0 引言

　　Ad Hoc網(wǎng)絡是一種分布式的網(wǎng)絡，節(jié)點之間通過動態(tài)組網(wǎng)建立通信鏈路[1]。寬帶網(wǎng)絡波形是無線自組織網(wǎng)絡的重要波形，美軍在設計寬帶網(wǎng)絡波形(Wideband Network Waveform，WNW)時，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)議實現(xiàn)了分布式多跳時隙分配算法，但每個時幀中只有一個廣播時隙用于節(jié)點廣播本地狀態(tài)信息，無法適應Ad Hoc網(wǎng)絡的動態(tài)拓撲變化[4]。在此基礎上，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]，但都沒有達到預期效果。

　　國內(nèi)有多家單位都在研究寬帶網(wǎng)絡波形，但是對于多跳分布式TDMA MAC協(xié)議的實用化研究還較少[7-8]。本文在研究經(jīng)典USAP協(xié)議的基礎上，主要針對原有協(xié)議中存在的無法快速適應Ad Hoc網(wǎng)絡拓撲變化及組網(wǎng)時間較長等問題進行了改進。通過增加時幀結(jié)構(gòu)中控制時隙個數(shù)等于網(wǎng)絡中節(jié)點個數(shù)，保證每個節(jié)點都能在一幀中對應的控制時隙發(fā)送控制包，減小控制信息的交互時長，并提出改進后的E-USAP協(xié)議。改進后的協(xié)議針對車載通信，典型車輛行駛過程中拓撲變化能夠作出快速反應，更加適應實際場景的需求。

1 USAP協(xié)議思想

　　USAP協(xié)議能實現(xiàn)多跳分布式時隙分配的核心在于鄰節(jié)點間控制信息的交換和本地時隙表的更新，該協(xié)議的幀結(jié)構(gòu)如圖1所示。網(wǎng)絡中有N個節(jié)點，N個時幀組成一個超幀，每個時幀劃分為M個時隙，N和M均為常數(shù)，每幀的第一個時隙分配給一個固定節(jié)點來發(fā)送控制分組(NMOP)，F(xiàn)為信道個數(shù)。

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

2 基于USAP改進的協(xié)議

　　2.1 協(xié)議幀結(jié)構(gòu)

　　為了簡化協(xié)議設計，本文只考慮單信道情況下的時隙分配情況，即F=1。改進后的E-USAP協(xié)議幀結(jié)構(gòu)如圖2所示，其中時隙0～(N-1)是控制時隙，時隙長度為t0；時隙N～(N+M-2)是數(shù)據(jù)時隙，時隙長度為t1。對于USAP協(xié)議節(jié)點經(jīng)過一個超幀才能完成一次控制信息的交互，一個超幀長度為N×(t0+(M-1)×t1)，改進后的協(xié)議增加了每一幀中控制時隙的個數(shù)，使每個節(jié)點都能在一幀對應的控制時隙中發(fā)送控制包，節(jié)點經(jīng)過一個時幀就可以完成一次控制幀的交互，一個時幀長度為N×t0+(M-1)×t1。

　　2.2 節(jié)點時隙更新算法

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

　　(1)（0，-1）表示該時隙沒有被本節(jié)點的鄰居節(jié)點占用；

　　(2)（1，本節(jié)點ID號）表示該時隙被本節(jié)點占用；

　　(3)（2，鄰節(jié)點ID號）表示該時隙被本節(jié)點的一跳鄰節(jié)點占用；

　　(4)（3，使用節(jié)點ID號）時隙分配產(chǎn)生沖突。

　　當節(jié)點接收到控制包時，根據(jù)時隙狀態(tài)更新函數(shù)對時隙進行更新。

　　時隙更新函數(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ID);

　　if(本地狀態(tài)為(2,使用節(jié)點ID)){

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

　　本地狀態(tài)更新為(2,發(fā)包節(jié)點ID);

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

　　節(jié)點ID==本節(jié)點的鄰節(jié)點ID)

　　本地狀態(tài)更新為(3,min(使用節(jié)點ID,

　　鄰節(jié)點ID));} break;}

　　case(state 3):{

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

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

　　本地狀態(tài)更新為(2,使用節(jié)點ID);break;}

　　case(state 4):{

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

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

　　本地狀態(tài)更新為(2,使用節(jié)點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[10]下進行仿真。仿真參數(shù)如下：場景大小為1 500 m×1 500 m，節(jié)點個數(shù)為6個，節(jié)點的通信范圍為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，請求時隙包大小為88 bit，釋放時隙包大小為96 bit，業(yè)務分組到達間隔服從指數(shù)分布，其平均值可調(diào)整，控制時隙t0為0.07 ms，數(shù)據(jù)時隙t1為1 ms。

　　3.2 不同靜態(tài)拓撲條件下仿真結(jié)果分析

　　選取6個節(jié)點組成分布式、鏈狀、星形、環(huán)狀4種典型拓撲結(jié)構(gòu)，如圖3所示，仿真實現(xiàn)不同拓撲結(jié)構(gòu)下兩種協(xié)議的網(wǎng)絡組建時間，即從第一幀開始一直到每個節(jié)點在一幀的數(shù)據(jù)時隙內(nèi)都可以發(fā)送數(shù)據(jù)所用的時間。由理論分析可知，E-USAP是在USAP協(xié)議基礎上增加了每幀的控制時隙個數(shù)，對于USAP協(xié)議，通過一個超幀才能實現(xiàn)所有節(jié)點一次控制幀的交互，而E-USAP協(xié)議在一幀的時間內(nèi)就可以實現(xiàn)控制幀的交互，大大提高了協(xié)議效率。

　　4種不同拓撲條件下網(wǎng)絡組建時間比較如圖4所示，可以看出，對于分布式網(wǎng)絡，原有協(xié)議網(wǎng)絡組建時間在0.088 1 s左右，改進后協(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，原有協(xié)議網(wǎng)絡組建時間在0.03 s左右，改進后的協(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)絡組建時間大幅度減小，節(jié)點能夠在較短時間內(nèi)完成組網(wǎng)。

　　3.3 分布式動態(tài)拓撲條件下仿真結(jié)果分析

　　針對分布式拓撲結(jié)構(gòu)，仿真模擬節(jié)點5在預定軌跡上運動，運動軌跡及參數(shù)如圖5所示，節(jié)點移動速度為30 m/s，共定義5段軌跡，每段軌跡運動結(jié)束之后停留2 s。

　　在OPNET仿真程序中，設置包的到達間隔均值，可以得到仿真網(wǎng)絡在不同負載下的性能指標并評估兩種協(xié)議的吞吐量，即表示單位時間內(nèi)網(wǎng)絡中所有節(jié)點成功接收數(shù)據(jù)分組的總量和時延，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)分組的時間。協(xié)議吞吐量性能比較如圖6所示，時延性能比較如圖7所示。

　　由圖6可以看出，當節(jié)點移動產(chǎn)生拓撲結(jié)構(gòu)的改變，改進后的協(xié)議能夠更快地作出反應，減小因拓撲結(jié)構(gòu)改變導致的包沖突。在負載達到3.2 Mb/s時，兩種協(xié)議吞吐量達到穩(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)議時延總低于USAP協(xié)議。E-USAP協(xié)議和USAP協(xié)議在負載達到3.2 Mb/s時時延趨于穩(wěn)定，E-USAP協(xié)議約為1.36 s，USAP協(xié)議約為1.71 s，時延減小了25.7%。這是因為原有協(xié)議控制包交互一次需要一個超幀，當拓撲變化時，不能及時作出反應，導致包沖突加劇，發(fā)送包時間加長。

　　從上述分析結(jié)果得到，當節(jié)點移動速度為30 m/s時，可以模擬典型車輛行駛過程中拓撲變化的場景，改進后的E-USAP協(xié)議在一個時幀中可以實現(xiàn)所有節(jié)點控制時隙的交互，在網(wǎng)絡達到穩(wěn)定時，吞吐量相對于原有協(xié)議提高了15.5%，時延減小了25.7%；在靜態(tài)拓撲條件下，改進后的E-USAP協(xié)議縮短了1/6～1/5的網(wǎng)絡組建時間，使節(jié)點能夠快速組網(wǎng)。

4 結(jié)論

　　本文針對原有協(xié)議中存在的無法快速適應Ad Hoc網(wǎng)絡拓撲變化及組網(wǎng)時間較長等問題進行改進。在靜態(tài)拓撲條件下，能夠減小網(wǎng)絡組建時間，使節(jié)點快速入網(wǎng)；在動態(tài)拓撲條件下，改進后的協(xié)議在網(wǎng)絡穩(wěn)定時相對于原有協(xié)議具有更好的吞吐量和時延性能，解決了原有協(xié)議無法適應車載網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)快速變化的問題。但是協(xié)議幀結(jié)構(gòu)中的時隙總數(shù)是固定的，沒有使時隙利用率最大化，因此時幀長度隨著拓撲結(jié)構(gòu)變化動態(tài)可變將會是未來研究的重點。

　　參考文獻

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