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.
0 引言
Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)是一種分布式的網(wǎng)絡(luò)，節(jié)點(diǎn)之間通過動(dòng)態(tài)組網(wǎng)建立通信鏈路[1]。寬帶網(wǎng)絡(luò)波形是無線自組織網(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]，但都沒有達(dá)到預(yù)期效果。
國內(nèi)有多家單位都在研究寬帶網(wǎng)絡(luò)波形，但是對于多跳分布式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，主要針對原有協(xié)議中存在的無法快速適應(yīng)Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓敖M網(wǎng)時(shí)間較長等問題進(jìn)行了改進(jìn)。通過增加時(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，并提出改進(jìn)后的E-USAP協(xié)議。改進(jìn)后的協(xié)議針對車載通信，典型車輛行駛過程中拓?fù)渥兓軌蜃鞒隹焖俜磻?yīng)，更加適應(yīng)實(shí)際場景的需求。
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)來發(fā)送控制分組(NMOP)，F(xiàn)為信道個(gè)數(shù)。
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)在對應(yīng)的控制時(shí)隙中發(fā)送NMOP包，對應(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)隙長度為t0；時(shí)隙N～(N+M-2)是數(shù)據(jù)時(shí)隙，時(shí)隙長度為t1。對于USAP協(xié)議節(jié)點(diǎn)經(jīng)過一個(gè)超幀才能完成一次控制信息的交互，一個(gè)超幀長度為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)都能在一幀對應(yīng)的控制時(shí)隙中發(fā)送控制包，節(jié)點(diǎn)經(jīng)過一個(gè)時(shí)幀就可以完成一次控制幀的交互，一個(gè)時(shí)幀長度為N×t0+(M-1)×t1。
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)，對于USAP協(xié)議，通過一個(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。
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)。
3.3 分布式動(dòng)態(tài)拓?fù)錀l件下仿真結(jié)果分析
針對分布式拓?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。
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。
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。
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程中拓?fù)渥兓膱鼍?，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
本文針對原有協(xié)議中存在的無法快速適應(yīng)Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓敖M網(wǎng)時(shí)間較長等問題進(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)議無法適應(yīng)車載網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)快速變化的問題。但是協(xié)議幀結(jié)構(gòu)中的時(shí)隙總數(shù)是固定的，沒有使時(shí)隙利用率最大化，因此時(shí)幀長度隨著拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化動(dòng)態(tài)可變將會(huì)是未來研究的重點(diǎn)。
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