基于TDMA的無線網(wǎng)絡(luò)性能分析

西安武警工程大學(xué)信息工程系 楊尚東

西安武警工程大學(xué)裝備工程學(xué)院 鄧春澤

石家莊武警士官學(xué)校 丁娜娜

基于TDMA的無線網(wǎng)絡(luò)性能分析

西安武警工程大學(xué)信息工程系 楊尚東

西安武警工程大學(xué)裝備工程學(xué)院 鄧春澤

石家莊武警士官學(xué)校 丁娜娜

網(wǎng)絡(luò)性能是衡量無線網(wǎng)絡(luò)可用性的重要指標(biāo)，目前針對基于TDMA的無線網(wǎng)絡(luò)的性能分析方法并不能夠全面準(zhǔn)確地給出網(wǎng)絡(luò)性能的評價(jià)，且具有一定的主觀性和局限性。本文建立了一種基于排隊(duì)論的TDMA無線網(wǎng)絡(luò)廣譜性能分析模型，并利用該模型對多種TDMA網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了分析。從結(jié)果可以看出，該模型不僅能對網(wǎng)絡(luò)性能進(jìn)行準(zhǔn)確的分析，而且能為網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化提供有力的科學(xué)依據(jù)。

TDMA；排隊(duì)論；網(wǎng)絡(luò)性能分析

網(wǎng)絡(luò)性能是無線網(wǎng)絡(luò)可用度的重要指標(biāo)，當(dāng)前基于TDMA的無線網(wǎng)絡(luò)的性能分析，往往單純依靠改進(jìn)算法實(shí)現(xiàn)前后系統(tǒng)的吞吐量和平均時(shí)延的對比，但這種方式存在一定的主觀性和局限性，目前還沒有提出一種操作性強(qiáng)、直觀、可量化分析的性能分析模型。本文以排隊(duì)論為基礎(chǔ)，提出了一種基于TDMA的無線網(wǎng)絡(luò)的性能評價(jià)模型，可直觀準(zhǔn)確地對網(wǎng)絡(luò)性能進(jìn)行評價(jià)分析。

1 TDMA無線網(wǎng)絡(luò)簡述

無線網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)方式分為Ad-hoc模式和Infrastructure模式兩種較常用的方式。前者沒有固定的AP，每個(gè)站點(diǎn)收發(fā)數(shù)據(jù)的同時(shí)兼顧路由功能，具有較強(qiáng)的抗毀能力和靈活性。然而采用此種方式的網(wǎng)絡(luò)往往隱藏終端問題明顯，一旦網(wǎng)絡(luò)負(fù)載升高或者節(jié)點(diǎn)移動(dòng)頻繁，將對網(wǎng)絡(luò)性能產(chǎn)生巨大的影響。后者也稱為IBSS模式，采用帶有AP的基礎(chǔ)服務(wù)方式，站點(diǎn)通過AP進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浞€(wěn)定，節(jié)點(diǎn)移動(dòng)性高，安全保密性較高，是常用的無線網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)方式。在IBSS模式中，其調(diào)度協(xié)議又分為基于CSMA/CA的分布式協(xié)調(diào)調(diào)度算法（DCF，Distributed Coordination Function）和基于TDMA的優(yōu)先級輪詢算法等。DCF算法簡便易行，系統(tǒng)開銷較小，在小規(guī)模局域網(wǎng)中性能優(yōu)異，但是仍舊存在信道利用率不高，隱藏/暴露終端問題明顯等問題，特別是當(dāng)用戶接入數(shù)增加、數(shù)據(jù)突發(fā)性提高時(shí)，網(wǎng)絡(luò)性能將會明顯下降。相對而言，基于TDMA調(diào)度的無線網(wǎng)絡(luò)則因其優(yōu)異的多址訪問能力和安全性，被新一代無線網(wǎng)絡(luò)廣泛應(yīng)用。

在TDMA無線網(wǎng)絡(luò)中，一段時(shí)間被分為許多周期性的幀，每一幀又分為若干時(shí)隙，時(shí)隙具有報(bào)文傳輸能力且相互獨(dú)立。網(wǎng)絡(luò)中的AP根據(jù)一定的時(shí)隙分配原則，將時(shí)隙合理地分發(fā)給網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，各個(gè)節(jié)點(diǎn)在每幀內(nèi)按照指定的時(shí)隙進(jìn)行報(bào)文發(fā)送，從而實(shí)現(xiàn)通信資源的共享。如圖1所示，TDMA無線網(wǎng)絡(luò)的幀由三種時(shí)隙構(gòu)成：第一種是信道接入時(shí)隙（ACH，Access Channel），主要負(fù)責(zé)攜帶節(jié)點(diǎn)的傳輸請求、優(yōu)先級等信息；第二種是數(shù)據(jù)交互時(shí)隙（TCH，Traffic Channel），負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)單元的具體傳輸；第三種是保護(hù)時(shí)隙，防止幀出現(xiàn)同步錯(cuò)誤。

圖1 TDMA無線網(wǎng)絡(luò)的時(shí)隙劃分

2 TDMA無線網(wǎng)絡(luò)的性能分析模型

2.1 問題假設(shè)

由于問題復(fù)雜度的限制，本文建立的性能分析模型無法將網(wǎng)絡(luò)的所有變量全部引入模型，為便于分析提出以下假設(shè)：

a.忽略幀中的保護(hù)時(shí)隙，1個(gè)幀中只包含有1個(gè)ACH時(shí)隙和N個(gè)TCH時(shí)隙；

b.在數(shù)據(jù)在理想信道中進(jìn)行交換，沒有丟包現(xiàn)象；c.AP收到REQ請求的概率服從泊松分布。

2.3 建立模型

由排隊(duì)論模型可得TDMA無線網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)單元的傳輸時(shí)延：

式中：

參數(shù)Λ表示從ACH開始到TCH開始之間的時(shí)間差。據(jù)此可得式(3)：

由于ACH隊(duì)列符合M/D/1排隊(duì)論模型，據(jù)此可得：

另外，由于傳輸m個(gè)數(shù)據(jù)單元需要m+h個(gè)TDMA幀，傳輸N個(gè)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)需要N個(gè)TDMA幀。因此，如果m+h＜N，就算系統(tǒng)處于高負(fù)載狀態(tài)，網(wǎng)絡(luò)依然能夠提供N-m-h個(gè)空閑隊(duì)列位置。相反，如果m+h＞N，那么，一旦網(wǎng)絡(luò)負(fù)載達(dá)到一定程度，就會出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)擁塞；網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)保持等待直到有一個(gè)TCH隊(duì)列空閑?；谶@個(gè)考慮，網(wǎng)絡(luò)的ACH必須至少達(dá)到（m+h）/N個(gè)幀長度才能滿足系統(tǒng)N個(gè)業(yè)務(wù)隊(duì)列的需求，由此可得：

且知道(4)式中：

將其代入(5)式中可得式(7)：

由于網(wǎng)絡(luò)性能良好，沒有數(shù)據(jù)包丟失，因此：

聯(lián)立方程，可得最大網(wǎng)絡(luò)吞吐量表達(dá)式：

式中m是數(shù)據(jù)隊(duì)列長度，h是控制隊(duì)列長度，N是TDMA總幀數(shù)。

3 驗(yàn)證

3.1 m取值不同的TDMA無線網(wǎng)絡(luò)的平均時(shí)延分析

3.2 N取值不同的TDMA無線網(wǎng)絡(luò)的平均時(shí)延分析

圖2 TCH時(shí)隙長度對網(wǎng)絡(luò)性能的影響

TDMA幀長度滿足等式：