基于TDMA的無線網絡性能分析

西安武警工程大學信息工程系 楊尚東

西安武警工程大學裝備工程學院 鄧春澤

石家莊武警士官學校 丁娜娜

基于TDMA的無線網絡性能分析

西安武警工程大學信息工程系 楊尚東

西安武警工程大學裝備工程學院 鄧春澤

石家莊武警士官學校 丁娜娜

網絡性能是衡量無線網絡可用性的重要指標，目前針對基于TDMA的無線網絡的性能分析方法并不能夠全面準確地給出網絡性能的評價，且具有一定的主觀性和局限性。本文建立了一種基于排隊論的TDMA無線網絡廣譜性能分析模型，并利用該模型對多種TDMA網絡進行了分析。從結果可以看出，該模型不僅能對網絡性能進行準確的分析，而且能為網絡優化提供有力的科學依據。

TDMA；排隊論；網絡性能分析

網絡性能是無線網絡可用度的重要指標，當前基于TDMA的無線網絡的性能分析，往往單純依靠改進算法實現前后系統的吞吐量和平均時延的對比，但這種方式存在一定的主觀性和局限性，目前還沒有提出一種操作性強、直觀、可量化分析的性能分析模型。本文以排隊論為基礎，提出了一種基于TDMA的無線網絡的性能評價模型，可直觀準確地對網絡性能進行評價分析。

1 TDMA無線網絡簡述

無線網絡的組網方式分為Ad-hoc模式和Infrastructure模式兩種較常用的方式。前者沒有固定的AP，每個站點收發數據的同時兼顧路由功能，具有較強的抗毀能力和靈活性。然而采用此種方式的網絡往往隱藏終端問題明顯，一旦網絡負載升高或者節點移動頻繁，將對網絡性能產生巨大的影響。后者也稱為IBSS模式，采用帶有AP的基礎服務方式，站點通過AP進行數據交換，網絡拓撲穩定，節點移動性高，安全保密性較高，是常用的無線網絡組網方式。在IBSS模式中，其調度協議又分為基于CSMA/CA的分布式協調調度算法（DCF，Distributed Coordination Function）和基于TDMA的優先級輪詢算法等。DCF算法簡便易行，系統開銷較小，在小規模局域網中性能優異，但是仍舊存在信道利用率不高，隱藏/暴露終端問題明顯等問題，特別是當用戶接入數增加、數據突發性提高時，網絡性能將會明顯下降。相對而言，基于TDMA調度的無線網絡則因其優異的多址訪問能力和安全性，被新一代無線網絡廣泛應用。

在TDMA無線網絡中，一段時間被分為許多周期性的幀，每一幀又分為若干時隙，時隙具有報文傳輸能力且相互獨立。網絡中的AP根據一定的時隙分配原則，將時隙合理地分發給網絡節點，各個節點在每幀內按照指定的時隙進行報文發送，從而實現通信資源的共享。如圖1所示，TDMA無線網絡的幀由三種時隙構成：第一種是信道接入時隙（ACH，Access Channel），主要負責攜帶節點的傳輸請求、優先級等信息；第二種是數據交互時隙（TCH，Traffic Channel），負責數據單元的具體傳輸；第三種是保護時隙，防止幀出現同步錯誤。

圖1 TDMA無線網絡的時隙劃分

2 TDMA無線網絡的性能分析模型

2.1 問題假設

由于問題復雜度的限制，本文建立的性能分析模型無法將網絡的所有變量全部引入模型，為便于分析提出以下假設：

a.忽略幀中的保護時隙，1個幀中只包含有1個ACH時隙和N個TCH時隙；

b.在數據在理想信道中進行交換，沒有丟包現象；c.AP收到REQ請求的概率服從泊松分布。

2.3 建立模型

由排隊論模型可得TDMA無線網絡中數據單元的傳輸時延：

式中：

參數Λ表示從ACH開始到TCH開始之間的時間差。據此可得式(3)：

由于ACH隊列符合M/D/1排隊論模型，據此可得：

另外，由于傳輸m個數據單元需要m+h個TDMA幀，傳輸N個業務數據需要N個TDMA幀。因此，如果m+h＜N，就算系統處于高負載狀態，網絡依然能夠提供N-m-h個空閑隊列位置。相反，如果m+h＞N，那么，一旦網絡負載達到一定程度，就會出現網絡擁塞；網絡系統保持等待直到有一個TCH隊列空閑。基于這個考慮，網絡的ACH必須至少達到（m+h）/N個幀長度才能滿足系統N個業務隊列的需求，由此可得：

且知道(4)式中：

將其代入(5)式中可得式(7)：

由于網絡性能良好，沒有數據包丟失，因此：

聯立方程，可得最大網絡吞吐量表達式：

式中m是數據隊列長度，h是控制隊列長度，N是TDMA總幀數。

3 驗證

3.1 m取值不同的TDMA無線網絡的平均時延分析

3.2 N取值不同的TDMA無線網絡的平均時延分析

圖2 TCH時隙長度對網絡性能的影響

TDMA幀長度滿足等式：