基于分布式時分多址接入的無線網(wǎng)絡(luò)時隙調(diào)配方法

郭強

關(guān)鍵詞：分布式；TDMA；無線網(wǎng)絡(luò)；時隙；調(diào)配

無線網(wǎng)絡(luò)是由多個無線通信設(shè)備組成的網(wǎng)絡(luò)，在網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍之內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，可以直接完成通信，在網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍之外的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，可以通過中間節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)來完成通信[1]。因此，使用無線網(wǎng)絡(luò)可以有效提高網(wǎng)絡(luò)通信效率。為了使網(wǎng)絡(luò)性能更佳，開始研究網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議。時分多址接入?yún)f(xié)議是一種獨特的協(xié)議，可以應(yīng)對突發(fā)性的網(wǎng)絡(luò)通信過程，具備較為良好的抗干擾能力，并且不會與傳輸報文的內(nèi)容沖突。分布式時分多址接入?yún)f(xié)議主要是將網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)量增大，提高網(wǎng)絡(luò)性能[2]。無線網(wǎng)絡(luò)是一種不需要基礎(chǔ)通信設(shè)施支持的無中心節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)與其他網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)有很大的不同。

多跳通信、無中心自組織性、臨時性、網(wǎng)絡(luò)動態(tài)拓撲、分布式控制、對等性等特點，均為無線網(wǎng)絡(luò)突出的優(yōu)勢，為其提供了較為廣闊的發(fā)展空間[3]。利用分布式TDMA可以對網(wǎng)絡(luò)進行靈活性、高適應(yīng)性的時隙動態(tài)分配。對于給定的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，使用時分多址接入?yún)f(xié)議，預(yù)留出該節(jié)點的覆蓋位置，同時保證時隙預(yù)留的局部化，由此完成網(wǎng)絡(luò)時隙調(diào)配[4]。此過程中，通信信道可以反復(fù)使用，提高信道利用率的同時，減少網(wǎng)絡(luò)節(jié)點擁堵的現(xiàn)象。因此，本文設(shè)計了基于分布式TDMA的無線網(wǎng)絡(luò)時隙調(diào)配方法，滿足無線網(wǎng)絡(luò)時隙調(diào)配需求。

1 基于分布式TDMA的無線網(wǎng)絡(luò)時隙調(diào)配方法設(shè)計

1.1 提取分布式TDMA 協(xié)議幀結(jié)構(gòu)特征

分布式TDMA協(xié)議幀具有適應(yīng)性高的特點，提取出協(xié)議幀結(jié)構(gòu)特征，對于劃分時隙具有重要作用。本文假設(shè)分布式TDMA協(xié)議幀被分為控制時段與信息時段，則幀結(jié)構(gòu)為預(yù)約幀與信息幀[5]。本文將預(yù)約幀假定為A，信息幀為B，則得出的分布式TDMA協(xié)議幀結(jié)構(gòu)特征如圖1所示。

如圖1所示，A為預(yù)約幀；B為信息幀；A1、An為預(yù)約時隙；a1、an為預(yù)約周期；1、2、3、4、5分別為預(yù)約請求、沖突報告、預(yù)約確認、預(yù)約應(yīng)答、打包/消除；B1、Bn為信息時隙[6]。根據(jù)協(xié)議幀的結(jié)構(gòu)，得出每一個預(yù)約幀可以劃分出多個預(yù)約時隙，預(yù)約時隙可以劃分出多個預(yù)約周期，最終得出預(yù)約請求、沖突報告、預(yù)約確認、預(yù)約應(yīng)答、打包/消除等結(jié)構(gòu)；在相同條件下，信息幀僅能劃分出多個信息時隙。

1.2 基于分布式TDMA 同步無線網(wǎng)絡(luò)時隙調(diào)配節(jié)點

在上述劃分出的時隙特征基礎(chǔ)上，本文將網(wǎng)絡(luò)時隙調(diào)配節(jié)點與時隙節(jié)點相同步。保證時隙同步是本文設(shè)計的調(diào)配方法的主要條件。只有保持時隙同步，才能使網(wǎng)絡(luò)節(jié)點接入信道傳輸信息的無沖突性[7]。本文主要應(yīng)用互同步的方式，對分布式時分多址接入?yún)f(xié)議進行調(diào)整。網(wǎng)絡(luò)采用分布式TDMA接入時，接入時間劃分出多個時間幀，每個幀在不同的網(wǎng)絡(luò)規(guī)模下，可以分為多個時隙。本文面向無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，對其進行時隙調(diào)度。本文假定網(wǎng)絡(luò)中存在N 個節(jié)點，i、j 均為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點中的個體，當(dāng)i、j 之間的信噪比大于某個閾值時，則可以判定節(jié)點i、j 之間可以進行通信。信噪比與閾值的關(guān)系式如下：

式（1-2） 中，X （i，j ）為節(jié)點i、j 的信噪比，Si 為節(jié)點i的信息發(fā)送速率，K （i，j ）為節(jié)點i到節(jié)點j的通信損耗，P 為空白信道白噪聲影響系數(shù)，δ 為時隙門閾值，Sk 為同時傳輸數(shù)據(jù)時發(fā)生的沖突信息。由此判定，信噪比X （i，j ）與閾值δ 之間呈現(xiàn)反比關(guān)系，在時隙調(diào)配過程中存在沖突。考慮到分布式TDMA在每個節(jié)點上的調(diào)配周期內(nèi)，至少存在一次的時隙調(diào)度，本文將無線網(wǎng)絡(luò)看作靜態(tài)結(jié)構(gòu)，當(dāng)時隙調(diào)配節(jié)點能夠正常使用時，i、j 存在通信鏈路，網(wǎng)絡(luò)時隙無須調(diào)配，可直接使用；當(dāng)時隙調(diào)配節(jié)點存在沖突時，i、j 不存在通信鏈路，ti，j與tj，i則為節(jié)點i、j 的兩跳鄰節(jié)點，節(jié)點同步公式如下所示：

1.3 構(gòu)建動態(tài)時隙調(diào)配模型

為了實現(xiàn)無線網(wǎng)絡(luò)時隙的高效調(diào)配，本文在同步了時隙調(diào)配節(jié)點的基礎(chǔ)上，設(shè)計了動態(tài)時隙調(diào)配模型。信息在經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)時，形成了多個信息時隙，經(jīng)過信道之后，再由多個接收天線接收[8]。因此，動態(tài)時隙收發(fā)信道矩陣如式（5） 所示：

2 實驗

為了驗證本文設(shè)計的調(diào)配方法是否具有使用價值，本文對上述方法進行實驗驗證。實驗結(jié)果以傳統(tǒng)無線網(wǎng)絡(luò)時隙調(diào)配方法，與本文設(shè)計的基于分布式TDMA的無線網(wǎng)絡(luò)時隙調(diào)配方法進行對比的形式呈現(xiàn)。具體實驗過程及實驗結(jié)果如下所示。

2.1 實驗過程

在進行實驗之前，本文對無線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)進行延時處理，并將網(wǎng)絡(luò)節(jié)點規(guī)劃成如圖2所示的場景。

如圖2所示，數(shù)據(jù)流源節(jié)點到目的節(jié)點的參數(shù)位置分別為1～3、3～5、5～4、4～6、6～7、7～2、2～8。為了保證網(wǎng)絡(luò)發(fā)送延時情況具有良好的處理效果，本文設(shè)定同步時隙時幀個數(shù)為32個，每個時隙長度為0.22ms，保護間隔為0.04ms，為時隙長度設(shè)定為10μs。以此為基礎(chǔ)，時隙預(yù)約時幀、數(shù)據(jù)時幀的時隙個數(shù)均與同步時隙時幀個數(shù)一致，每個時隙長度分別為0.52ms與5.03ms，保護間隔分別為0.06ms與0.50ms，微時隙長度與同步時幀一致。此時網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的參數(shù)配置如表1所示。

如表1所示，令發(fā)送數(shù)據(jù)節(jié)點每隔1個循環(huán)時幀，產(chǎn)生220byte，測試時間設(shè)定為3min，各個節(jié)點接收到的時隙數(shù)如圖3所示。

如圖3所示，在網(wǎng)絡(luò)靜止?fàn)顟B(tài)下，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點可以收到的時隙數(shù)為2.0。在網(wǎng)絡(luò)處于非靜止的動態(tài)變化狀態(tài)下，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點可以收到的時隙數(shù)在4～6的范圍區(qū)間內(nèi)。由此可以判定，使用本文設(shè)計的方法在上述8個節(jié)點中，可以起到優(yōu)先處理的作用，使網(wǎng)絡(luò)節(jié)點調(diào)配到更多優(yōu)質(zhì)的時隙資源。同時，在0信道的環(huán)境下，對網(wǎng)絡(luò)節(jié)點接入時延的影響不大，并不會出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點“餓死”的狀態(tài)。網(wǎng)絡(luò)節(jié)點在不同負載條件下的吞吐量情況如圖4所示。

如圖4所示，網(wǎng)絡(luò)負載與吞吐量在網(wǎng)絡(luò)靜止?fàn)顟B(tài)下處于相同水平線上，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點業(yè)務(wù)在0Byte/s～1KByte/s 范圍內(nèi)時，處于上升態(tài)勢，并在1KByte/s～512KByte/s范圍內(nèi)處于穩(wěn)定。網(wǎng)絡(luò)節(jié)點在此負載條件下，吞吐量也在0Byte/s～1KByte/s范圍內(nèi)時，處于上升態(tài)勢，在1KByte/s～512KByte/s范圍內(nèi)時，處于下降態(tài)勢。由于網(wǎng)絡(luò)負載在1KByte/s～512KByte/s范圍內(nèi)處于穩(wěn)定，節(jié)點發(fā)送業(yè)務(wù)速率提升時，負載也不會出現(xiàn)變化，吞吐量就會出現(xiàn)下降，避免了數(shù)據(jù)包之間相互碰撞，可以保證網(wǎng)絡(luò)時隙的基礎(chǔ)調(diào)配效果。

2.2 實驗結(jié)果

在上述實驗條件下，本文隨機選取出8個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，節(jié)點發(fā)送速率分別為1/10kbps、2/20kbps、3/40kbps、4/60kbps、5/80kbps、6/100kbps、7/120kbps、8/140kbps。在吞吐量一致的條件下，將傳統(tǒng)無線網(wǎng)絡(luò)時隙調(diào)配方法網(wǎng)絡(luò)節(jié)點接入時延，與本文設(shè)計的基于分布式TDMA的無線網(wǎng)絡(luò)時隙調(diào)配方法網(wǎng)絡(luò)節(jié)點接入時延進行對比。實驗結(jié)果如表2所示。

如表2所示，在上述8種網(wǎng)絡(luò)節(jié)點發(fā)送速率小，網(wǎng)絡(luò)吞吐量隨著網(wǎng)絡(luò)節(jié)點發(fā)送速率的變化而變化，吞吐量在32.12kbps～227.93kbps范圍內(nèi)波動。在正常情況下，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點接入時延在8.0×10-2s以內(nèi)時，可以保證網(wǎng)絡(luò)節(jié)點不出現(xiàn)堵塞。在吞吐量條件一致的情況下，傳統(tǒng)無線網(wǎng)絡(luò)時隙調(diào)配方法網(wǎng)絡(luò)節(jié)點接入時延相對較長。在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點發(fā)送速率為8/140kbps時，網(wǎng)絡(luò)吞吐量為227.93kbps，此時傳統(tǒng)調(diào)配方法的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點接入時延為8.82×10-2s。因此，傳統(tǒng)方法的調(diào)配效果不佳，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點接入實驗亟須改進。而本文設(shè)計的基于分布式TDMA的無線網(wǎng)絡(luò)時隙調(diào)配方法網(wǎng)絡(luò)節(jié)點接入時延相對較短。在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點發(fā)送速率為8/140kbps時，網(wǎng)絡(luò)吞吐量為227.93kbps，此時本文設(shè)計的調(diào)配方法網(wǎng)絡(luò)節(jié)點接入時延僅為4.48×10-3s，在8.0×10-2s的合理時延范圍內(nèi)。由此判定，使用該調(diào)配方法時，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點并未出現(xiàn)擁堵現(xiàn)象，能夠合理地調(diào)配無線網(wǎng)絡(luò)時隙，符合本文研究目的。

3 結(jié)束語

近些年來，無線網(wǎng)絡(luò)的覆蓋面較廣，無線網(wǎng)絡(luò)中的每個節(jié)點既是終端，又是路由器，不在彼此覆蓋范圍內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點可以通過中間節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)來完成通信。利用無線網(wǎng)絡(luò)，拉近了彼此之間的距離，為人們提供了較為便捷的通信環(huán)境。為了減少網(wǎng)絡(luò)節(jié)點相互碰撞影響網(wǎng)絡(luò)通信的問題，本文設(shè)計了基于分布式TDMA的無線網(wǎng)絡(luò)時隙調(diào)配方法。通過提取時幀結(jié)構(gòu)特征、同步調(diào)配節(jié)點、構(gòu)建調(diào)配模型等方式，實現(xiàn)了無線網(wǎng)絡(luò)時隙的精準(zhǔn)調(diào)配。通過以上研究，文章旨在滿足網(wǎng)絡(luò)實時業(yè)務(wù)傳輸需求，為無線網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展提供保障。