基于TDMA 的水下MAC 協(xié)議時隙參數計算研究

◆曾祥文 陳國璐

（哈爾濱工程大學 黑龍江 150001）

1 課題研究背景與意義

隨著水聲通信物理層技術的日趨成熟，水聲通信媒體接入控制協(xié)議（MAC）受到越來越多的關注，逐漸成了一個熱門的研究課題。MAC 協(xié)議對水聲通信網絡的吞吐量性能參數有著重要影響，因此，設計出高效的MAC 協(xié)議對于水聲通信網絡就顯得格外重要[1]。

相較于在陸地上已逐漸成熟的無線通信MAC 協(xié)議，水聲通信網絡中的MAC 協(xié)議在設計上仍有很多問題亟須解決。例如水聲通信網絡具有大時延特性、節(jié)點能量受限、水聲通信網絡測試與部署困難等，正是因為這些缺點，使得原本在陸地上應用廣泛的MAC 協(xié)議在水聲通信網絡出現較大的性能損失，同時這也給水聲通信網絡MAC 協(xié)議設計帶來了極大的困難與挑戰(zhàn)。

2 基于Super-TDMA 的時隙調度MAC 協(xié)議

Super-TDMA協(xié)議是Shiraz Shahabudeen 于2012年針對水聲通信環(huán)境提出的水聲網絡MAC 協(xié)議，它使用了文獻[2]提出的利用大時延多節(jié)點調度并行傳輸機制，在吞吐量性能上有著優(yōu)異的表現，因此本文選擇以該協(xié)議下的ρ-Schedules 算法為研究和設計的基礎，通過改進ρ-Schedules 算法，讓該協(xié)議發(fā)揮更優(yōu)性能。

3 Super-TDMA 協(xié)議模型與運行流程

Super-TDMA 的核心使用了Mandar Chitre 在文獻[3]中提出的大時延網絡調度約束模型和調度算法，它允許多節(jié)點在同一時隙并行傳輸，并通過調度算法來實現時隙的最大限度利用。

基于該調度原理的Super-TDMA 協(xié)議在實際網絡中運行時，從初始化到開始進行數據傳輸會經歷三個階段。

由于TDMA 協(xié)議是在時隙內傳輸報文，在各種干擾下可能會出現跨時隙傳輸問題，Super-TDMA 協(xié)議使用了ρ-Schedules 算法來解決該問題，該算法通過設置合理的數據報文長度，并確定信道接入參數，即節(jié)點在發(fā)送時隙內的具體發(fā)送起始時間和結束時間，避免了沖突的問題。

4 基于調度感知的跨時隙發(fā)送策略

基于對Super-TDMA 協(xié)議模型的研究與分析，協(xié)議吞吐量的主要受時隙表和時隙接入參數影響。對于一般時延網絡，原協(xié)議在計算時隙接入參數時使用了ρ-Schedules 計算方式，但是該算法存在時隙空隙未利用的問題。因此，本文在ρ-Schedules 原理基礎上，通過深入分析其存在問題和缺陷，考慮采用分布式的計算方式，并加入調度感知策略，同時打破固定包長約束，以實現數據報文跨時隙發(fā)送，從而達到提高網絡吞吐量的目的。

5 統(tǒng)一接入參數計算的局限性與問題分析

基于對Super-TDMA 協(xié)議模型的研究與分析，并結合實際網絡仿真中的結果，分析其原因如下：

（1）在TDMA 時隙之間存在未利用空隙

根據定義的ρ+和ρ-計算方法，其獲取的最大、最小值的范圍包含了所有鏈路，對于每個節(jié)點，時隙之間可能存在空隙。。

（2）對節(jié)點移動性和鏈路延時動態(tài)性支持不足

由于一般情況下水下通信節(jié)點受各種因素影響而改變自身位置，節(jié)點之間的通信時延會隨之發(fā)生變化，況且水聲信道特性也會隨時間動態(tài)變化，這使得一些數據報文會跨越時隙造成沖突或未接收完成。

6 利用調度信息的算法優(yōu)化策略

為解決上述原算法中存在的問題，本文提出一種利用時延與調度信息新的計算策略，通過重新設計信道參數計算方法，讓各節(jié)點只根據自身鄰居節(jié)點時延信息來確定本節(jié)點當前時隙的發(fā)送起始時間和結束時間。所有節(jié)點最大幀長，根據當前延時情況實時計算可發(fā)送的最大幀長。

為計算新的發(fā)送開始和結束時間，這里首先定義發(fā)送時隙的時隙起始時間為t，發(fā)送節(jié)點i相鄰的通信節(jié)點集合Ni=＞ 0,0 ＜j≤N}。

根據圖1 所示，假設節(jié)點i當前正處于S-1 時隙，并以當前時刻為時間起點，定義下一時隙S的起始時刻為t，且時隙S的調度安排為給節(jié)點j發(fā)送數據幀，由于數據幀長總小于時隙長度τ，因此總會提前完成傳輸或接收，因而可以認為t＞ 0。那么對于節(jié)點i的ts新計算方法可由下式（1）給出。

圖1 信道接入參數計算示意圖

對于給定的τ，由于各節(jié)點鏈路延時是隨機的，因此-Pij的大小是隨機的，所以可能為負。當為負時，ts小于發(fā)送時隙的起始時間t，發(fā)送與接收嚴格限制在同一個時隙內，新的計算算法允許ts小于t，但同時使得接收節(jié)點可在同一時隙接收完畢，因此能正確接收而不受影響，另外，如果ts＜ 0，則讓ts=0。

對于新的te其計算方式由式（2）給出。

計算方式原理和原算法一致，為進一步利用可以空隙，新算法可以利用鄰居節(jié)點的調度信息，在不存在干擾的情況下，可最大限度增大te的值，從而提高了吞吐量。

令k∈Ni，且k≠j，由于S+≥0，那么當存在S+′+1 ≥ 0時，可以發(fā)現te的取值不會給節(jié)點k 造成任何干擾，因此可以將k 剔除出計算te所使用的鄰居節(jié)點集合。令

那么由式（4）可得加入調度信息篩選策略后，新的te計算方式為

如果Ni-Nk=?，則令=t+τ。進而可得到節(jié)點i 在當前發(fā)射時隙內給節(jié)點j 發(fā)送的最大幀長為Lij=te-。根據對式（2）和式（4）的分析，可以容易得到原算法計算出的各節(jié)點相同的最大幀長L 必定小于等于Lij，即L≤Lij，因此可證明新算法具有更高的吞吐量。

上述時隙信道接入參數計算就是本文提出新算法的主要原理，本文將其命名為改進分布式ρ-Schedules（Distributed Advanceρ-Schedules）算法。

對比原算法，新算法在計算信道接入參數時只需要鄰居節(jié)點延時信息，并利用網絡的調度信息，可以在每個節(jié)點的將要發(fā)送時，根據實時鏈路延時情況，確定開始和結束時間。本文根據仿真結果可以發(fā)現，相比于原算法，新算法進一步提高了網絡吞吐量。

7 協(xié)議仿真與性能分析

為驗證新算法的有效性，我們首先需要驗證在理想等距環(huán)形拓撲下，吞吐量是否能到達上限。改進分布式ρ-Schedules 和原算法在理想等距環(huán)形拓撲下的吞吐量仿真結果如圖2 所示。

圖2 理想等距環(huán)形拓撲下的吞吐量性能

可以看到，對于等間距環(huán)形網絡，環(huán)形網絡吞吐容量上限N/ 2，證明了基于新的參數計算算法跟原算法一樣，在理想情況下，同樣能實現最大效率的傳輸。

為測試不同流量負載下的網絡吞吐量的性能表現，以3 節(jié)點采用最佳時隙表調度安排的環(huán)形網絡為例，在網絡總流量強度為0 至5范圍內仿真了非等距延時下的網絡情況。

可以看到，由于不同的流量強度使得網絡不能達到理論上限N/ 2，這是為了避免數據碰撞而降低網絡資源利用率造成的。由于改進算法使用了新的計算方法，可以實現跨時隙發(fā)送，并利用了其他節(jié)點的調度信息，使得時隙間空隙更少，從而達到了更高的網絡吞吐量，而且隨著網絡節(jié)點數的增大，每一節(jié)點微小的發(fā)送時間增加，將使得兩者的吞吐量數值差距越來越大。

8 總結與結論

本文以Super-TDMA 協(xié)議框架為基礎，研究了協(xié)議中信道接入參數計算算法，并對其存在的不足進行了分析，在原算法基礎上提出了基于調度感知的改進算法，改進算法進一步利用了時隙間的空隙，提高了網絡吞吐量。最后，通過仿真實驗測試了改進算法的性能，在相同的仿真條件下，改進算法達到的吞吐量比原算法提升了16.4%，驗證了協(xié)議改進的有效性。由于改進算法需要精確的時間同步，因此還需要進一步研究時間同步誤差對算法性能的影響。