《電子技術(shù)應(yīng)用》
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一種適用于動(dòng)態(tài)拓?fù)渥兓母倪M(jìn)型TDMA協(xié)議
2016年電子技術(shù)應(yīng)用第9期
杜 靜,習(xí) 勇,黃圣春
國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué) 電子科學(xué)與工程學(xué)院,湖南 長(zhǎng)沙410073
摘要: 針對(duì)戰(zhàn)術(shù)通信Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)快速動(dòng)態(tài)組網(wǎng)的要求,在經(jīng)典USAP協(xié)議基礎(chǔ)上,提出了一種適用于動(dòng)態(tài)拓?fù)渥兓腅-USAP協(xié)議。該協(xié)議采用分布式時(shí)隙分配思想,通過(guò)增加幀結(jié)構(gòu)中控制時(shí)隙的個(gè)數(shù),減小控制信息交互周期,可對(duì)動(dòng)態(tài)拓?fù)渥兓鞒隹焖俜磻?yīng)。分析和仿真表明,改進(jìn)后協(xié)議在靜態(tài)拓?fù)錀l件下能夠減小網(wǎng)絡(luò)組建時(shí)間,使節(jié)點(diǎn)快速入網(wǎng);在動(dòng)態(tài)拓?fù)錀l件下,具有比原有USAP協(xié)議更好的吞吐量和時(shí)延性能,可以更好地應(yīng)對(duì)Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的變化。
中圖分類號(hào): TN915.04
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A
DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.2016.09.022
中文引用格式: 杜靜,習(xí)勇,黃圣春. 一種適用于動(dòng)態(tài)拓?fù)渥兓母倪M(jìn)型TDMA協(xié)議[J].電子技術(shù)應(yīng)用,2016,42(9):84-86,90.
英文引用格式: Du Jing,Xi Yong,Huang Shengchun. A reformed TDMA protocol fitted for dynamic topology[J].Application of Electronic Technique,2016,42(9):84-86,90.
A reformed TDMA protocol fitted for dynamic topology
Du Jing,Xi Yong,Huang Shengchun
School of Electronic Science and Engineering,National University of Defense Technology,Changsha 410073,China
Abstract: To satisfy the requirements for ad hoc tactical communications network fast dynamic networking, based on the classic USAP protocol, the E-USAP protocol adapted to dynamic topology is proposed. By employing a distributed slot assignment method schemes, the proposed protocol reduces control information exchange cycle by increasing the number of control slots in the frame structure, and can respond quickly to dynamic topology changes. The analysis and simulation indicate the reformed protocol can reduce the networking time under the conditions of static topology,and present good performance on throughput and delay and can better respond to ad hoc network topology changes under the conditions of dynamic topology.
Key words : USAP;distribution;slot assignment;dynamic topology

0 引言

  Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)是一種分布式的網(wǎng)絡(luò),節(jié)點(diǎn)之間通過(guò)動(dòng)態(tài)組網(wǎng)建立通信鏈路[1]。寬帶網(wǎng)絡(luò)波形是無(wú)線自組織網(wǎng)絡(luò)的重要波形,美軍在設(shè)計(jì)寬帶網(wǎng)絡(luò)波形(Wideband Network Waveform,WNW)時(shí),在MAC層使用了基于USAP(Unifying Slot Assignment Protocol)的TDMA協(xié)議[2]。

  YOUNG C D在1996年提出了經(jīng)典的多跳多信道USAP協(xié)議[3],即為框架協(xié)議,協(xié)議實(shí)現(xiàn)了分布式多跳時(shí)隙分配算法,但每個(gè)時(shí)幀中只有一個(gè)廣播時(shí)隙用于節(jié)點(diǎn)廣播本地狀態(tài)信息,無(wú)法適應(yīng)Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)拓?fù)?/a>變化[4]。在此基礎(chǔ)上,YOUNG C D又提出了USAP-MA(USAP Mul-

  tiple Access)協(xié)議[5]和USAP-MBA(USAP Multiple Broadcast Access)協(xié)議[6],但都沒(méi)有達(dá)到預(yù)期效果。

  國(guó)內(nèi)有多家單位都在研究寬帶網(wǎng)絡(luò)波形,但是對(duì)于多跳分布式TDMA MAC協(xié)議的實(shí)用化研究還較少[7-8]。本文在研究經(jīng)典USAP協(xié)議的基礎(chǔ)上,主要針對(duì)原有協(xié)議中存在的無(wú)法快速適應(yīng)Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓敖M網(wǎng)時(shí)間較長(zhǎng)等問(wèn)題進(jìn)行了改進(jìn)。通過(guò)增加時(shí)幀結(jié)構(gòu)中控制時(shí)隙個(gè)數(shù)等于網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù),保證每個(gè)節(jié)點(diǎn)都能在一幀中對(duì)應(yīng)的控制時(shí)隙發(fā)送控制包,減小控制信息的交互時(shí)長(zhǎng),并提出改進(jìn)后的E-USAP協(xié)議。改進(jìn)后的協(xié)議針對(duì)車載通信,典型車輛行駛過(guò)程中拓?fù)渥兓軌蜃鞒隹焖俜磻?yīng),更加適應(yīng)實(shí)際場(chǎng)景的需求。

1 USAP協(xié)議思想

  USAP協(xié)議能實(shí)現(xiàn)多跳分布式時(shí)隙分配的核心在于鄰節(jié)點(diǎn)間控制信息的交換和本地時(shí)隙表的更新,該協(xié)議的幀結(jié)構(gòu)如圖1所示。網(wǎng)絡(luò)中有N個(gè)節(jié)點(diǎn),N個(gè)時(shí)幀組成一個(gè)超幀,每個(gè)時(shí)幀劃分為M個(gè)時(shí)隙,N和M均為常數(shù),每幀的第一個(gè)時(shí)隙分配給一個(gè)固定節(jié)點(diǎn)來(lái)發(fā)送控制分組(NMOP),F(xiàn)為信道個(gè)數(shù)。

圖像 001.png

  NMOP包括兩種類型的USAP協(xié)議信息:第一種為新時(shí)隙的聲明和確認(rèn),另一種為已存在的時(shí)隙分配信息的比特圖。每個(gè)節(jié)點(diǎn)都會(huì)在對(duì)應(yīng)的控制時(shí)隙中發(fā)送NMOP包,對(duì)應(yīng)的鄰節(jié)點(diǎn)接收到NMOP包后解析出包中信息并更新自己的本地時(shí)隙分配表,并在對(duì)應(yīng)自己節(jié)點(diǎn)ID號(hào)的時(shí)幀號(hào)中廣播自己的控制包信息,這樣將時(shí)隙分配信息發(fā)送至兩跳范圍[9]。

2 基于USAP改進(jìn)的協(xié)議

  2.1 協(xié)議幀結(jié)構(gòu)

  為了簡(jiǎn)化協(xié)議設(shè)計(jì),本文只考慮單信道情況下的時(shí)隙分配情況,即F=1。改進(jìn)后的E-USAP協(xié)議幀結(jié)構(gòu)如圖2所示,其中時(shí)隙0~(N-1)是控制時(shí)隙,時(shí)隙長(zhǎng)度為t0;時(shí)隙N~(N+M-2)是數(shù)據(jù)時(shí)隙,時(shí)隙長(zhǎng)度為t1。對(duì)于USAP協(xié)議節(jié)點(diǎn)經(jīng)過(guò)一個(gè)超幀才能完成一次控制信息的交互,一個(gè)超幀長(zhǎng)度為N×(t0+(M-1)×t1),改進(jìn)后的協(xié)議增加了每一幀中控制時(shí)隙的個(gè)數(shù),使每個(gè)節(jié)點(diǎn)都能在一幀對(duì)應(yīng)的控制時(shí)隙中發(fā)送控制包,節(jié)點(diǎn)經(jīng)過(guò)一個(gè)時(shí)幀就可以完成一次控制幀的交互,一個(gè)時(shí)幀長(zhǎng)度為N×t0+(M-1)×t1。

圖像 002.png

  2.2 節(jié)點(diǎn)時(shí)隙更新算法

  時(shí)隙分配表包括每個(gè)時(shí)隙的使用狀態(tài)和使用節(jié)點(diǎn)ID號(hào),即用一個(gè)狀態(tài)序?qū)Ρ硎?時(shí)隙使用狀態(tài),使用節(jié)點(diǎn)ID)。狀態(tài)序?qū)Ψ譃?種情況:

  (1)(0,-1)表示該時(shí)隙沒(méi)有被本節(jié)點(diǎn)的鄰居節(jié)點(diǎn)占用;

  (2)(1,本節(jié)點(diǎn)ID號(hào))表示該時(shí)隙被本節(jié)點(diǎn)占用;

  (3)(2,鄰節(jié)點(diǎn)ID號(hào))表示該時(shí)隙被本節(jié)點(diǎn)的一跳鄰節(jié)點(diǎn)占用;

  (4)(3,使用節(jié)點(diǎn)ID號(hào))時(shí)隙分配產(chǎn)生沖突。

  當(dāng)節(jié)點(diǎn)接收到控制包時(shí),根據(jù)時(shí)隙狀態(tài)更新函數(shù)對(duì)時(shí)隙進(jìn)行更新。

  時(shí)隙更新函數(shù)偽代碼:

  void slot_update(){

  switch(1){

  case(state 1):{

  if(本地狀態(tài)為(2,鄰節(jié)點(diǎn)ID)) 本地狀態(tài)更新為

  (0,-1);break;}

  case(state 2):{

  if(本地狀態(tài)為(0,-1)) 本地狀態(tài)更新為(2,鄰

  節(jié)點(diǎn)ID);

  if(本地狀態(tài)為(2,使用節(jié)點(diǎn)ID)){

  if(使用節(jié)點(diǎn)ID!=本節(jié)點(diǎn)的鄰節(jié)點(diǎn)ID)

  本地狀態(tài)更新為(2,發(fā)包節(jié)點(diǎn)ID);

  if(使用節(jié)點(diǎn)ID==發(fā)包節(jié)點(diǎn)ID)&&(使用

  節(jié)點(diǎn)ID==本節(jié)點(diǎn)的鄰節(jié)點(diǎn)ID)

  本地狀態(tài)更新為(3,min(使用節(jié)點(diǎn)ID,

  鄰節(jié)點(diǎn)ID));} break;}

  case(state 3):{

  if(使用節(jié)點(diǎn)ID==發(fā)包節(jié)點(diǎn)的鄰節(jié)點(diǎn)ID)

  &&(本地狀態(tài)為(0,-1)||本地狀態(tài)為(2,使用節(jié)點(diǎn)ID))

  本地狀態(tài)更新為(2,使用節(jié)點(diǎn)ID);break;}

  case(state 4):{

  if(使用節(jié)點(diǎn)ID==發(fā)包節(jié)點(diǎn)的鄰節(jié)點(diǎn)ID)&&

  本地狀態(tài)為(1,本節(jié)點(diǎn)ID)&&(使用節(jié)點(diǎn)ID<本節(jié)點(diǎn)ID)}

  本地狀態(tài)更新為(2,使用節(jié)點(diǎn)ID);break;}

3 協(xié)議性能仿真及結(jié)果分析

  3.1 協(xié)議仿真

  為了考察協(xié)議的性能,在OPNET平臺(tái)[10]下進(jìn)行仿真。仿真參數(shù)如下:場(chǎng)景大小為1 500 m×1 500 m,節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)為6個(gè),節(jié)點(diǎn)的通信范圍為300 m,數(shù)據(jù)傳輸速率為11 Mb/s,包大小為900 bit,控制包中NMOP包大小為80 bit,請(qǐng)求時(shí)隙包大小為88 bit,釋放時(shí)隙包大小為96 bit,業(yè)務(wù)分組到達(dá)間隔服從指數(shù)分布,其平均值可調(diào)整,控制時(shí)隙t0為0.07 ms,數(shù)據(jù)時(shí)隙t1為1 ms。

  3.2 不同靜態(tài)拓?fù)錀l件下仿真結(jié)果分析

  選取6個(gè)節(jié)點(diǎn)組成分布式、鏈狀、星形、環(huán)狀4種典型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),如圖3所示,仿真實(shí)現(xiàn)不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)下兩種協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)組建時(shí)間,即從第一幀開(kāi)始一直到每個(gè)節(jié)點(diǎn)在一幀的數(shù)據(jù)時(shí)隙內(nèi)都可以發(fā)送數(shù)據(jù)所用的時(shí)間。由理論分析可知,E-USAP是在USAP協(xié)議基礎(chǔ)上增加了每幀的控制時(shí)隙個(gè)數(shù),對(duì)于USAP協(xié)議,通過(guò)一個(gè)超幀才能實(shí)現(xiàn)所有節(jié)點(diǎn)一次控制幀的交互,而E-USAP協(xié)議在一幀的時(shí)間內(nèi)就可以實(shí)現(xiàn)控制幀的交互,大大提高了協(xié)議效率。

圖像 003.png

  4種不同拓?fù)錀l件下網(wǎng)絡(luò)組建時(shí)間比較如圖4所示,可以看出,對(duì)于分布式網(wǎng)絡(luò),原有協(xié)議網(wǎng)絡(luò)組建時(shí)間在0.088 1 s左右,改進(jìn)后協(xié)議在0.018 3 s左右,大約縮減到了1/5;對(duì)于鏈狀、星形、環(huán)狀網(wǎng)絡(luò),原有協(xié)議網(wǎng)絡(luò)組建時(shí)間在0.03 s左右,改進(jìn)后的協(xié)議在0.004 s左右,大約縮減到了1/7~1/6。所以E-USAP協(xié)議相對(duì)于原有的USAP協(xié)議,其網(wǎng)絡(luò)組建時(shí)間大幅度減小,節(jié)點(diǎn)能夠在較短時(shí)間內(nèi)完成組網(wǎng)。

圖像 004.png

  3.3 分布式動(dòng)態(tài)拓?fù)錀l件下仿真結(jié)果分析

  針對(duì)分布式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),仿真模擬節(jié)點(diǎn)5在預(yù)定軌跡上運(yùn)動(dòng),運(yùn)動(dòng)軌跡及參數(shù)如圖5所示,節(jié)點(diǎn)移動(dòng)速度為30 m/s,共定義5段軌跡,每段軌跡運(yùn)動(dòng)結(jié)束之后停留2 s。

圖像 005.png

  在OPNET仿真程序中,設(shè)置包的到達(dá)間隔均值,可以得到仿真網(wǎng)絡(luò)在不同負(fù)載下的性能指標(biāo)并評(píng)估兩種協(xié)議的吞吐量,即表示單位時(shí)間內(nèi)網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)成功接收數(shù)據(jù)分組的總量和時(shí)延,亦即源模塊產(chǎn)生數(shù)據(jù)分組到目的模塊接收到數(shù)據(jù)分組的時(shí)間。協(xié)議吞吐量性能比較如圖6所示,時(shí)延性能比較如圖7所示。

圖像 006.png

圖像 007.png

  由圖6可以看出,當(dāng)節(jié)點(diǎn)移動(dòng)產(chǎn)生拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的改變,改進(jìn)后的協(xié)議能夠更快地作出反應(yīng),減小因拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)改變導(dǎo)致的包沖突。在負(fù)載達(dá)到3.2 Mb/s時(shí),兩種協(xié)議吞吐量達(dá)到穩(wěn)定,E-USAP協(xié)議約為0.97 Mb/s,USAP協(xié)議約為0.84 Mb/s,吞吐量相對(duì)于原有協(xié)議提高了15.5%。

  由圖7可以看出,E-USAP協(xié)議時(shí)延總低于USAP協(xié)議。E-USAP協(xié)議和USAP協(xié)議在負(fù)載達(dá)到3.2 Mb/s時(shí)時(shí)延趨于穩(wěn)定,E-USAP協(xié)議約為1.36 s,USAP協(xié)議約為1.71 s,時(shí)延減小了25.7%。這是因?yàn)樵袇f(xié)議控制包交互一次需要一個(gè)超幀,當(dāng)拓?fù)渥兓瘯r(shí),不能及時(shí)作出反應(yīng),導(dǎo)致包沖突加劇,發(fā)送包時(shí)間加長(zhǎng)。

  從上述分析結(jié)果得到,當(dāng)節(jié)點(diǎn)移動(dòng)速度為30 m/s時(shí),可以模擬典型車輛行駛過(guò)程中拓?fù)渥兓膱?chǎng)景,改進(jìn)后的E-USAP協(xié)議在一個(gè)時(shí)幀中可以實(shí)現(xiàn)所有節(jié)點(diǎn)控制時(shí)隙的交互,在網(wǎng)絡(luò)達(dá)到穩(wěn)定時(shí),吞吐量相對(duì)于原有協(xié)議提高了15.5%,時(shí)延減小了25.7%;在靜態(tài)拓?fù)錀l件下,改進(jìn)后的E-USAP協(xié)議縮短了1/6~1/5的網(wǎng)絡(luò)組建時(shí)間,使節(jié)點(diǎn)能夠快速組網(wǎng)。

4 結(jié)論

  本文針對(duì)原有協(xié)議中存在的無(wú)法快速適應(yīng)Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓敖M網(wǎng)時(shí)間較長(zhǎng)等問(wèn)題進(jìn)行改進(jìn)。在靜態(tài)拓?fù)錀l件下,能夠減小網(wǎng)絡(luò)組建時(shí)間,使節(jié)點(diǎn)快速入網(wǎng);在動(dòng)態(tài)拓?fù)錀l件下,改進(jìn)后的協(xié)議在網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定時(shí)相對(duì)于原有協(xié)議具有更好的吞吐量和時(shí)延性能,解決了原有協(xié)議無(wú)法適應(yīng)車載網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)快速變化的問(wèn)題。但是協(xié)議幀結(jié)構(gòu)中的時(shí)隙總數(shù)是固定的,沒(méi)有使時(shí)隙利用率最大化,因此時(shí)幀長(zhǎng)度隨著拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化動(dòng)態(tài)可變將會(huì)是未來(lái)研究的重點(diǎn)。

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