王凱銳，荊敏，康樂峰，張宏偉，張麗蓉

（1.北方自動控制技術(shù)研究所，太原030006；2.北京特種車輛研究所，北京100072）

基于MATLAB的TDMA/CSMA混合協(xié)議仿真分析

王凱銳1，荊敏2，康樂峰1，張宏偉1，張麗蓉1

（1.北方自動控制技術(shù)研究所，太原030006；2.北京特種車輛研究所，北京100072）

TDMA（時分多址）和CSMA（載波偵聽）是兩種常見的Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)多址接入方式，兩種方法各有利弊。TDMA避免了節(jié)點(diǎn)之間的沖突，但是平均時延隨著網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的擴(kuò)大而急劇增長，當(dāng)某節(jié)點(diǎn)在給定的時隙內(nèi)沒有發(fā)送請求時，會產(chǎn)生空時隙，造成資源浪費(fèi)；CSMA采用競爭的方式，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)規(guī)模擴(kuò)大時，節(jié)點(diǎn)的碰撞概率很大，信道利用率降低。根據(jù)兩者的特點(diǎn)，提出了TDMA/CSMA混合多址接入?yún)f(xié)議，采用固定分配和動態(tài)分配相結(jié)合的方式，進(jìn)一步提高網(wǎng)絡(luò)吞吐量、降低平均時延，并通過MATLAB軟件對協(xié)議進(jìn)行仿真建模，驗證其性能。

MAC層，多址接入，時分復(fù)用，載波偵聽

0 引言

根據(jù)未來戰(zhàn)術(shù)移動通信的作戰(zhàn)需求以及無線自組網(wǎng)的特點(diǎn)，其特別適用于軍事戰(zhàn)術(shù)通信，是構(gòu)建未來數(shù)字化部隊的重要組成部分，它是互聯(lián)的無線戰(zhàn)術(shù)電臺的集合，主要用于加強(qiáng)指揮人員、部隊、士兵以及武器系統(tǒng)對指揮數(shù)據(jù)的共享，并能夠近似實(shí)時地感知態(tài)勢，可提高部隊和武器系統(tǒng)的作戰(zhàn)能力和生存能力。因此，研究無線自組網(wǎng)具有非常重要的戰(zhàn)略意義。

在移動自組織網(wǎng)絡(luò)中，使用者在進(jìn)行通信的過程中，一個信道只能通過一個使用者的通信信息，所以當(dāng)有很多使用者同時進(jìn)行通信的時候，需要在信道中加入一個區(qū)分開它們的對象，而這個對象就是多址。每個節(jié)點(diǎn)有唯一的地址，使得不同的節(jié)點(diǎn)可以將信息發(fā)送到同一信道上，這就是多址接入（Multiple Access）方式。此時，多個節(jié)點(diǎn)共享同一物理信道。因此，多址接入?yún)f(xié)議的優(yōu)劣對網(wǎng)絡(luò)性能有很重要的影響，其主要目標(biāo)是提高網(wǎng)絡(luò)的吞吐量并降低平均時延［1］。

在現(xiàn)階段，戰(zhàn)術(shù)通信的載體為窄帶戰(zhàn)術(shù)電臺，它通常被定位為在一定的作戰(zhàn)區(qū)域內(nèi)，一個戰(zhàn)役級或者戰(zhàn)斗級作戰(zhàn)規(guī)模中所使用的通信設(shè)備。它們長期、廣泛地存在于許多國家的武器裝備序列中，在通過超短波跳頻電臺對無線自組織網(wǎng)絡(luò)搭建的過程中，存在許多難點(diǎn)問題，比如多址接入技術(shù)。

目前常見的無線自組織網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)方式有TDMA（時分復(fù)用）和CSMA（載波偵聽）兩種。

1 多址接入?yún)f(xié)議的分類

1.1 非競爭（調(diào)度）類

非競爭類是通過調(diào)度要傳輸數(shù)據(jù)的節(jié)點(diǎn)來避免多個節(jié)點(diǎn)同時接入信道。節(jié)點(diǎn)按照調(diào)度的先后順序傳輸數(shù)據(jù)，確保每次傳輸都會成功。非競爭類又分為固定分配和按需分配兩種方式。固定分配方式：把信道容量在所有節(jié)點(diǎn)之間平分，比如TDMA（時分復(fù)用）、FDMA（頻分復(fù)用）；按需分配方式：只有節(jié)點(diǎn)有傳輸要求時才分配資源，如令牌環(huán)傳遞。

對于TDMA協(xié)議，通過對網(wǎng)內(nèi)節(jié)點(diǎn)分配固定的時隙，避免不同節(jié)點(diǎn)之間產(chǎn)生沖突。將傳輸時間分成多個幀，為每個節(jié)點(diǎn)分配固定的時間片，各個用戶之間的時間片互不重疊。但是，當(dāng)節(jié)點(diǎn)不斷移動、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)復(fù)雜多變、網(wǎng)絡(luò)規(guī)模較大時，這種方法的平均時延顯著增長，如果某節(jié)點(diǎn)在給定分配的時隙內(nèi)無發(fā)送請求，則會產(chǎn)生空時隙，造成資源的浪費(fèi)，從而降低了信道的利用率［2］。

1.2 競爭（隨機(jī)）類

當(dāng)節(jié)點(diǎn)有發(fā)送需求時，并不確定是否會同其他節(jié)點(diǎn)發(fā)生沖突，即使偵聽信道也不能確定即將發(fā)生的傳輸，因為該節(jié)點(diǎn)并不知道其他節(jié)點(diǎn)的發(fā)送情況。若多個節(jié)點(diǎn)準(zhǔn)備競爭信道并發(fā)送數(shù)據(jù)，則發(fā)生沖突。典型的協(xié)議有：ALOHA協(xié)議、時隙ALOHA協(xié)議、CSMA協(xié)議。

對于CSMA協(xié)議，節(jié)點(diǎn)在發(fā)送數(shù)據(jù)之前，先檢測信道狀態(tài)，只有信道空閑時，才可以發(fā)送數(shù)據(jù)。由于并不知道其他節(jié)點(diǎn)的情況，所以容易產(chǎn)生沖突。即使是等待一段時間之后重傳，沖突的可能性依舊存在。值得注意的是，碰撞的發(fā)生并不是在發(fā)送方一側(cè)，而是在接收方一側(cè)。由于載波偵聽沒有提供避免碰撞所必需的所有信息，這就導(dǎo)致了“隱終端”的問題，如圖1所示，對于帶寬有限的無線自組織網(wǎng)絡(luò)，這會極大地浪費(fèi)資源［9］。

圖1 隱含終端示意圖

2 TDMA/CSMA混合協(xié)議的時隙分配方案

在TDMA通信系統(tǒng)中，時隙分配是影響業(yè)務(wù)時延性能的重要因素，包括時隙數(shù)量分配、時隙分配周期等方面。CSMA協(xié)議容易產(chǎn)生數(shù)據(jù)碰撞，合理的退避算法以及退避時間窗口可以較好地解決問題［10］。

根據(jù)當(dāng)前典型多址接入?yún)f(xié)議的優(yōu)勢與不足以及常用的無線自組網(wǎng)方式，本文提出一種改進(jìn)的協(xié)議：將TDMA和CSMA相結(jié)合的多址接入方式（TDMA/CSMA混合多址接入?yún)f(xié)議）。

針對TDMA協(xié)議可能會產(chǎn)生空時隙（即節(jié)點(diǎn)不占用給定時隙）的情況，利用CSMA機(jī)制競爭該時隙，盡量使每一個時隙都被利用。所以本文提出的混合協(xié)議的時隙分配方法是采用固定分配與動態(tài)分配相結(jié)合的方式［5］。固定分配采用TDMA多址接入方式，動態(tài)分配采用CSMA多址接入方式，優(yōu)勢互補(bǔ)，以期進(jìn)一步提高網(wǎng)絡(luò)的吞吐量、降低平均時延。

2.1 固定分配方式

根據(jù)當(dāng)前的部隊編制及實(shí)際營、連級炮兵部隊作戰(zhàn)單元的數(shù)目，假設(shè)網(wǎng)內(nèi)最多有16個節(jié)點(diǎn)（后續(xù)仿真也是以16個節(jié)點(diǎn)為例），則最多為這個網(wǎng)絡(luò)分配16個時隙。按照節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)的先后順序，依次將16個時隙分配給每一個節(jié)點(diǎn)。此時，節(jié)點(diǎn)和時隙有了一一對應(yīng)的關(guān)系，將某時隙被分配給的節(jié)點(diǎn)稱為該時隙的主節(jié)點(diǎn)，相應(yīng)地，將節(jié)點(diǎn)已分配的時隙稱為該節(jié)點(diǎn)的主時隙。對于一個時隙，有兩個偵聽時間段：主節(jié)點(diǎn)偵聽時間段、非主節(jié)點(diǎn)偵聽時間段。在固定分配方式下，只關(guān)注主節(jié)點(diǎn)偵聽時間段。如果主節(jié)點(diǎn)有發(fā)送請求，則在其主時隙到達(dá)時立即占據(jù)信道，并發(fā)送2包數(shù)據(jù)。時隙結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 時隙結(jié)構(gòu)

2.2 動態(tài)分配方式

在固定分配的時隙內(nèi)，信道空閑，即主節(jié)點(diǎn)沒有發(fā)送請求。此時，出現(xiàn)了空時隙，這會造成資源的浪費(fèi)以及信道利用率的降低。這時采用動態(tài)分配方式：到達(dá)偵聽時刻且有發(fā)送需求的非主節(jié)點(diǎn)在非主節(jié)點(diǎn)偵聽時間段內(nèi)偵聽并嘗試競爭信道（不是所有的非主節(jié)點(diǎn)都可以去競爭信道，其必須滿足兩個條件：①時間到達(dá)其偵聽窗口；②有發(fā)送需求。以此來降低沖突概率）。滿足條件的非主節(jié)點(diǎn)根據(jù)自己的優(yōu)先級啟動倒計時窗口，倒計時窗口減為0時，節(jié)點(diǎn)可以占據(jù)信道。如果沒有產(chǎn)生沖突，則競爭成功的節(jié)點(diǎn)占據(jù)信道并發(fā)送1包數(shù)據(jù)，本協(xié)議規(guī)定，節(jié)點(diǎn)占據(jù)且只能占據(jù)這1個空時隙，這是為了不影響接下來固定分配的時隙；如果產(chǎn)生沖突（出現(xiàn)優(yōu)先級相同的節(jié)點(diǎn)），節(jié)點(diǎn)采用退避算法更新偵聽時刻。

2.3 改進(jìn)的退避算法

CSMA的退避算法有很多種，常見的有二進(jìn)制指數(shù)BEB（Binary Exponential Back-off）退避算法、倍數(shù)遞增線性遞減MILD（Multiplicative Increase Linear Decrease）退避算法［6］。

式（1）描述了BEB算法的Finc和Fdec函數(shù)。如果發(fā)送成功，就對退避窗口執(zhí)行Fdec操作；如果發(fā)生沖突，就對退避窗口執(zhí)行Finc操作。即產(chǎn)生沖突時，退避時間加倍；如果發(fā)送成功，則退避時間降到最低。結(jié)果是：發(fā)送成功的節(jié)點(diǎn)在下一次發(fā)送時具有最高的信道接入優(yōu)勢。該算法導(dǎo)致最后一次發(fā)送成功的節(jié)點(diǎn)具有最大的競爭優(yōu)勢，這會帶來信道爭用不公平的現(xiàn)象，使得其他節(jié)點(diǎn)難以接入信道，進(jìn)而造成部分節(jié)點(diǎn)“饑餓”甚至“餓死”的情況。同時，該算法不存在區(qū)分服務(wù)。

式（2）是MILD算法描述，它是對BEB算法的改進(jìn)，其退避時間倍數(shù)遞增線性遞減。α和β是兩個可以更改的參數(shù)。如果β取值合理，節(jié)點(diǎn)發(fā)送成功后，退避窗口不會大幅降低，在隨后的信道競爭中，各個節(jié)點(diǎn)占據(jù)信道的概率幾乎相等，實(shí)現(xiàn)了公平接入。產(chǎn)生沖突時，退避窗口增加α倍，如果α取值合理，退避窗口也不會急劇擴(kuò)大。MILD算法更加公平。但是該算法也可能出現(xiàn)退避時間窗口值相差較大的情況。假設(shè)當(dāng)前信道競爭比較激烈，如果有新節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)，由于該節(jié)點(diǎn)并不知道信道爭用情況，它的退避窗口值比較小，這就產(chǎn)生了不公平現(xiàn)象。

考慮到軍事作戰(zhàn)的特殊性，網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的節(jié)點(diǎn)重要性并不一樣，應(yīng)該賦予節(jié)點(diǎn)不同的網(wǎng)絡(luò)優(yōu)先級，越重要的節(jié)點(diǎn)往往有更多的數(shù)據(jù)需要發(fā)送，相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)優(yōu)先級應(yīng)該更高。而BEB算法和MILD算法都沒有考慮節(jié)點(diǎn)的優(yōu)先級。因此，本協(xié)議采用了基于節(jié)點(diǎn)優(yōu)先級和沖突次數(shù)的退避算法。本算法的核心思想是重點(diǎn)考慮節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)優(yōu)先級，使優(yōu)先級高的節(jié)點(diǎn)以更大的概率去占據(jù)空時隙。偵聽時刻更新的計算方法為式（3）。改進(jìn)的退避算法只適用于處在偵聽時刻的非主節(jié)點(diǎn)。為了最大限度避免沖突，主要采取了3個方法。第1，不同的節(jié)點(diǎn)有不同的退避時隙個數(shù)（與其優(yōu)先級和沖突次數(shù)有關(guān)）；第2，不同優(yōu)先級的節(jié)點(diǎn)在競爭信道時具有不同的倒計時窗口；第3，如果出現(xiàn)空時隙，則該時隙的主節(jié)點(diǎn)不得再去競爭。主節(jié)點(diǎn)最先開始偵聽并占據(jù)信道發(fā)送數(shù)據(jù)，到達(dá)偵聽時刻的非主節(jié)點(diǎn)偵聽到信道為忙，則啟動退避算法，更新下一個偵聽時刻；如果主節(jié)點(diǎn)不發(fā)送數(shù)據(jù)，則信道為空，非主節(jié)點(diǎn)偵聽并啟動倒計時去競爭信道：如果競爭成功，發(fā)送1包數(shù)據(jù)后執(zhí)行退避算法，更新下一個偵聽時刻；如果產(chǎn)生沖突，則直接執(zhí)行退避算法，更新下一個偵聽時刻。因為本文提出的是混合協(xié)議，且TDMA協(xié)議是基礎(chǔ)，所以退避算法最小時間窗口CWmin（Contention Window）設(shè)置為1個時隙寬度（slot）［8］。

t：當(dāng)前時刻；p：節(jié)點(diǎn)優(yōu)先級；c：節(jié)點(diǎn)沖突次數(shù)；slot：時隙長度；Mnum：最大節(jié)點(diǎn)數(shù)目。如果信道忙或者非主節(jié)點(diǎn)沒有發(fā)送需求，處于偵聽時刻的節(jié)點(diǎn)執(zhí)行Fdec函數(shù)，更新下一個偵聽時刻；如果發(fā)送成功，處于偵聽時刻的節(jié)點(diǎn)執(zhí)行Fdec函數(shù)，更新下一個偵聽時刻，且發(fā)送成功的節(jié)點(diǎn)沖突次數(shù)變?yōu)?；如果產(chǎn)生沖突，處于偵聽時刻的節(jié)點(diǎn)執(zhí)行Finc函數(shù)，更新下一個偵聽時刻；如果某處于偵聽時刻的非主節(jié)點(diǎn)在執(zhí)行Finc函數(shù)或者Fdec函數(shù)后，下一個偵聽時刻處于該節(jié)點(diǎn)的主時隙，則再執(zhí)行Fcor函數(shù)進(jìn)行修正，即增加1個時隙，跳過其主時隙。將節(jié)點(diǎn)的優(yōu)先級分為1、2、3、4，優(yōu)先級依次降低。倒計時窗口依次為DIFS；2*DIFS；3*DIFS；4*DIFS。倒計時窗口越小，越容易競爭成功。在BEB算法中，如果某節(jié)點(diǎn)競爭信道成功，則其退避時間窗口直接降為最小值，而改進(jìn)的退避算法在節(jié)點(diǎn)競爭信道成功后，退避時間窗口的降低更加平緩。

2.4 TDMA/CSMA混合協(xié)議的流程圖

TDMA/CSMA混合協(xié)議流程如下頁圖3所示。

本文提出的TDMA/CSMA混合協(xié)議將傳統(tǒng)的TDMA協(xié)議和CSMA協(xié)議進(jìn)行了結(jié)合。通過TDMA協(xié)議，為所有入網(wǎng)節(jié)點(diǎn)都分配了資源，最大限度地避免了沖突；通過CSMA協(xié)議，有效地減少了空時隙的浪費(fèi)。

圖3 TDMA/CSMA混合協(xié)議流程圖

3 對協(xié)議的MATLAB仿真

在通信系統(tǒng)仿真中，有多種軟件，比如MATLAB/Simulink、OPNET、NS2等。它們有不同的特點(diǎn)，適用于不同層次的通信仿真。物理層仿真通常采用MATLAB/Simulink，而網(wǎng)絡(luò)層仿真通常采用OPNET、NS2。由于本文的研究內(nèi)容為多址接入?yún)f(xié)議，屬于物理層，故而選擇MATLAB軟件。

在MATLAB R2010b環(huán)境下對本文提出的TDMA/CSMA混合協(xié)議進(jìn)行仿真驗證。數(shù)據(jù)包通信系統(tǒng)如圖4所示，仿真流程如圖5所示［3］。

圖4 數(shù)據(jù)包通信系統(tǒng)

仿真中使用的主要參數(shù)如表1所示。

圖5 MATLAB仿真流程圖

表1 仿真主要參數(shù)

基本設(shè)置：

（1）包產(chǎn)生：每個終端都假設(shè)相互獨(dú)立地隨機(jī)產(chǎn)生數(shù)據(jù)包，并且數(shù)據(jù)包產(chǎn)生過程服從Possin分布［11］，即滿足如下特點(diǎn)：①獨(dú)立性：在互不交疊的時間間隔內(nèi)產(chǎn)生數(shù)據(jù)包的個數(shù)是相互獨(dú)立的。②平穩(wěn)性：在一段時間間隔內(nèi)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)包個數(shù)僅僅與該段時間間隔有關(guān)，而與起止時間無關(guān)。③稀疏性：在非常小的時間間隔內(nèi)，產(chǎn)生兩個及兩個以上數(shù)據(jù)包的概率非常小，可以忽略。

（2）業(yè)務(wù)量：新產(chǎn)生的數(shù)據(jù)包個數(shù)和重傳數(shù)據(jù)包個數(shù)之和，與數(shù)據(jù)包產(chǎn)生時間間隔有關(guān)，間隔越小，單位時間產(chǎn)生的數(shù)據(jù)包越多；間隔越大，單位時間產(chǎn)生的數(shù)據(jù)包越少。

（3）碰撞：對于無線通信系統(tǒng)來說，接收到的數(shù)據(jù)包的功率依賴于終端的位置和信道條件。因此，即使幾個數(shù)據(jù)包發(fā)生碰撞，具有最大接收功率的數(shù)據(jù)包也可能被正確接收。一般把這種情況稱為捕獲效應(yīng)。本協(xié)議假設(shè)所有發(fā)生碰撞的數(shù)據(jù)包都為發(fā)送失?。?］。

（4）通信信道：接收到的信號功率隨著接入點(diǎn)與終端之間距離的增加而下降，造成路徑損耗；信號在無線信道傳播過程中遇到建筑物與其他障礙物的遮擋會使其發(fā)生隨機(jī)變化，進(jìn)而導(dǎo)致功率的隨機(jī)變化，這就產(chǎn)生了陰影衰落。本協(xié)議暫時假設(shè)信道為理想信道，接入點(diǎn)接收到的各個終端的信號功率是相同的。在后續(xù)的工作中會進(jìn)一步完善信道模型。

對TDMA協(xié)議、CSMA協(xié)議以及TDMA/CSMA混合協(xié)議進(jìn)行建模仿真，并對比3種協(xié)議的吞吐量和平均時延。仿真結(jié)果如圖6和圖7所示。

圖6 3種協(xié)議吞吐量對比

圖7 3種協(xié)議平均時延對比

從圖6的仿真結(jié)果可以看出，隨著節(jié)點(diǎn)業(yè)務(wù)量的增加，3種協(xié)議的吞吐量在達(dá)到飽和后均呈下降趨勢，但是在業(yè)務(wù)量相同時，TDMA/CSMA混合協(xié)議的吞吐量更高。

從圖6的仿真結(jié)果可以看出，隨著節(jié)點(diǎn)業(yè)務(wù)量的增加，3種協(xié)議的平均時延均呈上升趨勢，但是在相同業(yè)務(wù)量的前提下，TDMA/CSMA混合協(xié)議的平均時延更小。

綜上所述，TDMA/CSMA混合協(xié)議在業(yè)務(wù)量相同時，吞吐量更高、平均時延更小，比其他兩個協(xié)議的性能要好。

4 結(jié)論

混合協(xié)議可以簡單地描述為兩種或者多種協(xié)議的組合。但是在本文中，將其局限地定義為只包含競爭協(xié)議要素和分配協(xié)議要素的組合?；旌隙嘀方尤?yún)f(xié)議能夠保持兩類協(xié)議的優(yōu)點(diǎn)，同時又可以有效避免各個協(xié)議的缺陷。因此，一個混合協(xié)議的性能在傳輸載荷輕的時候近似表現(xiàn)為競爭協(xié)議的性能，而在傳輸載荷重的時候近似表現(xiàn)為分配協(xié)議的性能。

本文通過對當(dāng)前常見的無線自組網(wǎng)TDMA協(xié)議和CSMA協(xié)議進(jìn)行仿真分析，提出了改進(jìn)的TDMA/CSMA混合協(xié)議，將前兩種協(xié)議結(jié)合起來，并設(shè)計了一種退避算法，降低動態(tài)分配時節(jié)點(diǎn)碰撞的概率。仿真結(jié)果表明，改進(jìn)的協(xié)議可以提高網(wǎng)絡(luò)的吞吐量并降低平均時延。

在接下來的工作中，首先要進(jìn)一步完善協(xié)議的數(shù)學(xué)模型（信道噪聲、信號的衰落、捕獲效應(yīng)等），使仿真結(jié)果更加接近真實(shí)情況；而后參考TDMA標(biāo)準(zhǔn)與IEEE 802.11無線局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)中對幀結(jié)構(gòu)在功能和傳輸性能上的規(guī)定，根據(jù)改進(jìn)的TDMA/CSMA混合協(xié)議內(nèi)容，在原有協(xié)議規(guī)定的幀結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上進(jìn)行修改，設(shè)計出一種更加適合改進(jìn)的多址接入?yún)f(xié)議的幀結(jié)構(gòu)。

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Research and Simulate on TDMA and CSMA mixed multiple access protocol Based on MATLAB

WANG Kai-rui1，JING Min2，KANG Le-feng1，ZHANG Hong-wei1，ZHANG Li-rong1
（1.North Automatic Control Technology Institute，Taiyuan 030006，China；
2.Beijing Armed Vehide Proving Ground，Beijing 100072，China）

TDMA and CSMA are two kinds of common multiple accesses protocols of Ad Hoc network，they have both advantages and disadvantages.TDMA can avoid collision among different nodes，but average delay becomes longer when network scale expands，at the same time，if some nodes don’t have transmission requirement in its slots，there will be free slots.CSMA uses competition pattern，but collision probability of nodes increases when network scale expands.According to two kinds of protocols，this paper presents a kind of mixed multiple accesses protocol which combines TDMA with CSMA.Using fixed distribution and dynamic distribution to improve network efficiency and decrease average delay.Using MATLAB software to simulate and prove its property.

MAC level，multiple access，TDMA，CSMA

TP393

A

1002-0640（2017）02-0163-05

2016-01-05

2016-02-07

王凱銳（1990-），男，陜西寶雞人，碩士。研究方向：無線自組網(wǎng)技術(shù)。