陳謀，李曉毅，王申濤，李海濤（重慶通信學(xué)院，重慶400035）

紫外光Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)中的TDMA時(shí)隙分配算法分析

陳謀，李曉毅，王申濤，李海濤
（重慶通信學(xué)院，重慶400035）

摘要：歸納總結(jié)了現(xiàn)有無(wú)線電中的TDMA時(shí)隙分配算法，分析了Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)對(duì)TDMA時(shí)隙分配算法的影響。從紫外光大氣傳輸特性出發(fā)介紹了紫外光定向技術(shù)，并分析了紫外光定向技術(shù)對(duì)時(shí)隙分配算法的具體影響。

關(guān)鍵詞：紫外光通信；Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)；時(shí)隙分配算法

0　引言

紫外光通信作為一種新型的無(wú)線通信手段，一直受到軍隊(duì)的高度關(guān)注。國(guó)外現(xiàn)已研制出可實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)非視距通信的樣機(jī)，但由于紫外光非視距通信距離有限，點(diǎn)對(duì)點(diǎn)（Ad Hoc）通信不能滿足實(shí)際戰(zhàn)場(chǎng)需要，各國(guó)軍方開(kāi)始對(duì)紫外光通信組網(wǎng)進(jìn)行研究。由于Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)具有傳輸距離較遠(yuǎn)和網(wǎng)絡(luò)抗毀性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，能彌補(bǔ)紫外光點(diǎn)對(duì)點(diǎn)非視距通信的不足，滿足當(dāng)前戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境的需要，因此，紫外光Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)越來(lái)越受到研究者的重視。因?yàn)楫?dāng)前紫外光通信硬件上還達(dá)不到頻分多址（FDMA）有效劃分頻譜的要求，碼分多址（CDMA）系統(tǒng)在設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)上又過(guò)于復(fù)雜，所以本文在紫外光Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)中使用時(shí)分多址（TDMA）接入方式。

1　TDMA時(shí)隙分配算法

無(wú)線電中現(xiàn)有的TDMA協(xié)議的分類如圖1所示。基于固定分配算法的TDMA協(xié)議將時(shí)間分割成時(shí)幀后，每一幀都被分成固定數(shù)目的時(shí)隙，且每個(gè)節(jié)點(diǎn)分配的時(shí)隙都是唯一且固定的，網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)根據(jù)預(yù)先約定的算法使用時(shí)隙。該算法容易實(shí)現(xiàn)且不會(huì)產(chǎn)生時(shí)隙沖突，但具有不能滿足多個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)發(fā)送信息和無(wú)法對(duì)存在突發(fā)性業(yè)務(wù)的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行有效時(shí)隙分配的缺點(diǎn)。比較有代表性的是啟發(fā)式時(shí)隙分配算法[1]、有序節(jié)點(diǎn)染色算法[2]和均域退火算法[3]。

圖1　TDMA協(xié)議分類

基于動(dòng)態(tài)分配算法的TDMA協(xié)議是在節(jié)點(diǎn)需要發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)才給其分配所需時(shí)隙，數(shù)據(jù)發(fā)送完畢后，不再將時(shí)隙分配給該節(jié)點(diǎn)。

基于集中式動(dòng)態(tài)時(shí)隙分配算法的TDMA協(xié)議一般存在一個(gè)獲知整個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)信息的中心控制節(jié)點(diǎn)，該中心節(jié)點(diǎn)為整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行時(shí)隙分配。但是，當(dāng)中心節(jié)點(diǎn)遭受摧毀時(shí)，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)便不能工作，導(dǎo)致采用該協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)抗毀能力較差。具有代表性的是集中式輪詢協(xié)議[4]。

在分布式動(dòng)態(tài)TDMA協(xié)議里，網(wǎng)絡(luò)中的各個(gè)節(jié)點(diǎn)通常根據(jù)某個(gè)固定的規(guī)則，對(duì)各自的傳輸時(shí)隙進(jìn)行預(yù)留。

基于拓?fù)渫该魈匦缘姆植际絼?dòng)態(tài)TDMA協(xié)議在為節(jié)點(diǎn)分配時(shí)隙時(shí)，不需要考慮當(dāng)前的局部網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫畔ⅲW(wǎng)絡(luò)開(kāi)銷較小，但也因此導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)產(chǎn)生較多沖突。具有代表性的是Chlamtac等提出的擴(kuò)時(shí)多址接入?yún)f(xié)議（Time Spread Multiple Access，TSMA）[5]。

基于拓?fù)湟蕾囂匦缘姆植际絼?dòng)態(tài)TDMA協(xié)議在分配時(shí)隙時(shí)只需要考慮網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫畔?，根?jù)是否需要提前收集領(lǐng)域信息分為兩類：一類是各節(jié)點(diǎn)先通過(guò)交互控制信息來(lái)收集領(lǐng)域信息，再根據(jù)收集的領(lǐng)域信息進(jìn)行時(shí)隙分配，其中比較有代表性的是統(tǒng)一時(shí)隙分配協(xié)議（Unifying Slot Assignment Protocol，USAP）[6]；另一類是通過(guò)控制包的交互，直接解決領(lǐng)域內(nèi)的沖突，進(jìn)行時(shí)隙預(yù)留，其中具有代表性的是五步預(yù)留協(xié)議（Five-Phase Reservation Protocol，F(xiàn)PRP）[7]。由于該協(xié)議考慮了網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫畔?，因此可以降低時(shí)隙沖突，能高效地進(jìn)行時(shí)隙分配，但其實(shí)現(xiàn)一次時(shí)隙分配的時(shí)間較長(zhǎng)，不能適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞目焖僮兓?/p>

基于混合分配算法的TDMA協(xié)議將時(shí)隙固定分配給對(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn)，同時(shí)在不干擾該時(shí)隙使用節(jié)點(diǎn)的前提下，允許其它節(jié)點(diǎn)競(jìng)爭(zhēng)該時(shí)隙。比較有代表性的有PTDMA協(xié)議和ABROAD協(xié)議[8]。

根據(jù)以上分析可知，針對(duì)不同的網(wǎng)絡(luò)形式和性能指標(biāo)要求可采用不同的時(shí)隙分配算法。為探索出適用于紫外光Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的TDMA時(shí)隙分配算法，本文分析了Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)和紫外光傳輸特性對(duì)時(shí)隙分配算法的影響。

2　Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)對(duì)TDMA時(shí)隙分配的影響

Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)是動(dòng)態(tài)無(wú)中心的，沒(méi)有專門的中心節(jié)點(diǎn)來(lái)處理時(shí)隙分配。在基于固定時(shí)隙分配算法的TDMA協(xié)議中，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都必須分配唯一且固定的時(shí)隙。因此，隨著節(jié)點(diǎn)數(shù)的增加，所需的時(shí)隙數(shù)目也相應(yīng)增加，在網(wǎng)絡(luò)總帶寬一定的條件下，每個(gè)節(jié)點(diǎn)使用的帶寬減小，傳輸時(shí)延增大。這種時(shí)隙分配方式限制了網(wǎng)絡(luò)的容量，由于Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)數(shù)量不定，會(huì)出現(xiàn)傳輸時(shí)延隨節(jié)點(diǎn)數(shù)增加而變大的問(wèn)題，因此，固定時(shí)隙分配算法的TDMA協(xié)議不適用于Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)。

由于Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)特有的組網(wǎng)模式，其信道接入?yún)f(xié)議面臨著多跳信道共享方式、隱藏終端、暴露終端和節(jié)點(diǎn)移動(dòng)性影響等問(wèn)題，影響了時(shí)隙分配算法的設(shè)計(jì)。因此，在設(shè)計(jì)適用于Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的TDMA時(shí)隙分配算法時(shí)，應(yīng)考慮以下幾個(gè)方面：

①在Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)中，只有在節(jié)點(diǎn)兩跳鄰域范圍內(nèi)的信息傳輸才會(huì)產(chǎn)生沖突。因此，在進(jìn)行時(shí)隙分配時(shí)，節(jié)點(diǎn)可以不需要知道整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的時(shí)隙分配情況，只需保證與鄰域內(nèi)節(jié)點(diǎn)分配的時(shí)隙在傳輸時(shí)不發(fā)生沖突或盡可能減少?zèng)_突即可。

②由于Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)節(jié)點(diǎn)共享無(wú)線信道，節(jié)點(diǎn)間的地位是對(duì)等的，如何保證各個(gè)節(jié)點(diǎn)接入的公平性非常重要，如果網(wǎng)絡(luò)長(zhǎng)期被少數(shù)幾個(gè)節(jié)點(diǎn)間的通信鏈路搶占，其余鏈路因無(wú)法發(fā)送數(shù)據(jù)會(huì)處于“餓死”狀態(tài)。因此，在設(shè)計(jì)時(shí)隙分配算法時(shí)，應(yīng)著重考慮節(jié)點(diǎn)接入信道的公平性。另外，對(duì)于軍用Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)來(lái)說(shuō)，因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)收集到的信息重要性有可能臨時(shí)存在不同，所以在保證節(jié)點(diǎn)接入信道公平性的原則下，要確保重要信息能及時(shí)傳輸。

③在設(shè)計(jì)適合Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的TDMA動(dòng)態(tài)時(shí)隙分配算法時(shí)，會(huì)涉及隱蔽終端與暴露終端的問(wèn)題。802.11中通過(guò)預(yù)約信道發(fā)送RTS和CTS幀來(lái)解決該問(wèn)題，在TDMA的時(shí)隙分配過(guò)程中可以參考這種解決思路，設(shè)計(jì)相應(yīng)的算法。

3　紫外通信方式對(duì)TDMA時(shí)隙分配的影響

3.1紫外光大氣傳輸特性

紫外光非視距通信（Non Line of Sight，NLOS）有3種傳輸方式，如圖2所示。3種方式的優(yōu)缺點(diǎn)如下：①采用全向發(fā)送全向接收模式，節(jié)點(diǎn)間可以很方便地進(jìn)行信息交互，但傳輸距離十分有限。②采用定向發(fā)送全向接收模式，通過(guò)定向傳輸增加通信距離，利用全向接收簡(jiǎn)化協(xié)議，但較純定向方式，全向接收會(huì)降低協(xié)議解決沖突的能力，使定向傳輸被限制在全向天線的范圍內(nèi)。③采用定向發(fā)送定向接收模式能增加傳輸距離，增強(qiáng)協(xié)議的抗干擾能力。因此，本文主要分析該模式。

對(duì)于定向發(fā)送定向接收方式，紫外光大氣傳輸模型采用單次散射模型[9]，如圖3所示。假設(shè)發(fā)送端和接收端位于Z軸，發(fā)送光軸和接收光軸在同一XZ平面上。r為發(fā)送端與接收端之間的水平距離，θT為發(fā)送仰角，φT為發(fā)散角，θR為接收仰角，φR為接收視場(chǎng)角，θS為散射角，則θS=θT+θR。發(fā)送端發(fā)射的紫外光子通過(guò)自由空間衰減到達(dá)散射區(qū)域V，接收端通過(guò)收集單次散射后的光子實(shí)現(xiàn)非視距通信。

圖2　紫外光非視距通信3種工作模式

圖3　紫外光單次散射模型

其中，λ為波長(zhǎng)，Pt為發(fā)送功率，Ke為大氣信道消光系數(shù)，KS為散射系數(shù)，Ar為接收孔徑面積，Ω為發(fā)送立體角，V為有效散射區(qū)域體積，PS為散射角θS的相函數(shù)。在特定仿真環(huán)境下可按式（2）設(shè)置接收功率，對(duì)傳輸過(guò)程和鏈路損耗進(jìn)行模擬。

3.2紫外光定向技術(shù)

對(duì)于純定向傳輸，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)與多個(gè)節(jié)點(diǎn)通信時(shí)，需要考慮紫外光波束切換問(wèn)題。已有研究人員借鑒無(wú)線電通信中波束切換天線的設(shè)計(jì)思想設(shè)計(jì)出一種在紫外光網(wǎng)絡(luò)中能定向切換光束的收發(fā)裝置[11]，如圖4所示。其中原點(diǎn)表示陣元，該裝置由多個(gè)陣元組成，每個(gè)陣元可以定向發(fā)送或接收紫外光信號(hào)。

圖4　紫外光束切換裝置

陣元數(shù)為S的理想紫外光束切換系統(tǒng)示意圖如圖5所示，光束在平面上形成了S個(gè)扇區(qū)，扇區(qū)寬度由系統(tǒng)陣元數(shù)確定，節(jié)點(diǎn)可與處于扇區(qū)內(nèi)的任意節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信。

圖5　理想光束切換裝置示意圖

3.3紫外光定向技術(shù)對(duì)時(shí)隙分配的影響

紫外光定向技術(shù)擴(kuò)大了傳輸距離，提高了數(shù)據(jù)傳輸速率，降低了節(jié)點(diǎn)發(fā)射功率和節(jié)點(diǎn)間的干擾，但定向光束也給時(shí)隙分配協(xié)議的設(shè)計(jì)帶來(lái)了新問(wèn)題。

①鄰節(jié)點(diǎn)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題。在紫外光傳感器網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點(diǎn)采用定向發(fā)送全向接收的工作模式，故發(fā)送節(jié)點(diǎn)在發(fā)送數(shù)據(jù)前無(wú)需獲取鄰節(jié)點(diǎn)的位置信息，只需保證在節(jié)點(diǎn)對(duì)通信范圍之內(nèi)即可通信。當(dāng)節(jié)點(diǎn)使用定向裝置后，節(jié)點(diǎn)某時(shí)刻只能與扇區(qū)內(nèi)的節(jié)點(diǎn)通信，因此在發(fā)送數(shù)據(jù)前，節(jié)點(diǎn)必須知曉目標(biāo)所處的扇區(qū)位置，從而選擇該扇區(qū)定向發(fā)送光束。從以上發(fā)送過(guò)程可知，在TDMA協(xié)議中的鄰居發(fā)現(xiàn)階段，光束必須經(jīng)過(guò)多次切換才能與鄰居節(jié)點(diǎn)交互位置信息，鄰居發(fā)現(xiàn)是時(shí)隙分配的基礎(chǔ)，如果不能快速且有效地發(fā)現(xiàn)鄰居節(jié)點(diǎn)，必然會(huì)影響時(shí)隙分配階段的效率。如何解決紫外光定向傳輸中的鄰節(jié)點(diǎn)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題成為時(shí)隙分配前必須考慮的首要問(wèn)題。

②新的隱藏終端問(wèn)題。在802.11中，通過(guò)對(duì)信道進(jìn)行預(yù)約，發(fā)送RTS和CTS幀可以解決隱蔽終端問(wèn)題。但是，在定向天線引入Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)后，MAC層會(huì)產(chǎn)生新的隱藏終端問(wèn)題。新隱藏終端示意圖如圖6所示，實(shí)線表示以節(jié)點(diǎn)B為圓心的定向紫外光束的覆蓋范圍。假設(shè)B節(jié)點(diǎn)向A節(jié)點(diǎn)發(fā)起通信請(qǐng)求的同時(shí)，C節(jié)點(diǎn)也準(zhǔn)備向D節(jié)點(diǎn)發(fā)起通信請(qǐng)求。因?yàn)榇藭r(shí)光束是定向發(fā)送的，所以C節(jié)點(diǎn)不會(huì)收到B節(jié)點(diǎn)的RTS幀。如果A、B節(jié)點(diǎn)通信結(jié)束后B節(jié)點(diǎn)意圖與C節(jié)點(diǎn)通信，則必然會(huì)在C節(jié)點(diǎn)處與D節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)信息發(fā)生碰撞。新隱藏終端增加了數(shù)據(jù)的沖突概率，降低了網(wǎng)絡(luò)的吞吐量。如何合理設(shè)計(jì)時(shí)隙分配算法，解決隱藏終端問(wèn)題也是在組網(wǎng)過(guò)程中需要考慮的。

圖6　新隱藏終端示意圖

4　結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)分析與歸納無(wú)線電中的TDMA時(shí)隙分配算法，總結(jié)闡述了現(xiàn)有的研究成果。通過(guò)分析Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)和紫外通信方式對(duì)時(shí)隙分配的影響，得出在設(shè)計(jì)適用于紫外光Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的TDMA時(shí)隙分配算法時(shí)應(yīng)考慮的問(wèn)題和難點(diǎn)。本文的分析結(jié)果為研究人員進(jìn)一步開(kāi)展組網(wǎng)研究打下了基礎(chǔ)。

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Analysis of TDMA time slot allocation algorithm in ultraviolet Ad Hoc network

CHENMou,LIXiao-yi,WANGShen-tao,LIHai-tao
(Chongqing Communication Institute, Chongqing 400035, China)

Abstract:The paper summarizes the present TDMA time slot allocation algorithm in wireless communication, analyzes the influence of Ad Hoc network on the TDMA time slot allocation algorithm. Then the paper introduces ultraviolet orientation technique based on the ultraviolet atmosphere transmission characteristic, and analyzes the specific influence of them on time slot allocation algorithm.

Key words:ultraviolet communication, Ad Hoc network, slot assignment algorithm

中圖分類號(hào)：TN23

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1002-5561（2016）01-0040-04

DOI：10.13921/j.cnki.issn1002-5561.2016.01.013

收稿日期：2015-09-21。

基金項(xiàng)目：重慶市自然科學(xué)基金（CSTS2012jjA40033）資助；重慶市基礎(chǔ)與前沿研究計(jì)劃項(xiàng)目（cstc2014jcyjA40051）資助。

作者簡(jiǎn)介：陳謀（1991－），男，碩士生，主要研究方向?yàn)闊o(wú)線傳輸理論與技術(shù)。