基于TDMA的链式无线多跳传输系统实验设计

孙彦景, 陈 岩, 李 松, 张晓光, 芦楠楠, 王艳芬

(中国矿业大学 信息与控制工程学院, 江苏 徐州 221116)

基于TDMA的链式无线多跳传输系统实验设计

孙彦景, 陈 岩, 李 松, 张晓光, 芦楠楠, 王艳芬

(中国矿业大学 信息与控制工程学院, 江苏 徐州 221116)

针对未来教学与深入研究的需要,采用NS2仿真软件进行链式多跳网络仿真实验设计。实验主要针对TDMA、STDMA接入机制的端到端时延进行仿真,同时针对多跳网络的视频监控应用场景,结合myEvalvid软件进行多跳视频传输实验,可以用于实验教学。

多跳网络； 实验设计； 视频传输; TDMA； NS2

同传统的无线局域网相比,无线多跳自组织网络具有易于部署安装、可进行非视距传输、网络路由健壮、结构灵活、高带宽等优点[1]。随着5G技术发展,国际电信联盟无线电通信局确定了未来5G主要应用场景:(1)增强型移动宽带；(2)超高可靠与低延迟的通信；(3)大规模机器类通信[2]。在未来5G通信技术的支撑下,大规模、高可靠性的物联网产业将进入一个新的发展阶段。物联网技术的一个主要应用领域为工业生产现场,由于工业生产现场环境的影响及生产需求,要求所部署的无线物联网网络应具有高可靠性、低延时性、传输距离远、结构灵活、易于部署等,无线多跳网络能够很好地满足这些组网要求。此外在矿山井下和隧道等狭长的长距离场合,利用链式无线多跳网络能够高效地进行远程数据传输,因此链式多跳网络已经被应用与矿山井下等复杂生产场景中[3-4]。随着5G技术的发展,未来无线多跳网络将支撑更多更加复杂的业务量,因此针对无线多跳网络的研究将逐渐增加。时分多址接入(time division multiple access,TDMA)技术作为一种有效的接入方式,能够有效提升网络公平性,针对未来无线高密度网络的研究,相关研究已经将TDMA与现有的CSMA接入方式结合使用[5],可以有效减少网络节点数增加带来的冲突问题,TDMA技术是未来高密度大规模网络中的一种有效的接入方式。针对性的研究教学工作将会逐渐增加,方便有效的实验研究方式能够有效提升研究效率[6]。本文以TDMA链式无线多跳网络为基础,结合通信网络研究教学中常用的NS2仿真软件进行相关实验设计,并完成相关性能测试,方便后续教学实验和进一步开展研究。

1 链式无线多跳网络

多跳网络从其组网形式上来看属于分布式方式,网络各节点随机分布在一定区域内,各节点既可以作为目的节点接收到来自其通信范围内的网络节点发送来的数据,也可以作为中继节点对接收到的数据进行转发。链式无线多跳网络拓扑结构为链状,这种网络可以有效扩展通信距离,通过多个中间节点的转发,可以将数据传输到较远的目的节点。在海岸线、煤矿巷道等狭长的恶劣复杂的通信环境中,采用链式多跳网络代替传统的有线电缆传输方式,可以有效减少网络部署成本与空间占用,提升网络灵活性与传输距离。图1为应用链式多跳网络的煤矿应急救援系统,其中井下巷道中的传输采用链式多跳网络,将井下采集到的数据与监控等信息实时传输到地上监控系统。链式多跳网络具有多跳网络的一般特性外,还有以下特点:

(1) 拓扑结构较为稳定。链式多跳网络多布置在窄长的环境中,节点间始终保持链式状态,拓扑结构保持相对稳定的状态。

图1 煤矿应急救援系统

(2) 节点数量相对稳定。进行井下监控及救援时,通信网络中的节点数目基本保持不变,或者处在一定的变化范围内。

(3) 节点分布间距基本相等。链式多跳网络传输主要目的为有效可靠地传输远程信息,中间节点主要用于信息转发,通信能力基本相同,因此布置时相邻节点间距离基本相等。

2 TDMA接入方式

TDMA是一种常用的信道接入方式,它将时间以帧为单位进行分割,每帧由若干个时隙组成,如图2所示，每个时隙被对应的分配给不同的网络节点进行传输,这样在满足系统时钟同步的前提下,网络中所有节点按安排好的次序在特定时隙内进行数据发送,可以避免邻节点之间的碰撞,提升网络的可靠性和有效性。

图2 时间帧

在现有的接入方式中,网络将信道视为一个整体的资源,当两者同时占用相同的信道进行数据传输时会造成冲突,会严重影响网络性能。在每个时隙中,仅有一个节点进行数据发送,其相邻节点只能进行数据的接收,才能够成功传输。因此TDMA是给每个节点分配不同的时隙,时隙数和节点数一致,每个节点仅能在各自分配好的时隙内发送数据,在其他时隙内被动的接收数据或不工作,这种方式可以避免传输冲突。图3为一个包含N个节点的采用TDMA接入方式链式多跳网的时隙分配图。

图3 链式无线多跳网络TDMA时隙分配

3 STDMA

TDMA网络通过分配不同的时隙来避免冲突,但无线多跳网络由于其网络拓扑结构特殊性,网络节点在空间上存在大量的隐藏节点,即相距较远的2个节点之间信号相互不影响,这样的2个节点在同时发送信息给不同的目的节点时不会产生冲突,因此传统的TDMA方式会造成信道资源的极大浪费。空间复用TDMA(Spatial Re-use TDMA,STDMA)技术是将同一时隙从空间位置上将其分割开并分配给不同的节点,最小化节点之间的干扰[7-8],能够有效利用信道,降低端到端时延。

本文实验中采用图4所示的是基于两跳范围内的节点不分配同一时隙的规则的一种时隙分配方法。因为两跳范围内的节点如果分配同一时隙会在中间节点处产生冲突。为避免这种冲突,在空间上进行隔离,采用图4所示的时隙分配方法可以充分利用时间资源,降低端到端时延。

图4 链式无线多跳网络STDMA时隙分配

4 NS2仿真实验

4.1 NS2简介

NS2是一种开源的网络仿真工具,在通信网络研究教学中被广泛采用。NS2采用灵活的模块化编程方式为使用者提供了研究特定网络和协议并仿真相关通信行为的方法[9-10]。在仿真的过程中,用户可以根据自身的需要部署特定的网络环境，并可使用多种不同的网络协议进行仿真。

在进行网络仿真前,用户需要添加或者修改C++类实现相关功能来满足相关的仿真,修改协议后重新编译安装NS2。然后，编写一个OTcl脚本文件来描述相关的网络拓扑、定义数据源以及设置时间调度器完成开始、停止数据传输等。最后仿真结束后会产生一个输出跟踪文件,对输出文件进行分析,可以获得详细的网络仿真结果数据,图5显示了NS2的工作机制。NS2已经被广泛应用于通信网络相关研究教学中[11-12],因此,本文采用NS2仿真工具进行实验,可以方便使用者以此为基础进行更加深入的研究教学工作。

图5 NS2工作机制

4.2 NS2实现TDMA

NS2中的TDMA时隙结构如图6所示,进行时隙分配中主要是针对其中的数据时隙数进行设置。

图6 NS2中TDMA时隙结构

其相关参数的设置在“mac-tdma.h”,“mac-tdma.cc”文件中,设置参数如下:

static int *tdma_preamble_;

tdma_preamble_=new int[max_slot_num_];

tdma_preamble_[slot_num_]=ETHER_ADDR(MAC_TDMA(pktTx_)->dh_da);

其中,max_slot_num_为网络中节点个数,前导存储的是目标节点的Mac地址,slot_num_表示当时隙号。在前导时隙中,完成的主要工作就是设置tdma_preamble_[0-max_slot_num_-1]的值,代表从0到max_slot_num_-1个数据时隙各个时隙中要发送数据的目标节点地址。另外,在进行参数设置时,分配的总时隙数要同网络中节点数相同。

4.3 NS2实现STDMA

在NS2中加入新的时隙分配方式需要添加更改“mac-tdma.h”“mac-tdma.cc”“aodv.h”“aodv.cc”和“aodv_packet.h”文件中的代码。

主要修改内容包含如下:

(1) 在“mac-tdma.h”中定义时隙表；

(2) 在“mac-tdma.cc”中初始化时隙表；

(3) 在“mac-tdma.cc”中调度时隙；

(4) 在“aodv_packet.h”中修改hello消息格式；

(5) 在“aodv.h”中启动hello消息；

(6) 在“aodv.cc”中添加路由层访问MAC层的接口,并使用hello消息中的时隙号完成时隙的分配。

其中hello消息用于链式多跳网络在实际应用中进行时隙分配过程中,节点同其他节点进行信息交换以确定自身的发送时隙。

图7为实验仿真所部署的链式多跳网络拓扑图,每个节点的通信范围只包括其相邻节点。图8为实验过程中输出的时隙分配情况。

图7 无线多跳仿真拓朴图

图8 时隙分配情况

4.4 无线多跳视频传输评估实验

链式无线多跳网络的视频监控被广泛应用于战争演习、工业监控、地理监测、安全预警等领域。因此,本文使用myEvalvid视频评价工具对比CSMA,TDMA,STDMA 3种接入机制视频传输能力。

myEvalvid开源工具常被研究人员用来评价视频质量。通过相关接口与NS2的通信,实现和NS2的互相访问。myEvalvid工具的原理见图9[10]。

5 实验结果

本文仿真过程中主要进行端到端时延性能仿真,图10为TDMA与STDMA端到端时延的仿真结果和理论结果对比图,实验仿真结果贴近理论结果,实验效果较好。此外STDMA接入机制的端到端时延在跳数大于3的情况明显小于TDMA,因为当跳数小于等于3时,两种机制的时隙分配方式相同,性能无差别,由此可得STDMA在能够明显提升系统性能。

图9 myEvalvid工具原理图

图10 端到端时延对比

链式无线多跳视频传输实验中对比了CSMA、TDMA和STDMA 3种接入方式不同跳数传输之后的视频效果,图11为实验效果图。由图可知，在1跳时,3种接入机式的传输效果都较好；4跳时,CSMA和TDMA接入方法传输的视频都有所失真,而STDMA接入方法传输的视频几乎无失真；而当增加至8跳时,CSMA接入方式传输的视频失真严重,TDMA接入方式传输的视频也有明显的失真,而STDMA接入方式传输的视频同源视频相比,画质稍有降低,视频整体效果较好。

图11 不同跳数下3种接入方式的视频传输效果对比

6 总结

本文研究了链式无线多跳网络中的TDMA与STDMA两种接入机制,分析了TDMA与STDMA的在多跳网络中的应用优势。针对未来链式多跳网络的应用和研究需求,利用NS2设计进行了链式多跳网络TDMA和STDMA接入机制性能分析实验。结果表明，仿真实验结果与理论分析结果一致,实验可用于教学。此外,针对链式多跳网络远程监控应用场景,利用myEvalid软件进行多跳视频传输质量评价实验,对比了3种接入方式视频传输能力,结果表明STDMA具有较好的性能。

References)

[1] Bruno R, Conti M, Gregori E. Mesh networks:commodity multihop ad_hoc networks [J]. Communications Magazine, IEEE.,2005, 43(3):123-131.

[2] 4G Americas 5G Spectrum Recommendations[EB/OL].(2015-08-11)[2017-06-10]. http://www.5gamericas.org/files/6514/3930/9262/4G_Americas_5G_Spectrum_Recommendations_White_Paper.pdf.

[3] 乔钢柱. 基于无线传感器网络的煤矿安全综合监控系统设计与关键技术研究[D]. 兰州:兰州理工大学, 2012.

[4] 陈林星, 曾曦, 曹毅. 移动Ad Hoc网络:自组织分组无线网络技术[M]. 北京:电子工业出版社, 2012.

[5] Sanabria-Russo L, Barcelo J, Bellalta B, et al. A High Efficiency MAC Protocol for WLANs:Providing Fairness in Dense Scenarios[J]. IEEE/ACM Transactions on Networking, 2017, 25(1):492-505.

[6] 孙彦景, 陈岩, 王艳芬, 等 基于WARP的无线通信实验研究平台设计[J]. 实验技术与管理, 2017, 34(4):74-77.

[7] Nelson R, Kleinrock L. Spatial TDMA - A collision-free multihop channel access protocol[J]. IEEE Transactions on Communications, 1985, 33(9):934-944.

[8] 韩成, 吴援明. 多跳无线网中基于空分TDMA的时隙分配策略[J]. 通信技术, 2010, 43(3):90-92.

[9] Issariyakul T, Hossain E. Introduction to Network Simulator 2(NS2)[M]// Introduction to Network Simulator NS2. Springer US, 2012:21-40.

[10] 柯志亨,程荣祥,邓德隽. NS2 仿真实验:多媒体和无线网络通信[M]. 北京:电子工业出版社, 2009.

[11] 周德荣, 夏龄, 舒涛, 等. NS2网络协议虚拟仿真实验平台研究[J]. 实验技术与管理, 2014, 31(3):87-90.

[12] Kushwaha S, Chaudhary D. Performance Analysis of AODV, CBRP, AOMDV, DSR MANET Routing Protocol using NS2Simulation[J]. International Journal of Computer Applications, 2015, 116(5):12-18.

Design of experiment on chain-type wireless multi-hop transmission system based on TDMA

Sun Yanjing, Chen Yan, Li Song, Zhang Xiaoguang, Lu Nannan, Wang Yanfen

(School of Information and Control Engineering， China University of Mining and Technology， Xuzhou 221116， China)

In view of the needs of the future teaching and in-depth research, the NS2 simulation software is used to design the simulation experiment on the chain multi-hop network. The experiment mainly focuses on the simulation of the end-to-end delay of the TDMA and STDMA access mechanism, and at the same time, aims at the video surveillance application scenarios for the multi-hop network. The experiment on the multi-hop video transmission combined with myEvalvid software can be applied to the experimental teaching.

multi-hop network; experiment design; video transmission; TDMA; NS2

2017-06-16

国家自然科学基金项目(51504255, 51504214)；江苏省研究生教育教学改革重点课题(JGLX_075)；江苏省高等教育教改研究立项课题(2015JSJG275)；中国矿业大学青年教师教学改革项目(2016QN09)；中国矿业大学课程建设与教学改革项目(2014SF04)

孙彦景(1977—),男,江苏徐州,博士,教授,主要从事无线通信与嵌入式系统方面的科研和教学工作.

E-mail：yanjingsun_cn@163.com

10.16791/j.cnki.sjg.2017.12.009

TN925.5

A

1002-4956(2017)12-0036-05