戰(zhàn)術(shù)局域網(wǎng)TDMA雙隊列輪詢調(diào)度算法

武警工程大學(xué)研究生管理大隊 鄭垚睿 余緣敏

1 戰(zhàn)術(shù)局域網(wǎng)

戰(zhàn)術(shù)局域網(wǎng)（Tact ical LAN, TLAN）是小型化的戰(zhàn)術(shù)互聯(lián)網(wǎng)，是戰(zhàn)術(shù)環(huán)境中態(tài)勢感知系統(tǒng)、火力控制系統(tǒng)和指揮控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸媒介[1]。1994年4月美軍的“沙漠鐵錘”演習(xí)進一步明確了戰(zhàn)術(shù)局域網(wǎng)的內(nèi)涵和外延，其定義與組成結(jié)構(gòu)也得到了完善。隨后，以無線局域網(wǎng)（Wir el ess Local Ar ea Net work，WLAN）技術(shù)為核心的戰(zhàn)術(shù)局域網(wǎng)逐步為世界各軍事強國所接受，成為現(xiàn)代戰(zhàn)術(shù)通信系統(tǒng)的重要組成部分[2]。

2 傳統(tǒng)MAC層調(diào)度算法

MAC調(diào)度算法定義了網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的資源調(diào)度策略和節(jié)點接入規(guī)則，高效穩(wěn)定的MAC調(diào)度算法能夠極大地提高戰(zhàn)術(shù)局域網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)性能和通信效率。MAC層調(diào)度算法也因此成為戰(zhàn)術(shù)局域網(wǎng)研究的熱點。

2.1 CSMA/CA算法分析及存在問題

CSMA/CA（Car r i er Sense Mul t i pl e Access-Col l ision Avoidance）又稱作帶沖突檢測的載波偵聽碰撞避免算法，由DCF和PCF兩種調(diào)度方式組成。該算法以IEEE 802.11系列無線局域網(wǎng)協(xié)議為代表，是一種較為成熟的無線局域網(wǎng)調(diào)度算法。CSMA/CA調(diào)度策略下，節(jié)點在發(fā)送數(shù)據(jù)前首先監(jiān)聽網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)，若網(wǎng)絡(luò)信道繁忙，則推遲自身數(shù)據(jù)傳輸，直至網(wǎng)絡(luò)空閑。

然而，CSMA/CA調(diào)度方式存在以下問題：首先，接入用戶數(shù)增加時碰撞概率大幅提高并導(dǎo)致系統(tǒng)性能惡化。其次，無法體現(xiàn)戰(zhàn)術(shù)通信系統(tǒng)多層級指揮的實際需求。再次，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點在被輪詢一次只能發(fā)送一個分組，對于發(fā)送數(shù)據(jù)量較多的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點將造成數(shù)據(jù)堵塞，進而導(dǎo)致信息失效。最后，控制節(jié)點的輪詢具有盲目性，無論網(wǎng)絡(luò)節(jié)點是否具有發(fā)送需求都將在一個周期內(nèi)被輪詢一次，存在一定的輪詢周期浪費。

2.2 TDMA單隊列輪詢算法分析及存在問題

TDMA單隊列輪詢算法的工作過程與無線通信的半雙工模式類似[3]，通過設(shè)立的工作隊列對AP（Access Point,AP）工作時間進行時分復(fù)用。AP的輪詢過程和節(jié)點的數(shù)據(jù)傳輸過程均在這一隊列中完成。單隊列TDMA戰(zhàn)術(shù)局域網(wǎng)設(shè)一個接入點AP和m個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，接入點AP包含一個記錄了所有已入網(wǎng)節(jié)點信息的輪詢表，新的節(jié)點在完成入網(wǎng)認證之后，首先將自己的節(jié)點信息發(fā)送給AP，待AP成功更新其輪詢表之后，即完成了加入輪詢隊列操作。

然而，單隊列輪詢存在的問題如下：首先，固定時隙長度將導(dǎo)致具有長報文發(fā)送需求的節(jié)點產(chǎn)生報文堆積。其次，排斥“插隊”行為的FIFO無法體現(xiàn)節(jié)點優(yōu)先級，導(dǎo)致重要信息延時過大。再次，網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點入/退網(wǎng)頻繁或懶惰節(jié)點較多時，系統(tǒng)輪詢時隙浪費嚴重，輪詢等待時延增加。

圖1

3 TDMA雙隊列輪詢調(diào)度算法

為解決單隊列輪詢算法存在的輪詢效率低下、時隙浪費嚴重的問題，本文提出TDMA雙隊列輪詢調(diào)度算法（見圖1）。

在TDMA戰(zhàn)術(shù)局域網(wǎng)中，所有節(jié)點都有嚴格的時延需求，為了避免這些時延敏感度較高的活躍節(jié)點發(fā)生數(shù)據(jù)擁塞，提高戰(zhàn)術(shù)局域網(wǎng)AP的輪詢效率，需要將活躍度較低的節(jié)點掛起，優(yōu)先對活躍節(jié)點進行輪詢和響應(yīng)，通過這種方式代替原來對所有網(wǎng)絡(luò)節(jié)點無優(yōu)先級區(qū)分的輪詢，從而節(jié)省網(wǎng)絡(luò)資源，提高信道利用率。在雙隊列輪詢算法中，建立兩組分別進行輪詢的請求隊列，即活躍節(jié)點隊列（ANQ，Act ive Node Queue）和懶惰節(jié)點隊列（LNQ，Lazy Node Queue），通過優(yōu)先響應(yīng)ANQ的發(fā)送請求，同時周期性地輪詢LNQ，并將其中有發(fā)送需求的節(jié)點請求加入ANQ中完成數(shù)據(jù)的發(fā)送。兩種隊列都采用先到先服務(wù)（Fir st In Fir st Out，F(xiàn)IFO）原則進行服務(wù)。

4 結(jié)論

本文所提出的TDMA雙隊列輪詢調(diào)度算法，通過引入ANQ和LNQ，將戰(zhàn)術(shù)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點進行了初步的優(yōu)先級區(qū)分。區(qū)別的響應(yīng)機制使得戰(zhàn)術(shù)網(wǎng)絡(luò)的處理能力有傾向性地賦予需求更大的節(jié)點，提高了網(wǎng)絡(luò)的調(diào)度效率，降低了空輪詢引起的時隙浪費，使得戰(zhàn)術(shù)網(wǎng)絡(luò)擁有較強的魯棒性。

[1]薛俊涵.基于排隊模型的無線局域網(wǎng)性能分析[D].濟南:山東大學(xué),2010.

[2]石睿.戰(zhàn)術(shù)互聯(lián)網(wǎng)的研究及其性能評估[D].西安:西安電子科技大學(xué),2009.

[3]王文政.戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈動態(tài)輪詢調(diào)度算法[J].國防科技大學(xué)學(xué)報,2009,12(2):47-54.