杜 靜，習(xí) 勇，黃圣春

（國防科學(xué)技術(shù)大學(xué) 電子科學(xué)與工程學(xué)院，湖南 長沙 410073）

一種適用于動態(tài)拓撲變化的改進型TDMA協(xié)議*

杜 靜，習(xí) 勇，黃圣春

（國防科學(xué)技術(shù)大學(xué) 電子科學(xué)與工程學(xué)院，湖南 長沙 410073）

針對戰(zhàn)術(shù)通信Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)快速動態(tài)組網(wǎng)的要求，在經(jīng)典USAP協(xié)議基礎(chǔ)上，提出了一種適用于動態(tài)拓撲變化的E-USAP協(xié)議。該協(xié)議采用分布式時隙分配思想，通過增加幀結(jié)構(gòu)中控制時隙的個數(shù)，減小控制信息交互周期，可對動態(tài)拓撲變化作出快速反應(yīng)。分析和仿真表明，改進后協(xié)議在靜態(tài)拓撲條件下能夠減小網(wǎng)絡(luò)組建時間，使節(jié)點快速入網(wǎng)；在動態(tài)拓撲條件下，具有比原有USAP協(xié)議更好的吞吐量和時延性能，可以更好地應(yīng)對Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)的變化。

USAP；分布式；時隙分配；動態(tài)拓撲

0　引言

Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)是一種分布式的網(wǎng)絡(luò)，節(jié)點之間通過動態(tài)組網(wǎng)建立通信鏈路[1]。寬帶網(wǎng)絡(luò)波形是無線自組織網(wǎng)絡(luò)的重要波形，美軍在設(shè)計寬帶網(wǎng)絡(luò)波形(Wideband Network Waveform，WNW)時，在MAC層使用了基于USAP (Unifying Slot Assignment Protocol)的TDMA協(xié)議[2]。

YOUNG C D在 1996年提出了經(jīng)典的多跳多信道USAP協(xié)議[3]，即為框架協(xié)議，協(xié)議實現(xiàn)了分布式多跳時隙分配算法，但每個時幀中只有一個廣播時隙用于節(jié)點廣播本地狀態(tài)信息，無法適應(yīng)Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的動態(tài)拓撲變化[4]。在此基礎(chǔ)上，YOUNG C D又提出了USAP-MA(USAP Multiple Access)協(xié)議[5]和 USAP-MBA(USAP Multiple Broadcast Access)協(xié)議[6]，但都沒有達到預(yù)期效果。

國內(nèi)有多家單位都在研究寬帶網(wǎng)絡(luò)波形，但是對于多跳分布式TDMA MAC協(xié)議的實用化研究還較少[7-8]。本文在研究經(jīng)典USAP協(xié)議的基礎(chǔ)上，主要針對原有協(xié)議中存在的無法快速適應(yīng)Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)拓撲變化及組網(wǎng)時間較長等問題進行了改進。通過增加時幀結(jié)構(gòu)中控制時隙個數(shù)等于網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點個數(shù)，保證每個節(jié)點都能在一幀中對應(yīng)的控制時隙發(fā)送控制包，減小控制信息的交互時長，并提出改進后的E-USAP協(xié)議。改進后的協(xié)議針對車載通信，典型車輛行駛過程中拓撲變化能夠作出快速反應(yīng)，更加適應(yīng)實際場景的需求。

1　USAP協(xié)議思想

USAP協(xié)議能實現(xiàn)多跳分布式時隙分配的核心在于鄰節(jié)點間控制信息的交換和本地時隙表的更新，該協(xié)議的幀結(jié)構(gòu)如圖1所示。網(wǎng)絡(luò)中有N個節(jié)點，N個時幀組成一個超幀，每個時幀劃分為M個時隙，N和M均為常數(shù)，每幀的第一個時隙分配給一個固定節(jié)點來發(fā)送控制分組(NMOP)，F(xiàn)為信道個數(shù)。

NMOP包括兩種類型的 USAP協(xié)議信息：第一種為新時隙的聲明和確認，另一種為已存在的時隙分配信息的比特圖。每個節(jié)點都會在對應(yīng)的控制時隙中發(fā)送NMOP包，對應(yīng)的鄰節(jié)點接收到NMOP包后解析出包中信息并更新自己的本地時隙分配表，并在對應(yīng)自己節(jié)點ID號的時幀號中廣播自己的控制包信息，這樣將時隙分配信息發(fā)送至兩跳范圍[9]。

圖1　USAP協(xié)議幀結(jié)構(gòu)

2　基于USAP改進的協(xié)議

2.1協(xié)議幀結(jié)構(gòu)

為了簡化協(xié)議設(shè)計，本文只考慮單信道情況下的時隙分配情況，即F=1。改進后的E-USAP協(xié)議幀結(jié)構(gòu)如圖2所示，其中時隙 0～(N-1)是控制時隙，時隙長度為t0；時隙 N～(N+M-2)是數(shù)據(jù)時隙，時隙長度為 t1。對于USAP協(xié)議節(jié)點經(jīng)過一個超幀才能完成一次控制信息的交互，一個超幀長度為 N×(t0+(M-1)×t1)，改進后的協(xié)議增加了每一幀中控制時隙的個數(shù)，使每個節(jié)點都能在一幀對應(yīng)的控制時隙中發(fā)送控制包，節(jié)點經(jīng)過一個時幀就可以完成一次控制幀的交互，一個時幀長度為N×t0+ (M-1)×t1。

圖2　E-USAP協(xié)議幀結(jié)構(gòu)

2.2節(jié)點時隙更新算法

時隙分配表包括每個時隙的使用狀態(tài)和使用節(jié)點ID號，即用一個狀態(tài)序?qū)Ρ硎?時隙使用狀態(tài)，使用節(jié)點ID)。狀態(tài)序?qū)Ψ譃?種情況：

(1)（0，-1）表示該時隙沒有被本節(jié)點的鄰居節(jié)點占用；

(2)（1，本節(jié)點ID號）表示該時隙被本節(jié)點占用；

(3)（2，鄰節(jié)點ID號）表示該時隙被本節(jié)點的一跳鄰節(jié)點占用；

(4)（3，使用節(jié)點ID號）時隙分配產(chǎn)生沖突。

當(dāng)節(jié)點接收到控制包時，根據(jù)時隙狀態(tài)更新函數(shù)對時隙進行更新。

時隙更新函數(shù)偽代碼：

3　協(xié)議性能仿真及結(jié)果分析

3.1協(xié)議仿真

為了考察協(xié)議的性能，在 OPNET平臺[10]下進行仿真。仿真參數(shù)如下：場景大小為 1 500 m×1 500 m，節(jié)點個數(shù)為6個，節(jié)點的通信范圍為300 m，數(shù)據(jù)傳輸速率為11 Mb/s，包大小為900 bit，控制包中 NMOP包大小為80 bit，請求時隙包大小為88 bit，釋放時隙包大小為96 bit，業(yè)務(wù)分組到達間隔服從指數(shù)分布，其平均值可調(diào)整，控制時隙 t0為 0.07 ms，數(shù)據(jù)時隙 t1為 1 ms。

圖3　4種典型拓撲結(jié)構(gòu)

3.2不同靜態(tài)拓撲條件下仿真結(jié)果分析

選取6個節(jié)點組成分布式、鏈狀、星形、環(huán)狀4種典型拓撲結(jié)構(gòu)，如圖3所示，仿真實現(xiàn)不同拓撲結(jié)構(gòu)下兩種協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)組建時間，即從第一幀開始一直到每個節(jié)點在一幀的數(shù)據(jù)時隙內(nèi)都可以發(fā)送數(shù)據(jù)所用的時間。由理論分析可知，E-USAP是在 USAP協(xié)議基礎(chǔ)上增加了每幀的控制時隙個數(shù)，對于 USAP協(xié)議，通過一個超幀才能實現(xiàn)所有節(jié)點一次控制幀的交互，而E-USAP協(xié)議在一幀的時間內(nèi)就可以實現(xiàn)控制幀的交互，大大提高了協(xié)議效率。

4種不同拓撲條件下網(wǎng)絡(luò)組建時間比較如圖4所示，可以看出，對于分布式網(wǎng)絡(luò)，原有協(xié)議網(wǎng)絡(luò)組建時間在0.088 1 s左右，改進后協(xié)議在0.018 3 s左右，大約縮減到了 1/5；對于鏈狀、星形、環(huán)狀網(wǎng)絡(luò)，原有協(xié)議網(wǎng)絡(luò)組建時間在0.03 s左右，改進后的協(xié)議在0.004 s左右，大約縮減到了1/7～1/6。所以E-USAP協(xié)議相對于原有的USAP協(xié)議，其網(wǎng)絡(luò)組建時間大幅度減小，節(jié)點能夠在較短時間內(nèi)完成組網(wǎng)。

3.3分布式動態(tài)拓撲條件下仿真結(jié)果分析

針對分布式拓撲結(jié)構(gòu)，仿真模擬節(jié)點5在預(yù)定軌跡上運動，運動軌跡及參數(shù)如圖5所示，節(jié)點移動速度為30 m/s，共定義5段軌跡，每段軌跡運動結(jié)束之后停留2 s。

圖5　節(jié)點5運動軌跡及參數(shù)

在OPNET仿真程序中，設(shè)置包的到達間隔均值，可以得到仿真網(wǎng)絡(luò)在不同負載下的性能指標(biāo)并評估兩種協(xié)議的吞吐量，即表示單位時間內(nèi)網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點成功接收數(shù)據(jù)分組的總量和時延，亦即源模塊產(chǎn)生數(shù)據(jù)分組到目的模塊接收到數(shù)據(jù)分組的時間。協(xié)議吞吐量性能比較如圖6所示，時延性能比較如圖7所示。

圖6　協(xié)議吞吐量性能比較

圖7　協(xié)議時延性能比較

由圖6可以看出，當(dāng)節(jié)點移動產(chǎn)生拓撲結(jié)構(gòu)的改變，改進后的協(xié)議能夠更快地作出反應(yīng)，減小因拓撲結(jié)構(gòu)改變導(dǎo)致的包沖突。在負載達到3.2 Mb/s時，兩種協(xié)議吞吐量達到穩(wěn)定，E-USAP協(xié)議約為0.97 Mb/s，USAP協(xié)議約為0.84 Mb/s，吞吐量相對于原有協(xié)議提高了15.5%。

由圖7可以看出，E-USAP協(xié)議時延總低于 USAP協(xié)議。E-USAP協(xié)議和USAP協(xié)議在負載達到3.2 Mb/s時時延趨于穩(wěn)定，E-USAP協(xié)議約為 1.36 s，USAP協(xié)議約為1.71 s，時延減小了25.7%。這是因為原有協(xié)議控制包交互一次需要一個超幀，當(dāng)拓撲變化時，不能及時作出反應(yīng)，導(dǎo)致包沖突加劇，發(fā)送包時間加長。

從上述分析結(jié)果得到，當(dāng)節(jié)點移動速度為30 m/s時，可以模擬典型車輛行駛過程中拓撲變化的場景，改進后的E-USAP協(xié)議在一個時幀中可以實現(xiàn)所有節(jié)點控制時隙的交互，在網(wǎng)絡(luò)達到穩(wěn)定時，吞吐量相對于原有協(xié)議提高了 15.5%，時延減小了 25.7%；在靜態(tài)拓撲條件下，改進后的 E-USAP協(xié)議縮短了 1/6～1/5的網(wǎng)絡(luò)組建時間，使節(jié)點能夠快速組網(wǎng)。

4　結(jié)論

本文針對原有協(xié)議中存在的無法快速適應(yīng) Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)拓撲變化及組網(wǎng)時間較長等問題進行改進。在靜態(tài)拓撲條件下，能夠減小網(wǎng)絡(luò)組建時間，使節(jié)點快速入網(wǎng)；在動態(tài)拓撲條件下，改進后的協(xié)議在網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定時相對于原有協(xié)議具有更好的吞吐量和時延性能，解決了原有協(xié)議無法適應(yīng)車載網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)快速變化的問題。但是協(xié)議幀結(jié)構(gòu)中的時隙總數(shù)是固定的，沒有使時隙利用率最大化，因此時幀長度隨著拓撲結(jié)構(gòu)變化動態(tài)可變將會是未來研究的重點。

[1]陳林星.移動自組織網(wǎng)絡(luò)—自組織分組無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2006.

[2]YOUNG C D.The mobile data link(MDL)of the joint tactical radio system wideband networking waveform[C].MILCOM 2006，Washington，DC，2006：1-6.

[3]YOUNG C D.USAP：A unifying dynamic distributed multichannel TDMA slot assignment protocol[C].Proc.MILCOM 96，1996，1：235-239.

[4]Li Wei，Wei Jibo，Wang Shan.An evolutionary-dynamic TDMA slot assignment protocol for Ad Hoc networks[C].IEEE Communications Society Subject Matter Experts for Publication in the WCNC 2007 Proceedings，2007：138-142.

[5]YOUNG C D.USAP multiple access：dynamic resource allocation for mobile multihop multichannel wireless networking[C].Proc.MILCOM 99，1999，1：271-275.

[6]YOUNG C D.USAP multiple broadcast access：transmitterand receiver-directed dynamic resource allocation for mobile，multihop，multichannel，wireless networking[C].Proc.MILCOM 00，2000，1：549-553.

[7]彭大展，張晶.聯(lián)合戰(zhàn)術(shù)無線電系統(tǒng)寬帶網(wǎng)絡(luò)波形研究[J].無線通信技術(shù)，2013，39(2)：65-68.

[8]宋滔，周冰，叢鍵.自適應(yīng)的寬帶戰(zhàn)術(shù)網(wǎng)絡(luò)波形技術(shù)研究[J].通信技術(shù)，2014，47(7)：728-732.

[9]葉林睿.基于TDMA的自組織網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議研究[D].成都：電子科技大學(xué)，2008.

[10]陳敏.OPNET網(wǎng)絡(luò)仿真[M].北京：清華大學(xué)出版社，2004.

A reformed TDMA protocol fitted for dynamic topology

Du Jing，Xi Yong，Huang Shengchun
(School of Electronic Science and Engineering，National University of Defense Technology，Changsha 410073，China)

To satisfy the requirements for ad hoc tactical communications network fast dynamic networking,based on the classic USAP protocol,the E-USAP protocol adapted to dynamic topology is proposed.By employing a distributed slot assignment method schemes,the proposed protocol reduces control information exchange cycle by increasing the number of control slots in the frame structure,and can respond quickly to dynamic topology changes.The analysis and simulation indicate the reformed protocol can reduce the networking time under the conditions of static topology，and present good performance on throughput and delay and can better respond to ad hoc network topology changes under the conditions of dynamic topology.

USAP；distribution；slot assignment；dynamic topology

TN915.04

A

10.16157/j.issn.0258-7998.2016.09.022

國家自然科學(xué)基金（61401492）

2016-03-30)

杜靜（1993-），通信作者，女，碩士研究生，主要研究方向：無線通信網(wǎng)絡(luò)，E-mail：dj19931126@163.com。

習(xí)勇（1977-），男，副研究員，主要研究方向：現(xiàn)代通信技術(shù)。

黃圣春(1982-)，男，講師，主要研究方向：現(xiàn)代通信技術(shù)。

中文引用格式：杜靜，習(xí)勇，黃圣春.一種適用于動態(tài)拓撲變化的改進型TDMA協(xié)議[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2016，42(9)：84-86，90.

英文引用格式：Du Jing，Xi Yong，Huang Shengchun.A reformed TDMA protocol fitted for dynamic topology[J].Application of Electronic Technique，2016，42(9)：84-86，90.