战术局域网TDMA双队列轮询调度算法

2015-03-27武警工程大学研究生管理大队郑垚睿余缘敏

电子世界 2015年21期

武警工程大学研究生管理大队郑垚睿余缘敏

1 战术局域网

战术局域网（Tact ical LAN, TLAN）是小型化的战术互联网，是战术环境中态势感知系统、火力控制系统和指挥控制系统的数据传输媒介[1]。1994年4月美军的“沙漠铁锤”演习进一步明确了战术局域网的内涵和外延，其定义与组成结构也得到了完善。随后，以无线局域网（Wir el ess Local Ar ea Net work，WLAN）技术为核心的战术局域网逐步为世界各军事强国所接受，成为现代战术通信系统的重要组成部分[2]。

2 传统MAC层调度算法

MAC调度算法定义了网络系统的资源调度策略和节点接入规则，高效稳定的MAC调度算法能够极大地提高战术局域网的网络性能和通信效率。MAC层调度算法也因此成为战术局域网研究的热点。

2.1 CSMA/CA算法分析及存在问题

CSMA/CA（Car r i er Sense Mul t i pl e Access-Col l ision Avoidance）又称作带冲突检测的载波侦听碰撞避免算法，由DCF和PCF两种调度方式组成。该算法以IEEE 802.11系列无线局域网协议为代表，是一种较为成熟的无线局域网调度算法。CSMA/CA调度策略下，节点在发送数据前首先监听网络状态，若网络信道繁忙，则推迟自身数据传输，直至网络空闲。

然而，CSMA/CA调度方式存在以下问题：首先，接入用户数增加时碰撞概率大幅提高并导致系统性能恶化。其次，无法体现战术通信系统多层级指挥的实际需求。再次，网络节点在被轮询一次只能发送一个分组，对于发送数据量较多的网络节点将造成数据堵塞，进而导致信息失效。最后，控制节点的轮询具有盲目性，无论网络节点是否具有发送需求都将在一个周期内被轮询一次，存在一定的轮询周期浪费。

2.2 TDMA单队列轮询算法分析及存在问题

TDMA单队列轮询算法的工作过程与无线通信的半双工模式类似[3]，通过设立的工作队列对AP（Access Point,AP）工作时间进行时分复用。AP的轮询过程和节点的数据传输过程均在这一队列中完成。单队列TDMA战术局域网设一个接入点AP和m个网络节点，接入点AP包含一个记录了所有已入网节点信息的轮询表，新的节点在完成入网认证之后，首先将自己的节点信息发送给AP，待AP成功更新其轮询表之后，即完成了加入轮询队列操作。

然而，单队列轮询存在的问题如下：首先，固定时隙长度将导致具有长报文发送需求的节点产生报文堆积。其次，排斥“插队”行为的FIFO无法体现节点优先级，导致重要信息延时过大。再次，网络中节点入/退网频繁或懒惰节点较多时，系统轮询时隙浪费严重，轮询等待时延增加。

图1

3 TDMA双队列轮询调度算法

为解决单队列轮询算法存在的轮询效率低下、时隙浪费严重的问题，本文提出TDMA双队列轮询调度算法（见图1）。

在TDMA战术局域网中，所有节点都有严格的时延需求，为了避免这些时延敏感度较高的活跃节点发生数据拥塞，提高战术局域网AP的轮询效率，需要将活跃度较低的节点挂起，优先对活跃节点进行轮询和响应，通过这种方式代替原来对所有网络节点无优先级区分的轮询，从而节省网络资源，提高信道利用率。在双队列轮询算法中，建立两组分别进行轮询的请求队列，即活跃节点队列（ANQ，Act ive Node Queue）和懒惰节点队列（LNQ，Lazy Node Queue），通过优先响应ANQ的发送请求，同时周期性地轮询LNQ，并将其中有发送需求的节点请求加入ANQ中完成数据的发送。两种队列都采用先到先服务（Fir st In Fir st Out，FIFO）原则进行服务。