隙中等概率地隨機(jī)選出。所有可選時(shí)隙的選擇可能性是完全一樣的。
　　(6) 時(shí)隙選擇應(yīng)在兩個(gè)信道上平行進(jìn)行，周期性重復(fù)播發(fā)信息的傳輸應(yīng)在這兩個(gè)信道之間交替發(fā)射。這種交替?zhèn)鬏斒且孕诺郎系男畔?bào)告率為基礎(chǔ)的，與時(shí)間幀和時(shí)隙無(wú)關(guān)。
2 自組織接入技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)登陸步驟
　　自組織接入算法是保證系統(tǒng)進(jìn)行自主和連續(xù)運(yùn)行的關(guān)鍵。該算法所涉及的主要參數(shù)有NSS、NS、NI、RR、SI、NTS和TMO，如表1所示。

　　AIS站臺(tái)在開(kāi)機(jī)后首先進(jìn)入1min的初始化階段。在此階段，系統(tǒng)要監(jiān)視SOTDMA信道上的時(shí)隙占用情況，了解信道的活動(dòng)狀態(tài)，確定其它站臺(tái)的身份、當(dāng)前時(shí)隙分配和其他用戶報(bào)告的位置，建立在整個(gè)鏈路上運(yùn)行的所有站臺(tái)的通信目錄和反映信道活動(dòng)狀態(tài)的時(shí)隙表。1min后，系統(tǒng)進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)登陸階段，開(kāi)始根據(jù)不斷刷新的時(shí)隙表進(jìn)行信號(hào)發(fā)射。
　　在網(wǎng)絡(luò)登陸階段，系統(tǒng)選擇信息傳輸?shù)牡谝粋€(gè)時(shí)隙， 以便讓鏈路上的其它站臺(tái)發(fā)現(xiàn)自己。首次發(fā)送的信息總是船位報(bào)告，發(fā)射該報(bào)告的時(shí)隙NSS應(yīng)當(dāng)在當(dāng)前時(shí)隙至未來(lái)標(biāo)稱增量NI的時(shí)間范圍內(nèi)隨機(jī)選擇。該時(shí)隙作為第一幀階段選擇標(biāo)稱時(shí)隙NS的參考，如圖2所示。NI為：
　　NI=2250/RR　　　　　　　　(1)
　　標(biāo)稱時(shí)隙為：
　　NS=NSS+(n×NI) (0＜n＜RR)　　　　(2)
　　在第一個(gè)時(shí)隙發(fā)射之前，應(yīng)當(dāng)選擇好下一個(gè)要發(fā)射的時(shí)隙。如圖2所示，在選擇第二個(gè)發(fā)射時(shí)隙時(shí)，先以標(biāo)稱時(shí)隙NS為中心，向其前后確定一個(gè)選擇范圍SI：
　　SI={[NS-(0.1×NI)], [NS+(0.1×NI)]}　　　　　　(3)
　　然后，按照上節(jié)敘述的策略隨機(jī)地選擇發(fā)射時(shí)隙NTS。在選擇每一個(gè)需要重復(fù)使用的時(shí)隙時(shí)，都要為它隨機(jī)地從3到7之間選擇一個(gè)“超時(shí)”值。這個(gè)值將插入數(shù)據(jù)報(bào)文中，以便通知其它站臺(tái)該時(shí)隙已被本站預(yù)約。

　　經(jīng)過(guò)第一幀的時(shí)隙分配與發(fā)射，新入網(wǎng)的船站就完成了入網(wǎng)過(guò)程，隨后系統(tǒng)進(jìn)入正常運(yùn)行狀態(tài)(自主連續(xù)運(yùn)行階段)。
3 時(shí)隙沖突分析
　　當(dāng)幾個(gè)船站的VHF信號(hào)覆蓋范圍相重疊時(shí)，各個(gè)用戶的時(shí)隙選擇窗口會(huì)出現(xiàn)重疊的情況，于是有可能發(fā)生時(shí)隙選擇的沖突。這時(shí)，假設(shè)各個(gè)站臺(tái)的報(bào)文報(bào)告率RR相同，則各用戶的時(shí)隙選擇窗口寬度SI相同。下面分析在兩艘船時(shí)一個(gè)時(shí)隙選擇中可能發(fā)生沖突的概率。
　　假設(shè)船A與船B的時(shí)隙選擇窗口SI重疊了M個(gè)時(shí)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(dāng)重疊M個(gè)時(shí)隙時(shí)，兩艘船時(shí)隙的總長(zhǎng)度為：2SI-M。因此重疊的可能有NI-(2SI-M)+1=3SI+M+1種情況。
　　(1)當(dāng)兩個(gè)用戶的時(shí)隙選擇窗口完全重合，即M=SI時(shí)，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(dāng)不完全重合即M＜SI時(shí)，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(dǎo)可得SI重疊M個(gè)時(shí)隙的概率為：
　　
　　當(dāng)船A與船B在SI重疊M個(gè)時(shí)隙的條件下，選擇一個(gè)具體的發(fā)送時(shí)隙發(fā)生沖突的概率為：
　　
　　由全概率可得在傳送一個(gè)報(bào)文時(shí)，發(fā)生沖突的概率為：
　　
　　當(dāng)發(fā)送n次連續(xù)的報(bào)文時(shí)，對(duì)于固定的報(bào)文數(shù)量，RR越高，意味著每幀中傳送的報(bào)文越多，而需要傳送的總幀數(shù)越少，反之亦然。由于各幀相互獨(dú)立，各幀中的每個(gè)時(shí)隙窗口也相互獨(dú)立，由二項(xiàng)分布可知，在n次發(fā)送報(bào)文中，有L次時(shí)隙沖突的概率分布為：
　　
　　表2給出了兩艘船的報(bào)告率RR分別為2、15、30時(shí)，發(fā)送報(bào)文發(fā)生沖突的概率。從表2的結(jié)果可以看出，發(fā)生時(shí)隙沖突的概率相當(dāng)小，加上信道編碼等差錯(cuò)控制，這種信道質(zhì)量是可以滿足AIS系統(tǒng)要求的。另外可以看到，隨著RR的增加，時(shí)隙沖突的概率明顯增加。

　　表3給出了當(dāng)兩艘船RR=15時(shí)，連續(xù)發(fā)生1、2、3、4、5次時(shí)隙沖突的概率?？梢钥吹剑琒OTDMA信道連續(xù)發(fā)生時(shí)隙沖突的可能性不大，這樣非常有利于信道的差錯(cuò)控制。
　　圖3為當(dāng)兩艘船報(bào)告率分別為2、15、30，報(bào)文總數(shù)n=1000時(shí)發(fā)生時(shí)隙沖突的概率分布。從圖3曲線可以看出，報(bào)告率越小，發(fā)生沖突的次數(shù)越偏向于0，平均值越小，信道傳輸質(zhì)量越高。