短波数据传输流量控制技术研究
短波数据传输流量控制技术研究
王叶群， 黄国策， 高 梅， 韩焕举
(空军工程大学电讯工程学院，西安 710077)
摘 要: 短波通信是军事作战指挥的一种重要手段。目前短波数据传输时延大、信道容量小，在不采取任何流量控制
机制的情况下，数据信息的时效性和公平性达不到要求。针对此问题，在传输中采用基于时延和公平性约束的流量
控制技术，解决了一种服从特殊分布的数据信息的短波传输问题。仿真结果表明，短波数据传输时效性和公平性基
本达到预期要求。
关键词: 短波数据传输; 流量控制; 时延; 公平性
中图分类号: V271. 4 文献标志码: A 文章编号: 1671 － 637X(2010)01 － 0033 － 04
On Flow Control of High Frequency Data Communication
WANG Yequn， HUANG Guoce， GAO Mei， HAN Huanju
(Institute of Telecommunication Engineering，Air Force Engineering University，Xi'an 710077，China)
Abstract: High Frequency ( HF) communication is very important for combat command in military
application. Currently，the HF communication has the shortages of long time delay and small channel
capacity，and the timeliness and equity of information can't meet the requirement without flow controlling.
Therefore，we adopted a flow control technology based on constraints of time delay and equity in data
transmission，and implemented the transmission of a kind of special information in HF channel. Simulation
result showed that the timeliness and equity of HF data transmission reaches the expected target.
Key words: transmission of HF information; flow control; time delay; equity
0 引言
短波通信具有抗毁性强、灵活性高、建设成本低、
使用维护简便等特点，在战时对保障各级指挥机关和
作战部队的不间断通信发挥着非常重要的作用，是部
队数据传输的一种非常重要的手段［1 － 2］。由于短波信
道具有时变、色散、频带窄等特性，在一定可靠性要求
下，信道数据传输能力非常有限，有限的信道容量成为
制约其发展的主要因素之一［3 － 5］。国外在短波数据通
信方面发展迅速，出现了功能齐全、抗干扰能力强的高
性能电台，如澳大利亚 Q － MAC 公司的 HF － 90H 超小
型跳频电台［6］，美国的 CHESS［7］电台，加上以美国军标
MIL － STD － 188 － 110A［8］ 为 标 准 的 RF － 5254C、
ETM1800 等短波串行 MODEM 产品，使得数据传输速
率可达到 19. 2 kb/s，有的甚至尝试在短波通信链路上
收稿日期:2008 － 10 － 18 修回日期:2009 － 10 － 09
基金项目:陕西省自然基金项目(2007F03)
作者简介:王叶群(1985—)，男，安徽安庆人，硕士生，研究方向为短
波数据传输技术。
传输 IP 报文［9］。国内在短波数据通信方面也有一定
的发展，但受硬件条件的限制，数据传输速率一般为
300 ～ 1 200 b/s，平时工作采用 600 b /s，这在很多具体
应用中满足不了数据传输对时延和容量的要求，一般
采用流量控制技术来解决［10］。
传统的流量控制采用滑动窗口机制，而对于短波
数据通信来说，由于信道传输速率低，数据信息在信道
上消耗的时间长，再加上信道均衡的时间，当收端的流
量控制命令帧到达发端时，数据分布特性已经改变，无
法起到实时控制的作用。针对此问题，在短波数据传
输中采用基于时延和公平性约束的前向预测流量控制
技术，仿真和试验结果表明，前向预测流量控制技术的
应用，满足了短波数据传输时效性和公平性的要求。
1 传统流量控制机制的局限性
流量控制是用来保证发送数据在任何情况下都不
会“淹没”收方的接收缓冲区，即不会使收方的接收缓冲
区溢出，丢失数据，而且还应使传输达到理想的吞吐率。
收方通过监视自己缓冲区的状况来控制发方的数据流
量，是计算机网络中流量控制的一个基本思想［11］。
第 17 卷 第 1 期
2010 年 1 月
电 光 与 控 制
Electronics Optics ＆ Control
Vol. 17 No. 1
Jan. 2010
在短波数据通信中，通过收端来控制发端的流量
存在以下几个问题:1) 需要增加通信设备，即增加一
套用于传输反向控制信息的设备，成本翻倍;2) 短波
通信传输速率低，数据信息在信道上消耗的时间长，再
加上信道均衡的时间，当命令帧到达发端时，数据分布
特性已经改变，无法起到实时控制的作用;3) 短波信
道质量差，数据可靠性不高，而一般数据传输对命令帧
的可靠性要求很高，实施起来比较困难。
在短数据传输中采用了前向预测流量控制技术，
即发端预先计算好信道的传输能力，当发现信道因为
承受不了过多的数据量，导致数据累积，从而影响时延
时，自动进行流量控制处理。
2 时延约束策略和公平性约束策略分析
假设源端信息以数据帧的形式在信道上传输，数
据帧到达率服从泊松分布(与产生时间间隔服从指数
分布对等)，字节大小服从均匀分布。以 N 秒为一个
轮回，一个轮回中帧的数目记为类型数(帧格式中包含
类型序号标识)，N 秒后再次以同样的分布传输包含这
些类型序号标识的数据帧，如此反复。这种信息的特
点是不同类型序号标识的数据帧相互独立，要求是尽
量保证每个类型的每个数据帧时延小于一个特定值
(依照系统要求设定)，且不同类型的数据帧在信道中
传输的信息量要尽量趋于平衡，即保证帧类型的公平
性。当数据帧时效性要求为 1 s，一个轮回周期为 11 s，
一个轮回中数据帧总数量记为类型数 Pn ，信道中传输
的数据帧以帧为单位。
2. 1 未采用任何流量控制时的时延分析
设信道速率为 V(b /s)，数据帧大小为 P(b)，产生
间隔时间为 Tint ( s)，时延为 Tdel (s)，数据帧在信道中
停留的时间为
Tcon = P
V (1)
在发送端预测第一帧数据的时延为
Tdel (1) = Tequ + Tcon (2)
其中:Tequ 为信道均衡时间。
第 n 帧数据的时延为
Tdel (n) =
Tcon (n)， Tdel (n － 1) < Tint (n － 1)
Tcon (n) + Tdel (n － 1) － Tint (n － 1{ )，
Tdel (n － 1) > Tint (n － 1) (3)
当信道速率 V = 600 b /s、数据帧字节数服从 14 到
20 的均匀分布时，分别对类型数为 33、40、43 的时延分
布情况进行仿真，结果如图 1 所示。
图 1 未采用流量控制时不同类型数情况下的时延分布图
Fig. 1 Time delay distribution without flow control
有效数据比率，指时延满足传输要求的帧数与总
传输帧数的比率。从图 1 可以看出，当帧类型数在 33
以下时，能 达到 理 想的传输效 果，数据 有 效 率 达 到
99. 8% ，当帧类型数为 40 时，时延大于 1 s 的帧数超过
50% ，且随着帧类型数量的增大，有效数据比率急剧下
降。当类型数达到 43 时，有效数据比率仅为 0. 37% ，
所以在帧类型数大的情况下，采取流量控制是非常必
要的。
2. 2 基于时延约束的流量控制策略
从以上分析可以看出，当帧类型数比较多时，如果
在源端不采取流量控制，时延就会无限累积，影响随后
数据的有效性，以至整个数据的有效性达不到 1% 。
由于信道的传输能力是已知的，在发送端对某帧数据
的时延也是可以预知的，当数据时延大于 1 s 时，如果
源端不进行丢弃，收端也会当成无效数据进行处理，这
相当于在资源相当有限的信道上传输一些无用的数
据，造成不必要的浪费。所以在源端应该采取一定的
措施，控制无效数据的传输。
设定 T′
del 为数据帧的真正传输时延，而 Tdel 只是用
在计算 T′
del 时的一个过渡值。
第 1 帧数据的时延为 T′
del (1) = Tdel (1);
第 2 帧数据的时延为
T′
del (2) =
Tdel (2)，Tdel (2)≤1
∞ ， Tdel (2){ > 1 。
当 T′
del (2)等于∞ 时，相当于第 2 帧数据在源端丢
弃，计算完 T′
del (2)后，重新计算 Tdel (2) = Tdel (1) － Tint
(1) 。
以此类推，第 n 帧数据的时延为
T′
del (n) =
Tdel (n)，Tdel (n)≤1
∞ ， Tdel (n){ > 1 。
当 Tdel (n)等于∞ 时，相当于第 n 帧数据在源端丢
弃，计算完 Tdel (n)后，重新计算 Tdel (n) = Tdel (n － 1) －
Tint (n － 1)。
流量控制是针对帧类型多的情况设计的，在仿真
时，设定 Pnum = 65，仿真结果如图 2 所示。
43 第 17 卷电 光 与 控 制
图 2 时延约束前后的时延比较
Fig. 2 Comparison of time delay before/after constraint
从图 2 可以看出，进行流量控制之后，有效数据比
率大幅度增加，在帧类型数为 65 的情况下有效数据比
率能达到 61. 12% ，且信道利用率达到 96. 4% 。
源端信息还有一个特殊要求，就是保证收端收到
的所有类型帧的信息量都不能太少(一般高于端站产
生信 息 的 30% )。统计各类型的 有 效 数 据 概 率
Pprobability =
Pefficiency
Ptotal
，其中 Ptotal 为源端发送的关于某类型数
据帧的总帧数，Pefficiency 为主站接收到的关于某类型帧
的有效数据帧数。统计结果如图 3 所示。
图 3 不同类型数据帧的有效数据概率分布
Fig. 3 Probability distribution of effective data
从图 3 可以看出，有 9 种类型帧有效数据概率小
于 0. 3。对于整个系统来说，相当于有 9 种数据帧不满
足信息传输的要求，所以必须采用一定的措施，来保证
各类型帧都能够传输足够的信息量，也就是说，在有限
的信道上，使各类型帧信息传输量尽量均等，即满足信
息传输的公平性。
2. 3 基于公平性约束的流量控制策略
为了保证各类型帧都能在最大限度上满足信息传
输的要求，即保证公平性，在编程实现中，采取了特殊
的措施，具体思路如下。
取 3 个轮回为一个周期，对于同一个周期，采取相
同的策略，对于不同的轮回，采取不同的时延控制方式。
对于第 1 个轮回，按照 2. 2 节中的时延约束流量
控制策略进行传输，并统计这一轮回中未传输的类型
序号到字符串数组 not_send_num 中。
对于第 2 个轮回，先自动丢弃 not_send_num 集中
各序号的前一帧数据，再继续按照时延约束流量控制
策略进行传输，最后去掉 not_send_sum 集中在第 2 个
轮回已经传输的类型序号。
对于第 3 个轮回，先自动丢弃 not_send_num 集中
各序号的前两帧数据，再继续按照时延约束流量控制
策略进行传输，最后清空 not_send_sum 集。
采取这种机制，仿真结果如图 4 所示。
图 4 基于时延和公平性约束时有效数据概率分布图
Fig. 4 Probability distribution of effective data
based on constraints
从仿真结果可以看出，虽然信道的利用率有一定
的下降，但保证了 65 种类型帧都能满足指定的流量要
求，达到信息传输的时延性和公平性要求。
3 测试结果分析
通过在室内搭建平台，测试系统的时效性和公平
性是否达到预期效果。
由于仿真条件切合实际，对于数据帧类型数在 70
以内的情况，时延和公平性都能达到要求，在此主要是
验证信道利用率的问题。图 5 所示为不同帧类型数量
的情况下信道利用率的分布图，其值基本上控制在
93% ～ 100% 之间，系统牺牲了少量的信道资源达到了
数据对时延和公平性的要求。试验结果达到理论仿真
效果，保证了源端信息的短波高效传输。
图 5 不同帧类型数量时的信道利用率分布图
Fig. 5 Distribution of channel utilization
4 结论
基于时延和公平性约束的流量控制技术在一定程
度上解决了短波数据传输对时效性和公平性的要求。
53第 1 期 王叶群等: 短波数据传输流量控制技术研究
但在另一方面，从采取的策略来看，时延是通过丢弃数
据来保证的，公平性也只是为了让丢弃数据变得更合
理一些，这并没有从本质上改变短波数据传输问题。
只有在短波电台和 MODEM 上采用更先进的技术，在
保证可靠性的前提下，提高短波信道传输速率，才能从
根本上解决时延和公平性问题，时延和公平性也将不
再是短波数据传输的核心问题。
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(上接第 17 页)
作战效能评估的模型，如何依据各个系统的物理机理
对各具体指标进行评价，同时，根据具有反导能力的作
战系统参数进行仿真分析是下一步深入研究的重点。
对于图 3 的作战样式，其地基预警能力在本文能力模
型基础上应增加考虑其范围探测能力、精度探测能力
和距离探测能力。另外，国外最新研究表明，空基预警
(有人或无人驾驶预警机) 也可对弹道导弹发射助推
段进行探测，并能以机载高速动能拦截弹或激光器摧
毁处于助推段飞行的弹道导弹，因此，这种反导作战样
式是后续研究的方向之一。
参 考 文 献
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