劉 碩，劉蕓江，白 翔，高 鵬

（1.空軍工程大學(xué)信息與導(dǎo)航學(xué)院，西安 710077；2.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十研究所，成都 610041）

基于鄰居時(shí)隙切換的時(shí)分多址接入?yún)f(xié)議研究?

劉 碩1，劉蕓江1，白 翔2，高 鵬1

（1.空軍工程大學(xué)信息與導(dǎo)航學(xué)院，西安 710077；2.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十研究所，成都 610041）

針對(duì)傳統(tǒng)TDMA網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)間業(yè)務(wù)量不均勻的情況下，會(huì)造成信道資源嚴(yán)重浪費(fèi)的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種基于鄰居時(shí)隙切換的動(dòng)態(tài)TDMA協(xié)議（TDMA protocol based on adjacent timeslot transfer，ATT-TDMA），切換鄰居空閑時(shí)隙，更改節(jié)點(diǎn)業(yè)務(wù)時(shí)隙長(zhǎng)度但不影響整個(gè)網(wǎng)絡(luò)循環(huán)周期的結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)時(shí)隙的動(dòng)態(tài)利用。利用OPNET平臺(tái)搭建仿真模型，并與HFTP協(xié)議和TDMA協(xié)議作了對(duì)比分析。仿真結(jié)果表明，相同條件下ATT-TDMA相比HFTP協(xié)議和TDMA協(xié)議，在消息投遞率、平均時(shí)延和吞吐量方面具有更優(yōu)異的性能。

時(shí)分多址，不均勻，鄰居時(shí)隙，切換，OPNET

0 引言

短波數(shù)據(jù)鏈可以有效地實(shí)現(xiàn)戰(zhàn)術(shù)消息的超視距傳輸，為了使網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)有效利用無(wú)線信道資源，一般通過(guò)媒質(zhì)接入控制（MAC，Media Access Control）協(xié)議來(lái)協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)接入無(wú)線信道的時(shí)間［1］。其中，基于時(shí)分多址的接入控制協(xié)議（TDMA，Time Division Multiple Access）以時(shí)隙為基本傳輸單位將信道時(shí)間化，利用確定的時(shí)隙分配算法讓節(jié)點(diǎn)分時(shí)、循環(huán)接入信道，可以有效地避免節(jié)點(diǎn)間的信號(hào)碰撞。并且國(guó)內(nèi)外已經(jīng)形成一種共識(shí)：TDMA協(xié)議是構(gòu)建戰(zhàn)術(shù)移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的首選方式［2］。然而，傳統(tǒng)的TDMA協(xié)議是給各節(jié)點(diǎn)預(yù)先固定分配一個(gè)長(zhǎng)度確定的時(shí)隙，在這個(gè)時(shí)隙內(nèi)只有該節(jié)點(diǎn)可以傳輸數(shù)據(jù)，在節(jié)點(diǎn)間業(yè)務(wù)量不均勻的情況下會(huì)造成信道資源的嚴(yán)重浪費(fèi)。

目前，短波MAC機(jī)制以靜態(tài)的資源分配為主，而動(dòng)態(tài)的資源分配更能滿足短波信道帶寬窄、資源有限的情況，并且北約和美軍明確了動(dòng)態(tài)TDMA協(xié)議是新一代短波數(shù)據(jù)鏈的支撐技術(shù)［3］。為了提高信道利用率，改善網(wǎng)絡(luò)性能，人們對(duì)動(dòng)態(tài)TDMA協(xié)議展開(kāi)了大量研究。文獻(xiàn)［4］在固定時(shí)隙分配的基礎(chǔ)上融入預(yù)約爭(zhēng)用的思想，當(dāng)節(jié)點(diǎn)需要發(fā)送緊急報(bào)文時(shí)，可以向中心節(jié)點(diǎn)預(yù)約并爭(zhēng)用空閑時(shí)隙，實(shí)現(xiàn)了時(shí)隙的動(dòng)態(tài)利用；文獻(xiàn)［5］將時(shí)隙分成競(jìng)爭(zhēng)和數(shù)據(jù)部分，時(shí)隙不專屬于某個(gè)節(jié)點(diǎn)，需要傳輸數(shù)據(jù)的節(jié)點(diǎn)在競(jìng)爭(zhēng)部分按照一定規(guī)則“搶奪”對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)段的時(shí)隙使用權(quán)，實(shí)現(xiàn)時(shí)隙的動(dòng)態(tài)占用；文獻(xiàn)［6］在TDMA的基礎(chǔ)上加入偵聽(tīng)機(jī)制，由時(shí)隙剩余的節(jié)點(diǎn)偵聽(tīng)信道，統(tǒng)計(jì)并通知業(yè)務(wù)繁忙節(jié)點(diǎn)利用剩余時(shí)隙發(fā)送數(shù)據(jù)，來(lái)實(shí)現(xiàn)時(shí)隙的動(dòng)態(tài)利用；文獻(xiàn)［7］通過(guò)固定分配和動(dòng)態(tài)分配相結(jié)合，前者采用基本的TDMA接入方式，后者采用競(jìng)爭(zhēng)的方式，競(jìng)爭(zhēng)空閑時(shí)隙實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)利用。然而，由于短波信道帶寬窄、存在時(shí)變性的特點(diǎn)，上述改進(jìn)協(xié)議［4-7］中預(yù)約競(jìng)爭(zhēng)、偵聽(tīng)的思想并不能直接應(yīng)用于短波數(shù)據(jù)鏈中。

本文在傳統(tǒng)TDMA的基礎(chǔ)上，提出了一種基于鄰居時(shí)隙切換的動(dòng)態(tài)TDMA協(xié)議（ATT-TDMA，adjacent timeslot transfer-TDMA），設(shè)計(jì)了時(shí)幀和控制報(bào)文的結(jié)構(gòu)，詳細(xì)介紹了鄰居時(shí)隙切換過(guò)程，最后用OPNET評(píng)估了協(xié)議性能。

1 ATT-TDMA協(xié)議描述

1.1 協(xié)議設(shè)計(jì)

1.1.1 時(shí)幀結(jié)構(gòu)

圖1 ATT-TDMA時(shí)幀結(jié)構(gòu)

在ATT-TDMA協(xié)議中，時(shí)幀由業(yè)務(wù)時(shí)隙和控制時(shí)隙組成。如圖1所示，業(yè)務(wù)時(shí)隙由整數(shù)個(gè)微時(shí)隙構(gòu)成，每個(gè)微時(shí)隙可正好傳輸一條格式化數(shù)據(jù)報(bào)文，網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點(diǎn)分別占用整數(shù)個(gè)微時(shí)隙進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，其在時(shí)間軸上的順序編號(hào)稱為業(yè)務(wù)時(shí)隙號(hào)i（1≤i≤N），這里根據(jù)節(jié)點(diǎn)所占業(yè)務(wù)時(shí)隙在時(shí)間軸上的順序規(guī)定鄰居時(shí)隙概念?？刂茣r(shí)隙分成廣播、請(qǐng)求和確認(rèn)3個(gè)階段，各階段的時(shí)隙資源根據(jù)節(jié)點(diǎn)數(shù)目劃分成與之相等的小時(shí)隙。廣播階段中節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)收集鄰居節(jié)點(diǎn)的時(shí)隙使用情況，生成鄰居節(jié)點(diǎn)狀態(tài)表；請(qǐng)求階段中節(jié)點(diǎn)根據(jù)鄰居時(shí)隙申請(qǐng)算法判斷向“誰(shuí)”申請(qǐng)以及申請(qǐng)多少時(shí)隙；確認(rèn)階段中節(jié)點(diǎn)結(jié)合自身的時(shí)隙資源富余情況決定是否切換時(shí)隙，重新劃分業(yè)務(wù)時(shí)隙界限。1.1.2 控制報(bào)文結(jié)構(gòu)

根據(jù)控制時(shí)隙的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，包含3種類型的報(bào)文：廣播報(bào)文、請(qǐng)求報(bào)文和確認(rèn)報(bào)文，如圖2所示。

圖2 控制報(bào)文結(jié)構(gòu)

DT（Data Type）為幀類型控制字段，01表示廣播報(bào)文，10表示請(qǐng)求報(bào)文，11表示確認(rèn)報(bào)文；SA（Source Address）為源地址字段，表示發(fā)送報(bào)文的節(jié)點(diǎn)編號(hào)；DA（Destination Address）為目的地址字段，表示接受報(bào)文的節(jié)點(diǎn)編號(hào)；BTN（Business Timeslot Number）為業(yè)務(wù)時(shí)隙號(hào)字段，表示該節(jié)點(diǎn)所占業(yè)務(wù)時(shí)隙的編號(hào)；ATT（Assign Timeslot Table）為時(shí)隙分配表字段，表示節(jié)點(diǎn)當(dāng)前時(shí)幀中時(shí)隙使用情況，0表示接收，1 表示發(fā)送；RTN（Request Timeslot Number）為節(jié)點(diǎn)請(qǐng)求時(shí)隙數(shù)字段，正數(shù)表示需求的時(shí)隙數(shù)，負(fù)數(shù)表示空閑的時(shí)隙數(shù)；SN（Start Number）為起始編號(hào)字段，表示節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)讓時(shí)隙的起始編號(hào)；EN（End Number）為截止編號(hào)字段，表示節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)讓時(shí)隙的截止編號(hào)；CRC為校驗(yàn)字段。

1.2 時(shí)隙估計(jì)

如何估計(jì)節(jié)點(diǎn)的業(yè)務(wù)時(shí)隙是否滿足自身傳輸要求，即需求或空閑多少時(shí)隙，是一個(gè)核心問(wèn)題。在ATT-TDMA協(xié)議中，時(shí)隙估計(jì)過(guò)程發(fā)生在節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)業(yè)務(wù)時(shí)隙結(jié)束之余，分為兩個(gè)步驟。

步驟1：通過(guò)檢測(cè)自身緩存隊(duì)列中剩余的報(bào)文個(gè)數(shù)，計(jì)算時(shí)隙的需求量。假設(shè)數(shù)據(jù)報(bào)文的有效時(shí)間為T(mén)，所有的數(shù)據(jù)報(bào)文都必須在有效時(shí)間之內(nèi)得到處理，為了避免網(wǎng)絡(luò)擁塞，保證消息的新鮮性，在有效時(shí)間內(nèi)得不到處理的報(bào)文都會(huì)被銷毀。那么在下一個(gè)時(shí)幀中需要得到處理的報(bào)文應(yīng)該滿足以下公式：

其中，Dbefore表示該報(bào)文在上一個(gè)時(shí)幀中的等待時(shí)延，Dnow表示該報(bào)文在本時(shí)幀隊(duì)列中的等待時(shí)延，Tframe表示時(shí)幀長(zhǎng)度。上面公式的意思是該報(bào)文的有效時(shí)間在下一個(gè)時(shí)幀得到滿足，而在下下個(gè)時(shí)幀得不到滿足，所以必須在下一個(gè)時(shí)幀中得到處理。統(tǒng)計(jì)滿足式（1）的報(bào)文個(gè)數(shù)，假設(shè)為N1，根據(jù)業(yè)務(wù)階段每個(gè)微時(shí)隙傳輸一條數(shù)據(jù)報(bào)文，那么該節(jié)點(diǎn)需要的時(shí)隙數(shù)目為：

步驟2：計(jì)算到下一個(gè)業(yè)務(wù)時(shí)隙到來(lái)之前，緩存隊(duì)列中新增的報(bào)文個(gè)數(shù)所需要的時(shí)隙數(shù)目。假設(shè)報(bào)文分組到達(dá)為泊松過(guò)程［8］，分組到達(dá)率為，節(jié)點(diǎn)自身占有的時(shí)隙數(shù)sitself，微時(shí)隙長(zhǎng)度為tms，則新增的報(bào)文個(gè)數(shù)為：

則需要的時(shí)隙數(shù)目為：

于是，可以計(jì)算出在下一個(gè)時(shí)幀中，節(jié)點(diǎn)傳輸報(bào)文需要的時(shí)隙數(shù)為：

進(jìn)而可以得到節(jié)點(diǎn)的請(qǐng)求時(shí)隙數(shù)（RTN數(shù)值）：

1.3 鄰居時(shí)隙切換

節(jié)點(diǎn)先在業(yè)務(wù)時(shí)隙進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸（第1個(gè)時(shí)幀內(nèi)各節(jié)點(diǎn)均分業(yè)務(wù)微時(shí)隙），每個(gè)節(jié)點(diǎn)在對(duì)應(yīng)的業(yè)務(wù)時(shí)隙結(jié)束之余進(jìn)行時(shí)隙估計(jì)，評(píng)估下一個(gè)時(shí)幀中自身時(shí)隙使用情況；再進(jìn)入控制時(shí)隙完成鄰居時(shí)隙切換：收集節(jié)點(diǎn)時(shí)隙使用情況，并對(duì)下一個(gè)時(shí)幀中各節(jié)點(diǎn)的時(shí)隙占用情況進(jìn)行動(dòng)態(tài)切換，以及分配情況的確認(rèn)。

在廣播階段中，節(jié)點(diǎn)通過(guò)廣播報(bào)文向鄰居節(jié)點(diǎn)發(fā)送自身時(shí)隙使用信息。每個(gè)節(jié)點(diǎn)在其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送廣播報(bào)文時(shí)通過(guò)偵聽(tīng)信道，并按照業(yè)務(wù)時(shí)隙號(hào)進(jìn)行排序，就能獲取一個(gè)完整的鄰居節(jié)點(diǎn)狀態(tài)表。例如全網(wǎng)6個(gè)節(jié)點(diǎn)在當(dāng)前時(shí)幀中均分了業(yè)務(wù)時(shí)隙的36個(gè)微時(shí)隙進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，節(jié)點(diǎn)2在經(jīng)過(guò)廣播階段后會(huì)形成如下結(jié)構(gòu)的鄰居節(jié)點(diǎn)狀態(tài)表，如表1所示。

表1 鄰居節(jié)點(diǎn)狀態(tài)表

在請(qǐng)求階段中，需求時(shí)隙的節(jié)點(diǎn)根據(jù)鄰居節(jié)點(diǎn)狀態(tài)表會(huì)向鄰居節(jié)點(diǎn)發(fā)送時(shí)隙請(qǐng)求報(bào)文。例如表1中，占用2號(hào)業(yè)務(wù)時(shí)隙的節(jié)點(diǎn)2會(huì)向占用1號(hào)和3號(hào)業(yè)務(wù)時(shí)隙的節(jié)點(diǎn)1和節(jié)點(diǎn)3申請(qǐng)2個(gè)時(shí)隙。當(dāng)某需求時(shí)隙的節(jié)點(diǎn)在向鄰居節(jié)點(diǎn)申請(qǐng)空閑時(shí)隙時(shí)，視該節(jié)點(diǎn)的鄰居節(jié)點(diǎn)狀態(tài)情況，執(zhí)行以下算法環(huán)節(jié)：①向左鄰居（業(yè)務(wù)時(shí)隙號(hào)較?。┥暾?qǐng)空閑時(shí)隙；②向右鄰居（業(yè)務(wù)時(shí)隙號(hào)較大）申請(qǐng)空閑時(shí)隙；③若左鄰居的全部空閑時(shí)隙仍不能滿足其時(shí)隙需求，再向右鄰居申請(qǐng)空閑時(shí)隙；④不作任何處理；

當(dāng)左右兩個(gè)鄰居時(shí)隙都有空閑，按照①③順序執(zhí)行申請(qǐng)；當(dāng)左鄰居有空閑，按照①順序執(zhí)行申請(qǐng)；當(dāng)右鄰居有空閑，按照②順序執(zhí)行申請(qǐng)；當(dāng)左右鄰居都不空閑，按照④順序執(zhí)行申請(qǐng)。

算法1為鄰居時(shí)隙申請(qǐng)算法的偽代碼，設(shè)占用業(yè)務(wù)時(shí)隙號(hào)i的節(jié)點(diǎn)Ni請(qǐng)求時(shí)隙數(shù)為Si。算法1：

在確認(rèn)階段中，時(shí)隙空閑的節(jié)點(diǎn)在收到請(qǐng)求報(bào)文之后，可能會(huì)遇到下面兩種情況：a.有且只有左或右一個(gè)鄰居有時(shí)隙需求；b.左右鄰居同時(shí)有時(shí)隙需求。

針對(duì)a情況，時(shí)隙空閑的節(jié)點(diǎn)不存在切換“矛盾”的問(wèn)題，只需要向請(qǐng)求節(jié)點(diǎn)發(fā)送確認(rèn)報(bào)文即可；針對(duì)b情況，根據(jù)優(yōu)先滿足業(yè)務(wù)時(shí)隙號(hào)較小節(jié)點(diǎn)的時(shí)隙需求原則，該節(jié)點(diǎn)會(huì)優(yōu)先切換空閑時(shí)隙給左鄰居，若滿足左鄰居的時(shí)隙需求后仍有空閑時(shí)隙，再切換給右鄰居，并發(fā)送相應(yīng)的確認(rèn)報(bào)文。這樣節(jié)點(diǎn)在收到確認(rèn)報(bào)文后，會(huì)根據(jù)切換時(shí)隙的起止位置，將自身對(duì)應(yīng)標(biāo)號(hào)的時(shí)隙狀態(tài)設(shè)為1，表示得到了鄰居切換的時(shí)隙。

2 仿真建模與分析

2.1 建模設(shè)計(jì)

本文利用OPNET仿真平臺(tái)，主要從網(wǎng)絡(luò)模型、節(jié)點(diǎn)模型和進(jìn)程模型3個(gè)層次［9］對(duì)ATT-TDMA協(xié)議進(jìn)行建模。網(wǎng)絡(luò)模型就是將一定數(shù)目的節(jié)點(diǎn)隨即分布在適合的網(wǎng)絡(luò)范圍內(nèi)，反映網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)特點(diǎn)；節(jié)點(diǎn)模型由相應(yīng)的協(xié)議模塊構(gòu)成，體現(xiàn)節(jié)點(diǎn)內(nèi)部的數(shù)據(jù)通信流程；進(jìn)程模型使用有限狀態(tài)機(jī)和源代碼描述協(xié)議具體功能是如何實(shí)現(xiàn)的。

2.1.1 網(wǎng)絡(luò)和節(jié)點(diǎn)模型

根據(jù)協(xié)議思想，建立的網(wǎng)絡(luò)和節(jié)點(diǎn)模型如圖3所示，網(wǎng)絡(luò)模型中設(shè)置節(jié)點(diǎn)數(shù)為6個(gè)，將其隨機(jī)分布于75 km×100 km的范圍內(nèi)，節(jié)點(diǎn)間采用無(wú)線鏈路連接。節(jié)點(diǎn)模型由source進(jìn)程、ATT-TDMA隊(duì)列、發(fā)射天線rt和接收天線rr四部分組成。其作用如下：source進(jìn)程負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)包的產(chǎn)生以及發(fā)送包和接收包的相關(guān)統(tǒng)計(jì)；ATT-TDMA隊(duì)列進(jìn)行數(shù)據(jù)緩存、時(shí)隙的劃分和分配，控制節(jié)點(diǎn)接入信道，是協(xié)議的主要實(shí)現(xiàn)部分；rt和rr進(jìn)程分別負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)包的發(fā)送和接收。

圖3 網(wǎng)絡(luò)和節(jié)點(diǎn)模型

2.1.2ATT-TDMA進(jìn)程模型

ATT-TDMA進(jìn)程模型如圖4所示，其工作階段可以歸納為4種：初始化、源數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)發(fā)送和數(shù)據(jù)接收。其中直線表示無(wú)條件轉(zhuǎn)移，虛線表示有條件轉(zhuǎn)移。

初始化階段：網(wǎng)絡(luò)建立成功后，進(jìn)入初始化階段，轉(zhuǎn)入init狀態(tài)，定義并初始化變量和統(tǒng)計(jì)量，完成后轉(zhuǎn)入idle狀態(tài)，同時(shí)監(jiān)聽(tīng)source（本節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)源）進(jìn)程和rr進(jìn)程是否有數(shù)據(jù)包發(fā)來(lái)。

源數(shù)據(jù)處理階段：當(dāng)source進(jìn)程發(fā)來(lái)數(shù)據(jù)時(shí)，進(jìn)入源數(shù)據(jù)處理階段，轉(zhuǎn)入stream_intr狀態(tài)，將數(shù)據(jù)按順序放入隊(duì)列暫時(shí)緩存。

圖4 進(jìn)程模型

數(shù)據(jù)發(fā)送階段：當(dāng)節(jié)點(diǎn)的自身時(shí)隙到來(lái)時(shí)進(jìn)入發(fā)送階段，轉(zhuǎn)入slot_intr狀態(tài)，并判斷當(dāng)前時(shí)隙類型是業(yè)務(wù)時(shí)隙還是控制時(shí)隙。如果是業(yè)務(wù)時(shí)隙轉(zhuǎn)入rt_packet狀態(tài)和slot_estimate狀態(tài)，在rt_packet狀態(tài)中，將數(shù)據(jù)從隊(duì)列中取出發(fā)送至rt進(jìn)程，在slot_estimate狀態(tài)中，節(jié)點(diǎn)進(jìn)行時(shí)隙估計(jì)計(jì)算自身時(shí)隙需求，將生成的廣播報(bào)文發(fā)送至slot_bro狀態(tài)等待相應(yīng)時(shí)隙發(fā)送；如果是控制時(shí)隙，節(jié)點(diǎn)處于廣播階段時(shí)，轉(zhuǎn)入slot_bro狀態(tài)發(fā)送廣播報(bào)文到rt進(jìn)程。節(jié)點(diǎn)處于請(qǐng)求階段時(shí)，轉(zhuǎn)入slot_req狀態(tài)根據(jù)鄰居時(shí)隙申請(qǐng)算法生成請(qǐng)求報(bào)文發(fā)送至rt進(jìn)程。節(jié)點(diǎn)處于確認(rèn)階段時(shí)，轉(zhuǎn)入slot_ack狀態(tài)響應(yīng)請(qǐng)求節(jié)點(diǎn)的時(shí)隙需求生成確認(rèn)報(bào)文，并發(fā)送至rt進(jìn)程。

數(shù)據(jù)接收階段：當(dāng)節(jié)點(diǎn)接收到rr進(jìn)程發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)包時(shí)進(jìn)入接收階段，轉(zhuǎn)入receive狀態(tài)，并判斷數(shù)據(jù)包類型是業(yè)務(wù)包還是信令包，如果是業(yè)務(wù)包轉(zhuǎn)入rr_packet狀態(tài)，將其發(fā)送至源模塊完成數(shù)據(jù)接收和相應(yīng)的統(tǒng)計(jì)；如果是信令包，節(jié)點(diǎn)接收的是廣播報(bào)文時(shí)，轉(zhuǎn)入rr_bro狀態(tài)解析廣播報(bào)文生成鄰居節(jié)點(diǎn)狀態(tài)表。節(jié)點(diǎn)接收的是請(qǐng)求報(bào)文時(shí)，轉(zhuǎn)入rr_req狀態(tài)判斷自身時(shí)隙使用情況是否滿足請(qǐng)求節(jié)點(diǎn)的時(shí)隙需求，若能滿足將請(qǐng)求報(bào)文發(fā)送至slot_ack狀態(tài)進(jìn)行處理，否則銷毀。節(jié)點(diǎn)接收的是確認(rèn)報(bào)文時(shí)，轉(zhuǎn)入rr_ack狀態(tài)根據(jù)報(bào)文中切換時(shí)隙的位置，改變其狀態(tài)值更新自身時(shí)隙分配表。

2.2 仿真參數(shù)

仿真主要參數(shù)配置如表2所示。

表2 仿真參數(shù)設(shè)置

2.3 性能分析比較

為了構(gòu)造節(jié)點(diǎn)間業(yè)務(wù)量不均勻的情形，設(shè)節(jié)點(diǎn)均分為A和B兩類：A類節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)包產(chǎn)生平均間隔固定為0.5 s，分析如下：當(dāng)數(shù)據(jù)包產(chǎn)生平均間隔理論值等于400·6／4 800=0.5 s時(shí)，網(wǎng)絡(luò)負(fù)載達(dá)到飽和業(yè)務(wù)量，考慮到信道不能完成利用，將A類數(shù)據(jù)包產(chǎn)生平均間隔設(shè)定為0.5 s，肯定達(dá)到網(wǎng)絡(luò)擁擠狀態(tài)；B類節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)包產(chǎn)生平均間隔分別為0.5 s、1 s、2 s、3 s、4 s、5 s、10 s、15 s、20 s、25 s、30 s。通過(guò)設(shè)置上述節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)包產(chǎn)生平均間隔，分別對(duì)ATT-TDMA、TDMA和HFTP協(xié)議進(jìn)行仿真，并對(duì)消息投遞率、端到端延遲和網(wǎng)絡(luò)吞吐量方面的性能作了分析比較，仿真統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖5所示。

從圖5中可以看出：①ATT-TDMA協(xié)議與TDMA協(xié)議相比，圖a中投遞率趨于穩(wěn)定時(shí)提高約30%；圖b中時(shí)延趨于穩(wěn)定時(shí)降低約1.5 s；圖c中吞吐量趨于穩(wěn)定時(shí)提高約500 b/s。這是因?yàn)楫?dāng)B類節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)包產(chǎn)生平均間隔在0.5 s左右時(shí)，網(wǎng)絡(luò)內(nèi)節(jié)點(diǎn)間業(yè)務(wù)量差距不大，均處于擁擠狀態(tài)，隨著B(niǎo)類節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)產(chǎn)生間隔逐漸增大，A和B類節(jié)點(diǎn)間業(yè)務(wù)量的差距逐漸增大，B類節(jié)點(diǎn)時(shí)隙出現(xiàn)空閑，由于ATT-TDMA協(xié)議能夠動(dòng)態(tài)切換鄰居空閑時(shí)隙，按節(jié)點(diǎn)業(yè)務(wù)量大小動(dòng)態(tài)利用信道資源，一定程度上滿足了業(yè)務(wù)量大的A類節(jié)點(diǎn)的時(shí)隙需求，而TDMA協(xié)議各節(jié)點(diǎn)只在自身固定分配的時(shí)隙內(nèi)發(fā)送數(shù)據(jù)，業(yè)務(wù)量大的A類節(jié)點(diǎn)會(huì)出現(xiàn)時(shí)隙不夠用，而業(yè)務(wù)量小的B類節(jié)點(diǎn)時(shí)隙被浪費(fèi)，所以ATT-TDMA協(xié)議較TDMA協(xié)議在性能上有很大的提升。②ATT-TDMA協(xié)議與HFTP協(xié)議相比，當(dāng)數(shù)據(jù)包產(chǎn)生平均間隔逐漸增大，網(wǎng)絡(luò)內(nèi)整體的業(yè)務(wù)量減少不再擁擠時(shí)，兩種協(xié)議均能夠根據(jù)業(yè)務(wù)量的大小動(dòng)態(tài)利用信道，在性能變化上基本一致，圖a中投遞率趨于穩(wěn)定時(shí)提高約6%；圖b中時(shí)延趨于穩(wěn)定時(shí)降低0.3 s；圖c中吞吐量趨于穩(wěn)定時(shí)提高約100 b/s左右。這是因?yàn)镠FTP協(xié)議存在著令牌傳遞開(kāi)銷和丟失問(wèn)題，造成時(shí)隙浪費(fèi)，相反ATT-TDMA協(xié)議由于不存在令牌機(jī)制，其性能略優(yōu)于HFTP協(xié)議。

圖5 協(xié)議性能比較

3 結(jié)論

針對(duì)固定TDMA分配方案存在著信道資源嚴(yán)重浪費(fèi)的問(wèn)題，設(shè)計(jì)出基于鄰居時(shí)隙切換的ATT-TDMA協(xié)議，重點(diǎn)描述了鄰居時(shí)隙切換過(guò)程中的廣播、請(qǐng)求和確認(rèn)階段，實(shí)現(xiàn)了時(shí)隙的動(dòng)態(tài)利用。OPNET仿真結(jié)果表明，ATT-TDMA協(xié)議在消息投遞率、平均時(shí)延和吞吐量等性能上優(yōu)于HFTP和TDMA協(xié)議，更適應(yīng)于短波網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)間業(yè)務(wù)量不均勻的傳輸情況。同時(shí)，考慮節(jié)點(diǎn)優(yōu)先級(jí)并基于全局時(shí)隙的切換是下一步的研究重點(diǎn)。

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Research of Time Division Multiple Access Protocol Based on Adjacent Timeslot Transfer

LIU Shuo1，LIU Yun-jiang1，BAI Xiang2，GAO Peng1
（1.Institute of Information and Navigation，Airforce Engineering University，Xi’an 710077，China；2.No.30 Institute of CETC，Chengdu 610041，China）

A dynamic TDMA protocol based on adjacent timeslot transfer （ATT-TDMA） is designed to solve the great waste of channel source when business is not uniform between of nodes in the traditional TDMA network，which timeslot is utilized dynamically by transfering adjacent free timeslot，changes the length of the business timeslot of nodes without affecting the entire network cycle structure.The performances comparision is made with HFTP protocol and TDMA protocol by OPNET.Simulation results under the same conditions show that ATT-TDMA protocol has better performance than HFTP protocol and TDMA protocol on the parameters of message delivery radio，traffic delay and network throughput.

TDMA，not uniform，adjacent timeslot，transfer，OPNET

TN92

A

10.3969/j.issn.1002-0640.2017.07.025

1002-0640（2017）07-0114-05

2016-05-18

2016-06-29

國(guó)家自然科學(xué)基金（61302153）；航空基金資助項(xiàng)目（20140196003）

劉 碩（1992- ），男，河北保定人，碩士研究生。研究方向：短波地空網(wǎng)MAC協(xié)議。