一種利用信道偵聽的動態(tài)TDMA 協(xié)議

白梓佑，劉蕓江，周得敏

(空軍工程大學 信息與導航學院，陜西 西安 710077)

在戰(zhàn)術數(shù)據(jù)網(wǎng)絡中，為了使網(wǎng)絡節(jié)點有效利用信道資源，一般通過媒質(zhì)接入控制(Media Access Control，MAC)協(xié)議來協(xié)調(diào)節(jié)點接入無線信道的時間［1］。無線網(wǎng)絡的MAC 協(xié)議可以分為兩種類型:競爭型MAC 協(xié)議和調(diào)度型MAC 協(xié)議［2］。TDMA 協(xié)議采用時間調(diào)度的方式讓節(jié)點在確定的時刻接入信道，可有效地避免數(shù)據(jù)沖突，在軍事中得到廣泛應用，如北約Link16 和Link22 數(shù)據(jù)鏈都采用TDMA 協(xié)議［3］。但傳統(tǒng)TDMA 協(xié)議在業(yè)務量小或網(wǎng)絡節(jié)點間業(yè)務量不對稱的情況下會造成信道資源的嚴重浪費。

為提高信道利用率，改善網(wǎng)絡性能，人們對TDMA協(xié)議展開了大量研究。文獻［4］將時隙分成競爭部分和數(shù)據(jù)部分，每個競爭時隙對應一個較大的數(shù)據(jù)傳輸時隙，節(jié)點在競爭部分獲得的交互信息，確定數(shù)據(jù)段時隙的使用權。文獻［5］提出一種無競爭的基于TDMA的CA－TDMA 協(xié)議，通過對超幀中競爭時隙的直接分配和數(shù)據(jù)時隙的相互申請來實現(xiàn)在整個網(wǎng)絡中無時隙競爭。文獻［6］提出一種適用于Link22 的動態(tài)時隙分配算法，在時隙預約階段，系統(tǒng)為不同數(shù)據(jù)包劃分不同的優(yōu)先級，根據(jù)數(shù)據(jù)包的優(yōu)先級生成完整的時隙分配列表。目前，諸多TDMA 的改進協(xié)議［4－6］均采用預約的方式提高時隙的利用效率，但當網(wǎng)絡中存在暴露終端、隱藏終端問題，或因無線信道傳輸損耗等問題使得網(wǎng)絡中部分節(jié)點不能正確接收預約信息時，這些節(jié)點將無法確定時隙分配信息，出現(xiàn)不同用戶之間發(fā)送信息的不同步現(xiàn)象。

本文在傳統(tǒng)TDMA 協(xié)議的基礎上，提出并設計了一種利用信道偵聽的動態(tài)TDMA 協(xié)議(CS－TDMA，TDMA utilizing channel sense)，該協(xié)議利用無線信道中信號通過廣播方式傳播的特點，各節(jié)點分別根據(jù)偵聽到的其他節(jié)點的信息，獨立估計其他節(jié)點業(yè)務量的大小，當時隙剩余時主動通知業(yè)務量大的節(jié)點占用將剩余時隙發(fā)送數(shù)據(jù)，避免了時隙分配信息不同步的現(xiàn)象。

1 利用偵聽的TDMA 協(xié)議

1.1 設計思想

在TDMA 網(wǎng)絡中，一個節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)時，其它節(jié)點都處于接收狀態(tài)。因此，根據(jù)整個時隙發(fā)送數(shù)據(jù)量的大小，便可判斷該節(jié)點的時隙是否完全利用。每個節(jié)點設置一個計數(shù)器對其他節(jié)點的業(yè)務量情況進行打分，判斷業(yè)務量大小的臨界值設為一個固定值，其取值小于理論最大發(fā)送數(shù)據(jù)量。將每個節(jié)點在一段時間內(nèi)的打分情況進行累加，以此來評估該節(jié)點業(yè)務量的大小。若某節(jié)點時隙剩余，就向業(yè)務量評估最高的節(jié)點發(fā)出ATS(access to send)消息包，通知其立即占用剩余時隙發(fā)送數(shù)據(jù)。由此，便可根據(jù)節(jié)點間業(yè)務量的大小情況動態(tài)地占用時隙，且避免了在預約的方法中可能造成時隙使用混亂的情況。CS－TDMA 和TDMA 協(xié)議的原理，分別如圖1 和圖2 所示。

圖1 CS－TDMA 協(xié)議原理

圖2 TDMA 協(xié)議原理

1.2 業(yè)務量評估算法

采用指數(shù)遞增的方法為節(jié)點的業(yè)務量進行打分。網(wǎng)絡初始化時，將節(jié)點計分和增量值初始化，score=0，gain=1，并選定臨界值。若檢測到節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)量達到臨界值，為該節(jié)點計1 分，若下一時幀的時隙仍然完全利用，計2 分，再下次計4 分，依此類推;若未達到臨界值，則減去前一時幀的計分。具體計算方法如下:

步驟1 統(tǒng)計節(jié)點N 在時隙n 內(nèi)發(fā)送的數(shù)據(jù)量Gslot;

步驟2 比較Gslot和Gmax的大小，Gslot＞Gmax執(zhí)行步驟3，否則執(zhí)行步驟4;

步驟3 gain=2*gain;score=score+gain;跳至步驟5;

步驟4 score=score－gain;

步驟5 若score ＜=0，score=0，gain=1;

步驟6 存儲節(jié)點N 在該時隙獲得的score 和gain 值，作為下一時幀初始值。

1.3 時隙分配算法

CS－TDMA 協(xié)議中，當時隙開始時，處于發(fā)送狀態(tài)的節(jié)點首先發(fā)送自身緩存的數(shù)據(jù)，若數(shù)據(jù)發(fā)送完畢，但時隙還有剩余，則向自身統(tǒng)計中的業(yè)務量值最高的節(jié)點發(fā)送ATS 信息;處于接收狀態(tài)的節(jié)點，對接收到的數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計處理，若接收到的是ATS 信息，則立即發(fā)送本節(jié)點緩存數(shù)據(jù)直到時隙結束。具體時隙分配流程如圖3 所示。

圖3 CS－TDMA 協(xié)議時隙分配算法

2 建立仿真模型

利用OPNET 仿真平臺，仿真模型主要從網(wǎng)絡模型、節(jié)點模型和進程模型3 個層次建立［7］。網(wǎng)絡模型就是將一定數(shù)目的節(jié)點分布在適合的網(wǎng)絡范圍內(nèi)，反應網(wǎng)絡的拓撲結構;節(jié)點模型體現(xiàn)節(jié)點內(nèi)部的通信流程;進程模型用源代碼和有限狀態(tài)機來描述協(xié)議。

2.1 網(wǎng)絡和節(jié)點模型

場景中設置節(jié)點數(shù)為12 個，將節(jié)點分布于60 km×80 km 的范圍內(nèi)，節(jié)點間通信距離約為15 km。節(jié)點模型由4 部分組成:source 進程、CS_TDMA 隊列、發(fā)射天線rt 和接收天線rr。其中，source 進程模擬數(shù)據(jù)業(yè)務的產(chǎn)生，以及發(fā)送業(yè)務量和接收業(yè)務量相關的統(tǒng)計;CS－TDMA 隊列負責數(shù)據(jù)緩存、時隙的劃分和分配，并控制節(jié)點接入信道，是CS_TDMA 協(xié)議的主要實現(xiàn)部分;rt 進程和rx 進程分別負責發(fā)送數(shù)據(jù)到無線信道和從無線信道中接收數(shù)據(jù)。

圖4 網(wǎng)絡和節(jié)點模型

2.2 CS－TDMA 進程模型

進程模型使用有限狀態(tài)機(FSM)來描述進程的邏輯行為，有限狀態(tài)機使用狀態(tài)轉移圖來表示狀態(tài)的轉移。根據(jù)協(xié)議思想，建立的CS－TDMA 進程模型如圖5所示，其狀態(tài)名稱及作用表述如下:(1)init(初始化狀態(tài))。程序執(zhí)行時進入本狀態(tài)，定義統(tǒng)計量和變量，初始化變量。(2)idle(空閑狀態(tài))。等待中斷。節(jié)點產(chǎn)生自中斷，或當source 和rr 進程中傳來的數(shù)據(jù)時產(chǎn)生流中斷，任意類型中斷產(chǎn)生后按時間順序執(zhí)行。(3)Stream_intr(接收源數(shù)據(jù)狀態(tài))。當source 進程產(chǎn)生的數(shù)據(jù)后，發(fā)生數(shù)據(jù)中斷，將產(chǎn)生的數(shù)據(jù)插入緩存隊列。(4)Slot_intr(時隙中斷狀態(tài))。判斷當前時隙是否為本節(jié)點所占時隙時，發(fā)生時隙中斷，并轉入transmit 狀態(tài)。(5)Receive(接收信道數(shù)據(jù)狀態(tài))。接收通過rr進程從信道中接收到的數(shù)據(jù)，包括業(yè)務數(shù)據(jù)、ATS 信息和其他指令信息。(6)Transmit(發(fā)送數(shù)據(jù)至信道狀態(tài))。當本節(jié)點發(fā)生時隙中斷或接收到ATS 信息后，將隊列中的數(shù)據(jù)通過上傳至rt 進程，發(fā)送到信道。

圖5 CS－TDMA 進程模型

3 性能分析

通過與TDMA 協(xié)議的仿真對比，分析CS－TDMA協(xié)議性能。仿真分為兩部分:場景一中各節(jié)點的業(yè)務量大小保持一致，通過修改source 進程中數(shù)據(jù)包產(chǎn)生的時間間隔進行了多次仿真，模擬網(wǎng)絡不同的網(wǎng)絡負載程度;場景二中分為兩種類型的節(jié)點，用兩個source進程通過修改數(shù)據(jù)包產(chǎn)生時間間隔，設置為業(yè)務空閑節(jié)點和業(yè)務繁忙節(jié)點，模擬節(jié)點間業(yè)務量不均勻的情形。

3.1 QoS 性能指標分析

場景一及參數(shù)設置:數(shù)據(jù)包的到達服從Poisson 分布，設置不同的數(shù)據(jù)包到達時間分別為0.1 s、0.25 s、0.5 s、1 s、2 s、3 s、4 s、5 s，數(shù)據(jù)發(fā)送速率為9.6 kbit·s－1，業(yè)務數(shù)據(jù)包大小200 bit，ATS 數(shù)據(jù)包大小為32 bit，Gmax 取5 000 bit，隊列可容納數(shù)據(jù)包數(shù)為50，時隙大小1 s，仿真時間1 h。

(1)消息投遞率。如圖6 所示，數(shù)據(jù)產(chǎn)生間隔時間為0.25 s 時，理論上網(wǎng)絡負載為200×12×4=9 600 bit·s－1，達到飽和業(yè)務量。但由于信道不能完全利用，網(wǎng)絡仍處于擁擠狀態(tài)，CS－TDMA 協(xié)議較少有時隙剩余，兩種協(xié)議的消息投遞率基本相同;當在時間間隔約為0.5 s時，網(wǎng)絡擁擠得以緩解，消息投遞率逐漸趨于穩(wěn)定，由于存在空閑時隙，CS－TDMA 協(xié)議可通過ATS 消息動態(tài)利用時隙，消息投遞率高于TDMA 協(xié)議;當數(shù)據(jù)產(chǎn)生間隔＞1 s 后，CS－TDMA 協(xié)議的消息投遞率高于TDMA協(xié)議，并隨著間隔增大，差距逐漸減小，這是因業(yè)務量減小，TDMA 協(xié)議較少會出現(xiàn)擁擠現(xiàn)象?？傮w上CS－TDMA 協(xié)議的正確接收率高于固定TDMA。

圖6 消息投遞率對比

(2)吞吐量。如圖7 所示，在時間間隔＜0.25 s 時從消息投遞率曲線可看出網(wǎng)絡處于擁擠狀態(tài)，即使間隔再小，網(wǎng)絡吞吐量也很難上升。此時，平均每個時隙發(fā)送的數(shù)據(jù)量也達到最大值，可作為業(yè)務評估算法單個時隙發(fā)送數(shù)據(jù)的最大值約7 000 bit，但為了確保協(xié)議穩(wěn)定有效，取臨界值Gmax=5 000 bit。同時可以發(fā)現(xiàn)，CS－TDMA 協(xié)議的最大網(wǎng)絡吞吐量略高于TDMA協(xié)議。當時間間隔逐漸增大時與消息投遞率一致，CS－TDMA 協(xié)議的優(yōu)勢減小。說明在業(yè)務量較小時，TDMA 協(xié)議和CS－TDMA 協(xié)議均具有良好的性能。

圖7 吞吐量對比

(3)時延。如圖8 所示，當時間間隔＜0.25 s，網(wǎng)絡處于擁擠狀態(tài)時，CS－TDMA 協(xié)議的平均端到端時延略低于TDMA 協(xié)議;當時間間隔＞0.5 s，網(wǎng)絡不再擁擠時，CS－TDMA 協(xié)議的時延穩(wěn)定比TDMA 協(xié)議約低1 s，說明CS－TDMA 協(xié)議可有效且穩(wěn)定的改進TDMA的時延性能。

圖8 平均端到端時延對比

結合消息投遞率和吞吐量的分析，可以發(fā)現(xiàn)CSTDMA 協(xié)議不僅繼承量了TDMA 協(xié)議保證節(jié)點間無碰撞公平發(fā)送數(shù)據(jù)的優(yōu)點，而且在對實時性要求較高的網(wǎng)絡中較TDMA 協(xié)議具有更突出的性能。

3.2 業(yè)務不均勻情況下的時延性能分析

場景二及參數(shù)設置:任意選擇6 個節(jié)點選為業(yè)務繁忙節(jié)點，數(shù)據(jù)包產(chǎn)生間隔0.1 s，剩余6 個節(jié)點為業(yè)務變化節(jié)點，設置不同的數(shù)據(jù)包到達時間分別為0.1 s、0.5 s、1 s、1.5 s、2 s、2.5 s、3 s、4 s、5 s，其他條件保持不變。

如圖9 所示，在各節(jié)點間業(yè)務量不均勻的情況下，TDMA 協(xié)議的平均端到端時延持續(xù)較高，雖隨著1/2節(jié)點業(yè)務量的減小而有所降低，但幅度較小，并趨于穩(wěn)定在較高的時間;CS－TDMA 協(xié)議中，當1/2 節(jié)點的業(yè)務量降低時，網(wǎng)絡的端到端時大幅度降低，并穩(wěn)定相對TDMA 協(xié)議較低的時間上，且該時間約等于如圖8 所示的各節(jié)點業(yè)務量均勻時趨于穩(wěn)定的時間，說明在各節(jié)點業(yè)務量不均等的情況下，CS－TDMA 實現(xiàn)了時隙的動態(tài)利用，網(wǎng)絡時延較TDMA 協(xié)議有大幅度減?。?］。

圖9 平均端到端時延對比

4 結束語

針對TDMA 協(xié)議在網(wǎng)絡中各節(jié)點業(yè)務量不均勻的情況下，信道利用率低的問題，本文提出了一種利用信道偵聽的CS－TDMA 協(xié)議，該協(xié)議利用無線網(wǎng)絡的廣播特性，統(tǒng)計各節(jié)點的業(yè)務量大小，并在時隙剩余時主動通知業(yè)務繁忙節(jié)點利用剩余時隙發(fā)送數(shù)據(jù)，實現(xiàn)了時隙的動態(tài)利用。仿真結果表明，CS－TDMA 協(xié)議在消息投遞率和吞吐量方面較TDMA 協(xié)議略有提高;在網(wǎng)絡時延方面，尤其是當節(jié)點間業(yè)務量不均勻時，CS－TDMA 協(xié)議較TDMA 協(xié)議有較大提高。

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