戰(zhàn)術(shù)局域網(wǎng)TDMA雙隊(duì)列輪詢調(diào)度算法

武警工程大學(xué)研究生管理大隊(duì) 鄭垚睿 余緣敏

1 戰(zhàn)術(shù)局域網(wǎng)

戰(zhàn)術(shù)局域網(wǎng)（Tact ical LAN, TLAN）是小型化的戰(zhàn)術(shù)互聯(lián)網(wǎng)，是戰(zhàn)術(shù)環(huán)境中態(tài)勢(shì)感知系統(tǒng)、火力控制系統(tǒng)和指揮控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸媒介[1]。1994年4月美軍的“沙漠鐵錘”演習(xí)進(jìn)一步明確了戰(zhàn)術(shù)局域網(wǎng)的內(nèi)涵和外延，其定義與組成結(jié)構(gòu)也得到了完善。隨后，以無(wú)線局域網(wǎng)（Wir el ess Local Ar ea Net work，WLAN）技術(shù)為核心的戰(zhàn)術(shù)局域網(wǎng)逐步為世界各軍事強(qiáng)國(guó)所接受，成為現(xiàn)代戰(zhàn)術(shù)通信系統(tǒng)的重要組成部分[2]。

2 傳統(tǒng)MAC層調(diào)度算法

MAC調(diào)度算法定義了網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的資源調(diào)度策略和節(jié)點(diǎn)接入規(guī)則，高效穩(wěn)定的MAC調(diào)度算法能夠極大地提高戰(zhàn)術(shù)局域網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)性能和通信效率。MAC層調(diào)度算法也因此成為戰(zhàn)術(shù)局域網(wǎng)研究的熱點(diǎn)。

2.1 CSMA/CA算法分析及存在問(wèn)題

CSMA/CA（Car r i er Sense Mul t i pl e Access-Col l ision Avoidance）又稱作帶沖突檢測(cè)的載波偵聽碰撞避免算法，由DCF和PCF兩種調(diào)度方式組成。該算法以IEEE 802.11系列無(wú)線局域網(wǎng)協(xié)議為代表，是一種較為成熟的無(wú)線局域網(wǎng)調(diào)度算法。CSMA/CA調(diào)度策略下，節(jié)點(diǎn)在發(fā)送數(shù)據(jù)前首先監(jiān)聽網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)，若網(wǎng)絡(luò)信道繁忙，則推遲自身數(shù)據(jù)傳輸，直至網(wǎng)絡(luò)空閑。

然而，CSMA/CA調(diào)度方式存在以下問(wèn)題：首先，接入用戶數(shù)增加時(shí)碰撞概率大幅提高并導(dǎo)致系統(tǒng)性能惡化。其次，無(wú)法體現(xiàn)戰(zhàn)術(shù)通信系統(tǒng)多層級(jí)指揮的實(shí)際需求。再次，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)在被輪詢一次只能發(fā)送一個(gè)分組，對(duì)于發(fā)送數(shù)據(jù)量較多的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)將造成數(shù)據(jù)堵塞，進(jìn)而導(dǎo)致信息失效。最后，控制節(jié)點(diǎn)的輪詢具有盲目性，無(wú)論網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)是否具有發(fā)送需求都將在一個(gè)周期內(nèi)被輪詢一次，存在一定的輪詢周期浪費(fèi)。

2.2 TDMA單隊(duì)列輪詢算法分析及存在問(wèn)題

TDMA單隊(duì)列輪詢算法的工作過(guò)程與無(wú)線通信的半雙工模式類似[3]，通過(guò)設(shè)立的工作隊(duì)列對(duì)AP（Access Point,AP）工作時(shí)間進(jìn)行時(shí)分復(fù)用。AP的輪詢過(guò)程和節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程均在這一隊(duì)列中完成。單隊(duì)列TDMA戰(zhàn)術(shù)局域網(wǎng)設(shè)一個(gè)接入點(diǎn)AP和m個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，接入點(diǎn)AP包含一個(gè)記錄了所有已入網(wǎng)節(jié)點(diǎn)信息的輪詢表，新的節(jié)點(diǎn)在完成入網(wǎng)認(rèn)證之后，首先將自己的節(jié)點(diǎn)信息發(fā)送給AP，待AP成功更新其輪詢表之后，即完成了加入輪詢隊(duì)列操作。

然而，單隊(duì)列輪詢存在的問(wèn)題如下：首先，固定時(shí)隙長(zhǎng)度將導(dǎo)致具有長(zhǎng)報(bào)文發(fā)送需求的節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生報(bào)文堆積。其次，排斥“插隊(duì)”行為的FIFO無(wú)法體現(xiàn)節(jié)點(diǎn)優(yōu)先級(jí)，導(dǎo)致重要信息延時(shí)過(guò)大。再次，網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)入/退網(wǎng)頻繁或懶惰節(jié)點(diǎn)較多時(shí)，系統(tǒng)輪詢時(shí)隙浪費(fèi)嚴(yán)重，輪詢等待時(shí)延增加。

圖1

3 TDMA雙隊(duì)列輪詢調(diào)度算法

為解決單隊(duì)列輪詢算法存在的輪詢效率低下、時(shí)隙浪費(fèi)嚴(yán)重的問(wèn)題，本文提出TDMA雙隊(duì)列輪詢調(diào)度算法（見圖1）。

在TDMA戰(zhàn)術(shù)局域網(wǎng)中，所有節(jié)點(diǎn)都有嚴(yán)格的時(shí)延需求，為了避免這些時(shí)延敏感度較高的活躍節(jié)點(diǎn)發(fā)生數(shù)據(jù)擁塞，提高戰(zhàn)術(shù)局域網(wǎng)AP的輪詢效率，需要將活躍度較低的節(jié)點(diǎn)掛起，優(yōu)先對(duì)活躍節(jié)點(diǎn)進(jìn)行輪詢和響應(yīng)，通過(guò)這種方式代替原來(lái)對(duì)所有網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)無(wú)優(yōu)先級(jí)區(qū)分的輪詢，從而節(jié)省網(wǎng)絡(luò)資源，提高信道利用率。在雙隊(duì)列輪詢算法中，建立兩組分別進(jìn)行輪詢的請(qǐng)求隊(duì)列，即活躍節(jié)點(diǎn)隊(duì)列（ANQ，Act ive Node Queue）和懶惰節(jié)點(diǎn)隊(duì)列（LNQ，Lazy Node Queue），通過(guò)優(yōu)先響應(yīng)ANQ的發(fā)送請(qǐng)求，同時(shí)周期性地輪詢LNQ，并將其中有發(fā)送需求的節(jié)點(diǎn)請(qǐng)求加入ANQ中完成數(shù)據(jù)的發(fā)送。兩種隊(duì)列都采用先到先服務(wù)（Fir st In Fir st Out，F(xiàn)IFO）原則進(jìn)行服務(wù)。

4 結(jié)論

本文所提出的TDMA雙隊(duì)列輪詢調(diào)度算法，通過(guò)引入ANQ和LNQ，將戰(zhàn)術(shù)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了初步的優(yōu)先級(jí)區(qū)分。區(qū)別的響應(yīng)機(jī)制使得戰(zhàn)術(shù)網(wǎng)絡(luò)的處理能力有傾向性地賦予需求更大的節(jié)點(diǎn)，提高了網(wǎng)絡(luò)的調(diào)度效率，降低了空輪詢引起的時(shí)隙浪費(fèi)，使得戰(zhàn)術(shù)網(wǎng)絡(luò)擁有較強(qiáng)的魯棒性。

[1]薛俊涵.基于排隊(duì)模型的無(wú)線局域網(wǎng)性能分析[D].濟(jì)南:山東大學(xué),2010.

[2]石睿.戰(zhàn)術(shù)互聯(lián)網(wǎng)的研究及其性能評(píng)估[D].西安:西安電子科技大學(xué),2009.

[3]王文政.戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈動(dòng)態(tài)輪詢調(diào)度算法[J].國(guó)防科技大學(xué)學(xué)報(bào),2009,12(2):47-54.