文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.2016.09.022
中文引用格式： 杜靜,，習(xí)勇，黃圣春. 一種適用于動態(tài)拓?fù)渥兓母倪M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.
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?fù)?/a>變化[4],。在此基礎(chǔ)上,，YOUNG C D又提出了USAP-MA(USAP Mul-
tiple Access)協(xié)議[5]和USAP-MBA(USAP Multiple Broadcast Access)協(xié)議[6]，但都沒有達(dá)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?fù)渥兓敖M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?fù)渥兓軌蜃鞒隹焖俜磻?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(rèn),，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],。
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。
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：
void slot_update(){
switch(1){
case(state 1):{
if(本地狀態(tài)為(2,鄰節(jié)點ID)) 本地狀態(tài)更新為
(0,-1);break;}
case(state 2):{
if(本地狀態(tài)為(0,-1)) 本地狀態(tài)更新為(2,鄰
節(jié)點ID);
if(本地狀態(tài)為(2,使用節(jié)點ID)){
if(使用節(jié)點ID!=本節(jié)點的鄰節(jié)點ID)
本地狀態(tài)更新為(2,發(fā)包節(jié)點ID);
if(使用節(jié)點ID==發(fā)包節(jié)點ID)&&(使用
節(jié)點ID==本節(jié)點的鄰節(jié)點ID)
本地狀態(tài)更新為(3,min(使用節(jié)點ID,
鄰節(jié)點ID));} break;}
case(state 3):{
if(使用節(jié)點ID==發(fā)包節(jié)點的鄰節(jié)點ID)
&&(本地狀態(tài)為(0,-1)||本地狀態(tài)為(2,使用節(jié)點ID))
本地狀態(tài)更新為(2,使用節(jié)點ID);break;}
case(state 4):{
if(使用節(jié)點ID==發(fā)包節(jié)點的鄰節(jié)點ID)&&
本地狀態(tài)為(1,本節(jié)點ID)&&(使用節(jié)點ID<本節(jié)點ID)}
本地狀態(tài)更新為(2,使用節(jié)點ID),；break;}
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(dá)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。
3.2 不同靜態(tài)拓?fù)錀l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?fù)浣Y(jié)構(gòu),，如圖3所示，仿真實現(xiàn)不同拓?fù)浣Y(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?fù)錀l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?fù)錀l件下仿真結(jié)果分析
針對分布式拓?fù)浣Y(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,。
在OPNET仿真程序中,，設(shè)置包的到達(dá)間隔均值，可以得到仿真網(wǎng)絡(luò)在不同負(fù)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,。
由圖6可以看出，當(dāng)節(jié)點移動產(chǎn)生拓?fù)浣Y(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?fù)浣Y(jié)構(gòu)改變導(dǎo)致的包沖突。在負(fù)載達(dá)到3.2 Mb/s時,，兩種協(xié)議吞吐量達(dá)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(fù)載達(dá)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?fù)渥兓瘯r,，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?fù)渥兓膱鼍埃倪M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(dá)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?fù)錀l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?fù)渥兓敖M網(wǎng)時間較長等問題進行改進,。在靜態(tài)拓?fù)錀l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?fù)錀l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?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化動態(tài)可變將會是未來研究的重點,。
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