文獻標識碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.2016.09.022
中文引用格式： 杜靜，習勇，黃圣春. 一種適用于動態拓撲變化的改進型TDMA協議[J].電子技術應用，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網絡是一種分布式的網絡，節點之間通過動態組網建立通信鏈路[1]。寬帶網絡波形是無線自組織網絡的重要波形，美軍在設計寬帶網絡波形(Wideband Network Waveform，WNW)時，在MAC層使用了基于USAP(Unifying Slot Assignment Protocol)的TDMA協議[2]。
YOUNG C D在1996年提出了經典的多跳多信道USAP協議[3]，即為框架協議，協議實現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點廣播本地狀態信息，無法適應Ad Hoc網絡的動態拓撲變化[4]。在此基礎上，YOUNG C D又提出了USAP-MA(USAP Mul-
tiple Access)協議[5]和USAP-MBA(USAP Multiple Broadcast Access)協議[6]，但都沒有達到預期效果。
國內有多家單位都在研究寬帶網絡波形，但是對于多跳分布式TDMA MAC協議的實用化研究還較少[7-8]。本文在研究經典USAP協議的基礎上，主要針對原有協議中存在的無法快速適應Ad Hoc網絡拓撲變化及組網時間較長等問題進行了改進。通過增加時幀結構中控制時隙個數等于網絡中節點個數，保證每個節點都能在一幀中對應的控制時隙發送控制包，減小控制信息的交互時長，并提出改進后的E-USAP協議。改進后的協議針對車載通信，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協議思想
USAP協議能實現多跳分布式時隙分配的核心在于鄰節點間控制信息的交換和本地時隙表的更新，該協議的幀結構如圖1所示。網絡中有N個節點，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，每幀的第一個時隙分配給一個固定節點來發送控制分組(NMOP)，F為信道個數。
NMOP包括兩種類型的USAP協議信息：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。每個節點都會在對應的控制時隙中發送NMOP包，對應的鄰節點接收到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送至兩跳范圍[9]。
2 基于USAP改進的協議
2.1 協議幀結構
為了簡化協議設計，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協議幀結構如圖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)是數據時隙，時隙長度為t1。對于USAP協議節點經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)，改進后的協議增加了每一幀中控制時隙的個數，使每個節點都能在一幀對應的控制時隙中發送控制包，節點經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 節點時隙更新算法
時隙分配表包括每個時隙的使用狀態和使用節點ID號，即用一個狀態序對表示(時隙使用狀態，使用節點ID)。狀態序對分為4種情況：
(1)（0，-1）表示該時隙沒有被本節點的鄰居節點占用；
(2)（1，本節點ID號）表示該時隙被本節點占用；
(3)（2，鄰節點ID號）表示該時隙被本節點的一跳鄰節點占用；
(4)（3，使用節點ID號）時隙分配產生沖突。
當節點接收到控制包時，根據時隙狀態更新函數對時隙進行更新。
時隙更新函數偽代碼：
void slot_update(){
switch(1){
case(state 1):{
if(本地狀態為(2,鄰節點ID)) 本地狀態更新為
(0,-1);break;}
case(state 2):{
if(本地狀態為(0,-1)) 本地狀態更新為(2,鄰
節點ID);
if(本地狀態為(2,使用節點ID)){
if(使用節點ID!=本節點的鄰節點ID)
本地狀態更新為(2,發包節點ID);
if(使用節點ID==發包節點ID)&&(使用
節點ID==本節點的鄰節點ID)
本地狀態更新為(3,min(使用節點ID,
鄰節點ID));} break;}
case(state 3):{
if(使用節點ID==發包節點的鄰節點ID)
&&(本地狀態為(0,-1)||本地狀態為(2,使用節點ID))
本地狀態更新為(2,使用節點ID);break;}
case(state 4):{
if(使用節點ID==發包節點的鄰節點ID)&&
本地狀態為(1,本節點ID)&&(使用節點ID<本節點ID)}
本地狀態更新為(2,使用節點ID)；break;}
3 協議性能仿真及結果分析
3.1 協議仿真
為了考察協議的性能，在OPNET平臺[10]下進行仿真。仿真參數如下：場景大小為1 500 m×1 500 m，節點個數為6個，節點的通信范圍為300 m，數據傳輸速率為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，業務分組到達間隔服從指數分布，其平均值可調整，控制時隙t0為0.07 ms，數據時隙t1為1 ms。
3.2 不同靜態拓撲條件下仿真結果分析
選取6個節點組成分布式、鏈狀、星形、環狀4種典型拓撲結構，如圖3所示，仿真實現不同拓撲結構下兩種協議的網絡組建時間，即從第一幀開始一直到每個節點在一幀的數據時隙內都可以發送數據所用的時間。由理論分析可知，E-USAP是在USAP協議基礎上增加了每幀的控制時隙個數，對于USAP協議，通過一個超幀才能實現所有節點一次控制幀的交互，而E-USAP協議在一幀的時間內就可以實現控制幀的交互，大大提高了協議效率。
4種不同拓撲條件下網絡組建時間比較如圖4所示，可以看出，對于分布式網絡，原有協議網絡組建時間在0.088 1 s左右，改進后協議在0.018 3 s左右，大約縮減到了1/5；對于鏈狀、星形、環狀網絡，原有協議網絡組建時間在0.03 s左右，改進后的協議在0.004 s左右，大約縮減到了1/7～1/6。所以E-USAP協議相對于原有的USAP協議，其網絡組建時間大幅度減小，節點能夠在較短時間內完成組網。
3.3 分布式動態拓撲條件下仿真結果分析
針對分布式拓撲結構，仿真模擬節點5在預定軌跡上運動，運動軌跡及參數如圖5所示，節點移動速度為30 m/s，共定義5段軌跡，每段軌跡運動結束之后停留2 s。
在OPNET仿真程序中，設置包的到達間隔均值，可以得到仿真網絡在不同負載下的性能指標并評估兩種協議的吞吐量，即表示單位時間內網絡中所有節點成功接收數據分組的總量和時延，亦即源模塊產生數據分組到目的模塊接收到數據分組的時間。協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，當節點移動產生拓撲結構的改變，改進后的協議能夠更快地作出反應，減小因拓撲結構改變導致的包沖突。在負載達到3.2 Mb/s時，兩種協議吞吐量達到穩定，E-USAP協議約為0.97 Mb/s，USAP協議約為0.84 Mb/s，吞吐量相對于原有協議提高了15.5%。
由圖7可以看出，E-USAP協議時延總低于USAP協議。E-USAP協議和USAP協議在負載達到3.2 Mb/s時時延趨于穩定，E-USAP協議約為1.36 s，USAP協議約為1.71 s，時延減小了25.7%。這是因為原有協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，發送包時間加長。
從上述分析結果得到，當節點移動速度為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協議在一個時幀中可以實現所有節點控制時隙的交互，在網絡達到穩定時，吞吐量相對于原有協議提高了15.5%，時延減小了25.7%；在靜態拓撲條件下，改進后的E-USAP協議縮短了1/6～1/5的網絡組建時間，使節點能夠快速組網。
4 結論
本文針對原有協議中存在的無法快速適應Ad Hoc網絡拓撲變化及組網時間較長等問題進行改進。在靜態拓撲條件下，能夠減小網絡組建時間，使節點快速入網；在動態拓撲條件下，改進后的協議在網絡穩定時相對于原有協議具有更好的吞吐量和時延性能，解決了原有協議無法適應車載網絡結構快速變化的問題。但是協議幀結構中的時隙總數是固定的，沒有使時隙利用率最大化，因此時幀長度隨著拓撲結構變化動態可變將會是未來研究的重點。
參考文獻
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