基于TDMA的鏈式無線多跳傳輸系統(tǒng)實驗設計

孫彥景, 陳 巖, 李 松, 張曉光, 蘆楠楠, 王艷芬

(中國礦業(yè)大學 信息與控制工程學院, 江蘇 徐州 221116)

基于TDMA的鏈式無線多跳傳輸系統(tǒng)實驗設計

孫彥景, 陳 巖, 李 松, 張曉光, 蘆楠楠, 王艷芬

(中國礦業(yè)大學 信息與控制工程學院, 江蘇 徐州 221116)

針對未來教學與深入研究的需要,采用NS2仿真軟件進行鏈式多跳網(wǎng)絡仿真實驗設計。實驗主要針對TDMA、STDMA接入機制的端到端時延進行仿真,同時針對多跳網(wǎng)絡的視頻監(jiān)控應用場景,結(jié)合myEvalvid軟件進行多跳視頻傳輸實驗,可以用于實驗教學。

多跳網(wǎng)絡； 實驗設計； 視頻傳輸; TDMA； NS2

同傳統(tǒng)的無線局域網(wǎng)相比,無線多跳自組織網(wǎng)絡具有易于部署安裝、可進行非視距傳輸、網(wǎng)絡路由健壯、結(jié)構(gòu)靈活、高帶寬等優(yōu)點[1]。隨著5G技術發(fā)展,國際電信聯(lián)盟無線電通信局確定了未來5G主要應用場景:(1)增強型移動寬帶；(2)超高可靠與低延遲的通信；(3)大規(guī)模機器類通信[2]。在未來5G通信技術的支撐下,大規(guī)模、高可靠性的物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)將進入一個新的發(fā)展階段。物聯(lián)網(wǎng)技術的一個主要應用領域為工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場,由于工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場環(huán)境的影響及生產(chǎn)需求,要求所部署的無線物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡應具有高可靠性、低延時性、傳輸距離遠、結(jié)構(gòu)靈活、易于部署等,無線多跳網(wǎng)絡能夠很好地滿足這些組網(wǎng)要求。此外在礦山井下和隧道等狹長的長距離場合,利用鏈式無線多跳網(wǎng)絡能夠高效地進行遠程數(shù)據(jù)傳輸,因此鏈式多跳網(wǎng)絡已經(jīng)被應用與礦山井下等復雜生產(chǎn)場景中[3-4]。隨著5G技術的發(fā)展,未來無線多跳網(wǎng)絡將支撐更多更加復雜的業(yè)務量,因此針對無線多跳網(wǎng)絡的研究將逐漸增加。時分多址接入(time division multiple access,TDMA)技術作為一種有效的接入方式,能夠有效提升網(wǎng)絡公平性,針對未來無線高密度網(wǎng)絡的研究,相關研究已經(jīng)將TDMA與現(xiàn)有的CSMA接入方式結(jié)合使用[5],可以有效減少網(wǎng)絡節(jié)點數(shù)增加帶來的沖突問題,TDMA技術是未來高密度大規(guī)模網(wǎng)絡中的一種有效的接入方式。針對性的研究教學工作將會逐漸增加,方便有效的實驗研究方式能夠有效提升研究效率[6]。本文以TDMA鏈式無線多跳網(wǎng)絡為基礎,結(jié)合通信網(wǎng)絡研究教學中常用的NS2仿真軟件進行相關實驗設計,并完成相關性能測試,方便后續(xù)教學實驗和進一步開展研究。

1 鏈式無線多跳網(wǎng)絡

多跳網(wǎng)絡從其組網(wǎng)形式上來看屬于分布式方式,網(wǎng)絡各節(jié)點隨機分布在一定區(qū)域內(nèi),各節(jié)點既可以作為目的節(jié)點接收到來自其通信范圍內(nèi)的網(wǎng)絡節(jié)點發(fā)送來的數(shù)據(jù),也可以作為中繼節(jié)點對接收到的數(shù)據(jù)進行轉(zhuǎn)發(fā)。鏈式無線多跳網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)為鏈狀,這種網(wǎng)絡可以有效擴展通信距離,通過多個中間節(jié)點的轉(zhuǎn)發(fā),可以將數(shù)據(jù)傳輸?shù)捷^遠的目的節(jié)點。在海岸線、煤礦巷道等狹長的惡劣復雜的通信環(huán)境中,采用鏈式多跳網(wǎng)絡代替?zhèn)鹘y(tǒng)的有線電纜傳輸方式,可以有效減少網(wǎng)絡部署成本與空間占用,提升網(wǎng)絡靈活性與傳輸距離。圖1為應用鏈式多跳網(wǎng)絡的煤礦應急救援系統(tǒng),其中井下巷道中的傳輸采用鏈式多跳網(wǎng)絡,將井下采集到的數(shù)據(jù)與監(jiān)控等信息實時傳輸?shù)降厣媳O(jiān)控系統(tǒng)。鏈式多跳網(wǎng)絡具有多跳網(wǎng)絡的一般特性外,還有以下特點:

(1) 拓撲結(jié)構(gòu)較為穩(wěn)定。鏈式多跳網(wǎng)絡多布置在窄長的環(huán)境中,節(jié)點間始終保持鏈式狀態(tài),拓撲結(jié)構(gòu)保持相對穩(wěn)定的狀態(tài)。

圖1 煤礦應急救援系統(tǒng)

(2) 節(jié)點數(shù)量相對穩(wěn)定。進行井下監(jiān)控及救援時,通信網(wǎng)絡中的節(jié)點數(shù)目基本保持不變,或者處在一定的變化范圍內(nèi)。

(3) 節(jié)點分布間距基本相等。鏈式多跳網(wǎng)絡傳輸主要目的為有效可靠地傳輸遠程信息,中間節(jié)點主要用于信息轉(zhuǎn)發(fā),通信能力基本相同,因此布置時相鄰節(jié)點間距離基本相等。

2 TDMA接入方式

TDMA是一種常用的信道接入方式,它將時間以幀為單位進行分割,每幀由若干個時隙組成,如圖2所示，每個時隙被對應的分配給不同的網(wǎng)絡節(jié)點進行傳輸,這樣在滿足系統(tǒng)時鐘同步的前提下,網(wǎng)絡中所有節(jié)點按安排好的次序在特定時隙內(nèi)進行數(shù)據(jù)發(fā)送,可以避免鄰節(jié)點之間的碰撞,提升網(wǎng)絡的可靠性和有效性。

圖2 時間幀

在現(xiàn)有的接入方式中,網(wǎng)絡將信道視為一個整體的資源,當兩者同時占用相同的信道進行數(shù)據(jù)傳輸時會造成沖突,會嚴重影響網(wǎng)絡性能。在每個時隙中,僅有一個節(jié)點進行數(shù)據(jù)發(fā)送,其相鄰節(jié)點只能進行數(shù)據(jù)的接收,才能夠成功傳輸。因此TDMA是給每個節(jié)點分配不同的時隙,時隙數(shù)和節(jié)點數(shù)一致,每個節(jié)點僅能在各自分配好的時隙內(nèi)發(fā)送數(shù)據(jù),在其他時隙內(nèi)被動的接收數(shù)據(jù)或不工作,這種方式可以避免傳輸沖突。圖3為一個包含N個節(jié)點的采用TDMA接入方式鏈式多跳網(wǎng)的時隙分配圖。

圖3 鏈式無線多跳網(wǎng)絡TDMA時隙分配

3 STDMA

TDMA網(wǎng)絡通過分配不同的時隙來避免沖突,但無線多跳網(wǎng)絡由于其網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)特殊性,網(wǎng)絡節(jié)點在空間上存在大量的隱藏節(jié)點,即相距較遠的2個節(jié)點之間信號相互不影響,這樣的2個節(jié)點在同時發(fā)送信息給不同的目的節(jié)點時不會產(chǎn)生沖突,因此傳統(tǒng)的TDMA方式會造成信道資源的極大浪費?？臻g復用TDMA(Spatial Re-use TDMA,STDMA)技術是將同一時隙從空間位置上將其分割開并分配給不同的節(jié)點,最小化節(jié)點之間的干擾[7-8],能夠有效利用信道,降低端到端時延。

本文實驗中采用圖4所示的是基于兩跳范圍內(nèi)的節(jié)點不分配同一時隙的規(guī)則的一種時隙分配方法。因為兩跳范圍內(nèi)的節(jié)點如果分配同一時隙會在中間節(jié)點處產(chǎn)生沖突。為避免這種沖突,在空間上進行隔離,采用圖4所示的時隙分配方法可以充分利用時間資源,降低端到端時延。

圖4 鏈式無線多跳網(wǎng)絡STDMA時隙分配

4 NS2仿真實驗

4.1 NS2簡介

NS2是一種開源的網(wǎng)絡仿真工具,在通信網(wǎng)絡研究教學中被廣泛采用。NS2采用靈活的模塊化編程方式為使用者提供了研究特定網(wǎng)絡和協(xié)議并仿真相關通信行為的方法[9-10]。在仿真的過程中,用戶可以根據(jù)自身的需要部署特定的網(wǎng)絡環(huán)境，并可使用多種不同的網(wǎng)絡協(xié)議進行仿真。

在進行網(wǎng)絡仿真前,用戶需要添加或者修改C++類實現(xiàn)相關功能來滿足相關的仿真,修改協(xié)議后重新編譯安裝NS2。然后，編寫一個OTcl腳本文件來描述相關的網(wǎng)絡拓撲、定義數(shù)據(jù)源以及設置時間調(diào)度器完成開始、停止數(shù)據(jù)傳輸?shù)?。最后仿真結(jié)束后會產(chǎn)生一個輸出跟蹤文件,對輸出文件進行分析,可以獲得詳細的網(wǎng)絡仿真結(jié)果數(shù)據(jù),圖5顯示了NS2的工作機制。NS2已經(jīng)被廣泛應用于通信網(wǎng)絡相關研究教學中[11-12],因此,本文采用NS2仿真工具進行實驗,可以方便使用者以此為基礎進行更加深入的研究教學工作。

圖5 NS2工作機制

4.2 NS2實現(xiàn)TDMA

NS2中的TDMA時隙結(jié)構(gòu)如圖6所示,進行時隙分配中主要是針對其中的數(shù)據(jù)時隙數(shù)進行設置。

圖6 NS2中TDMA時隙結(jié)構(gòu)

其相關參數(shù)的設置在“mac-tdma.h”,“mac-tdma.cc”文件中,設置參數(shù)如下:

static int *tdma_preamble_;

tdma_preamble_=new int[max_slot_num_];

tdma_preamble_[slot_num_]=ETHER_ADDR(MAC_TDMA(pktTx_)->dh_da);

其中,max_slot_num_為網(wǎng)絡中節(jié)點個數(shù),前導存儲的是目標節(jié)點的Mac地址,slot_num_表示當時隙號。在前導時隙中,完成的主要工作就是設置tdma_preamble_[0-max_slot_num_-1]的值,代表從0到max_slot_num_-1個數(shù)據(jù)時隙各個時隙中要發(fā)送數(shù)據(jù)的目標節(jié)點地址。另外,在進行參數(shù)設置時,分配的總時隙數(shù)要同網(wǎng)絡中節(jié)點數(shù)相同。

4.3 NS2實現(xiàn)STDMA

在NS2中加入新的時隙分配方式需要添加更改“mac-tdma.h”“mac-tdma.cc”“aodv.h”“aodv.cc”和“aodv_packet.h”文件中的代碼。

主要修改內(nèi)容包含如下:

(1) 在“mac-tdma.h”中定義時隙表；

(2) 在“mac-tdma.cc”中初始化時隙表；

(3) 在“mac-tdma.cc”中調(diào)度時隙；

(4) 在“aodv_packet.h”中修改hello消息格式；

(5) 在“aodv.h”中啟動hello消息；

(6) 在“aodv.cc”中添加路由層訪問MAC層的接口,并使用hello消息中的時隙號完成時隙的分配。

其中hello消息用于鏈式多跳網(wǎng)絡在實際應用中進行時隙分配過程中,節(jié)點同其他節(jié)點進行信息交換以確定自身的發(fā)送時隙。

圖7為實驗仿真所部署的鏈式多跳網(wǎng)絡拓撲圖,每個節(jié)點的通信范圍只包括其相鄰節(jié)點。圖8為實驗過程中輸出的時隙分配情況。

圖7 無線多跳仿真拓樸圖

圖8 時隙分配情況

4.4 無線多跳視頻傳輸評估實驗

鏈式無線多跳網(wǎng)絡的視頻監(jiān)控被廣泛應用于戰(zhàn)爭演習、工業(yè)監(jiān)控、地理監(jiān)測、安全預警等領域。因此,本文使用myEvalvid視頻評價工具對比CSMA,TDMA,STDMA 3種接入機制視頻傳輸能力。

myEvalvid開源工具常被研究人員用來評價視頻質(zhì)量。通過相關接口與NS2的通信,實現(xiàn)和NS2的互相訪問。myEvalvid工具的原理見圖9[10]。

5 實驗結(jié)果

本文仿真過程中主要進行端到端時延性能仿真,圖10為TDMA與STDMA端到端時延的仿真結(jié)果和理論結(jié)果對比圖,實驗仿真結(jié)果貼近理論結(jié)果,實驗效果較好。此外STDMA接入機制的端到端時延在跳數(shù)大于3的情況明顯小于TDMA,因為當跳數(shù)小于等于3時,兩種機制的時隙分配方式相同,性能無差別,由此可得STDMA在能夠明顯提升系統(tǒng)性能。

圖9 myEvalvid工具原理圖

圖10 端到端時延對比

鏈式無線多跳視頻傳輸實驗中對比了CSMA、TDMA和STDMA 3種接入方式不同跳數(shù)傳輸之后的視頻效果,圖11為實驗效果圖。由圖可知，在1跳時,3種接入機式的傳輸效果都較好；4跳時,CSMA和TDMA接入方法傳輸?shù)囊曨l都有所失真,而STDMA接入方法傳輸?shù)囊曨l幾乎無失真；而當增加至8跳時,CSMA接入方式傳輸?shù)囊曨l失真嚴重,TDMA接入方式傳輸?shù)囊曨l也有明顯的失真,而STDMA接入方式傳輸?shù)囊曨l同源視頻相比,畫質(zhì)稍有降低,視頻整體效果較好。

圖11 不同跳數(shù)下3種接入方式的視頻傳輸效果對比

6 總結(jié)

本文研究了鏈式無線多跳網(wǎng)絡中的TDMA與STDMA兩種接入機制,分析了TDMA與STDMA的在多跳網(wǎng)絡中的應用優(yōu)勢。針對未來鏈式多跳網(wǎng)絡的應用和研究需求,利用NS2設計進行了鏈式多跳網(wǎng)絡TDMA和STDMA接入機制性能分析實驗。結(jié)果表明，仿真實驗結(jié)果與理論分析結(jié)果一致,實驗可用于教學。此外,針對鏈式多跳網(wǎng)絡遠程監(jiān)控應用場景,利用myEvalid軟件進行多跳視頻傳輸質(zhì)量評價實驗,對比了3種接入方式視頻傳輸能力,結(jié)果表明STDMA具有較好的性能。

References)

[1] Bruno R, Conti M, Gregori E. Mesh networks:commodity multihop ad_hoc networks [J]. Communications Magazine, IEEE.,2005, 43(3):123-131.

[2] 4G Americas 5G Spectrum Recommendations[EB/OL].(2015-08-11)[2017-06-10]. http://www.5gamericas.org/files/6514/3930/9262/4G_Americas_5G_Spectrum_Recommendations_White_Paper.pdf.

[3] 喬鋼柱. 基于無線傳感器網(wǎng)絡的煤礦安全綜合監(jiān)控系統(tǒng)設計與關鍵技術研究[D]. 蘭州:蘭州理工大學, 2012.

[4] 陳林星, 曾曦, 曹毅. 移動Ad Hoc網(wǎng)絡:自組織分組無線網(wǎng)絡技術[M]. 北京:電子工業(yè)出版社, 2012.

[5] Sanabria-Russo L, Barcelo J, Bellalta B, et al. A High Efficiency MAC Protocol for WLANs:Providing Fairness in Dense Scenarios[J]. IEEE/ACM Transactions on Networking, 2017, 25(1):492-505.

[6] 孫彥景, 陳巖, 王艷芬, 等 基于WARP的無線通信實驗研究平臺設計[J]. 實驗技術與管理, 2017, 34(4):74-77.

[7] Nelson R, Kleinrock L. Spatial TDMA - A collision-free multihop channel access protocol[J]. IEEE Transactions on Communications, 1985, 33(9):934-944.

[8] 韓成, 吳援明. 多跳無線網(wǎng)中基于空分TDMA的時隙分配策略[J]. 通信技術, 2010, 43(3):90-92.

[9] Issariyakul T, Hossain E. Introduction to Network Simulator 2(NS2)[M]// Introduction to Network Simulator NS2. Springer US, 2012:21-40.

[10] 柯志亨,程榮祥,鄧德雋. NS2 仿真實驗:多媒體和無線網(wǎng)絡通信[M]. 北京:電子工業(yè)出版社, 2009.

[11] 周德榮, 夏齡, 舒濤, 等. NS2網(wǎng)絡協(xié)議虛擬仿真實驗平臺研究[J]. 實驗技術與管理, 2014, 31(3):87-90.

[12] Kushwaha S, Chaudhary D. Performance Analysis of AODV, CBRP, AOMDV, DSR MANET Routing Protocol using NS2Simulation[J]. International Journal of Computer Applications, 2015, 116(5):12-18.

Design of experiment on chain-type wireless multi-hop transmission system based on TDMA

Sun Yanjing, Chen Yan, Li Song, Zhang Xiaoguang, Lu Nannan, Wang Yanfen

(School of Information and Control Engineering， China University of Mining and Technology， Xuzhou 221116， China)

In view of the needs of the future teaching and in-depth research, the NS2 simulation software is used to design the simulation experiment on the chain multi-hop network. The experiment mainly focuses on the simulation of the end-to-end delay of the TDMA and STDMA access mechanism, and at the same time, aims at the video surveillance application scenarios for the multi-hop network. The experiment on the multi-hop video transmission combined with myEvalvid software can be applied to the experimental teaching.

multi-hop network; experiment design; video transmission; TDMA; NS2

2017-06-16

國家自然科學基金項目(51504255, 51504214)；江蘇省研究生教育教學改革重點課題(JGLX_075)；江蘇省高等教育教改研究立項課題(2015JSJG275)；中國礦業(yè)大學青年教師教學改革項目(2016QN09)；中國礦業(yè)大學課程建設與教學改革項目(2014SF04)

孫彥景(1977—),男,江蘇徐州,博士,教授,主要從事無線通信與嵌入式系統(tǒng)方面的科研和教學工作.

E-mail：yanjingsun_cn@163.com

10.16791/j.cnki.sjg.2017.12.009

TN925.5

A

1002-4956(2017)12-0036-05