負載感知的太赫茲納米傳感網(wǎng)的TDMA協(xié)議

徐 娟， 趙雅坤， 張 茸， 闞佳麗

(同濟大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院，上海 201804)

無線納米傳感網(wǎng)(WNSNs)是一種將多個納米設(shè)備以無線通信方式連接起來的新型網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)中的納米傳感節(jié)點不但尺寸微小，而且具備感知納米級事件的能力，因此WNSNs在生物醫(yī)學(xué)、環(huán)境監(jiān)測以及軍事防御等諸多領(lǐng)域都具有巨大的應(yīng)用前景.

太赫茲(THz)波的頻率范圍是0.1～10 THz，具有很寬的可用帶寬，并且可以提供10 Gbps甚至更高的數(shù)據(jù)傳輸速率[1].使用石墨烯制造的納米天線和納米收發(fā)機可工作在太赫茲帶，因此太赫茲無線通信技術(shù)成為WNSNs物理層的理想選擇.

與傳統(tǒng)無線傳感網(wǎng)有所不同：一方面WNSNs中納米傳感器的納米電池只能存儲非常有限的電量，在大多數(shù)實際應(yīng)用中無法更換，也無法充電[1]；另一方面，太赫茲信道具有獨特的傳輸特性，即很寬的可用帶寬和大氣分子吸收太赫茲波所造成的分子吸收損耗[2].此外，文獻[3]中對采用TS-OOK(time spread on-off keying)機制的太赫茲納米網(wǎng)中存在的數(shù)據(jù)碰撞問題進行了研究，由于分子吸收噪聲和接收節(jié)點能量的波動，數(shù)據(jù)在傳輸過程中發(fā)生連續(xù)性碰撞，實驗證明這種碰撞是不可避免的，而且會大大降低通信質(zhì)量.文獻[4]的仿真結(jié)果也表明，符號碰撞概率隨著發(fā)射節(jié)點數(shù)目的增加而增大，即在節(jié)點密集的無線納米傳感網(wǎng)中符號碰撞是不可忽略的.考慮到太赫茲信道的特性，傳統(tǒng)無線傳感網(wǎng)絡(luò)的經(jīng)典MAC(medium access control)協(xié)議無法直接應(yīng)用于WNSNs，因此研究適用于太赫茲納米傳感網(wǎng)的MAC協(xié)議是非常有意義的.

國內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)研究了一些適用于無線納米傳感網(wǎng)的MAC協(xié)議.Jornet等[2]提出了一種基于物理層感知的MAC協(xié)議PHLAME(physical layer aware MAC protocol for electromagnetic nanonetworks)，該協(xié)議通過收發(fā)機在握手過程中共同選擇物理層參數(shù)的最佳值以達到減少多用戶干擾、降低能耗和保證可靠通信的目的.雖然PHLAME在節(jié)能、幀延時以及吞吐量上都取得一定成效，但是仍存在節(jié)點間通信發(fā)生連續(xù)沖突的問題.文獻[5]中提出一種基于定時信道的協(xié)議.該協(xié)議利用定時信道的靜默期對信息進行基于時延映射的編碼，而接收機根據(jù)共享的編碼映射表重構(gòu)發(fā)端的數(shù)據(jù).通過理論分析和數(shù)值結(jié)果驗證了利用定時信道延長網(wǎng)絡(luò)生命周期的可行性，但尚未在仿真平臺上實現(xiàn)并驗證該協(xié)議.文獻[6]中提出了一種基于能量和頻譜感知的MAC協(xié)議，該協(xié)議利用納米能量采集系統(tǒng)使網(wǎng)絡(luò)的生命周期趨于無窮大，采用新的碼元壓縮調(diào)度算法使吞吐量最大化.Rikhtegar 等[7]提出了一種針對移動多跳無線納米傳感網(wǎng)的能量高效的MAC協(xié)議，該協(xié)議將傳感器節(jié)點分簇，并利用TDMA機制緩解節(jié)點移動帶來的影響和傳輸碰撞.然而，文獻[6]和[7]中所提出的MAC協(xié)議均沒有考慮節(jié)點負載的動態(tài)變化.

目前已有的適用于WNSNs的MAC協(xié)議雖然考慮了納米節(jié)點有限的能量、通信和計算能力等特性，但是并沒有涉及基于TS-OOK的通信機制中數(shù)據(jù)發(fā)生連續(xù)沖突、實際應(yīng)用場景中網(wǎng)絡(luò)負載及節(jié)點業(yè)務(wù)量動態(tài)變化等情況.針對以上問題，本文將以WNSNs中源節(jié)點的數(shù)目以及業(yè)務(wù)量大小為考慮因素，從避免數(shù)據(jù)發(fā)生碰撞的角度提出了負載感知的TDMA(LA-TDMA)協(xié)議.該協(xié)議根據(jù)當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)中源節(jié)點數(shù)目、節(jié)點業(yè)務(wù)量大小以及太赫茲信道的傳輸特性，在TDMA基礎(chǔ)上實現(xiàn)動態(tài)時隙分配.

1 系統(tǒng)模型

常見的WNSNs是由一個處理能力較強的納米控制節(jié)點和多個普通納米傳感節(jié)點組成的單跳星型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu).網(wǎng)絡(luò)中普通納米傳感節(jié)點負責(zé)采集數(shù)據(jù)，并直接與納米控制節(jié)點進行數(shù)據(jù)傳輸，最后納米控制節(jié)點將經(jīng)其融合后的數(shù)據(jù)發(fā)給納米接口設(shè)備.將算法中的復(fù)雜計算交給納米控制節(jié)點處理可彌補普通納米傳感節(jié)點計算能力有限的缺陷，因此本文采用集中式拓撲結(jié)構(gòu)，納米控制節(jié)點和普通納米傳感節(jié)點之間的通信為單跳通信.

1.1 網(wǎng)絡(luò)模型

假設(shè)納米網(wǎng)絡(luò)由1個納米控制節(jié)點和U個普通納米傳感節(jié)點組成.

網(wǎng)絡(luò)模型存在以下假設(shè)：

(1) 普通納米傳感節(jié)點和納米控制節(jié)點的位置固定，普通納米傳感節(jié)點擁有各自唯一的ID，并且ID號從1開始連續(xù)遞增，納米控制節(jié)點的ID號為0.

(2) 網(wǎng)絡(luò)中納米節(jié)點總數(shù)固定，且負載不均衡.

(3) 太赫茲納米傳感網(wǎng)的物理層采用TS-OOK調(diào)制技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)精確定位，因此納米控制節(jié)點可通過廣播簡單的握手消息獲得網(wǎng)絡(luò)中所有納米節(jié)點的位置信息.

(4) 納米節(jié)點的能耗主要集中在數(shù)據(jù)傳輸階段，因此能耗模型中將忽略節(jié)點因獲取和處理數(shù)據(jù)所消耗的能量.每個納米節(jié)點的初始能量相同，并且不考慮納米控制節(jié)點的能耗.

1.2 太赫茲信道容量

太赫茲信道存在分子吸收效應(yīng)，該效應(yīng)會引起較高的分子吸收損耗，并且數(shù)據(jù)在太赫茲信道中傳輸時會引入分子吸收噪聲.分子吸收效應(yīng)將整個太赫茲頻帶劃分成多個不同的傳輸窗口，因此建立太赫茲信道容量模型時，將計算可用帶寬內(nèi)每個子帶的傳輸容量以此獲得總的信道容量.根據(jù)香農(nóng)公式可得信道容量

(1)

式中：Cs(d)表示傳輸距離為d時太赫茲信道容量；M表示所有子帶數(shù)量；Δfw(d)表示傳輸距離為d時不同的傳輸窗口，即每個子帶的可用帶寬；S(f)表示傳輸信號的功率譜密度；Na(d,f)表示信道中噪聲的功率譜密度；PL(d,f)表示路徑損耗;f表示信號頻率.

分子吸收噪聲是太赫茲信道中的主要噪聲源，其功率譜密度

Na(d,f)=KBT0(1-e-k(f)d)

(2)

式中：KB表示玻爾茲曼常數(shù)；T0表示參考溫度；k(f)表示分子吸收因子[8]，取值與介質(zhì)中分子的成分有關(guān)，其中水分子對太赫茲波的吸收作用顯著.

總的路徑損耗PL(d,f)由太赫茲波在介質(zhì)中傳播時所遭受的損耗和由分子吸收效應(yīng)引起的損耗兩部分組成，可表示為

(3)

式中：fc表示中心頻率；c表示真空中的光速.

每個子帶的可用帶寬Δfw定義為滿足以下條件的頻帶范圍[6]：

Na(d,f)PL(d,f)≤2Na(d,fc(d))PL(d,fc(d))

(4)

子帶的中心頻率和可用帶寬隨著傳輸距離的變化而變化.所選取的子帶足夠小時，每個子帶可以看成一個平坦的信道，子帶內(nèi)的噪聲也是局部平坦的，由此便可以計算出總的信道容量.

1.3 能耗模型

在基于TS-OOK調(diào)制的太赫茲通信系統(tǒng)中，納米節(jié)點發(fā)射和接收單個數(shù)據(jù)包所消耗的能量可表示為

Etx(A)=ωAEptx

(5)

Erx(A)=AEprx=AEptx/10

(6)

式中:Etx(A)、Erx(A)分別表示納米節(jié)點發(fā)射、接收長度為Abit的數(shù)據(jù)包的能耗；Eptx和Eprx分別表示發(fā)射和接收單個脈沖所消耗的能量;ω的取值與編碼權(quán)重值有關(guān)，表示Abit數(shù)據(jù)中出現(xiàn)符號“1”的概率.通常為了使符號“1”和符號“0”等概率出現(xiàn)，ω設(shè)為0.5.對于超低功耗的納米收發(fā)機而言，接收能耗Eprx通常被設(shè)為發(fā)射能耗Eptx值的1/10[9].

單個脈沖的發(fā)射能耗Eptx是一個關(guān)于傳輸距離d的函數(shù)，它可表示為

Eptx(d)=Ptx(d)/Cs(d)

(7)

式中：Ptx(d)表示納米節(jié)點的發(fā)射功率.

發(fā)射功率Ptx(d)定義為當(dāng)收發(fā)節(jié)點之間相距d并保證接收端獲得信噪比SNR的前提下所需發(fā)射功率，它可通過下式求得：

(8)

式中：SNR表示在接收端要保證的信噪比；B(d)表示當(dāng)前太赫茲信道的可用帶寬.B(d)可表示為

(9)

雖然分子吸收效應(yīng)對整個太赫茲頻帶的影響很大，但是在每個傳輸窗口Δfw內(nèi)部的分子吸收損耗是極小的，遠低于10 dB·km-1[10].為了降低計算復(fù)雜度，本文假設(shè)分子吸收損耗在各個傳輸窗口內(nèi)部可忽略不計，如下所示：

k(f)≈0,f∈Δfw

(10)

噪聲信號的功率譜密度Na(d,f)以及路徑損耗PL(d,f)可進一步簡化為

Na(d,f)=F

(11)

PL(d,f)=4πfcd/c

(12)

式中：F表示常數(shù).將簡化后的式(11)和式(12)代入式(8)就可以通過積分計算得到發(fā)射能耗Ptx(d)，最后將所得Ptx(d)與式(1)代入式(7)就可以得到納米節(jié)點發(fā)射單位比特數(shù)據(jù)時所消耗的能量.

2 LA-TDMA協(xié)議

基于已建立的太赫茲信道容量模型和能耗模型，提出基于網(wǎng)絡(luò)負載狀況的TDMA調(diào)度算法.納米控制節(jié)點根據(jù)源節(jié)點數(shù)目動態(tài)調(diào)節(jié)一幀內(nèi)的時隙數(shù)，并依據(jù)每個源節(jié)點的業(yè)務(wù)量大小動態(tài)分配各節(jié)點可使用的時隙數(shù)，即LA-TDMA協(xié)議，這樣可進一步減小網(wǎng)絡(luò)時延，提高信道利用率.

2.1 幀結(jié)構(gòu)

本文提出的LA-TDMA調(diào)度算法的幀結(jié)構(gòu)如圖1所示.每一幀包括時隙申請、時隙調(diào)度和數(shù)據(jù)傳輸3個階段.時隙申請階段采用固定分配時隙方式，由U個等長度的最小時隙組成.設(shè)每個源節(jié)點發(fā)送的控制信息大小為1 Byte，則時隙申請階段的長度為發(fā)送U個字節(jié)數(shù)據(jù)所需時間.納米控制節(jié)點占用時隙調(diào)度階段，對其采用的時隙分配策略將在第2.2節(jié)中詳細描述.數(shù)據(jù)傳輸階段包含L個動態(tài)變化的時隙，L的取值由納米控制節(jié)點根據(jù)該幀中源節(jié)點數(shù)目和每個源節(jié)點的業(yè)務(wù)量綜合決定.

單個數(shù)據(jù)時隙長度

tslot=max(di/v+Li/Cs(di)),i∈{1,2,…,U}

(13)

式中：di和Li分別表示源節(jié)點Vi的傳輸距離和所發(fā)送數(shù)據(jù)包的長度，本文設(shè)置所有源節(jié)點的數(shù)據(jù)包長度相同；v為信號的傳播速度，大小為3×108m·s-1；Cs(di)表示源節(jié)點Vi傳輸鏈路的信道容量，由式(1)計算得到；max()表示求最大值函數(shù).時隙長度中考慮了數(shù)據(jù)包傳輸距離引入的時延，從而可以避免不同位置源節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)包在納米控制節(jié)點處可能帶來的相鄰時隙部分重疊所造成的誤碼.

圖1 LATDMA幀結(jié)構(gòu)Fig.1 Frame structure of LA-TDMA

2.2 時隙分配策略

納米控制節(jié)點實現(xiàn)時隙分配策略的算法流程如圖2所示，具體步驟如下：

(1) 初始化一個U×U維二進制時隙分配矩陣S0=0.

(2) 根據(jù)式(13)計算單個數(shù)據(jù)時隙長度，其中所有源節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)包長度均為128 Byte，并統(tǒng)計來自時隙申請階段的請求源節(jié)點數(shù).若源節(jié)點數(shù)為零，則表示當(dāng)前幀內(nèi)無源節(jié)點有發(fā)送數(shù)據(jù)任務(wù)，但為了避免源節(jié)點頻繁的請求和調(diào)度，因此定義一個缺省幀長Tmin以讓所有源節(jié)點在數(shù)據(jù)傳輸階段進入睡眠期.

圖2 時隙分配流程Fig.2 Flow chart of time slot allocation

(3) 若源節(jié)點數(shù)為k(0

(4) 若源節(jié)點數(shù)滿足大于0且小于納米節(jié)點總數(shù)，即0

NETSi=Qi(U-k)/∑miQi, Qi>1

(14)

式中：NETSi表示業(yè)務(wù)突發(fā)節(jié)點Vi額外獲得的時隙數(shù)；Qi表示業(yè)務(wù)突發(fā)節(jié)點Vi數(shù)據(jù)緩存隊列的長度.式(14)采用向上取整的方式導(dǎo)致m個業(yè)務(wù)突發(fā)節(jié)點額外獲得的時隙總數(shù)超過剩余時隙總數(shù)(U-k)，此時將從獲得最少時隙的源節(jié)點開始，按照時隙數(shù)遞增的順序，依次減去一個時隙，直到額外獲得的時隙總數(shù)等于剩余時隙總數(shù).

(5) 若當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)中所有納米節(jié)點都有數(shù)據(jù)要發(fā)送，并且其中m個節(jié)點的業(yè)務(wù)量較大，則0

(6) 當(dāng)納米控制節(jié)點為所有源節(jié)點分配好時隙后，將生成一個U×L維二進制時隙分配矩陣.矩陣(下標(biāo)從0開始)的行下標(biāo)對應(yīng)節(jié)點ID，列下標(biāo)對應(yīng)時隙號，第(k-1)行元素對應(yīng)節(jié)點Vk的時隙占用情況.若納米控制節(jié)點將時隙s分配給節(jié)點Vk，則將矩陣的第(k-1)行(s-1)列元素置1，否則置0.具體可表示為

(15)

其中,i∈{0,…,U-1},j∈{0,…,L-1}.

(7) 考慮到該時隙分配矩陣會占用較多的存儲空間，因此進一步依次讀取式(15)中每個源節(jié)點ID所在行，建立源節(jié)點ID和源節(jié)點對應(yīng)時隙的鍵值對映射關(guān)系并存儲到hash_map中.

2.3 調(diào)度算法的建立步驟

調(diào)度算法的建立過程包括網(wǎng)絡(luò)初始化、時隙申請、時隙調(diào)度和數(shù)據(jù)傳輸4個階段，具體如下所示：

(1) 網(wǎng)絡(luò)初始化階段.納米控制節(jié)點廣播簡單的握手消息，該消息包括納米控制節(jié)點自身的ID、位置以及時間戳信息.源節(jié)點收到握手消息后，根據(jù)時間戳校正本地時間，并返回自身的ID和位置信息.納米控制節(jié)點記錄每個源節(jié)點的ID以及對應(yīng)的位置信息，根據(jù)式(13)計算源節(jié)點在時隙申請階段發(fā)送1 Byte控制信息所需要的時隙長度，然后以廣播的方式告知給源節(jié)點.

(2) 時隙申請階段.源節(jié)點收到納米控制節(jié)點廣播的時隙長度信息后，按照自身ID號遞增順序依次占用U個時隙.若源節(jié)點Vi有數(shù)據(jù)要發(fā)送，則在MAC層數(shù)據(jù)包的頭部加入包含自身數(shù)據(jù)緩沖隊列長度的控制信息，然后將其封裝成幀繼而在第i個時隙內(nèi)發(fā)送給納米控制節(jié)點；若沒有發(fā)送數(shù)據(jù)任務(wù)，則進入睡眠狀態(tài).

(3) 時隙調(diào)度階段.納米控制節(jié)點根據(jù)收到的時隙申請階段中成功發(fā)送的控制信息，將基于網(wǎng)絡(luò)負載狀況，按照如圖2所示的流程為每個源節(jié)點動態(tài)分配時隙，最終廣播一個時隙調(diào)度包.數(shù)據(jù)包結(jié)構(gòu)如圖3所示，其中頭部信息包含納米控制節(jié)點的ID和數(shù)據(jù)傳輸階段的長度，數(shù)據(jù)部分由源節(jié)點的ID和源節(jié)點對應(yīng)時隙的有序映射序列組成,映射序列由式(15)得到.整個數(shù)據(jù)傳輸階段的長度為tslotL，tslot和L分別由式(13)和式(15)給出.

圖3 LATDMA時隙調(diào)度包結(jié)構(gòu)Fig.3 Slot scheduling packet structure of LA-TDMA

(4) 數(shù)據(jù)傳輸階段.源節(jié)點Vi收到納米控制節(jié)點廣播的時隙調(diào)度包后，若當(dāng)前幀內(nèi)無數(shù)據(jù)傳輸任務(wù)，則只解析時隙調(diào)度包的頭部信息，繼而進入持續(xù)時間為tslotL的睡眠期；若當(dāng)前幀內(nèi)有數(shù)據(jù)要發(fā)送，則進一步讀取時隙調(diào)度包的數(shù)據(jù)部分，在自身時隙到來時傳輸數(shù)據(jù).

3 仿真分析

為了驗證本文所提LA-TDMA協(xié)議的正確性和優(yōu)越性，采用NS-3仿真軟件對LA-TDMA協(xié)議和傳統(tǒng)TDMA協(xié)議進行仿真分析.在仿真分析中將分別從單位比特能耗、平均端到端時延、平均吞吐量和網(wǎng)絡(luò)生存期等方面進行比較分析.

3.1 仿真統(tǒng)計量定義

(1) 單位比特能耗

單位比特能耗是指納米控制節(jié)點接收到單位比特數(shù)據(jù)時所有源節(jié)點所消耗的能量，其中源節(jié)點消耗的能量包括發(fā)射控制信息和數(shù)據(jù)包以及接收時隙調(diào)度包的能耗總和.

(2) 平均端到端時延

平均端到端時延定義為數(shù)據(jù)包從源節(jié)點產(chǎn)生到納米控制節(jié)點成功接收所消耗的平均時間，包括處理時延、隊列時延、傳播時延和傳輸時延.平均端到端時延表示為

(16)

(3) 平均吞吐量

平均吞吐量定義為單位時間內(nèi)目的節(jié)點成功接收到的平均比特數(shù).

(4) 網(wǎng)絡(luò)生存期

傳感網(wǎng)的生存期有多種不同定義方式，本文把網(wǎng)絡(luò)生存期定義為網(wǎng)絡(luò)開始運行到網(wǎng)絡(luò)中第1個節(jié)點死亡所經(jīng)歷的時間長度，表示為

Tw=min{t|EV(t)≤η}

(17)

式中：Tw表示W(wǎng)NSNs的生存期；EV(t)表示節(jié)點V在時刻t的能量值；η表示剩余能量的門限值，當(dāng)節(jié)點能量低于該門限值時則可認為該節(jié)點死亡.

3.2 仿真設(shè)置

仿真場景為二維長方形平面(見圖4)，200個源節(jié)點獨立且隨機分布在該區(qū)域內(nèi)，有且僅有1個納米控制節(jié)點位于該二維平面的中心.在仿真實驗中，每個源節(jié)點產(chǎn)生數(shù)據(jù)包的過程均服從泊松分布.設(shè)置源節(jié)點總數(shù)為200且固定不變，研究不同的包到達間隔對網(wǎng)絡(luò)性能的影響.

仿真實驗設(shè)置信道環(huán)境中的水分子含量為10%，此時式(11)中噪聲功率譜密度為1.42×10-21W·Hz-1，式(8)中接收端要保證的信噪比SNR為10，式(17)中的剩余能量門限為1×10-16J，該值表示傳輸距離為0.01 m時源節(jié)點接收單位比特數(shù)據(jù)所需要的能量.根據(jù)式(13)設(shè)置如圖1所示的幀結(jié)構(gòu)中時隙申請階段、時隙調(diào)度階段和單個數(shù)據(jù)傳輸時隙的長度分別為24 ns、72 ns和15 ns，缺省幀長Tmin設(shè)為3 μs.具體的NS-3仿真參數(shù)設(shè)置如表1所示.

3.3 仿真結(jié)果分析

(1) 單位比特能耗

圖5是單位比特能耗隨包到達間隔變化.由圖5可見，2種協(xié)議的單位比特能耗幾乎不隨包到達間隔的變化而變化.這是因為當(dāng)包到達間隔變小時，源節(jié)點單位時間內(nèi)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)包個數(shù)增多從而網(wǎng)絡(luò)負載增加，但此時源節(jié)點發(fā)送控制信息和接收時隙調(diào)度包所消耗的總能量也增大.由于LA-TDMA協(xié)議增加了源節(jié)點在每一幀內(nèi)發(fā)送控制信息和接收時隙調(diào)度包的開銷，因此在能耗上較TDMA協(xié)議稍差.值得一提的是，由于實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的無碰撞傳輸并且根據(jù)傳輸距離自適應(yīng)地調(diào)整節(jié)點的傳輸功率，LA-TDMA和TDMA協(xié)議都是高效節(jié)能的.

表1 NS3仿真參數(shù)設(shè)置Tab.1 Setting of NS-3 simulation parameters

圖5 單位比特能耗與包到達間隔關(guān)系

Fig.5Relationshipbetweenunitbitenergyconsumptionandpacketarrivalinterval

(2) 平均端到端時延

圖6是平均端到端時延隨包到達間隔變化.隨著包到達間隔增大，2種協(xié)議的平均端到端時延都減小.這是因為包到達間隔越大，源節(jié)點的數(shù)據(jù)緩存壓力越小，數(shù)據(jù)包在源節(jié)點緩沖隊列的等待時間越小.LA-TDMA協(xié)議根據(jù)源節(jié)點業(yè)務(wù)量的優(yōu)先級順序動態(tài)分配時隙，無數(shù)據(jù)發(fā)送源節(jié)點不分配時隙，為業(yè)務(wù)突發(fā)源節(jié)點提供更多時隙，因此在減小端到端時延上較TDMA表現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢.

圖6 平均端到端時延與包到達間隔關(guān)系

Fig.6Relationshipbetweenaverageend-to-enddelayandpacketarrivalinterval

(3) 平均吞吐量

圖7是平均吞吐量隨包到達間隔變化.從圖7可以看出，隨著包到達間隔增大，網(wǎng)絡(luò)負載減少的同時數(shù)據(jù)包的端到端時延也在減小，并且端到端時延的減小幅度更顯著，因此2種協(xié)議的平均吞吐量都呈上升趨勢.由于LA-TDMA協(xié)議能更好地縮短端到端時延，在平均吞吐量上較TDMA協(xié)議更好.

圖7 平均吞吐量與包到達間隔關(guān)系

Fig.7Relationshipbetweenaveragethroughputandpacketarrivalinterval

(4) 網(wǎng)絡(luò)生存期

圖8是網(wǎng)絡(luò)生存期隨包到達間隔變化.由圖8可見，隨著平均包到達間隔增大，2種協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)生存期都得以延長.這是因為包到達間隔越大，在相同的仿真時間內(nèi)源節(jié)點產(chǎn)生的數(shù)據(jù)包越少，數(shù)據(jù)傳輸消耗的能量也越小，從而延長了源節(jié)點的存活時間.由于LA-TDMA協(xié)議中源節(jié)點增加了額外的控制開銷，其網(wǎng)絡(luò)生存期略小于TDMA協(xié)議，但當(dāng)包到達間隔增大時，源節(jié)點的額外開銷變小，因此兩者網(wǎng)絡(luò)生存期的差距逐漸減小.值得一提的是，為了縮短仿真運行時間，設(shè)置包到達間隔的單位級別為μs，從圖8可以看出，仿真得到的網(wǎng)絡(luò)生存期數(shù)量級為0.1 s.在大多數(shù)實際應(yīng)用場景中，源節(jié)點產(chǎn)生數(shù)據(jù)包的間隔通常是以s為單位，此時網(wǎng)絡(luò)生存期的數(shù)量級可達到105s，這是符合實際意義的.

圖8 網(wǎng)絡(luò)生存期與包到達間隔關(guān)系

Fig.8Relationshipbetweennetworklifetimeandpacketarrivalinterval

4 結(jié)語

針對基于TS-OOK調(diào)制的通信系統(tǒng)存在數(shù)據(jù)傳輸連續(xù)碰撞以及負載不均衡的實際應(yīng)用場景，提出一種負載感知的動態(tài)TDMA協(xié)議.該協(xié)議根據(jù)當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)中源節(jié)點數(shù)目、源節(jié)點業(yè)務(wù)量大小以及太赫茲信道的傳輸特性，在TDMA基礎(chǔ)上實現(xiàn)動態(tài)分配時隙.仿真結(jié)果表明，該協(xié)議是能量高效的，在平均端到端時延和平均吞吐量方面均具有明顯的優(yōu)勢，可以應(yīng)用于時延要求較苛刻的網(wǎng)絡(luò)場景中.