郭強(qiáng)

關(guān)鍵詞：分布式；TDMA；無線網(wǎng)絡(luò)；時(shí)隙；調(diào)配

無線網(wǎng)絡(luò)是由多個(gè)無線通信設(shè)備組成的網(wǎng)絡(luò)，在網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍之內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，可以直接完成通信，在網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍之外的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，可以通過中間節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)來完成通信[1]。因此，使用無線網(wǎng)絡(luò)可以有效提高網(wǎng)絡(luò)通信效率。為了使網(wǎng)絡(luò)性能更佳，開始研究網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議。時(shí)分多址接入?yún)f(xié)議是一種獨(dú)特的協(xié)議，可以應(yīng)對突發(fā)性的網(wǎng)絡(luò)通信過程，具備較為良好的抗干擾能力，并且不會(huì)與傳輸報(bào)文的內(nèi)容沖突。分布式時(shí)分多址接入?yún)f(xié)議主要是將網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)量增大，提高網(wǎng)絡(luò)性能[2]。無線網(wǎng)絡(luò)是一種不需要基礎(chǔ)通信設(shè)施支持的無中心節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)與其他網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)有很大的不同。

多跳通信、無中心自組織性、臨時(shí)性、網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)拓?fù)?、分布式控制、對等性等特點(diǎn)，均為無線網(wǎng)絡(luò)突出的優(yōu)勢，為其提供了較為廣闊的發(fā)展空間[3]。利用分布式TDMA可以對網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行靈活性、高適應(yīng)性的時(shí)隙動(dòng)態(tài)分配。對于給定的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，使用時(shí)分多址接入?yún)f(xié)議，預(yù)留出該節(jié)點(diǎn)的覆蓋位置，同時(shí)保證時(shí)隙預(yù)留的局部化，由此完成網(wǎng)絡(luò)時(shí)隙調(diào)配[4]。此過程中，通信信道可以反復(fù)使用，提高信道利用率的同時(shí)，減少網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)擁堵的現(xiàn)象。因此，本文設(shè)計(jì)了基于分布式TDMA的無線網(wǎng)絡(luò)時(shí)隙調(diào)配方法，滿足無線網(wǎng)絡(luò)時(shí)隙調(diào)配需求。

1 基于分布式TDMA的無線網(wǎng)絡(luò)時(shí)隙調(diào)配方法設(shè)計(jì)

1.1 提取分布式TDMA 協(xié)議幀結(jié)構(gòu)特征

分布式TDMA協(xié)議幀具有適應(yīng)性高的特點(diǎn)，提取出協(xié)議幀結(jié)構(gòu)特征，對于劃分時(shí)隙具有重要作用。本文假設(shè)分布式TDMA協(xié)議幀被分為控制時(shí)段與信息時(shí)段，則幀結(jié)構(gòu)為預(yù)約幀與信息幀[5]。本文將預(yù)約幀假定為A，信息幀為B，則得出的分布式TDMA協(xié)議幀結(jié)構(gòu)特征如圖1所示。

如圖1所示，A為預(yù)約幀；B為信息幀；A1、An為預(yù)約時(shí)隙；a1、an為預(yù)約周期；1、2、3、4、5分別為預(yù)約請求、沖突報(bào)告、預(yù)約確認(rèn)、預(yù)約應(yīng)答、打包/消除；B1、Bn為信息時(shí)隙[6]。根據(jù)協(xié)議幀的結(jié)構(gòu)，得出每一個(gè)預(yù)約幀可以劃分出多個(gè)預(yù)約時(shí)隙，預(yù)約時(shí)隙可以劃分出多個(gè)預(yù)約周期，最終得出預(yù)約請求、沖突報(bào)告、預(yù)約確認(rèn)、預(yù)約應(yīng)答、打包/消除等結(jié)構(gòu)；在相同條件下，信息幀僅能劃分出多個(gè)信息時(shí)隙。

1.2 基于分布式TDMA 同步無線網(wǎng)絡(luò)時(shí)隙調(diào)配節(jié)點(diǎn)

在上述劃分出的時(shí)隙特征基礎(chǔ)上，本文將網(wǎng)絡(luò)時(shí)隙調(diào)配節(jié)點(diǎn)與時(shí)隙節(jié)點(diǎn)相同步。保證時(shí)隙同步是本文設(shè)計(jì)的調(diào)配方法的主要條件。只有保持時(shí)隙同步，才能使網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)接入信道傳輸信息的無沖突性[7]。本文主要應(yīng)用互同步的方式，對分布式時(shí)分多址接入?yún)f(xié)議進(jìn)行調(diào)整。網(wǎng)絡(luò)采用分布式TDMA接入時(shí)，接入時(shí)間劃分出多個(gè)時(shí)間幀，每個(gè)幀在不同的網(wǎng)絡(luò)規(guī)模下，可以分為多個(gè)時(shí)隙。本文面向無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，對其進(jìn)行時(shí)隙調(diào)度。本文假定網(wǎng)絡(luò)中存在N 個(gè)節(jié)點(diǎn)，i、j 均為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)中的個(gè)體，當(dāng)i、j 之間的信噪比大于某個(gè)閾值時(shí)，則可以判定節(jié)點(diǎn)i、j 之間可以進(jìn)行通信。信噪比與閾值的關(guān)系式如下：

式（1-2） 中，X （i，j ）為節(jié)點(diǎn)i、j 的信噪比，Si 為節(jié)點(diǎn)i的信息發(fā)送速率，K （i，j ）為節(jié)點(diǎn)i到節(jié)點(diǎn)j的通信損耗，P 為空白信道白噪聲影響系數(shù)，δ 為時(shí)隙門閾值，Sk 為同時(shí)傳輸數(shù)據(jù)時(shí)發(fā)生的沖突信息。由此判定，信噪比X （i，j ）與閾值δ 之間呈現(xiàn)反比關(guān)系，在時(shí)隙調(diào)配過程中存在沖突?？紤]到分布式TDMA在每個(gè)節(jié)點(diǎn)上的調(diào)配周期內(nèi)，至少存在一次的時(shí)隙調(diào)度，本文將無線網(wǎng)絡(luò)看作靜態(tài)結(jié)構(gòu)，當(dāng)時(shí)隙調(diào)配節(jié)點(diǎn)能夠正常使用時(shí)，i、j 存在通信鏈路，網(wǎng)絡(luò)時(shí)隙無須調(diào)配，可直接使用；當(dāng)時(shí)隙調(diào)配節(jié)點(diǎn)存在沖突時(shí)，i、j 不存在通信鏈路，ti，j與tj，i則為節(jié)點(diǎn)i、j 的兩跳鄰節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)同步公式如下所示：

1.3 構(gòu)建動(dòng)態(tài)時(shí)隙調(diào)配模型

為了實(shí)現(xiàn)無線網(wǎng)絡(luò)時(shí)隙的高效調(diào)配，本文在同步了時(shí)隙調(diào)配節(jié)點(diǎn)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了動(dòng)態(tài)時(shí)隙調(diào)配模型。信息在經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)時(shí)，形成了多個(gè)信息時(shí)隙，經(jīng)過信道之后，再由多個(gè)接收天線接收[8]。因此，動(dòng)態(tài)時(shí)隙收發(fā)信道矩陣如式（5） 所示：

2 實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證本文設(shè)計(jì)的調(diào)配方法是否具有使用價(jià)值，本文對上述方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)結(jié)果以傳統(tǒng)無線網(wǎng)絡(luò)時(shí)隙調(diào)配方法，與本文設(shè)計(jì)的基于分布式TDMA的無線網(wǎng)絡(luò)時(shí)隙調(diào)配方法進(jìn)行對比的形式呈現(xiàn)。具體實(shí)驗(yàn)過程及實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下所示。

2.1 實(shí)驗(yàn)過程

在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)之前，本文對無線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)進(jìn)行延時(shí)處理，并將網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)規(guī)劃成如圖2所示的場景。

如圖2所示，數(shù)據(jù)流源節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)的參數(shù)位置分別為1～3、3～5、5～4、4～6、6～7、7～2、2～8。為了保證網(wǎng)絡(luò)發(fā)送延時(shí)情況具有良好的處理效果，本文設(shè)定同步時(shí)隙時(shí)幀個(gè)數(shù)為32個(gè)，每個(gè)時(shí)隙長度為0.22ms，保護(hù)間隔為0.04ms，為時(shí)隙長度設(shè)定為10μs。以此為基礎(chǔ)，時(shí)隙預(yù)約時(shí)幀、數(shù)據(jù)時(shí)幀的時(shí)隙個(gè)數(shù)均與同步時(shí)隙時(shí)幀個(gè)數(shù)一致，每個(gè)時(shí)隙長度分別為0.52ms與5.03ms，保護(hù)間隔分別為0.06ms與0.50ms，微時(shí)隙長度與同步時(shí)幀一致。此時(shí)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的參數(shù)配置如表1所示。

如表1所示，令發(fā)送數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)每隔1個(gè)循環(huán)時(shí)幀，產(chǎn)生220byte，測試時(shí)間設(shè)定為3min，各個(gè)節(jié)點(diǎn)接收到的時(shí)隙數(shù)如圖3所示。

如圖3所示，在網(wǎng)絡(luò)靜止?fàn)顟B(tài)下，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)可以收到的時(shí)隙數(shù)為2.0。在網(wǎng)絡(luò)處于非靜止的動(dòng)態(tài)變化狀態(tài)下，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)可以收到的時(shí)隙數(shù)在4～6的范圍區(qū)間內(nèi)。由此可以判定，使用本文設(shè)計(jì)的方法在上述8個(gè)節(jié)點(diǎn)中，可以起到優(yōu)先處理的作用，使網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)調(diào)配到更多優(yōu)質(zhì)的時(shí)隙資源。同時(shí)，在0信道的環(huán)境下，對網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)接入時(shí)延的影響不大，并不會(huì)出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)“餓死”的狀態(tài)。網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)在不同負(fù)載條件下的吞吐量情況如圖4所示。

如圖4所示，網(wǎng)絡(luò)負(fù)載與吞吐量在網(wǎng)絡(luò)靜止?fàn)顟B(tài)下處于相同水平線上，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)業(yè)務(wù)在0Byte/s～1KByte/s 范圍內(nèi)時(shí)，處于上升態(tài)勢，并在1KByte/s～512KByte/s范圍內(nèi)處于穩(wěn)定。網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)在此負(fù)載條件下，吞吐量也在0Byte/s～1KByte/s范圍內(nèi)時(shí)，處于上升態(tài)勢，在1KByte/s～512KByte/s范圍內(nèi)時(shí)，處于下降態(tài)勢。由于網(wǎng)絡(luò)負(fù)載在1KByte/s～512KByte/s范圍內(nèi)處于穩(wěn)定，節(jié)點(diǎn)發(fā)送業(yè)務(wù)速率提升時(shí)，負(fù)載也不會(huì)出現(xiàn)變化，吞吐量就會(huì)出現(xiàn)下降，避免了數(shù)據(jù)包之間相互碰撞，可以保證網(wǎng)絡(luò)時(shí)隙的基礎(chǔ)調(diào)配效果。

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在上述實(shí)驗(yàn)條件下，本文隨機(jī)選取出8個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)發(fā)送速率分別為1/10kbps、2/20kbps、3/40kbps、4/60kbps、5/80kbps、6/100kbps、7/120kbps、8/140kbps。在吞吐量一致的條件下，將傳統(tǒng)無線網(wǎng)絡(luò)時(shí)隙調(diào)配方法網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)接入時(shí)延，與本文設(shè)計(jì)的基于分布式TDMA的無線網(wǎng)絡(luò)時(shí)隙調(diào)配方法網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)接入時(shí)延進(jìn)行對比。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

如表2所示，在上述8種網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)發(fā)送速率小，網(wǎng)絡(luò)吞吐量隨著網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)發(fā)送速率的變化而變化，吞吐量在32.12kbps～227.93kbps范圍內(nèi)波動(dòng)。在正常情況下，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)接入時(shí)延在8.0×10-2s以內(nèi)時(shí)，可以保證網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)不出現(xiàn)堵塞。在吞吐量條件一致的情況下，傳統(tǒng)無線網(wǎng)絡(luò)時(shí)隙調(diào)配方法網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)接入時(shí)延相對較長。在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)發(fā)送速率為8/140kbps時(shí)，網(wǎng)絡(luò)吞吐量為227.93kbps，此時(shí)傳統(tǒng)調(diào)配方法的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)接入時(shí)延為8.82×10-2s。因此，傳統(tǒng)方法的調(diào)配效果不佳，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)接入實(shí)驗(yàn)亟須改進(jìn)。而本文設(shè)計(jì)的基于分布式TDMA的無線網(wǎng)絡(luò)時(shí)隙調(diào)配方法網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)接入時(shí)延相對較短。在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)發(fā)送速率為8/140kbps時(shí)，網(wǎng)絡(luò)吞吐量為227.93kbps，此時(shí)本文設(shè)計(jì)的調(diào)配方法網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)接入時(shí)延僅為4.48×10-3s，在8.0×10-2s的合理時(shí)延范圍內(nèi)。由此判定，使用該調(diào)配方法時(shí)，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)并未出現(xiàn)擁堵現(xiàn)象，能夠合理地調(diào)配無線網(wǎng)絡(luò)時(shí)隙，符合本文研究目的。

3 結(jié)束語

近些年來，無線網(wǎng)絡(luò)的覆蓋面較廣，無線網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)既是終端，又是路由器，不在彼此覆蓋范圍內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)可以通過中間節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)來完成通信。利用無線網(wǎng)絡(luò)，拉近了彼此之間的距離，為人們提供了較為便捷的通信環(huán)境。為了減少網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)相互碰撞影響網(wǎng)絡(luò)通信的問題，本文設(shè)計(jì)了基于分布式TDMA的無線網(wǎng)絡(luò)時(shí)隙調(diào)配方法。通過提取時(shí)幀結(jié)構(gòu)特征、同步調(diào)配節(jié)點(diǎn)、構(gòu)建調(diào)配模型等方式，實(shí)現(xiàn)了無線網(wǎng)絡(luò)時(shí)隙的精準(zhǔn)調(diào)配。通過以上研究，文章旨在滿足網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)傳輸需求，為無線網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展提供保障。