基于TDMA 的水下MAC 協議時隙參數計算研究

◆曾祥文 陳國璐

（哈爾濱工程大學 黑龍江 150001）

1 課題研究背景與意義

隨著水聲通信物理層技術的日趨成熟，水聲通信媒體接入控制協議（MAC）受到越來越多的關注，逐漸成了一個熱門的研究課題。MAC 協議對水聲通信網絡的吞吐量性能參數有著重要影響，因此，設計出高效的MAC 協議對于水聲通信網絡就顯得格外重要[1]。

相較于在陸地上已逐漸成熟的無線通信MAC 協議，水聲通信網絡中的MAC 協議在設計上仍有很多問題亟須解決。例如水聲通信網絡具有大時延特性、節點能量受限、水聲通信網絡測試與部署困難等，正是因為這些缺點，使得原本在陸地上應用廣泛的MAC 協議在水聲通信網絡出現較大的性能損失，同時這也給水聲通信網絡MAC 協議設計帶來了極大的困難與挑戰。

2 基于Super-TDMA 的時隙調度MAC 協議

Super-TDMA協議是Shiraz Shahabudeen 于2012年針對水聲通信環境提出的水聲網絡MAC 協議，它使用了文獻[2]提出的利用大時延多節點調度并行傳輸機制，在吞吐量性能上有著優異的表現，因此本文選擇以該協議下的ρ-Schedules 算法為研究和設計的基礎，通過改進ρ-Schedules 算法，讓該協議發揮更優性能。

3 Super-TDMA 協議模型與運行流程

Super-TDMA 的核心使用了Mandar Chitre 在文獻[3]中提出的大時延網絡調度約束模型和調度算法，它允許多節點在同一時隙并行傳輸，并通過調度算法來實現時隙的最大限度利用。

基于該調度原理的Super-TDMA 協議在實際網絡中運行時，從初始化到開始進行數據傳輸會經歷三個階段。

由于TDMA 協議是在時隙內傳輸報文，在各種干擾下可能會出現跨時隙傳輸問題，Super-TDMA 協議使用了ρ-Schedules 算法來解決該問題，該算法通過設置合理的數據報文長度，并確定信道接入參數，即節點在發送時隙內的具體發送起始時間和結束時間，避免了沖突的問題。

4 基于調度感知的跨時隙發送策略

基于對Super-TDMA 協議模型的研究與分析，協議吞吐量的主要受時隙表和時隙接入參數影響。對于一般時延網絡，原協議在計算時隙接入參數時使用了ρ-Schedules 計算方式，但是該算法存在時隙空隙未利用的問題。因此，本文在ρ-Schedules 原理基礎上，通過深入分析其存在問題和缺陷，考慮采用分布式的計算方式，并加入調度感知策略，同時打破固定包長約束，以實現數據報文跨時隙發送，從而達到提高網絡吞吐量的目的。

5 統一接入參數計算的局限性與問題分析

基于對Super-TDMA 協議模型的研究與分析，并結合實際網絡仿真中的結果，分析其原因如下：

（1）在TDMA 時隙之間存在未利用空隙

根據定義的ρ+和ρ-計算方法，其獲取的最大、最小值的范圍包含了所有鏈路，對于每個節點，時隙之間可能存在空隙。。

（2）對節點移動性和鏈路延時動態性支持不足

由于一般情況下水下通信節點受各種因素影響而改變自身位置，節點之間的通信時延會隨之發生變化，況且水聲信道特性也會隨時間動態變化，這使得一些數據報文會跨越時隙造成沖突或未接收完成。

6 利用調度信息的算法優化策略

為解決上述原算法中存在的問題，本文提出一種利用時延與調度信息新的計算策略，通過重新設計信道參數計算方法，讓各節點只根據自身鄰居節點時延信息來確定本節點當前時隙的發送起始時間和結束時間。所有節點最大幀長，根據當前延時情況實時計算可發送的最大幀長。

為計算新的發送開始和結束時間，這里首先定義發送時隙的時隙起始時間為t，發送節點i相鄰的通信節點集合Ni=＞ 0,0 ＜j≤N}。

根據圖1 所示，假設節點i當前正處于S-1 時隙，并以當前時刻為時間起點，定義下一時隙S的起始時刻為t，且時隙S的調度安排為給節點j發送數據幀，由于數據幀長總小于時隙長度τ，因此總會提前完成傳輸或接收，因而可以認為t＞ 0。那么對于節點i的ts新計算方法可由下式（1）給出。

圖1 信道接入參數計算示意圖

對于給定的τ，由于各節點鏈路延時是隨機的，因此-Pij的大小是隨機的，所以可能為負。當為負時，ts小于發送時隙的起始時間t，發送與接收嚴格限制在同一個時隙內，新的計算算法允許ts小于t，但同時使得接收節點可在同一時隙接收完畢，因此能正確接收而不受影響，另外，如果ts＜ 0，則讓ts=0。

對于新的te其計算方式由式（2）給出。

計算方式原理和原算法一致，為進一步利用可以空隙，新算法可以利用鄰居節點的調度信息，在不存在干擾的情況下，可最大限度增大te的值，從而提高了吞吐量。

令k∈Ni，且k≠j，由于S+≥0，那么當存在S+′+1 ≥ 0時，可以發現te的取值不會給節點k 造成任何干擾，因此可以將k 剔除出計算te所使用的鄰居節點集合。令

那么由式（4）可得加入調度信息篩選策略后，新的te計算方式為

如果Ni-Nk=?，則令=t+τ。進而可得到節點i 在當前發射時隙內給節點j 發送的最大幀長為Lij=te-。根據對式（2）和式（4）的分析，可以容易得到原算法計算出的各節點相同的最大幀長L 必定小于等于Lij，即L≤Lij，因此可證明新算法具有更高的吞吐量。

上述時隙信道接入參數計算就是本文提出新算法的主要原理，本文將其命名為改進分布式ρ-Schedules（Distributed Advanceρ-Schedules）算法。

對比原算法，新算法在計算信道接入參數時只需要鄰居節點延時信息，并利用網絡的調度信息，可以在每個節點的將要發送時，根據實時鏈路延時情況，確定開始和結束時間。本文根據仿真結果可以發現，相比于原算法，新算法進一步提高了網絡吞吐量。

7 協議仿真與性能分析

為驗證新算法的有效性，我們首先需要驗證在理想等距環形拓撲下，吞吐量是否能到達上限。改進分布式ρ-Schedules 和原算法在理想等距環形拓撲下的吞吐量仿真結果如圖2 所示。

圖2 理想等距環形拓撲下的吞吐量性能

可以看到，對于等間距環形網絡，環形網絡吞吐容量上限N/ 2，證明了基于新的參數計算算法跟原算法一樣，在理想情況下，同樣能實現最大效率的傳輸。

為測試不同流量負載下的網絡吞吐量的性能表現，以3 節點采用最佳時隙表調度安排的環形網絡為例，在網絡總流量強度為0 至5范圍內仿真了非等距延時下的網絡情況。

可以看到，由于不同的流量強度使得網絡不能達到理論上限N/ 2，這是為了避免數據碰撞而降低網絡資源利用率造成的。由于改進算法使用了新的計算方法，可以實現跨時隙發送，并利用了其他節點的調度信息，使得時隙間空隙更少，從而達到了更高的網絡吞吐量，而且隨著網絡節點數的增大，每一節點微小的發送時間增加，將使得兩者的吞吐量數值差距越來越大。

8 總結與結論

本文以Super-TDMA 協議框架為基礎，研究了協議中信道接入參數計算算法，并對其存在的不足進行了分析，在原算法基礎上提出了基于調度感知的改進算法，改進算法進一步利用了時隙間的空隙，提高了網絡吞吐量。最后，通過仿真實驗測試了改進算法的性能，在相同的仿真條件下，改進算法達到的吞吐量比原算法提升了16.4%，驗證了協議改進的有效性。由于改進算法需要精確的時間同步，因此還需要進一步研究時間同步誤差對算法性能的影響。