劉杰 王欽為 鐘書豪

摘要：TDMA組網(wǎng)方式是目前一種常見的組網(wǎng)方式，適應(yīng)性好，抗干擾能力強(qiáng)，廣泛應(yīng)用于各類型網(wǎng)絡(luò)。采用TDMA協(xié)議進(jìn)行組網(wǎng)時(shí)，最初都是靜態(tài)時(shí)隙配置，網(wǎng)絡(luò)化初始化階段各節(jié)點(diǎn)占用時(shí)隙均已規(guī)定好，系統(tǒng)簡(jiǎn)單可靠;但各節(jié)點(diǎn)發(fā)送業(yè)務(wù)需求處于動(dòng)態(tài)變化，高效的動(dòng)態(tài)時(shí)隙分配方法一直是該領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。本文針對(duì)采用靜態(tài)時(shí)隙分配的短波網(wǎng)提出了一個(gè)基于令牌的改進(jìn)型動(dòng)態(tài)時(shí)隙調(diào)整方案，提高其時(shí)隙利用效率。

關(guān)鍵詞：TDMA;動(dòng)態(tài)時(shí)隙;令牌

引言

短波具備較大的傳輸距離，大多數(shù)短波系統(tǒng)的無線信號(hào)具備全向性，因此短波信號(hào)是一種典型的全向性廣播信號(hào)，在短波組網(wǎng)的較大區(qū)域內(nèi)，為避免干擾，同一時(shí)間只能有一個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行信號(hào)發(fā)送，因此短波網(wǎng)非常適合采用TDMA協(xié)議組網(wǎng)。

一、時(shí)隙分配發(fā)展概況

1.靜態(tài)時(shí)隙分配

靜態(tài)時(shí)隙分配是最常見的TDMA時(shí)隙分配方式。TDMA系統(tǒng)中，將時(shí)間劃分成以幀為基礎(chǔ)的打包單位，每次數(shù)據(jù)傳輸以幀為單位進(jìn)行，而每一幀又劃分為許多個(gè)時(shí)隙組成，且每個(gè)時(shí)隙長(zhǎng)度固定。以8個(gè)節(jié)點(diǎn)短波組網(wǎng)為例，預(yù)設(shè)每一幀有17個(gè)時(shí)隙，采用平均分配，第1個(gè)時(shí)隙為網(wǎng)絡(luò)控制信息，第2至17時(shí)隙為數(shù)據(jù)時(shí)隙，平均分配于節(jié)點(diǎn)1至節(jié)點(diǎn)7，每個(gè)節(jié)點(diǎn)占有兩個(gè)時(shí)隙。第1個(gè)時(shí)隙為中心節(jié)點(diǎn)占用，廣播網(wǎng)絡(luò)控制信息，后續(xù)時(shí)隙歸占用的節(jié)點(diǎn)發(fā)送自己的數(shù)據(jù)。

除平均分配外，靜態(tài)時(shí)隙分配還可以根據(jù)節(jié)點(diǎn)級(jí)別對(duì)16個(gè)數(shù)據(jù)時(shí)隙進(jìn)行分類，比如節(jié)點(diǎn)1為重要節(jié)點(diǎn)，可以分配5個(gè)時(shí)隙，節(jié)點(diǎn)2、節(jié)點(diǎn)3為次重要節(jié)點(diǎn)，每個(gè)點(diǎn)分配3個(gè)時(shí)隙，其節(jié)點(diǎn)各分配1個(gè)時(shí)隙。

靜態(tài)分布也由很多分配方式，但有一點(diǎn)不變的就是網(wǎng)絡(luò)初始化時(shí)，所有時(shí)隙都已經(jīng)分配明確，組網(wǎng)完成后基本不進(jìn)行變動(dòng)，因此稱為靜態(tài)時(shí)隙分配。

2.動(dòng)態(tài)時(shí)隙分配

靜態(tài)時(shí)隙分配需在初始節(jié)點(diǎn)掌握所有節(jié)點(diǎn)信息，預(yù)判各節(jié)點(diǎn)業(yè)務(wù)數(shù)量進(jìn)行時(shí)隙分配，分配后調(diào)整困難，靈活性差，因此高效的動(dòng)態(tài)時(shí)隙調(diào)整技術(shù)成為必然的發(fā)展趨勢(shì)。下面介紹幾種常見的動(dòng)態(tài)時(shí)隙分配方式。

基于拓?fù)涞膭?dòng)態(tài)時(shí)隙分配。該動(dòng)態(tài)分布常用近距離復(fù)雜拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，各網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的時(shí)隙分配數(shù)量與自己連接的節(jié)點(diǎn)數(shù)量成正比，在網(wǎng)絡(luò)控制信息中攜帶各節(jié)點(diǎn)時(shí)隙分配情況，每一幀的時(shí)隙分配都可以根據(jù)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)變化。這種分配方式保證了每一條拓?fù)滏溌返臅r(shí)隙分配基本均衡，但是需要在時(shí)隙分配時(shí)掌握全部拓?fù)湫畔ⅰ?/p>

基于預(yù)申請(qǐng)模式的動(dòng)態(tài)時(shí)隙分配。各節(jié)點(diǎn)在下一個(gè)時(shí)隙周期分配前，需進(jìn)行時(shí)隙申請(qǐng)，可申請(qǐng)多個(gè)時(shí)隙，也可根據(jù)申請(qǐng)節(jié)點(diǎn)平均分配，不同的細(xì)分方案中申請(qǐng)機(jī)制各不相同，但總而言之就是收集所有節(jié)點(diǎn)時(shí)隙申請(qǐng)，設(shè)計(jì)一個(gè)分配算法，分配本周期內(nèi)時(shí)隙，然后等待下一個(gè)申請(qǐng)、分配周期。

分布式網(wǎng)絡(luò)中的局部協(xié)調(diào)動(dòng)態(tài)時(shí)隙分配。分布式網(wǎng)絡(luò)規(guī)模較大時(shí)，且拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)變化頻繁時(shí)，很難掌握全網(wǎng)實(shí)時(shí)拓?fù)?，也沒有一個(gè)統(tǒng)一的時(shí)隙調(diào)度中心進(jìn)行時(shí)隙分配，這個(gè)時(shí)候就需要一個(gè)分布式時(shí)隙動(dòng)態(tài)調(diào)整機(jī)制，常見的就是分布式局部時(shí)隙動(dòng)態(tài)調(diào)。該方式中，各相鄰節(jié)點(diǎn)間進(jìn)行控制信息交互，根據(jù)各節(jié)點(diǎn)業(yè)務(wù)需求，進(jìn)行時(shí)隙調(diào)配。

上述動(dòng)態(tài)時(shí)隙調(diào)整方案共同點(diǎn)都是基于一定的網(wǎng)絡(luò)變量，設(shè)計(jì)一個(gè)動(dòng)態(tài)分配算法，指定下一個(gè)數(shù)據(jù)周期內(nèi)的時(shí)隙分配。

二、一種基于令牌的短波網(wǎng)動(dòng)態(tài)時(shí)隙調(diào)整方案

本文基于現(xiàn)有短波TDMA靜態(tài)平均時(shí)隙網(wǎng)絡(luò)，設(shè)計(jì)了一種通過令牌方式調(diào)整時(shí)隙分配的短波組網(wǎng)方式，提高現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)時(shí)隙利用效率。

1.現(xiàn)有短波TDMA靜態(tài)平均時(shí)隙分配網(wǎng)絡(luò)的不足

以上文8節(jié)點(diǎn)短波組網(wǎng)為例，總共17個(gè)時(shí)隙，各節(jié)點(diǎn)分配的時(shí)隙為2個(gè)，短波因其數(shù)據(jù)傳輸速率低，實(shí)際運(yùn)用中各節(jié)點(diǎn)同時(shí)收發(fā)大量數(shù)據(jù)的情況非常少見，大多數(shù)情況下是多節(jié)點(diǎn)、少量業(yè)務(wù)居多，偶爾突發(fā)一個(gè)節(jié)點(diǎn)有大業(yè)務(wù)量需求，在這種應(yīng)用場(chǎng)景下，有大量業(yè)務(wù)發(fā)送需求的節(jié)點(diǎn)只能占用2個(gè)時(shí)隙，極端情況下其它節(jié)點(diǎn)均無業(yè)務(wù)時(shí)，其它時(shí)隙均處于空閑狀態(tài)，此時(shí)全網(wǎng)時(shí)隙利用率只有12.5%。

2.改進(jìn)型方案設(shè)計(jì)

根據(jù)此場(chǎng)景本文提出一種改進(jìn)方案，同樣是預(yù)設(shè)8個(gè)節(jié)點(diǎn)組網(wǎng)，17個(gè)時(shí)隙。

a） 第1個(gè)時(shí)隙不變，依然用來進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)控制信息傳輸;

b） 第2個(gè)至第9個(gè)時(shí)隙平均分配到8個(gè)節(jié)點(diǎn)，第10至17個(gè)時(shí)隙為預(yù)留時(shí)隙;

c） 網(wǎng)絡(luò)初始化階段生成一個(gè)令牌，初始階段令牌標(biāo)記為“空閑”，當(dāng)令牌為“空閑”時(shí)，將預(yù)留的第10至17個(gè)時(shí)隙平均分配至節(jié)點(diǎn)1至節(jié)點(diǎn)8，此時(shí)各節(jié)點(diǎn)占用兩個(gè)時(shí)隙;

d） 假設(shè)節(jié)點(diǎn)1有大量業(yè)務(wù)需要發(fā)送，節(jié)點(diǎn)1通過網(wǎng)絡(luò)控制信息進(jìn)行令牌申請(qǐng);

e） 令牌發(fā)送至節(jié)點(diǎn)1，節(jié)點(diǎn)1將令牌狀態(tài)標(biāo)記為“使用”;

f） 網(wǎng)絡(luò)識(shí)別令牌為“使用”時(shí)，將預(yù)留的第10至17個(gè)時(shí)隙分配給節(jié)點(diǎn)1;

g） 節(jié)點(diǎn)1占用時(shí)隙2和時(shí)隙10-17進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送，數(shù)據(jù)發(fā)送完畢后，標(biāo)記令牌為空閑，等待令牌申請(qǐng)，將令牌發(fā)送至申請(qǐng)節(jié)點(diǎn);

h） 網(wǎng)絡(luò)識(shí)別令牌為“空閑”，將預(yù)留的第10至17個(gè)時(shí)隙平均分配至節(jié)點(diǎn)1至8，此時(shí)各節(jié)點(diǎn)均占用兩個(gè)時(shí)隙。

三、令牌申請(qǐng)機(jī)制

上述提出的解決方案中，并未明確申請(qǐng)令牌環(huán)的出發(fā)機(jī)制，下面提供幾種設(shè)計(jì)思路：

a） 設(shè)置業(yè)務(wù)量判斷標(biāo)準(zhǔn)，例如50K以上業(yè)務(wù)通過業(yè)務(wù)系統(tǒng)反饋至電臺(tái)，進(jìn)行令牌申請(qǐng);

b） 業(yè)務(wù)優(yōu)先級(jí)設(shè)置，進(jìn)行高優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)發(fā)送時(shí)申請(qǐng)令牌，低優(yōu)先級(jí)不申請(qǐng);

c） 人工選擇，在業(yè)務(wù)終端上可進(jìn)行手動(dòng)選擇，本業(yè)務(wù)是否需要高帶寬支持;

d） 根據(jù)電臺(tái)緩存情況進(jìn)行判斷，發(fā)送緩存區(qū)待發(fā)數(shù)據(jù)較多時(shí)，進(jìn)行令牌申請(qǐng)，優(yōu)點(diǎn)是無需業(yè)務(wù)系統(tǒng)進(jìn)行信息反饋，電臺(tái)自己就可以完成判斷。

四、技術(shù)發(fā)展分析

該方案在對(duì)現(xiàn)有的TDMA靜態(tài)時(shí)隙組網(wǎng)協(xié)議變動(dòng)非常小，加入的也是非常成熟而且還可以大幅度簡(jiǎn)化的令牌協(xié)議（不用引入完整的令牌環(huán)協(xié)議），技術(shù)可行性高，實(shí)現(xiàn)難度低，可為作為一種簡(jiǎn)單有效的動(dòng)態(tài)時(shí)隙分配方法供大家參考。

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