一種基于令牌的短波網(wǎng)動(dòng)態(tài)TDMA 協(xié)議設(shè)計(jì)與仿真

周得敏，劉蕓江，李 曼，白 翔

(1.空軍工程大學(xué)信息與導(dǎo)航學(xué)院，西安710077;2.中電集團(tuán)第三十研究所，成都610041)

0 引言

長期以來，短波通信［1］都以點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的方式接入信道，但短波信道屬于時(shí)變色散信道，短波通信對(duì)信道質(zhì)量要求高。因此，研究短波多址接入(multiple access，MAC)協(xié)議，使多個(gè)節(jié)點(diǎn)共用一個(gè)信道，實(shí)現(xiàn)短波通信組網(wǎng)，對(duì)于提高短波通信效率和質(zhì)量具有重要意義。目前，短波多址接入?yún)f(xié)議主要有HFTP(high frequency token protocol)協(xié)議、TDMA(time division multiple address)協(xié)議和DCHF(distributed coordination function in HF network)協(xié)議［2］等。

HFTP協(xié)議［3］已成功應(yīng)用于海上艦艇間通信。HFTP網(wǎng)絡(luò)中，同一時(shí)間有且僅有一個(gè)節(jié)點(diǎn)能發(fā)送數(shù)據(jù)，這種發(fā)送數(shù)據(jù)的權(quán)利稱為令牌［4］，當(dāng)持有令牌的節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)發(fā)送完畢，或達(dá)到網(wǎng)絡(luò)允許的最長令牌持有時(shí)間時(shí)，將令牌傳遞出去。根據(jù)北約標(biāo)準(zhǔn)STANAG 5066［5］所述，HFTP協(xié)議能有效地避免碰撞，并且信道一直處于使用狀態(tài)，但在信道條件惡劣時(shí)存在令牌丟失現(xiàn)象，增加了令牌傳遞時(shí)間。

TDMA協(xié)議［6］將時(shí)間分為若干個(gè)時(shí)間片，稱為時(shí)隙，各個(gè)節(jié)點(diǎn)通過占用時(shí)隙來發(fā)送數(shù)據(jù)。文獻(xiàn)［7］對(duì)TDMA協(xié)議進(jìn)行了優(yōu)化，將時(shí)隙劃分為不同的長度，根據(jù)節(jié)點(diǎn)的業(yè)務(wù)需求區(qū)分優(yōu)先級(jí)，競(jìng)爭占用長度不等的時(shí)隙，優(yōu)先級(jí)高的節(jié)點(diǎn)占用長的時(shí)隙。文獻(xiàn)［8-12］研究了動(dòng)態(tài)TDMA協(xié)議的時(shí)隙分配。文獻(xiàn)［8］中，時(shí)隙的動(dòng)態(tài)分配由系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)控制中心(system network controller，SNC)控制，通過定期發(fā)送時(shí)隙分配表，按一定的算法為各節(jié)點(diǎn)重新分配時(shí)隙;文獻(xiàn)［9-12］參與節(jié)點(diǎn)間通過廣播包含時(shí)隙占用信息的數(shù)據(jù)包，實(shí)現(xiàn)時(shí)隙的動(dòng)態(tài)利用。但文獻(xiàn)［7］由于時(shí)隙長度固定，對(duì)時(shí)隙利用率不高，文獻(xiàn)［8］對(duì)業(yè)務(wù)的變化反映不夠快速靈活，文獻(xiàn)［9-12］每個(gè)數(shù)據(jù)幀中都包含時(shí)隙信息，占用帶寬資源，且在信道質(zhì)量差的條件下，可能出現(xiàn)個(gè)別節(jié)點(diǎn)不能正確接收時(shí)隙信息，造成時(shí)隙占用不一致的現(xiàn)象。

在短波信道條件下，尤其是天波傳輸方式，信道通信質(zhì)量差，數(shù)據(jù)傳輸可靠性低。針對(duì)這一要求，綜合TDMA協(xié)議和令牌協(xié)議的優(yōu)缺點(diǎn)，本文提出了基于令牌的動(dòng)態(tài)TDMA協(xié)議(TDMA protocol based on token，TP-TDMA)。在TDMA協(xié)議時(shí)隙內(nèi)部加入令牌機(jī)制，避免了HFTP協(xié)議對(duì)令牌傳輸?shù)囊蕾?，并?shí)現(xiàn)時(shí)隙的動(dòng)態(tài)利用。

1 TP-TDMA協(xié)議分析

1.1 基本思想

TP-TDMA協(xié)議以TDMA協(xié)議為基礎(chǔ)。時(shí)隙開始時(shí)，占用時(shí)隙的節(jié)點(diǎn)開始發(fā)送數(shù)據(jù)，如果數(shù)據(jù)發(fā)送完畢，但時(shí)隙還有剩余，則通過令牌發(fā)送算法(token send algorithm，TS-ALG)判斷是否向其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送令牌包和發(fā)送對(duì)象。當(dāng)前發(fā)送節(jié)點(diǎn)發(fā)出令牌包后，與令牌包目的地址一致的節(jié)點(diǎn)收到令牌包，占用剩余時(shí)隙發(fā)送數(shù)據(jù)，原發(fā)送節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)為接收狀態(tài)。數(shù)據(jù)發(fā)送完畢后，若時(shí)隙還剩余則繼續(xù)將令牌傳遞給其他節(jié)點(diǎn)。需要指出，與HFTP協(xié)議不同，在沒有時(shí)隙空閑或不發(fā)送令牌包的情況下，占用下一時(shí)隙的節(jié)點(diǎn)開始發(fā)送數(shù)據(jù)的過程，上一節(jié)點(diǎn)并沒有發(fā)送令牌包，但為保持一致，可看作進(jìn)行了“隱性”令牌的傳遞。由此，將TDMA協(xié)議和令牌協(xié)議結(jié)合起來，實(shí)現(xiàn)TDMA協(xié)議時(shí)隙的動(dòng)態(tài)利用。

1.2 協(xié)議設(shè)計(jì)

1.2.1 時(shí)幀格式

TP-TDMA協(xié)議的時(shí)幀格式如圖1所示。在TPTDMA協(xié)議中，時(shí)幀由N個(gè)時(shí)隙組成，N不小于參與節(jié)點(diǎn)的數(shù)量，時(shí)隙再次劃分為更小的微時(shí)隙，可正好傳輸一個(gè)格式化數(shù)據(jù)包或自由報(bào)文信息。當(dāng)需要發(fā)送令牌時(shí)，令牌包占用一個(gè)微時(shí)隙，目的節(jié)點(diǎn)收到令牌后，從下一個(gè)微時(shí)隙開始發(fā)送數(shù)據(jù)。

圖1 TP-TDMA協(xié)議時(shí)幀結(jié)構(gòu)Fig.1 Time frame structure of TP-TDMA protocol

1.2.2 令牌包消息結(jié)構(gòu)

TP-TDMA協(xié)議的令牌包消息結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 TP-TDMA協(xié)議令牌包消息結(jié)構(gòu)Fig.2 Token packet format of TP-TDMA protocol

圖2中:FC(frame control)為幀類型控制字段，00時(shí)表示令牌包;SA(source address)為源地址字段，表示發(fā)送令牌的節(jié)點(diǎn)編號(hào);DA(destination address)為目的地址字段，表示接收令牌的節(jié)點(diǎn)編號(hào);MSN(mini-slot number)為微時(shí)隙號(hào)字段，表示發(fā)送節(jié)點(diǎn)發(fā)送令牌時(shí)占用的微時(shí)隙編號(hào);NOS(number of slot)為時(shí)隙數(shù)字段，表示接收節(jié)點(diǎn)收到令牌后最大可以占用的時(shí)隙數(shù);NT(node traffic)為節(jié)點(diǎn)業(yè)務(wù)量字段，表示短時(shí)間內(nèi)對(duì)令牌目的節(jié)點(diǎn)的業(yè)務(wù)量大小的統(tǒng)計(jì)情況。

TP-TDMA協(xié)議中，令牌包中的消息段SA，DA，MSN和NOS用來控制時(shí)隙的動(dòng)態(tài)利用，消息段NT用來向網(wǎng)內(nèi)其他節(jié)點(diǎn)廣播令牌目的節(jié)點(diǎn)的業(yè)務(wù)量統(tǒng)計(jì)結(jié)果，可作為統(tǒng)計(jì)不到信息的節(jié)點(diǎn)的統(tǒng)計(jì)值。

1.2.3 令牌發(fā)送算法(TS-ALG)

令牌包的發(fā)送與否，不僅要考慮目的節(jié)點(diǎn)在上一時(shí)隙內(nèi)的數(shù)據(jù)是否發(fā)送完畢，還要考慮目的節(jié)點(diǎn)在短時(shí)間內(nèi)的業(yè)務(wù)量大小情況，以優(yōu)先將令牌發(fā)送給業(yè)務(wù)量大的節(jié)點(diǎn)為原則。本文提出的TS-ALG算法通過統(tǒng)計(jì)前一段時(shí)間內(nèi)各節(jié)點(diǎn)占用微時(shí)隙的情況，估計(jì)當(dāng)前各節(jié)點(diǎn)業(yè)務(wù)量的大小，并將令牌包發(fā)送給業(yè)務(wù)量最大的節(jié)點(diǎn)。

1)算法描述。

設(shè)網(wǎng)絡(luò)中有N個(gè)節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)n只占用一個(gè)時(shí)隙，時(shí)隙號(hào)為n，每個(gè)時(shí)隙分為K個(gè)微時(shí)隙，統(tǒng)計(jì)前M個(gè)時(shí)幀內(nèi)的業(yè)務(wù)量情況。則可得如下矩陣

(1)式中，amn(m=1，2，3，…)為第m個(gè)時(shí)幀內(nèi)，第n個(gè)節(jié)點(diǎn)的基數(shù)值，若一個(gè)時(shí)隙內(nèi)數(shù)據(jù)發(fā)送占用k個(gè)微時(shí)隙，基數(shù)值就為k(0≤k≤K)，表示一個(gè)時(shí)幀內(nèi)某節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)量大小。由于大量數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)，時(shí)幀內(nèi)相應(yīng)時(shí)隙是被連續(xù)占用的，并且越靠近當(dāng)前時(shí)間t的時(shí)隙基數(shù)值越大，說明占用該時(shí)隙的節(jié)點(diǎn)在短時(shí)間內(nèi)業(yè)務(wù)量越大。因此，給統(tǒng)計(jì)的前M個(gè)時(shí)幀賦予不同的權(quán)重，按時(shí)間先后順序依次為 β1，β2，…，βM，即 β=［β1，β2，…，βM］。由此可得各節(jié)點(diǎn)在M個(gè)時(shí)幀內(nèi)的業(yè)務(wù)量基數(shù)和ω為

第n個(gè)節(jié)點(diǎn)的基數(shù)和ωn為

若節(jié)點(diǎn)p發(fā)送令牌給節(jié)點(diǎn)q，依次需要判斷以下3個(gè)條件。

①當(dāng)前占用時(shí)隙的節(jié)點(diǎn)p數(shù)據(jù)發(fā)送完畢;

②節(jié)點(diǎn)q在上一時(shí)隙的第K個(gè)微時(shí)隙(最后一個(gè)微時(shí)隙)仍然發(fā)送數(shù)據(jù);

③ωq≥ωn(q≠n)，節(jié)點(diǎn)n為除當(dāng)前發(fā)送狀態(tài)外的任意節(jié)點(diǎn)(如果ωq=ωn，令牌發(fā)送給節(jié)點(diǎn)q和節(jié)點(diǎn)n中編號(hào)小的節(jié)點(diǎn))。

發(fā)送令牌的情況有:同時(shí)滿足條件①②，①②③或①③。若滿足條件②的節(jié)點(diǎn)只有1個(gè)，則按條件①②執(zhí)行;若滿足條件②的節(jié)點(diǎn)有1個(gè)以上，則按條件①②③執(zhí)行;若沒有節(jié)點(diǎn)滿足條件②，則按條件①③執(zhí)行。

2)算法實(shí)現(xiàn)。

為便于算法實(shí)現(xiàn)和計(jì)算，根據(jù)實(shí)際情況，統(tǒng)計(jì)時(shí)幀數(shù)M取值為5，權(quán)重 β=［0.1，0.2，0.3，0.5，1］，由此，統(tǒng)計(jì)的時(shí)間T=5×N×K×Tmini-slot，若節(jié)點(diǎn)數(shù)N為4，一個(gè)時(shí)隙內(nèi)微時(shí)隙數(shù)K=6，微時(shí)隙長度Tmin－slot=0.2 s，則統(tǒng)計(jì)時(shí)間T=24 s，當(dāng)節(jié)點(diǎn)數(shù)N增加，統(tǒng)計(jì)時(shí)間T更大，可滿足實(shí)際需要。上述令牌發(fā)送算法模型的實(shí)現(xiàn)如算法1所示。

算法1。

1.2.4 時(shí)隙分配算法流程

TP-TDMA協(xié)議，時(shí)隙分配算法流程如圖3所示。

在發(fā)送端，發(fā)送節(jié)點(diǎn)首先發(fā)送本地產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，接收節(jié)點(diǎn)會(huì)對(duì)發(fā)送的業(yè)務(wù)量情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。如果時(shí)隙結(jié)束，本地?cái)?shù)據(jù)還沒有發(fā)送完畢，則等下一次時(shí)隙繼續(xù)發(fā)送或接收其他節(jié)點(diǎn)的令牌發(fā)送;如果本地?cái)?shù)據(jù)發(fā)送完畢，時(shí)隙還沒結(jié)束，根據(jù)TS-ALG算法，向業(yè)務(wù)量最大的節(jié)點(diǎn)發(fā)送令牌包。

圖3 時(shí)隙分配算法Fig.3 Timeslots allocation algorithm

在接收端，接收到數(shù)據(jù)包后，首先獲取數(shù)據(jù)包類型，如果是令牌包，且包的目的地址為本地地址，則此接收節(jié)點(diǎn)在下一微時(shí)隙轉(zhuǎn)入發(fā)送狀態(tài)，直到時(shí)隙結(jié)束;如果是業(yè)務(wù)包，獲取包發(fā)送的源地址和微時(shí)隙號(hào)，進(jìn)行業(yè)務(wù)量統(tǒng)計(jì)和包處理，特別地，為實(shí)現(xiàn)容易，對(duì)收到令牌后發(fā)送的數(shù)據(jù)不進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。

1.3 協(xié)議執(zhí)行

根據(jù)令牌發(fā)送算法和時(shí)隙分配算法，實(shí)現(xiàn)時(shí)隙的動(dòng)態(tài)利用。假設(shè)網(wǎng)絡(luò)中有4個(gè)節(jié)點(diǎn)A，B，C，D，如圖4所示。從時(shí)間t1開始，第1個(gè)時(shí)幀內(nèi)，節(jié)點(diǎn)B在其最后一個(gè)微時(shí)隙內(nèi)仍在發(fā)送數(shù)據(jù)，并根據(jù)t1前的統(tǒng)計(jì)，節(jié)點(diǎn)B業(yè)務(wù)量處于忙的狀態(tài);節(jié)點(diǎn)C和節(jié)點(diǎn)D數(shù)據(jù)發(fā)送完畢后向節(jié)點(diǎn)B發(fā)出令牌，節(jié)點(diǎn)B收到令牌后繼續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù)。第2個(gè)時(shí)幀內(nèi)，節(jié)點(diǎn)A和節(jié)點(diǎn)B在最后一個(gè)微時(shí)隙內(nèi)都發(fā)送數(shù)據(jù)，節(jié)點(diǎn)C無本地?cái)?shù)據(jù)發(fā)送，根據(jù)令牌發(fā)送算法，節(jié)點(diǎn)B的基數(shù)和ωB大于節(jié)點(diǎn)A的基數(shù)和ωA，節(jié)點(diǎn)C向節(jié)點(diǎn)B發(fā)出令牌;節(jié)點(diǎn)D發(fā)送完數(shù)據(jù)后，向節(jié)點(diǎn)B發(fā)出令牌，但時(shí)隙結(jié)束，節(jié)點(diǎn)B沒有發(fā)送數(shù)據(jù)。在t2時(shí)間前后，各節(jié)點(diǎn)時(shí)隙都有剩余，根據(jù)令牌發(fā)送算法，向基數(shù)和最大的節(jié)點(diǎn)發(fā)出令牌。

圖4 TP-TDMA協(xié)議Fig.4 TP-TDMA protocol

2 仿真建模與分析

2.1 仿真設(shè)計(jì)

利用OPNET仿真平臺(tái)，建模主要從網(wǎng)絡(luò)模型、節(jié)點(diǎn)模型和進(jìn)程模型3個(gè)層次實(shí)現(xiàn)。考慮短波信道對(duì)數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠绊?，通過對(duì)OPNET通信流程中的管道階段模型［13］進(jìn)行修改，盡可能使得仿真結(jié)果接近實(shí)際，具體參考文獻(xiàn)［14-15］，不再贅述。

2.1.1 節(jié)點(diǎn)模型

節(jié)點(diǎn)模型如圖5所示，由4部分組成:source進(jìn)程、TP-TDMA隊(duì)列、rt進(jìn)程和rr進(jìn)程。其中，source進(jìn)程負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)包的產(chǎn)生及發(fā)送包和接收包相關(guān)的統(tǒng)計(jì);TP-TDMA隊(duì)列負(fù)責(zé)時(shí)隙的劃分及分配，控制節(jié)點(diǎn)接入，是協(xié)議的主要實(shí)現(xiàn)部分;rt和rr進(jìn)程分別為接收天線和發(fā)射天線。

2.1.2 TP-TDMA進(jìn)程模型

TP-TDMA進(jìn)程模型如圖6所示，由4個(gè)階段組成:初始化階段(init)、源數(shù)據(jù)處理階段、數(shù)據(jù)發(fā)送階段和數(shù)據(jù)接收階段。網(wǎng)絡(luò)建立成功后，進(jìn)入init狀態(tài)，初始化參數(shù)設(shè)置，初始化完畢后進(jìn)入idle(空閑)狀態(tài)，同時(shí)監(jiān)聽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。當(dāng)source進(jìn)程發(fā)來數(shù)據(jù)時(shí)，將數(shù)據(jù)按順序放入隊(duì)列暫時(shí)儲(chǔ)存;當(dāng)屬于本節(jié)點(diǎn)的時(shí)隙到來，或接收到令牌時(shí)，進(jìn)入發(fā)送階段，從隊(duì)列中取出數(shù)據(jù)發(fā)送至rt進(jìn)程;當(dāng)接收到rr進(jìn)程發(fā)來的數(shù)據(jù)時(shí)，首先判斷是令牌包還是業(yè)務(wù)包，如果是令牌包且目的地址(DES_ID)是本地地址(LOC_ID)，則立即轉(zhuǎn)入發(fā)送狀態(tài)，如果是業(yè)務(wù)包，則發(fā)送至源進(jìn)程完成數(shù)據(jù)接收和統(tǒng)計(jì)。

圖5 TP-TDMA節(jié)點(diǎn)模型Fig.5 TP-TDMA node model

圖6 TP-TDMA進(jìn)程模型Fig.6 TP-TDMA process model

2.2 仿真條件

仿真主要參數(shù)設(shè)置如表1所示。

2.3 結(jié)果分析及比較

針對(duì)不同業(yè)務(wù)量大小的情況，通過設(shè)置數(shù)據(jù)包產(chǎn)生的不同時(shí)間間隔(如表1所示)，分別對(duì)TP-TDMA協(xié)議、TDMA協(xié)議和HFTP協(xié)議進(jìn)行仿真，并對(duì)消息投遞率、吞吐量和端到端時(shí)延方面性能作了比較分析。仿真統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖7所示。

表1 仿真參數(shù)設(shè)置Tab.1 Simulation parameters

由圖7可以發(fā)現(xiàn):①當(dāng)數(shù)據(jù)產(chǎn)生平均間隔在5 s左右時(shí)，網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)量大，業(yè)務(wù)量超出信道2 400 bit/s的發(fā)送能力，3種協(xié)議中節(jié)點(diǎn)占用的信道資源均不能滿足需求。圖7a消息投遞率都在50%以下，明顯低于正常水平;圖7b吞吐量高，先迅速增加再迅速減小，在5 s處呈現(xiàn)最大值，這是因?yàn)殡S著間隔增大，信道擁擠減緩，發(fā)送數(shù)據(jù)量大量增加;圖7c間隔越小端到端時(shí)延呈直線遞增狀態(tài)，均處于6 s以上。②當(dāng)平均間隔增加到10 s時(shí)，數(shù)據(jù)排隊(duì)情況得到緩解，消息投遞率逐漸上升，時(shí)延迅速降低，網(wǎng)絡(luò)吞吐量隨間隔時(shí)間增大逐漸減小。③當(dāng)平均間隔在20 s以上時(shí)，3種協(xié)議的性能趨于穩(wěn)定。

TP-TDMA與TDMA相比，當(dāng)數(shù)據(jù)產(chǎn)生平均間隔在10 s以上時(shí)，由于節(jié)點(diǎn)空余時(shí)隙增加，TP-TDMA發(fā)出令牌也增多，TP-TDMA性能指標(biāo)較TDMA有很大改善，消息投遞率提高約5%，平均時(shí)延減小約1 s，網(wǎng)絡(luò)吞吐量也有所提升約20 bit/s;TP-TDMA與HFTP相比，數(shù)據(jù)產(chǎn)生間隔在10 s以上時(shí)，圖7a中消息投遞率可提高15%左右，圖7b中吞吐量可提高50-100 bit/s，圖7c中端到端時(shí)延可減小0.5-1 s。

因此，在短波信道2 400 bit/s的傳輸速率下，TP-TDMA協(xié)議較TDMA協(xié)議和HFTP協(xié)議在數(shù)據(jù)投遞率、吞吐量和端到端時(shí)延方面均有所提升，可以提高短波網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸速率。

3 結(jié)束語

針對(duì)短波天波信道特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了基于令牌的TP-TDMA協(xié)議，并提出了令牌發(fā)送算法和時(shí)隙分配算法，實(shí)現(xiàn)了時(shí)隙的動(dòng)態(tài)利用。用OPNET工具模擬短波信道條件并仿真建模，從信息投遞率、吞吐量和端到端時(shí)延等方面，對(duì)TP-TDMA協(xié)議、TDMA協(xié)議和HFTP協(xié)議進(jìn)行性能仿真比較。仿真結(jié)果表明，TP-TDMA協(xié)議在信息投遞率、吞吐量和端到端時(shí)延等性能上優(yōu)于TDMA協(xié)議和HFTP協(xié)議，更適應(yīng)于短波天波信道。

圖7 協(xié)議性能比較Fig.7 Protocol performances comparision

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