基于分布式时分多址接入的无线网络时隙调配方法_郭强.pdf

本栏目责任编辑：代影网络通信与安全Computer Knowledge and Technology电脑知识与技术第19卷第4期(2023年2月）第19卷第4期(2023年2月）基于分布式时分多址接入的无线网络时隙调配方法郭 强（黄淮学院，河南 驻马店 463000)摘要：针对无线网络时隙调配效果不佳的问题，文章设计了基于分布式TDMA的无线网络时隙调配方法。文章提取出分布式TDMA协议帧结构特征，并在分布式TDMA条件下，同步无线网络时隙调配节点，将网络在静止状态与非静止状态的时隙进行调配；构建动态时隙调配模型，使时隙调配更加满足网络需求，进而实现无线网络时隙的高效调配。文章采用对比实验的方式，验证了该方法时隙调配效果较佳，具有较高的推广价值。关键词：分布式；TDMA；无线网络；时隙；调配中图分类号：TN914.52文献标识码：A文章编号：1009-3044(2023)04-0080-03开放科学（资源服务）标识码(OSID)：无线网络是由多个无线通信设备组成的网络，在网络覆盖范围之内的网络节点，可以直接完成通信，在网络覆盖范围之外的网络节点，可以通过中间节点转发来完成通信1。因此，使用无线网络可以有效提高网络通信效率。为了使网络性能更佳，开始研究网络通信协议。时分多址接入协议是一种独特的协议，可以应对突发性的网络通信过程，具备较为良好的抗干扰能力，并且不会与传输报文的内容冲突。分布式时分多址接入协议主要是将网络数据量增大，提高网络性能2。无线网络是一种不需要基础通信设施支持的无中心节点的网络，网络结构与其他网络结构有很大的不同。多跳通信、无中心自组织性、临时性、网络动态拓扑、分布式控制、对等性等特点，均为无线网络突出的优势，为其提供了较为广阔的发展空间3。利用分布式TDMA可以对网络进行灵活性、高适应性的时隙动态分配。对于给定的网络节点，使用时分多址接入协议，预留出该节点的覆盖位置，同时保证时隙预留的局部化，由此完成网络时隙调配4。此过程中，通信信道可以反复使用，提高信道利用率的同时，减少网络节点拥堵的现象。因此，本文设计了基于分布式TDMA的无线网络时隙调配方法，满足无线网络时隙调配需求。1 基于分布式TDMA的无线网络时隙调配方法设计1.1 提取分布式TDMA协议帧结构特征分布式TDMA协议帧具有适应性高的特点，提取出协议帧结构特征，对于划分时隙具有重要作用。本文假设分布式TDMA协议帧被分为控制时段与信息时段，则帧结构为预约帧与信息帧5。本文将预约帧假定为A，信息帧为B，则得出的分布式TDMA协议帧结构特征如图1所示。ABBBBABB1BnA1Ana1an12345时间图1分布式TDMA协议帧结构如图1所示，A为预约帧；B为信息帧；A1、An为预约时隙；a1、an为预约周期；1、2、3、4、5分别为预约请求、冲突报告、预约确认、预约应答、打包/消除；B1、Bn为信息时隙6。根据协议帧的结构，得出每一个预约帧可以划分出多个预约时隙，预约时隙可以划分出多个预约周期，最终得出预约请求、冲突报告、预约确认、预约应答、打包/消除等结构；在相同条件下，信息帧仅能划分出多个信息时隙。1.2 基于分布式TDMA同步无线网络时隙调配节点在上述划分出的时隙特征基础上，本文将网络时隙调配节点与时隙节点相同步。保证时隙同步是本文设计的调配方法的主要条件。只有保持时隙同步，才能使网络节点接入信道传输信息的无冲突性7。本文主要应用互同步的方式，对分布式时分多址接入协议进行调整。网络采用分布式TDMA接入时，接入时收稿日期：2022-07-05作者简介：郭强(1984)，男，河南驻马店人，讲师，硕士研究生，主要研究方向为计算机网络。E-mail：http：/Tel：+86-551-65690963 65690964ISSN 1009-3044Computer Knowledge and Technology电脑知识与技术Vol.19,No.4,February202380DOI:10.14004/ki.ckt.2023.0177网络通信与安全本栏目责任编辑：代影Computer Knowledge and Technology电脑知识与技术第19卷第4期(2023年2月）第19卷第4期(2023年2月）间划分出多个时间帧，每个帧在不同的网络规模下，可以分为多个时隙。本文面向无线网络节点，对其进行时隙调度。本文假定网络中存在N个节点，i、j均为网络节点中的个体，当i、j之间的信噪比大于某个阈值时，则可以判定节点i、j之间可以进行通信。信噪比与阈值的关系式如下：X(i,j)=SiK(i,j)P(1)=SkX(i,j)(2)式(1-2)中，X(i,j)为节点i、j的信噪比，Si为节点i的信息发送速率，K(i,j)为节点i到节点j的通信损耗，P为空白信道白噪声影响系数，为时隙门阈值，Sk为同时传输数据时发生的冲突信息。由此判定，信噪比X(i,j)与阈值之间呈现反比关系，在时隙调配过程中存在冲突。考虑到分布式TDMA在每个节点上的调配周期内，至少存在一次的时隙调度，本文将无线网络看作静态结构，当时隙调配节点能够正常使用时，i、j存在通信链路，网络时隙无须调配，可直接使用；当时隙调配节点存在冲突时，i、j不存在通信链路，ti,j与tj,i则为节点i、j的两跳邻节点，节点同步公式如下所示：Lij=ti,jtj,i(3)yti=|1,itLij 10,Lij+tij 2(4)式(3-4)中，Lij为节点i、j的其他通信链路，yti为最优网络同步节点。当yti=1时，同步节点的约束条件为itLij 1；当yti=0时，同步节点的约束条件为Lij+tij 2。1.3 构建动态时隙调配模型为了实现无线网络时隙的高效调配，本文在同步了时隙调配节点的基础上，设计了动态时隙调配模型。信息在经过网络时，形成了多个信息时隙，经过信道之后，再由多个接收天线接收8。因此，动态时隙收发信道矩阵如式(5)所示：F(x)=|f1,1xfv,1xf1,kxfv,kx(5)式(5)中，F(x)为时隙调配某一时刻x的信道矩阵，f1,1x、fv,1x、f1,kx、fv,kx分别为不同信道的相应信号。由此形成的vk信道矩阵中，v、k相互独立，能够适应调配需求。在此条件下，构建出动态时隙调配模型表达式如下：W=|c(Lk+LijytiHv k)(6)式(6)中，W为动态时隙调配模型表达式，c为最优调配系数，Lk为调配信道容量，H为共轭转置。利用该时隙调配模型，可以使网络时隙得到动态调配，信道利用率增加，最大限度地提高网络利用率。2 实验为了验证本文设计的调配方法是否具有使用价值，本文对上述方法进行实验验证。实验结果以传统无线网络时隙调配方法，与本文设计的基于分布式TDMA的无线网络时隙调配方法进行对比的形式呈现。具体实验过程及实验结果如下所示。2.1 实验过程在进行实验之前，本文对无线网络数据进行延时处理，并将网络节点规划成如图2所示的场景。13286754图2网络节点场景如图2所示，数据流源节点到目的节点的参数位置分别为13、35、54、46、67、72、28。为了保证网络发送延时情况具有良好的处理效果，本文设定同步时隙时帧个数为32个，每个时隙长度为0.22ms，保护间隔为0.04ms，为时隙长度设定为10s。以此为基础，时隙预约时帧、数据时帧的时隙个数均与同步时隙时帧个数一致，每个时隙长度分别为0.52ms与5.03ms，保护间隔分别为0.06ms与0.50ms，微时隙长度与同步时帧一致。此时网络节点的参数配置如表1所示。表1节点参数配置参 数网络节点个数发射功率信 道物理层速度数据流数数据流源节点到目的节点测试时间参数值80dBm0512kbps513、54、28、673min如表1所示，令发送数据节点每隔1个循环时帧，产生220byte，测试时间设定为3min，各个节点接收到的时隙数如图3所示。0123456135时隙数网络节点24678图3网络节点收到时隙数如图3所示，在网络静止状态下，网络节点可以收到的时隙数为2.0。在网络处于非静止的动态变化状81本栏目责任编辑：代影网络通信与安全Computer Knowledge and Technology电脑知识与技术第19卷第4期(2023年2月）第19卷第4期(2023年2月）态下，网络节点可以收到的时隙数在46的范围区间内。由此可以判定，使用本文设计的方法在上述8个节点中，可以起到优先处理的作用，使网络节点调配到更多优质的时隙资源。同时，在0信道的环境下，对网络节点接入时延的影响不大，并不会出现网络节点“饿死”的状态。网络节点在不同负载条件下的吞吐量情况如图4所示。102030405060100B1K5K吞吐量/kbps网络节点业务设置（Byte/s）800B2K10K 100K 512K70吞吐量网络负载图4网络节点在不同负载条件下的吞吐量如图4所示，网络负载与吞吐量在网络静止状态下处于相同水平线上，网络节点业务在 0Byte/s1KByte/s 范围内时，处于上升态势，并在 1KByte/s512KByte/s范围内处于稳定。网络节点在此负载条件下，吞吐量也在0Byte/s1KByte/s范围内时，处于上升态势，在1KByte/s512KByte/s范围内时，处于下降态势。由于网络负载在1KByte/s512KByte/s范围内处于稳定，节点发送业务速率提升时，负载也不会出现变化，吞吐量就会出现下降，避免了数据包之间相互碰撞，可以保证网络时隙的基础调配效果。2.2 实验结果在上述实验条件下，本文随机选取出8个网络节点，节 点 发 送 速 率 分 别 为 1/10kbps、2/20kbps、3/40kbps、4/60kbps、5/80kbps、6/100kbps、7/120kbps、8/140kbps。在吞吐量一致的条件下，将传统无线网络时隙调配方法网络节点接入时延，与本文设计的基于分布式TDMA的无线网络时隙调配方法网络节点接入时延进行对比。实验结果如表2所示。表2实验结果网络节点发送速率/kbps1/102/203/404/605/806/1007/1208/140网络吞吐量/kbps32.1256.43100.61125.72151.63175.48202.56227.93传统无线网络时隙调配方法网络节点接入时延/s1.5210-22.6110-23.2410-24.3610-25.7410-26.2810-27.1610-28.8210-2本文设计的基于分布式TDMA的无线网络时隙调配方法网络节点接入时延/s1.2410-32.0610-32.5810-32.7210-33.2510-33.8210-34.0310-34.4810-3如表2所示，在上述8种网络节点发送速率小，网络吞吐量随着网络节点发送速率的变化而变化，吞吐量在32.12kbps227.93kbps范围内波动。在正常情况下，网络节点接入时延在8.010-2s以内时，可以保证网络节点不出现堵塞。在吞吐量条件一致的情况下，传统无线网络时隙调配方法网络节点接入时延相对较长。在网络节点发送速率为8/140kbps时，网络吞吐量为227.93kbps，此时传统调配方法的网络节点接入时延为8.8210-2s。因此，传统方法的调配效果不佳，网络节点接入实验亟须改进。而本文设计的基于分布式TDMA的无线网络时隙调配方法网络节点接入时延相对较短。在网络节点发送速率为8/140kbps时，网络吞吐量为227.93kbps，此时本文设计的调配方法网络节点接入时延仅为 4.4810-3s，在 8.010-2s的合理时延范围内。由此判定，使用该调配方法时，网络节点并未出现拥堵现象，能够合理地调配无线网络时隙，符合本文研究目的。3 结束语近些年来，无线网络的覆盖面较广，无线网络中的每个节点既是终端，又是路由器，不在彼此覆盖范围内的网络节点可以通过中间节点转发来完成通信。利用无线网络，拉近了彼此之间的距离，为人们提供了较为便捷的通信环境。为了减少网络节点相互碰撞影响网络通信