基于分布式時分多址接入的無線網絡時隙調配方法

郭強

關鍵詞：分布式；TDMA；無線網絡；時隙；調配

無線網絡是由多個無線通信設備組成的網絡，在網絡覆蓋范圍之內的網絡節點，可以直接完成通信，在網絡覆蓋范圍之外的網絡節點，可以通過中間節點轉發來完成通信[1]。因此，使用無線網絡可以有效提高網絡通信效率。為了使網絡性能更佳，開始研究網絡通信協議。時分多址接入協議是一種獨特的協議，可以應對突發性的網絡通信過程，具備較為良好的抗干擾能力，并且不會與傳輸報文的內容沖突。分布式時分多址接入協議主要是將網絡數據量增大，提高網絡性能[2]。無線網絡是一種不需要基礎通信設施支持的無中心節點的網絡，網絡結構與其他網絡結構有很大的不同。

多跳通信、無中心自組織性、臨時性、網絡動態拓撲、分布式控制、對等性等特點，均為無線網絡突出的優勢，為其提供了較為廣闊的發展空間[3]。利用分布式TDMA可以對網絡進行靈活性、高適應性的時隙動態分配。對于給定的網絡節點，使用時分多址接入協議，預留出該節點的覆蓋位置，同時保證時隙預留的局部化，由此完成網絡時隙調配[4]。此過程中，通信信道可以反復使用，提高信道利用率的同時，減少網絡節點擁堵的現象。因此，本文設計了基于分布式TDMA的無線網絡時隙調配方法，滿足無線網絡時隙調配需求。

1 基于分布式TDMA的無線網絡時隙調配方法設計

1.1 提取分布式TDMA 協議幀結構特征

分布式TDMA協議幀具有適應性高的特點，提取出協議幀結構特征，對于劃分時隙具有重要作用。本文假設分布式TDMA協議幀被分為控制時段與信息時段，則幀結構為預約幀與信息幀[5]。本文將預約幀假定為A，信息幀為B，則得出的分布式TDMA協議幀結構特征如圖1所示。

如圖1所示，A為預約幀；B為信息幀；A1、An為預約時隙；a1、an為預約周期；1、2、3、4、5分別為預約請求、沖突報告、預約確認、預約應答、打包/消除；B1、Bn為信息時隙[6]。根據協議幀的結構，得出每一個預約幀可以劃分出多個預約時隙，預約時隙可以劃分出多個預約周期，最終得出預約請求、沖突報告、預約確認、預約應答、打包/消除等結構；在相同條件下，信息幀僅能劃分出多個信息時隙。

1.2 基于分布式TDMA 同步無線網絡時隙調配節點

在上述劃分出的時隙特征基礎上，本文將網絡時隙調配節點與時隙節點相同步。保證時隙同步是本文設計的調配方法的主要條件。只有保持時隙同步，才能使網絡節點接入信道傳輸信息的無沖突性[7]。本文主要應用互同步的方式，對分布式時分多址接入協議進行調整。網絡采用分布式TDMA接入時，接入時間劃分出多個時間幀，每個幀在不同的網絡規模下，可以分為多個時隙。本文面向無線網絡節點，對其進行時隙調度。本文假定網絡中存在N 個節點，i、j 均為網絡節點中的個體，當i、j 之間的信噪比大于某個閾值時，則可以判定節點i、j 之間可以進行通信。信噪比與閾值的關系式如下：

式（1-2） 中，X （i，j ）為節點i、j 的信噪比，Si 為節點i的信息發送速率，K （i，j ）為節點i到節點j的通信損耗，P 為空白信道白噪聲影響系數，δ 為時隙門閾值，Sk 為同時傳輸數據時發生的沖突信息。由此判定，信噪比X （i，j ）與閾值δ 之間呈現反比關系，在時隙調配過程中存在沖突。考慮到分布式TDMA在每個節點上的調配周期內，至少存在一次的時隙調度，本文將無線網絡看作靜態結構，當時隙調配節點能夠正常使用時，i、j 存在通信鏈路，網絡時隙無須調配，可直接使用；當時隙調配節點存在沖突時，i、j 不存在通信鏈路，ti，j與tj，i則為節點i、j 的兩跳鄰節點，節點同步公式如下所示：

1.3 構建動態時隙調配模型

為了實現無線網絡時隙的高效調配，本文在同步了時隙調配節點的基礎上，設計了動態時隙調配模型。信息在經過網絡時，形成了多個信息時隙，經過信道之后，再由多個接收天線接收[8]。因此，動態時隙收發信道矩陣如式（5） 所示：

2 實驗

為了驗證本文設計的調配方法是否具有使用價值，本文對上述方法進行實驗驗證。實驗結果以傳統無線網絡時隙調配方法，與本文設計的基于分布式TDMA的無線網絡時隙調配方法進行對比的形式呈現。具體實驗過程及實驗結果如下所示。

2.1 實驗過程

在進行實驗之前，本文對無線網絡數據進行延時處理，并將網絡節點規劃成如圖2所示的場景。

如圖2所示，數據流源節點到目的節點的參數位置分別為1～3、3～5、5～4、4～6、6～7、7～2、2～8。為了保證網絡發送延時情況具有良好的處理效果，本文設定同步時隙時幀個數為32個，每個時隙長度為0.22ms，保護間隔為0.04ms，為時隙長度設定為10μs。以此為基礎，時隙預約時幀、數據時幀的時隙個數均與同步時隙時幀個數一致，每個時隙長度分別為0.52ms與5.03ms，保護間隔分別為0.06ms與0.50ms，微時隙長度與同步時幀一致。此時網絡節點的參數配置如表1所示。

如表1所示，令發送數據節點每隔1個循環時幀，產生220byte，測試時間設定為3min，各個節點接收到的時隙數如圖3所示。

如圖3所示，在網絡靜止狀態下，網絡節點可以收到的時隙數為2.0。在網絡處于非靜止的動態變化狀態下，網絡節點可以收到的時隙數在4～6的范圍區間內。由此可以判定，使用本文設計的方法在上述8個節點中，可以起到優先處理的作用，使網絡節點調配到更多優質的時隙資源。同時，在0信道的環境下，對網絡節點接入時延的影響不大，并不會出現網絡節點“餓死”的狀態。網絡節點在不同負載條件下的吞吐量情況如圖4所示。

如圖4所示，網絡負載與吞吐量在網絡靜止狀態下處于相同水平線上，網絡節點業務在0Byte/s～1KByte/s 范圍內時，處于上升態勢，并在1KByte/s～512KByte/s范圍內處于穩定。網絡節點在此負載條件下，吞吐量也在0Byte/s～1KByte/s范圍內時，處于上升態勢，在1KByte/s～512KByte/s范圍內時，處于下降態勢。由于網絡負載在1KByte/s～512KByte/s范圍內處于穩定，節點發送業務速率提升時，負載也不會出現變化，吞吐量就會出現下降，避免了數據包之間相互碰撞，可以保證網絡時隙的基礎調配效果。

2.2 實驗結果

在上述實驗條件下，本文隨機選取出8個網絡節點，節點發送速率分別為1/10kbps、2/20kbps、3/40kbps、4/60kbps、5/80kbps、6/100kbps、7/120kbps、8/140kbps。在吞吐量一致的條件下，將傳統無線網絡時隙調配方法網絡節點接入時延，與本文設計的基于分布式TDMA的無線網絡時隙調配方法網絡節點接入時延進行對比。實驗結果如表2所示。

如表2所示，在上述8種網絡節點發送速率小，網絡吞吐量隨著網絡節點發送速率的變化而變化，吞吐量在32.12kbps～227.93kbps范圍內波動。在正常情況下，網絡節點接入時延在8.0×10-2s以內時，可以保證網絡節點不出現堵塞。在吞吐量條件一致的情況下，傳統無線網絡時隙調配方法網絡節點接入時延相對較長。在網絡節點發送速率為8/140kbps時，網絡吞吐量為227.93kbps，此時傳統調配方法的網絡節點接入時延為8.82×10-2s。因此，傳統方法的調配效果不佳，網絡節點接入實驗亟須改進。而本文設計的基于分布式TDMA的無線網絡時隙調配方法網絡節點接入時延相對較短。在網絡節點發送速率為8/140kbps時，網絡吞吐量為227.93kbps，此時本文設計的調配方法網絡節點接入時延僅為4.48×10-3s，在8.0×10-2s的合理時延范圍內。由此判定，使用該調配方法時，網絡節點并未出現擁堵現象，能夠合理地調配無線網絡時隙，符合本文研究目的。

3 結束語

近些年來，無線網絡的覆蓋面較廣，無線網絡中的每個節點既是終端，又是路由器，不在彼此覆蓋范圍內的網絡節點可以通過中間節點轉發來完成通信。利用無線網絡，拉近了彼此之間的距離，為人們提供了較為便捷的通信環境。為了減少網絡節點相互碰撞影響網絡通信的問題，本文設計了基于分布式TDMA的無線網絡時隙調配方法。通過提取時幀結構特征、同步調配節點、構建調配模型等方式，實現了無線網絡時隙的精準調配。通過以上研究，文章旨在滿足網絡實時業務傳輸需求，為無線網絡的發展提供保障。