動態(tài)TDMA時(shí)隙分配算法在數(shù)據(jù)鏈中的仿真

丁 銳， 鄭 龍， 王玉文， 孟凡計(jì)

（①電子科技大學(xué) 空天科學(xué)技術(shù)研究院，四川 成都 611731；②中航工業(yè)洛陽電光設(shè)備研究所，河南 洛陽 471000）

0 引言

數(shù)據(jù)鏈?zhǔn)乾F(xiàn)代信息技術(shù)與戰(zhàn)術(shù)理念相結(jié)合的產(chǎn)物，是為了適應(yīng)機(jī)動條件下作戰(zhàn)單元共享戰(zhàn)場態(tài)勢和實(shí)時(shí)指控的需要，采用標(biāo)準(zhǔn)化的消息格式、高效的組網(wǎng)協(xié)議、保密抗干擾的數(shù)字信道而構(gòu)成的一種戰(zhàn)術(shù)信息系統(tǒng)[1]。

戰(zhàn)術(shù)瞄準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)又稱TTNT，其目的是在未來的有人、無人空中平臺和地面站之間建立一個(gè)高速數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò)，滿足未來空軍作戰(zhàn)飛機(jī)對機(jī)動性很強(qiáng)的地面活動目標(biāo)的精確打擊的需要[1]。TTNT數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò)組織結(jié)構(gòu)很靈活，參與網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)的作戰(zhàn)單元能快速進(jìn)入退出網(wǎng)絡(luò)，無需架設(shè)任何中心節(jié)點(diǎn)，具有很強(qiáng)的抗毀性,因此采用Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)。TDMA協(xié)議為Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)節(jié)點(diǎn)分配獨(dú)立的用于數(shù)據(jù)發(fā)送或者接收的時(shí)隙，節(jié)點(diǎn)在其他空閑時(shí)隙進(jìn)入睡眠狀態(tài)，符合 Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)及數(shù)據(jù)鏈的需求[2]。對于有節(jié)點(diǎn)隨時(shí)入退網(wǎng)需求的TTNT數(shù)據(jù)鏈，TDMA協(xié)議的時(shí)隙分配算法對整個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的吞吐量和時(shí)延都有巨大的影響，改進(jìn)后的動態(tài) TDMA時(shí)隙算法實(shí)現(xiàn)相鄰節(jié)點(diǎn)之間的無碰撞傳送，并盡可能地減少空白時(shí)隙浪費(fèi)，以獲得較高的系統(tǒng)吞吐量和時(shí)隙的空間復(fù)用性。

1 動態(tài)TDMA機(jī)制

1.1 動態(tài)TDMA流程描述

圖1為完整的動態(tài)TDMA幀結(jié)構(gòu)，一個(gè)完整的幀由三個(gè)子幀組成，分別是請求幀、應(yīng)答幀和數(shù)據(jù)幀。根據(jù) TTNT數(shù)據(jù)鏈的需求，其中請求幀用于各個(gè)節(jié)點(diǎn)交換各自數(shù)據(jù)包發(fā)送請求信息，請求幀的時(shí)隙個(gè)數(shù)與簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)數(shù)目一致。若節(jié)點(diǎn)處于發(fā)送請求信息時(shí)隙，檢查該節(jié)點(diǎn)內(nèi)有無數(shù)據(jù)包發(fā)送并按格式封裝相應(yīng)的值后發(fā)送。TTNT數(shù)據(jù)鏈要求節(jié)點(diǎn)自動組網(wǎng)，各個(gè)節(jié)點(diǎn)可以靈活入退網(wǎng)等功能，故請求幀時(shí)隙的數(shù)量可以根據(jù)當(dāng)前網(wǎng)內(nèi)節(jié)點(diǎn)數(shù)目進(jìn)行變動。如果偵測到有節(jié)點(diǎn)入/退網(wǎng)，則在下一個(gè)動態(tài)TDMA幀中加/減一個(gè)請求幀時(shí)隙；應(yīng)答幀用于簇頭節(jié)點(diǎn)統(tǒng)計(jì)簇內(nèi)各節(jié)點(diǎn)的發(fā)送請求信息，再按照動態(tài)分配算法制定時(shí)隙分配表并發(fā)送至各節(jié)點(diǎn)，非簇頭節(jié)點(diǎn)則在此時(shí)隙內(nèi)只需要接收和解封裝該時(shí)隙分配表；數(shù)據(jù)幀用來各節(jié)點(diǎn)根據(jù)收到的時(shí)隙分配表來傳輸和接收數(shù)據(jù)包，時(shí)隙個(gè)數(shù)不固定。當(dāng)所有數(shù)據(jù)幀完全結(jié)束后，再次進(jìn)入請求幀階段。三個(gè)階段的單個(gè)時(shí)隙長度可以各不相同。

圖1 動態(tài)TDMA幀結(jié)構(gòu)

1.2 動態(tài)時(shí)隙分配分析

假設(shè)網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)只帶有一個(gè)全向天線的無線電接收發(fā)機(jī)，并工作在時(shí)分多址協(xié)議下，則節(jié)點(diǎn)不能同時(shí)接收多個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送的信號，即在接收范圍內(nèi)同時(shí)只能有一個(gè)發(fā)送節(jié)點(diǎn)，這就要求在分配時(shí)一個(gè)時(shí)隙最多只能分配給至多一個(gè)節(jié)點(diǎn)，否則會出現(xiàn)接收沖突導(dǎo)致丟失數(shù)據(jù)。

TTNT數(shù)據(jù)鏈將各種消息類型劃分為不同的優(yōu)先級，優(yōu)先信息時(shí)延最短。這就要求采取不同的策略進(jìn)行傳輸，保障高優(yōu)先級的QoS。在進(jìn)行MAC層設(shè)計(jì)時(shí)，根據(jù)優(yōu)先級使用不同的隊(duì)列緩沖數(shù)據(jù)，并針對優(yōu)先級改變分配機(jī)制，在不同數(shù)據(jù)包排隊(duì)等待發(fā)送時(shí)優(yōu)先發(fā)送高級別數(shù)據(jù)包，始終保證高優(yōu)先級數(shù)據(jù)包的高速率和低時(shí)延。

動態(tài)時(shí)隙分配算法與固定TDMA相比，固定TDMA事先約定對每個(gè)時(shí)隙的分配使用,能夠保證節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)發(fā)送的公平性，并且協(xié)議的控制開銷很小。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)規(guī)模較大，節(jié)點(diǎn)數(shù)較多，網(wǎng)絡(luò)的時(shí)延會很大。另外節(jié)點(diǎn)所使用的時(shí)隙為固定分配，因此不可能針對節(jié)點(diǎn)的業(yè)務(wù)和當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)信息進(jìn)行時(shí)隙預(yù)留調(diào)度，很難實(shí)現(xiàn)差別服務(wù)和提供支持QoS的機(jī)制[3-4]。相比較之下，動態(tài)時(shí)隙分配算法在兼顧數(shù)據(jù)發(fā)送公平性的同時(shí)，為業(yè)務(wù)量大的節(jié)點(diǎn)提供更多的數(shù)據(jù)時(shí)隙并結(jié)合了優(yōu)先級機(jī)制，減小了高優(yōu)先級數(shù)據(jù)的時(shí)延[5]。在有節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)或退網(wǎng)時(shí)，也不會造成數(shù)據(jù)時(shí)隙浪費(fèi)或者無法分配，具有良好的可擴(kuò)展性。

1.3 動態(tài)時(shí)隙分配算法

動態(tài)時(shí)隙分配算法流程如圖2所示。動態(tài)時(shí)隙分配算法：

①預(yù)先設(shè)定數(shù)據(jù)時(shí)隙個(gè)數(shù)M×N（N為節(jié)點(diǎn)數(shù)量，M為預(yù)設(shè)值，可根據(jù)M的值來控制初始數(shù)據(jù)時(shí)隙個(gè)數(shù)和高負(fù)載的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下數(shù)據(jù)時(shí)隙個(gè)數(shù)的大致范圍，M和N均為整數(shù)）；

②統(tǒng)計(jì)所有請求總數(shù)。如果總數(shù)為 0，表示此時(shí)沒有任何節(jié)點(diǎn)有發(fā)送任務(wù)，不分配任何數(shù)據(jù)時(shí)隙，分配算法結(jié)束；

③如果總數(shù)不為0并小于預(yù)定數(shù)據(jù)時(shí)隙總數(shù)量M×N，則按照先高優(yōu)先級后低優(yōu)先級的順序在完整的請求清單中對數(shù)據(jù)時(shí)隙進(jìn)行劃分，剩余數(shù)據(jù)時(shí)隙刪除；

④如果請求總數(shù)大于預(yù)定數(shù)據(jù)時(shí)隙總數(shù)量 M×N，但其中高優(yōu)先級請求總數(shù)小于預(yù)定數(shù)據(jù)時(shí)隙總數(shù)，先對所有高優(yōu)先級請求分配數(shù)據(jù)時(shí)隙。剩余數(shù)據(jù)時(shí)隙按照每個(gè)節(jié)點(diǎn)平均的原則分配給低優(yōu)先級請求，若某節(jié)點(diǎn)沒有請求則不分配時(shí)隙。預(yù)定數(shù)據(jù)時(shí)隙數(shù)量不變；

⑤如果高優(yōu)先級請求總數(shù)大于預(yù)定數(shù)據(jù)時(shí)隙總數(shù)量 M×N，首先擴(kuò)展預(yù)定數(shù)據(jù)時(shí)隙數(shù)至目前高優(yōu)先級請求總數(shù)（原則上擴(kuò)展后的時(shí)隙數(shù)不超過預(yù)定數(shù)量的兩倍），再為所有高優(yōu)先級請求分配時(shí)隙，低優(yōu)先級請求放入緩存等待下一幀。

圖2 動態(tài)時(shí)隙分配算法

2 OPNET網(wǎng)絡(luò)建模仿真

2.1 仿真場景介紹

這里采用 OPNET作為仿真工具來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)鏈通信的性能分析及其比較。OPNET是美國MIL3公司開發(fā)的網(wǎng)絡(luò)仿真軟件，通過執(zhí)行離散事件驅(qū)動的機(jī)制仿真來分析各種模型的行為和性能。它為通信協(xié)議的研究提供了與真實(shí)網(wǎng)絡(luò)相似的環(huán)境，并采用分層建模機(jī)制和基于包的通信機(jī)制，幾乎可以完成現(xiàn)有的各種通信系統(tǒng)的仿真[6]。

為了驗(yàn)證和比較動態(tài)TDMA時(shí)隙分配算法的性能，建立一個(gè)范圍為200 km×200 km的仿真場景，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為8個(gè)移動節(jié)點(diǎn)隨機(jī)分布，如圖3所示。TTNT要求數(shù)據(jù)鏈可進(jìn)行靜態(tài)圖像和動態(tài)視頻的傳輸，這些都會產(chǎn)生部分節(jié)點(diǎn)較大的業(yè)務(wù)量。為驗(yàn)證高優(yōu)先級數(shù)據(jù)的 QoS和在處理某節(jié)點(diǎn)大流量突發(fā)業(yè)務(wù)能力，上層業(yè)務(wù)模型發(fā)包概率服從泊松分布，設(shè)置其中一個(gè)節(jié)點(diǎn)每秒平均產(chǎn)生500個(gè)數(shù)據(jù)包，其余節(jié)點(diǎn)平均產(chǎn)生50個(gè)數(shù)據(jù)包。各種優(yōu)先級數(shù)據(jù)占總數(shù)據(jù)比例為：高優(yōu)先級20%，低優(yōu)先級80%。每個(gè)時(shí)隙長度為2 ms，仿真時(shí)間為300 s。

圖3 仿真拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)模型

2.2 仿真結(jié)果分析

對動態(tài)TDMA算法和固定TDMA分別進(jìn)行了建模和仿真，并將結(jié)果進(jìn)行對比，如圖4、圖5所示。實(shí)線為動態(tài)TDMA算法，虛線為固定TDMA算法。

圖4為高優(yōu)先級數(shù)據(jù)端到端時(shí)延比較，固定TDMA時(shí)延為60 ms左右，動態(tài)TDMA算法則為30 ms，對比有明顯提高。固定 TDMA中，業(yè)務(wù)量大的節(jié)點(diǎn)所分配的時(shí)隙數(shù)與其他節(jié)點(diǎn)相同，遇到緊急情況時(shí)時(shí)延較大。在動態(tài) TDMA算法中不斷針對業(yè)務(wù)量進(jìn)行比較，請求數(shù)據(jù)發(fā)送的數(shù)量決定了時(shí)隙進(jìn)行更合理分配。

圖4 動態(tài)TDMA和固定TDMA時(shí)延比較

圖5為兩種算法的系統(tǒng)總吞吐量比較，動態(tài)TDMA算法高出30%左右。固定TDMA最大容量在事前就已完全確定，而動態(tài) TDMA算法不斷調(diào)整各節(jié)點(diǎn)的發(fā)送容量，避免空白時(shí)隙浪費(fèi)，在網(wǎng)絡(luò)傳輸業(yè)務(wù)量不均衡時(shí)具有更高效率，可以較好地支持 TTNT數(shù)據(jù)鏈實(shí)時(shí)傳輸圖像和視頻，滿足高速數(shù)傳要求。

圖5 動態(tài)TDMA和固定TDMA吞吐率比較

3 結(jié)語

TTNT數(shù)據(jù)鏈?zhǔn)且环N高速動態(tài)寬帶數(shù)據(jù)鏈，針對其低延時(shí)，數(shù)據(jù)和多媒體突發(fā)大容量傳輸要求，通過改進(jìn)幀結(jié)構(gòu)、增加優(yōu)先級服務(wù)以及改變原有時(shí)隙分配方式，提出了一種新型動態(tài) TDMA時(shí)隙分配算法。仿真結(jié)果表明該算法的時(shí)隙利用率較高，端到端時(shí)延較低，并能根據(jù)各節(jié)點(diǎn)業(yè)務(wù)量需求靈活分配時(shí)隙，提高整個(gè)網(wǎng)絡(luò)性能。

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