基于邻居时隙切换的时分多址接入协议研究⋆

刘 硕，刘芸江，白 翔，高 鹏

（1.空军工程大学信息与导航学院，西安 710077；2.中国电子科技集团公司第三十研究所，成都 610041）

基于邻居时隙切换的时分多址接入协议研究⋆

刘 硕1，刘芸江1，白 翔2，高 鹏1

（1.空军工程大学信息与导航学院，西安 710077；2.中国电子科技集团公司第三十研究所，成都 610041）

针对传统TDMA网络节点间业务量不均匀的情况下，会造成信道资源严重浪费的问题，设计了一种基于邻居时隙切换的动态TDMA协议（TDMA protocol based on adjacent timeslot transfer，ATT-TDMA），切换邻居空闲时隙，更改节点业务时隙长度但不影响整个网络循环周期的结构，实现时隙的动态利用。利用OPNET平台搭建仿真模型，并与HFTP协议和TDMA协议作了对比分析。仿真结果表明，相同条件下ATT-TDMA相比HFTP协议和TDMA协议，在消息投递率、平均时延和吞吐量方面具有更优异的性能。

时分多址，不均匀，邻居时隙，切换，OPNET

0 引言

短波数据链可以有效地实现战术消息的超视距传输，为了使网络节点有效利用无线信道资源，一般通过媒质接入控制（MAC，Media Access Control）协议来协调节点接入无线信道的时间［1］。其中，基于时分多址的接入控制协议（TDMA，Time Division Multiple Access）以时隙为基本传输单位将信道时间化，利用确定的时隙分配算法让节点分时、循环接入信道，可以有效地避免节点间的信号碰撞。并且国内外已经形成一种共识：TDMA协议是构建战术移动通信网络的首选方式［2］。然而，传统的TDMA协议是给各节点预先固定分配一个长度确定的时隙，在这个时隙内只有该节点可以传输数据，在节点间业务量不均匀的情况下会造成信道资源的严重浪费。

目前，短波MAC机制以静态的资源分配为主，而动态的资源分配更能满足短波信道带宽窄、资源有限的情况，并且北约和美军明确了动态TDMA协议是新一代短波数据链的支撑技术［3］。为了提高信道利用率，改善网络性能，人们对动态TDMA协议展开了大量研究。文献［4］在固定时隙分配的基础上融入预约争用的思想，当节点需要发送紧急报文时，可以向中心节点预约并争用空闲时隙，实现了时隙的动态利用；文献［5］将时隙分成竞争和数据部分，时隙不专属于某个节点，需要传输数据的节点在竞争部分按照一定规则“抢夺”对应数据段的时隙使用权，实现时隙的动态占用；文献［6］在TDMA的基础上加入侦听机制，由时隙剩余的节点侦听信道，统计并通知业务繁忙节点利用剩余时隙发送数据，来实现时隙的动态利用；文献［7］通过固定分配和动态分配相结合，前者采用基本的TDMA接入方式，后者采用竞争的方式，竞争空闲时隙实现动态利用。然而，由于短波信道带宽窄、存在时变性的特点，上述改进协议［4-7］中预约竞争、侦听的思想并不能直接应用于短波数据链中。

本文在传统TDMA的基础上，提出了一种基于邻居时隙切换的动态TDMA协议（ATT-TDMA，adjacent timeslot transfer-TDMA），设计了时帧和控制报文的结构，详细介绍了邻居时隙切换过程，最后用OPNET评估了协议性能。

1 ATT-TDMA协议描述

1.1 协议设计

1.1.1 时帧结构

图1 ATT-TDMA时帧结构

在ATT-TDMA协议中，时帧由业务时隙和控制时隙组成。如图1所示，业务时隙由整数个微时隙构成，每个微时隙可正好传输一条格式化数据报文，网络中各节点分别占用整数个微时隙进行数据传输，其在时间轴上的顺序编号称为业务时隙号i（1≤i≤N），这里根据节点所占业务时隙在时间轴上的顺序规定邻居时隙概念。控制时隙分成广播、请求和确认3个阶段，各阶段的时隙资源根据节点数目划分成与之相等的小时隙。广播阶段中节点负责收集邻居节点的时隙使用情况，生成邻居节点状态表；请求阶段中节点根据邻居时隙申请算法判断向“谁”申请以及申请多少时隙；确认阶段中节点结合自身的时隙资源富余情况决定是否切换时隙，重新划分业务时隙界限。1.1.2 控制报文结构

根据控制时隙的结构特点，包含3种类型的报文：广播报文、请求报文和确认报文，如图2所示。

图2 控制报文结构

DT（Data Type）为帧类型控制字段，01表示广播报文，10表示请求报文，11表示确认报文；SA（Source Address）为源地址字段，表示发送报文的节点编号；DA（Destination Address）为目的地址字段，表示接受报文的节点编号；BTN（Business Timeslot Number）为业务时隙号字段，表示该节点所占业务时隙的编号；ATT（Assign Timeslot Table）为时隙分配表字段，表示节点当前时帧中时隙使用情况，0表示接收，1 表示发送；RTN（Request Timeslot Number）为节点请求时隙数字段，正数表示需求的时隙数，负数表示空闲的时隙数；SN（Start Number）为起始编号字段，表示节点转让时隙的起始编号；EN（End Number）为截止编号字段，表示节点转让时隙的截止编号；CRC为校验字段。

1.2 时隙估计

如何估计节点的业务时隙是否满足自身传输要求，即需求或空闲多少时隙，是一个核心问题。在ATT-TDMA协议中，时隙估计过程发生在节点对应业务时隙结束之余，分为两个步骤。

步骤1：通过检测自身缓存队列中剩余的报文个数，计算时隙的需求量。假设数据报文的有效时间为T，所有的数据报文都必须在有效时间之内得到处理，为了避免网络拥塞，保证消息的新鲜性，在有效时间内得不到处理的报文都会被销毁。那么在下一个时帧中需要得到处理的报文应该满足以下公式：

其中，Dbefore表示该报文在上一个时帧中的等待时延，Dnow表示该报文在本时帧队列中的等待时延，Tframe表示时帧长度。上面公式的意思是该报文的有效时间在下一个时帧得到满足，而在下下个时帧得不到满足，所以必须在下一个时帧中得到处理。统计满足式（1）的报文个数，假设为N1，根据业务阶段每个微时隙传输一条数据报文，那么该节点需要的时隙数目为：

步骤2：计算到下一个业务时隙到来之前，缓存队列中新增的报文个数所需要的时隙数目。假设报文分组到达为泊松过程［8］，分组到达率为，节点自身占有的时隙数sitself，微时隙长度为tms，则新增的报文个数为：

则需要的时隙数目为：

于是，可以计算出在下一个时帧中，节点传输报文需要的时隙数为：

进而可以得到节点的请求时隙数（RTN数值）：

1.3 邻居时隙切换

节点先在业务时隙进行数据传输（第1个时帧内各节点均分业务微时隙），每个节点在对应的业务时隙结束之余进行时隙估计，评估下一个时帧中自身时隙使用情况；再进入控制时隙完成邻居时隙切换：收集节点时隙使用情况，并对下一个时帧中各节点的时隙占用情况进行动态切换，以及分配情况的确认。

在广播阶段中，节点通过广播报文向邻居节点发送自身时隙使用信息。每个节点在其他节点发送广播报文时通过侦听信道，并按照业务时隙号进行排序，就能获取一个完整的邻居节点状态表。例如全网6个节点在当前时帧中均分了业务时隙的36个微时隙进行数据传输，节点2在经过广播阶段后会形成如下结构的邻居节点状态表，如表1所示。

表1 邻居节点状态表

在请求阶段中，需求时隙的节点根据邻居节点状态表会向邻居节点发送时隙请求报文。例如表1中，占用2号业务时隙的节点2会向占用1号和3号业务时隙的节点1和节点3申请2个时隙。当某需求时隙的节点在向邻居节点申请空闲时隙时，视该节点的邻居节点状态情况，执行以下算法环节：①向左邻居（业务时隙号较小）申请空闲时隙；②向右邻居（业务时隙号较大）申请空闲时隙；③若左邻居的全部空闲时隙仍不能满足其时隙需求，再向右邻居申请空闲时隙；④不作任何处理；

当左右两个邻居时隙都有空闲，按照①③顺序执行申请；当左邻居有空闲，按照①顺序执行申请；当右邻居有空闲，按照②顺序执行申请；当左右邻居都不空闲，按照④顺序执行申请。

算法1为邻居时隙申请算法的伪代码，设占用业务时隙号i的节点Ni请求时隙数为Si。算法1：

在确认阶段中，时隙空闲的节点在收到请求报文之后，可能会遇到下面两种情况：a.有且只有左或右一个邻居有时隙需求；b.左右邻居同时有时隙需求。

针对a情况，时隙空闲的节点不存在切换“矛盾”的问题，只需要向请求节点发送确认报文即可；针对b情况，根据优先满足业务时隙号较小节点的时隙需求原则，该节点会优先切换空闲时隙给左邻居，若满足左邻居的时隙需求后仍有空闲时隙，再切换给右邻居，并发送相应的确认报文。这样节点在收到确认报文后，会根据切换时隙的起止位置，将自身对应标号的时隙状态设为1，表示得到了邻居切换的时隙。

2 仿真建模与分析

2.1 建模设计

本文利用OPNET仿真平台，主要从网络模型、节点模型和进程模型3个层次［9］对ATT-TDMA协议进行建模。网络模型就是将一定数目的节点随即分布在适合的网络范围内，反映网络的拓扑结构特点；节点模型由相应的协议模块构成，体现节点内部的数据通信流程；进程模型使用有限状态机和源代码描述协议具体功能是如何实现的。

2.1.1 网络和节点模型

根据协议思想，建立的网络和节点模型如图3所示，网络模型中设置节点数为6个，将其随机分布于75 km×100 km的范围内，节点间采用无线链路连接。节点模型由source进程、ATT-TDMA队列、发射天线rt和接收天线rr四部分组成。其作用如下：source进程负责数据包的产生以及发送包和接收包的相关统计；ATT-TDMA队列进行数据缓存、时隙的划分和分配，控制节点接入信道，是协议的主要实现部分；rt和rr进程分别负责数据包的发送和接收。

图3 网络和节点模型

2.1.2ATT-TDMA进程模型

ATT-TDMA进程模型如图4所示，其工作阶段可以归纳为4种：初始化、源数据处理、数据发送和数据接收。其中直线表示无条件转移，虚线表示有条件转移。

初始化阶段：网络建立成功后，进入初始化阶段，转入init状态，定义并初始化变量和统计量，完成后转入idle状态，同时监听source（本节点数据源）进程和rr进程是否有数据包发来。

源数据处理阶段：当source进程发来数据时，进入源数据处理阶段，转入stream_intr状态，将数据按顺序放入队列暂时缓存。

图4 进程模型

数据发送阶段：当节点的自身时隙到来时进入发送阶段，转入slot_intr状态，并判断当前时隙类型是业务时隙还是控制时隙。如果是业务时隙转入rt_packet状态和slot_estimate状态，在rt_packet状态中，将数据从队列中取出发送至rt进程，在slot_estimate状态中，节点进行时隙估计计算自身时隙需求，将生成的广播报文发送至slot_bro状态等待相应时隙发送；如果是控制时隙，节点处于广播阶段时，转入slot_bro状态发送广播报文到rt进程。节点处于请求阶段时，转入slot_req状态根据邻居时隙申请算法生成请求报文发送至rt进程。节点处于确认阶段时，转入slot_ack状态响应请求节点的时隙需求生成确认报文，并发送至rt进程。

数据接收阶段：当节点接收到rr进程发来的数据包时进入接收阶段，转入receive状态，并判断数据包类型是业务包还是信令包，如果是业务包转入rr_packet状态，将其发送至源模块完成数据接收和相应的统计；如果是信令包，节点接收的是广播报文时，转入rr_bro状态解析广播报文生成邻居节点状态表。节点接收的是请求报文时，转入rr_req状态判断自身时隙使用情况是否满足请求节点的时隙需求，若能满足将请求报文发送至slot_ack状态进行处理，否则销毁。节点接收的是确认报文时，转入rr_ack状态根据报文中切换时隙的位置，改变其状态值更新自身时隙分配表。

2.2 仿真参数

仿真主要参数配置如表2所示。

表2 仿真参数设置

2.3 性能分析比较

为了构造节点间业务量不均匀的情形，设节点均分为A和B两类：A类节点的数据包产生平均间隔固定为0.5 s，分析如下：当数据包产生平均间隔理论值等于400·6／4 800=0.5 s时，网络负载达到饱和业务量，考虑到信道不能完成利用，将A类数据包产生平均间隔设定为0.5 s，肯定达到网络拥挤状态；B类节点的数据包产生平均间隔分别为0.5 s、1 s、2 s、3 s、4 s、5 s、10 s、15 s、20 s、25 s、30 s。通过设置上述节点数据包产生平均间隔，分别对ATT-TDMA、TDMA和HFTP协议进行仿真，并对消息投递率、端到端延迟和网络吞吐量方面的性能作了分析比较，仿真统计结果如图5所示。

从图5中可以看出：①ATT-TDMA协议与TDMA协议相比，图a中投递率趋于稳定时提高约30%；图b中时延趋于稳定时降低约1.5 s；图c中吞吐量趋于稳定时提高约500 b/s。这是因为当B类节点的数据包产生平均间隔在0.5 s左右时，网络内节点间业务量差距不大，均处于拥挤状态，随着B类节点数据产生间隔逐渐增大，A和B类节点间业务量的差距逐渐增大，B类节点时隙出现空闲，由于ATT-TDMA协议能够动态切换邻居空闲时隙，按节点业务量大小动态利用信道资源，一定程度上满足了业务量大的A类节点的时隙需求，而TDMA协议各节点只在自身固定分配的时隙内发送数据，业务量大的A类节点会出现时隙不够用，而业务量小的B类节点时隙被浪费，所以ATT-TDMA协议较TDMA协议在性能上有很大的提升。②ATT-TDMA协议与HFTP协议相比，当数据包产生平均间隔逐渐增大，网络内整体的业务量减少不再拥挤时，两种协议均能够根据业务量的大小动态利用信道，在性能变化上基本一致，图a中投递率趋于稳定时提高约6%；图b中时延趋于稳定时降低0.3 s；图c中吞吐量趋于稳定时提高约100 b/s左右。这是因为HFTP协议存在着令牌传递开销和丢失问题，造成时隙浪费，相反ATT-TDMA协议由于不存在令牌机制，其性能略优于HFTP协议。

图5 协议性能比较

3 结论

针对固定TDMA分配方案存在着信道资源严重浪费的问题，设计出基于邻居时隙切换的ATT-TDMA协议，重点描述了邻居时隙切换过程中的广播、请求和确认阶段，实现了时隙的动态利用。OPNET仿真结果表明，ATT-TDMA协议在消息投递率、平均时延和吞吐量等性能上优于HFTP和TDMA协议，更适应于短波网络节点间业务量不均匀的传输情况。同时，考虑节点优先级并基于全局时隙的切换是下一步的研究重点。

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［2］周志钊，杜娟，田钢，等.一种用于分组无线网的TDMA方案［J］.计算机工程，2007，33（11）：105-106.

［3］左卫.短波通信系统发展及关键技术综述［J］.通信技术，2014，47（8）：847-853.

［4］朱灿彬，毛玉泉，李晓楠，等.航空数据链系统TDMA时隙分配研究［J］.火力与指挥控制，2009，34（6）：104-108.

［5］JIANG S，RAO J，HE D，et al.A simple distributed PRMA for MANETs［J］.IEEE Transactions on Vehic Technology，2002（51）：293-305.

［6］白梓佑，刘芸江，周德敏.一种利用信道侦听的动态TDMA 协议［J］.电子科技，2015，28（11）：1-4.

［7］谭方勇，叶良.Ad hoc网络中TDMA/CSMA融合的多址接入协议［J］.计算机工程与设计，2011，32（11）：3656-3658.

［8］王文政.战术数据链时隙分配协议及其仿真研究［D］.长沙：国防科技大学，2010.

［9］陈敏.OPNET网络仿真［M］.北京：清华大学出版社，2004:186-214.

Research of Time Division Multiple Access Protocol Based on Adjacent Timeslot Transfer

LIU Shuo1，LIU Yun-jiang1，BAI Xiang2，GAO Peng1
（1.Institute of Information and Navigation，Airforce Engineering University，Xi’an 710077，China；2.No.30 Institute of CETC，Chengdu 610041，China）

A dynamic TDMA protocol based on adjacent timeslot transfer （ATT-TDMA） is designed to solve the great waste of channel source when business is not uniform between of nodes in the traditional TDMA network，which timeslot is utilized dynamically by transfering adjacent free timeslot，changes the length of the business timeslot of nodes without affecting the entire network cycle structure.The performances comparision is made with HFTP protocol and TDMA protocol by OPNET.Simulation results under the same conditions show that ATT-TDMA protocol has better performance than HFTP protocol and TDMA protocol on the parameters of message delivery radio，traffic delay and network throughput.

TDMA，not uniform，adjacent timeslot，transfer，OPNET

TN92

A

10.3969/j.issn.1002-0640.2017.07.025

1002-0640（2017）07-0114-05

2016-05-18

2016-06-29

国家自然科学基金（61302153）；航空基金资助项目（20140196003）

刘 硕（1992- ），男，河北保定人，硕士研究生。研究方向：短波地空网MAC协议。