基于MATLAB的TDMA/CSMA混合協(xié)議仿真分析

王凱銳，荊敏，康樂(lè)峰，張宏偉，張麗蓉

（1.北方自動(dòng)控制技術(shù)研究所，太原030006；2.北京特種車(chē)輛研究所，北京100072）

基于MATLAB的TDMA/CSMA混合協(xié)議仿真分析

王凱銳1，荊敏2，康樂(lè)峰1，張宏偉1，張麗蓉1

（1.北方自動(dòng)控制技術(shù)研究所，太原030006；2.北京特種車(chē)輛研究所，北京100072）

TDMA（時(shí)分多址）和CSMA（載波偵聽(tīng)）是兩種常見(jiàn)的Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)多址接入方式，兩種方法各有利弊。TDMA避免了節(jié)點(diǎn)之間的沖突，但是平均時(shí)延隨著網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的擴(kuò)大而急劇增長(zhǎng)，當(dāng)某節(jié)點(diǎn)在給定的時(shí)隙內(nèi)沒(méi)有發(fā)送請(qǐng)求時(shí)，會(huì)產(chǎn)生空時(shí)隙，造成資源浪費(fèi)；CSMA采用競(jìng)爭(zhēng)的方式，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)規(guī)模擴(kuò)大時(shí)，節(jié)點(diǎn)的碰撞概率很大，信道利用率降低。根據(jù)兩者的特點(diǎn)，提出了TDMA/CSMA混合多址接入?yún)f(xié)議，采用固定分配和動(dòng)態(tài)分配相結(jié)合的方式，進(jìn)一步提高網(wǎng)絡(luò)吞吐量、降低平均時(shí)延，并通過(guò)MATLAB軟件對(duì)協(xié)議進(jìn)行仿真建模，驗(yàn)證其性能。

MAC層，多址接入，時(shí)分復(fù)用，載波偵聽(tīng)

0 引言

根據(jù)未來(lái)戰(zhàn)術(shù)移動(dòng)通信的作戰(zhàn)需求以及無(wú)線自組網(wǎng)的特點(diǎn)，其特別適用于軍事戰(zhàn)術(shù)通信，是構(gòu)建未來(lái)數(shù)字化部隊(duì)的重要組成部分，它是互聯(lián)的無(wú)線戰(zhàn)術(shù)電臺(tái)的集合，主要用于加強(qiáng)指揮人員、部隊(duì)、士兵以及武器系統(tǒng)對(duì)指揮數(shù)據(jù)的共享，并能夠近似實(shí)時(shí)地感知態(tài)勢(shì)，可提高部隊(duì)和武器系統(tǒng)的作戰(zhàn)能力和生存能力。因此，研究無(wú)線自組網(wǎng)具有非常重要的戰(zhàn)略意義。

在移動(dòng)自組織網(wǎng)絡(luò)中，使用者在進(jìn)行通信的過(guò)程中，一個(gè)信道只能通過(guò)一個(gè)使用者的通信信息，所以當(dāng)有很多使用者同時(shí)進(jìn)行通信的時(shí)候，需要在信道中加入一個(gè)區(qū)分開(kāi)它們的對(duì)象，而這個(gè)對(duì)象就是多址。每個(gè)節(jié)點(diǎn)有唯一的地址，使得不同的節(jié)點(diǎn)可以將信息發(fā)送到同一信道上，這就是多址接入（Multiple Access）方式。此時(shí)，多個(gè)節(jié)點(diǎn)共享同一物理信道。因此，多址接入?yún)f(xié)議的優(yōu)劣對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能有很重要的影響，其主要目標(biāo)是提高網(wǎng)絡(luò)的吞吐量并降低平均時(shí)延［1］。

在現(xiàn)階段，戰(zhàn)術(shù)通信的載體為窄帶戰(zhàn)術(shù)電臺(tái)，它通常被定位為在一定的作戰(zhàn)區(qū)域內(nèi)，一個(gè)戰(zhàn)役級(jí)或者戰(zhàn)斗級(jí)作戰(zhàn)規(guī)模中所使用的通信設(shè)備。它們長(zhǎng)期、廣泛地存在于許多國(guó)家的武器裝備序列中，在通過(guò)超短波跳頻電臺(tái)對(duì)無(wú)線自組織網(wǎng)絡(luò)搭建的過(guò)程中，存在許多難點(diǎn)問(wèn)題，比如多址接入技術(shù)。

目前常見(jiàn)的無(wú)線自組織網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)方式有TDMA（時(shí)分復(fù)用）和CSMA（載波偵聽(tīng)）兩種。

1 多址接入?yún)f(xié)議的分類(lèi)

1.1 非競(jìng)爭(zhēng)（調(diào)度）類(lèi)

非競(jìng)爭(zhēng)類(lèi)是通過(guò)調(diào)度要傳輸數(shù)據(jù)的節(jié)點(diǎn)來(lái)避免多個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)接入信道。節(jié)點(diǎn)按照調(diào)度的先后順序傳輸數(shù)據(jù)，確保每次傳輸都會(huì)成功。非競(jìng)爭(zhēng)類(lèi)又分為固定分配和按需分配兩種方式。固定分配方式：把信道容量在所有節(jié)點(diǎn)之間平分，比如TDMA（時(shí)分復(fù)用）、FDMA（頻分復(fù)用）；按需分配方式：只有節(jié)點(diǎn)有傳輸要求時(shí)才分配資源，如令牌環(huán)傳遞。

對(duì)于TDMA協(xié)議，通過(guò)對(duì)網(wǎng)內(nèi)節(jié)點(diǎn)分配固定的時(shí)隙，避免不同節(jié)點(diǎn)之間產(chǎn)生沖突。將傳輸時(shí)間分成多個(gè)幀，為每個(gè)節(jié)點(diǎn)分配固定的時(shí)間片，各個(gè)用戶(hù)之間的時(shí)間片互不重疊。但是，當(dāng)節(jié)點(diǎn)不斷移動(dòng)、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)復(fù)雜多變、網(wǎng)絡(luò)規(guī)模較大時(shí)，這種方法的平均時(shí)延顯著增長(zhǎng)，如果某節(jié)點(diǎn)在給定分配的時(shí)隙內(nèi)無(wú)發(fā)送請(qǐng)求，則會(huì)產(chǎn)生空時(shí)隙，造成資源的浪費(fèi)，從而降低了信道的利用率［2］。

1.2 競(jìng)爭(zhēng)（隨機(jī)）類(lèi)

當(dāng)節(jié)點(diǎn)有發(fā)送需求時(shí)，并不確定是否會(huì)同其他節(jié)點(diǎn)發(fā)生沖突，即使偵聽(tīng)信道也不能確定即將發(fā)生的傳輸，因?yàn)樵摴?jié)點(diǎn)并不知道其他節(jié)點(diǎn)的發(fā)送情況。若多個(gè)節(jié)點(diǎn)準(zhǔn)備競(jìng)爭(zhēng)信道并發(fā)送數(shù)據(jù)，則發(fā)生沖突。典型的協(xié)議有：ALOHA協(xié)議、時(shí)隙ALOHA協(xié)議、CSMA協(xié)議。

對(duì)于CSMA協(xié)議，節(jié)點(diǎn)在發(fā)送數(shù)據(jù)之前，先檢測(cè)信道狀態(tài)，只有信道空閑時(shí)，才可以發(fā)送數(shù)據(jù)。由于并不知道其他節(jié)點(diǎn)的情況，所以容易產(chǎn)生沖突。即使是等待一段時(shí)間之后重傳，沖突的可能性依舊存在。值得注意的是，碰撞的發(fā)生并不是在發(fā)送方一側(cè)，而是在接收方一側(cè)。由于載波偵聽(tīng)沒(méi)有提供避免碰撞所必需的所有信息，這就導(dǎo)致了“隱終端”的問(wèn)題，如圖1所示，對(duì)于帶寬有限的無(wú)線自組織網(wǎng)絡(luò)，這會(huì)極大地浪費(fèi)資源［9］。

圖1 隱含終端示意圖

2 TDMA/CSMA混合協(xié)議的時(shí)隙分配方案

在TDMA通信系統(tǒng)中，時(shí)隙分配是影響業(yè)務(wù)時(shí)延性能的重要因素，包括時(shí)隙數(shù)量分配、時(shí)隙分配周期等方面。CSMA協(xié)議容易產(chǎn)生數(shù)據(jù)碰撞，合理的退避算法以及退避時(shí)間窗口可以較好地解決問(wèn)題［10］。

根據(jù)當(dāng)前典型多址接入?yún)f(xié)議的優(yōu)勢(shì)與不足以及常用的無(wú)線自組網(wǎng)方式，本文提出一種改進(jìn)的協(xié)議：將TDMA和CSMA相結(jié)合的多址接入方式（TDMA/CSMA混合多址接入?yún)f(xié)議）。

針對(duì)TDMA協(xié)議可能會(huì)產(chǎn)生空時(shí)隙（即節(jié)點(diǎn)不占用給定時(shí)隙）的情況，利用CSMA機(jī)制競(jìng)爭(zhēng)該時(shí)隙，盡量使每一個(gè)時(shí)隙都被利用。所以本文提出的混合協(xié)議的時(shí)隙分配方法是采用固定分配與動(dòng)態(tài)分配相結(jié)合的方式［5］。固定分配采用TDMA多址接入方式，動(dòng)態(tài)分配采用CSMA多址接入方式，優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，以期進(jìn)一步提高網(wǎng)絡(luò)的吞吐量、降低平均時(shí)延。

2.1 固定分配方式

根據(jù)當(dāng)前的部隊(duì)編制及實(shí)際營(yíng)、連級(jí)炮兵部隊(duì)作戰(zhàn)單元的數(shù)目，假設(shè)網(wǎng)內(nèi)最多有16個(gè)節(jié)點(diǎn)（后續(xù)仿真也是以16個(gè)節(jié)點(diǎn)為例），則最多為這個(gè)網(wǎng)絡(luò)分配16個(gè)時(shí)隙。按照節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)的先后順序，依次將16個(gè)時(shí)隙分配給每一個(gè)節(jié)點(diǎn)。此時(shí)，節(jié)點(diǎn)和時(shí)隙有了一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系，將某時(shí)隙被分配給的節(jié)點(diǎn)稱(chēng)為該時(shí)隙的主節(jié)點(diǎn)，相應(yīng)地，將節(jié)點(diǎn)已分配的時(shí)隙稱(chēng)為該節(jié)點(diǎn)的主時(shí)隙。對(duì)于一個(gè)時(shí)隙，有兩個(gè)偵聽(tīng)時(shí)間段：主節(jié)點(diǎn)偵聽(tīng)時(shí)間段、非主節(jié)點(diǎn)偵聽(tīng)時(shí)間段。在固定分配方式下，只關(guān)注主節(jié)點(diǎn)偵聽(tīng)時(shí)間段。如果主節(jié)點(diǎn)有發(fā)送請(qǐng)求，則在其主時(shí)隙到達(dá)時(shí)立即占據(jù)信道，并發(fā)送2包數(shù)據(jù)。時(shí)隙結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 時(shí)隙結(jié)構(gòu)

2.2 動(dòng)態(tài)分配方式

在固定分配的時(shí)隙內(nèi)，信道空閑，即主節(jié)點(diǎn)沒(méi)有發(fā)送請(qǐng)求。此時(shí)，出現(xiàn)了空時(shí)隙，這會(huì)造成資源的浪費(fèi)以及信道利用率的降低。這時(shí)采用動(dòng)態(tài)分配方式：到達(dá)偵聽(tīng)時(shí)刻且有發(fā)送需求的非主節(jié)點(diǎn)在非主節(jié)點(diǎn)偵聽(tīng)時(shí)間段內(nèi)偵聽(tīng)并嘗試競(jìng)爭(zhēng)信道（不是所有的非主節(jié)點(diǎn)都可以去競(jìng)爭(zhēng)信道，其必須滿足兩個(gè)條件：①時(shí)間到達(dá)其偵聽(tīng)窗口；②有發(fā)送需求。以此來(lái)降低沖突概率）。滿足條件的非主節(jié)點(diǎn)根據(jù)自己的優(yōu)先級(jí)啟動(dòng)倒計(jì)時(shí)窗口，倒計(jì)時(shí)窗口減為0時(shí)，節(jié)點(diǎn)可以占據(jù)信道。如果沒(méi)有產(chǎn)生沖突，則競(jìng)爭(zhēng)成功的節(jié)點(diǎn)占據(jù)信道并發(fā)送1包數(shù)據(jù)，本協(xié)議規(guī)定，節(jié)點(diǎn)占據(jù)且只能占據(jù)這1個(gè)空時(shí)隙，這是為了不影響接下來(lái)固定分配的時(shí)隙；如果產(chǎn)生沖突（出現(xiàn)優(yōu)先級(jí)相同的節(jié)點(diǎn)），節(jié)點(diǎn)采用退避算法更新偵聽(tīng)時(shí)刻。

2.3 改進(jìn)的退避算法

CSMA的退避算法有很多種，常見(jiàn)的有二進(jìn)制指數(shù)BEB（Binary Exponential Back-off）退避算法、倍數(shù)遞增線性遞減MILD（Multiplicative Increase Linear Decrease）退避算法［6］。

式（1）描述了BEB算法的Finc和Fdec函數(shù)。如果發(fā)送成功，就對(duì)退避窗口執(zhí)行Fdec操作；如果發(fā)生沖突，就對(duì)退避窗口執(zhí)行Finc操作。即產(chǎn)生沖突時(shí)，退避時(shí)間加倍；如果發(fā)送成功，則退避時(shí)間降到最低。結(jié)果是：發(fā)送成功的節(jié)點(diǎn)在下一次發(fā)送時(shí)具有最高的信道接入優(yōu)勢(shì)。該算法導(dǎo)致最后一次發(fā)送成功的節(jié)點(diǎn)具有最大的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，這會(huì)帶來(lái)信道爭(zhēng)用不公平的現(xiàn)象，使得其他節(jié)點(diǎn)難以接入信道，進(jìn)而造成部分節(jié)點(diǎn)“饑餓”甚至“餓死”的情況。同時(shí)，該算法不存在區(qū)分服務(wù)。

式（2）是MILD算法描述，它是對(duì)BEB算法的改進(jìn)，其退避時(shí)間倍數(shù)遞增線性遞減。α和β是兩個(gè)可以更改的參數(shù)。如果β取值合理，節(jié)點(diǎn)發(fā)送成功后，退避窗口不會(huì)大幅降低，在隨后的信道競(jìng)爭(zhēng)中，各個(gè)節(jié)點(diǎn)占據(jù)信道的概率幾乎相等，實(shí)現(xiàn)了公平接入。產(chǎn)生沖突時(shí)，退避窗口增加α倍，如果α取值合理，退避窗口也不會(huì)急劇擴(kuò)大。MILD算法更加公平。但是該算法也可能出現(xiàn)退避時(shí)間窗口值相差較大的情況。假設(shè)當(dāng)前信道競(jìng)爭(zhēng)比較激烈，如果有新節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)，由于該節(jié)點(diǎn)并不知道信道爭(zhēng)用情況，它的退避窗口值比較小，這就產(chǎn)生了不公平現(xiàn)象。

考慮到軍事作戰(zhàn)的特殊性，網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的節(jié)點(diǎn)重要性并不一樣，應(yīng)該賦予節(jié)點(diǎn)不同的網(wǎng)絡(luò)優(yōu)先級(jí)，越重要的節(jié)點(diǎn)往往有更多的數(shù)據(jù)需要發(fā)送，相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)優(yōu)先級(jí)應(yīng)該更高。而B(niǎo)EB算法和MILD算法都沒(méi)有考慮節(jié)點(diǎn)的優(yōu)先級(jí)。因此，本協(xié)議采用了基于節(jié)點(diǎn)優(yōu)先級(jí)和沖突次數(shù)的退避算法。本算法的核心思想是重點(diǎn)考慮節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)優(yōu)先級(jí)，使優(yōu)先級(jí)高的節(jié)點(diǎn)以更大的概率去占據(jù)空時(shí)隙。偵聽(tīng)時(shí)刻更新的計(jì)算方法為式（3）。改進(jìn)的退避算法只適用于處在偵聽(tīng)時(shí)刻的非主節(jié)點(diǎn)。為了最大限度避免沖突，主要采取了3個(gè)方法。第1，不同的節(jié)點(diǎn)有不同的退避時(shí)隙個(gè)數(shù)（與其優(yōu)先級(jí)和沖突次數(shù)有關(guān)）；第2，不同優(yōu)先級(jí)的節(jié)點(diǎn)在競(jìng)爭(zhēng)信道時(shí)具有不同的倒計(jì)時(shí)窗口；第3，如果出現(xiàn)空時(shí)隙，則該時(shí)隙的主節(jié)點(diǎn)不得再去競(jìng)爭(zhēng)。主節(jié)點(diǎn)最先開(kāi)始偵聽(tīng)并占據(jù)信道發(fā)送數(shù)據(jù)，到達(dá)偵聽(tīng)時(shí)刻的非主節(jié)點(diǎn)偵聽(tīng)到信道為忙，則啟動(dòng)退避算法，更新下一個(gè)偵聽(tīng)時(shí)刻；如果主節(jié)點(diǎn)不發(fā)送數(shù)據(jù)，則信道為空，非主節(jié)點(diǎn)偵聽(tīng)并啟動(dòng)倒計(jì)時(shí)去競(jìng)爭(zhēng)信道：如果競(jìng)爭(zhēng)成功，發(fā)送1包數(shù)據(jù)后執(zhí)行退避算法，更新下一個(gè)偵聽(tīng)時(shí)刻；如果產(chǎn)生沖突，則直接執(zhí)行退避算法，更新下一個(gè)偵聽(tīng)時(shí)刻。因?yàn)楸疚奶岢龅氖腔旌蠀f(xié)議，且TDMA協(xié)議是基礎(chǔ)，所以退避算法最小時(shí)間窗口CWmin（Contention Window）設(shè)置為1個(gè)時(shí)隙寬度（slot）［8］。

t：當(dāng)前時(shí)刻；p：節(jié)點(diǎn)優(yōu)先級(jí)；c：節(jié)點(diǎn)沖突次數(shù)；slot：時(shí)隙長(zhǎng)度；Mnum：最大節(jié)點(diǎn)數(shù)目。如果信道忙或者非主節(jié)點(diǎn)沒(méi)有發(fā)送需求，處于偵聽(tīng)時(shí)刻的節(jié)點(diǎn)執(zhí)行Fdec函數(shù)，更新下一個(gè)偵聽(tīng)時(shí)刻；如果發(fā)送成功，處于偵聽(tīng)時(shí)刻的節(jié)點(diǎn)執(zhí)行Fdec函數(shù)，更新下一個(gè)偵聽(tīng)時(shí)刻，且發(fā)送成功的節(jié)點(diǎn)沖突次數(shù)變?yōu)?；如果產(chǎn)生沖突，處于偵聽(tīng)時(shí)刻的節(jié)點(diǎn)執(zhí)行Finc函數(shù)，更新下一個(gè)偵聽(tīng)時(shí)刻；如果某處于偵聽(tīng)時(shí)刻的非主節(jié)點(diǎn)在執(zhí)行Finc函數(shù)或者Fdec函數(shù)后，下一個(gè)偵聽(tīng)時(shí)刻處于該節(jié)點(diǎn)的主時(shí)隙，則再執(zhí)行Fcor函數(shù)進(jìn)行修正，即增加1個(gè)時(shí)隙，跳過(guò)其主時(shí)隙。將節(jié)點(diǎn)的優(yōu)先級(jí)分為1、2、3、4，優(yōu)先級(jí)依次降低。倒計(jì)時(shí)窗口依次為DIFS；2*DIFS；3*DIFS；4*DIFS。倒計(jì)時(shí)窗口越小，越容易競(jìng)爭(zhēng)成功。在BEB算法中，如果某節(jié)點(diǎn)競(jìng)爭(zhēng)信道成功，則其退避時(shí)間窗口直接降為最小值，而改進(jìn)的退避算法在節(jié)點(diǎn)競(jìng)爭(zhēng)信道成功后，退避時(shí)間窗口的降低更加平緩。

2.4 TDMA/CSMA混合協(xié)議的流程圖

TDMA/CSMA混合協(xié)議流程如下頁(yè)圖3所示。

本文提出的TDMA/CSMA混合協(xié)議將傳統(tǒng)的TDMA協(xié)議和CSMA協(xié)議進(jìn)行了結(jié)合。通過(guò)TDMA協(xié)議，為所有入網(wǎng)節(jié)點(diǎn)都分配了資源，最大限度地避免了沖突；通過(guò)CSMA協(xié)議，有效地減少了空時(shí)隙的浪費(fèi)。

圖3 TDMA/CSMA混合協(xié)議流程圖

3 對(duì)協(xié)議的MATLAB仿真

在通信系統(tǒng)仿真中，有多種軟件，比如MATLAB/Simulink、OPNET、NS2等。它們有不同的特點(diǎn)，適用于不同層次的通信仿真。物理層仿真通常采用MATLAB/Simulink，而網(wǎng)絡(luò)層仿真通常采用OPNET、NS2。由于本文的研究?jī)?nèi)容為多址接入?yún)f(xié)議，屬于物理層，故而選擇MATLAB軟件。

在MATLAB R2010b環(huán)境下對(duì)本文提出的TDMA/CSMA混合協(xié)議進(jìn)行仿真驗(yàn)證。數(shù)據(jù)包通信系統(tǒng)如圖4所示，仿真流程如圖5所示［3］。

圖4 數(shù)據(jù)包通信系統(tǒng)

仿真中使用的主要參數(shù)如表1所示。

圖5 MATLAB仿真流程圖

表1 仿真主要參數(shù)

基本設(shè)置：

（1）包產(chǎn)生：每個(gè)終端都假設(shè)相互獨(dú)立地隨機(jī)產(chǎn)生數(shù)據(jù)包，并且數(shù)據(jù)包產(chǎn)生過(guò)程服從Possin分布［11］，即滿足如下特點(diǎn)：①獨(dú)立性：在互不交疊的時(shí)間間隔內(nèi)產(chǎn)生數(shù)據(jù)包的個(gè)數(shù)是相互獨(dú)立的。②平穩(wěn)性：在一段時(shí)間間隔內(nèi)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)包個(gè)數(shù)僅僅與該段時(shí)間間隔有關(guān)，而與起止時(shí)間無(wú)關(guān)。③稀疏性：在非常小的時(shí)間間隔內(nèi)，產(chǎn)生兩個(gè)及兩個(gè)以上數(shù)據(jù)包的概率非常小，可以忽略。

（2）業(yè)務(wù)量：新產(chǎn)生的數(shù)據(jù)包個(gè)數(shù)和重傳數(shù)據(jù)包個(gè)數(shù)之和，與數(shù)據(jù)包產(chǎn)生時(shí)間間隔有關(guān)，間隔越小，單位時(shí)間產(chǎn)生的數(shù)據(jù)包越多；間隔越大，單位時(shí)間產(chǎn)生的數(shù)據(jù)包越少。

（3）碰撞：對(duì)于無(wú)線通信系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，接收到的數(shù)據(jù)包的功率依賴(lài)于終端的位置和信道條件。因此，即使幾個(gè)數(shù)據(jù)包發(fā)生碰撞，具有最大接收功率的數(shù)據(jù)包也可能被正確接收。一般把這種情況稱(chēng)為捕獲效應(yīng)。本協(xié)議假設(shè)所有發(fā)生碰撞的數(shù)據(jù)包都為發(fā)送失?。?］。

（4）通信信道：接收到的信號(hào)功率隨著接入點(diǎn)與終端之間距離的增加而下降，造成路徑損耗；信號(hào)在無(wú)線信道傳播過(guò)程中遇到建筑物與其他障礙物的遮擋會(huì)使其發(fā)生隨機(jī)變化，進(jìn)而導(dǎo)致功率的隨機(jī)變化，這就產(chǎn)生了陰影衰落。本協(xié)議暫時(shí)假設(shè)信道為理想信道，接入點(diǎn)接收到的各個(gè)終端的信號(hào)功率是相同的。在后續(xù)的工作中會(huì)進(jìn)一步完善信道模型。

對(duì)TDMA協(xié)議、CSMA協(xié)議以及TDMA/CSMA混合協(xié)議進(jìn)行建模仿真，并對(duì)比3種協(xié)議的吞吐量和平均時(shí)延。仿真結(jié)果如圖6和圖7所示。

圖6 3種協(xié)議吞吐量對(duì)比

圖7 3種協(xié)議平均時(shí)延對(duì)比

從圖6的仿真結(jié)果可以看出，隨著節(jié)點(diǎn)業(yè)務(wù)量的增加，3種協(xié)議的吞吐量在達(dá)到飽和后均呈下降趨勢(shì)，但是在業(yè)務(wù)量相同時(shí)，TDMA/CSMA混合協(xié)議的吞吐量更高。

從圖6的仿真結(jié)果可以看出，隨著節(jié)點(diǎn)業(yè)務(wù)量的增加，3種協(xié)議的平均時(shí)延均呈上升趨勢(shì)，但是在相同業(yè)務(wù)量的前提下，TDMA/CSMA混合協(xié)議的平均時(shí)延更小。

綜上所述，TDMA/CSMA混合協(xié)議在業(yè)務(wù)量相同時(shí)，吞吐量更高、平均時(shí)延更小，比其他兩個(gè)協(xié)議的性能要好。

4 結(jié)論

混合協(xié)議可以簡(jiǎn)單地描述為兩種或者多種協(xié)議的組合。但是在本文中，將其局限地定義為只包含競(jìng)爭(zhēng)協(xié)議要素和分配協(xié)議要素的組合?；旌隙嘀方尤?yún)f(xié)議能夠保持兩類(lèi)協(xié)議的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)又可以有效避免各個(gè)協(xié)議的缺陷。因此，一個(gè)混合協(xié)議的性能在傳輸載荷輕的時(shí)候近似表現(xiàn)為競(jìng)爭(zhēng)協(xié)議的性能，而在傳輸載荷重的時(shí)候近似表現(xiàn)為分配協(xié)議的性能。

本文通過(guò)對(duì)當(dāng)前常見(jiàn)的無(wú)線自組網(wǎng)TDMA協(xié)議和CSMA協(xié)議進(jìn)行仿真分析，提出了改進(jìn)的TDMA/CSMA混合協(xié)議，將前兩種協(xié)議結(jié)合起來(lái)，并設(shè)計(jì)了一種退避算法，降低動(dòng)態(tài)分配時(shí)節(jié)點(diǎn)碰撞的概率。仿真結(jié)果表明，改進(jìn)的協(xié)議可以提高網(wǎng)絡(luò)的吞吐量并降低平均時(shí)延。

在接下來(lái)的工作中，首先要進(jìn)一步完善協(xié)議的數(shù)學(xué)模型（信道噪聲、信號(hào)的衰落、捕獲效應(yīng)等），使仿真結(jié)果更加接近真實(shí)情況；而后參考TDMA標(biāo)準(zhǔn)與IEEE 802.11無(wú)線局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)幀結(jié)構(gòu)在功能和傳輸性能上的規(guī)定，根據(jù)改進(jìn)的TDMA/CSMA混合協(xié)議內(nèi)容，在原有協(xié)議規(guī)定的幀結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上進(jìn)行修改，設(shè)計(jì)出一種更加適合改進(jìn)的多址接入?yún)f(xié)議的幀結(jié)構(gòu)。

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Research and Simulate on TDMA and CSMA mixed multiple access protocol Based on MATLAB

WANG Kai-rui1，JING Min2，KANG Le-feng1，ZHANG Hong-wei1，ZHANG Li-rong1
（1.North Automatic Control Technology Institute，Taiyuan 030006，China；
2.Beijing Armed Vehide Proving Ground，Beijing 100072，China）

TDMA and CSMA are two kinds of common multiple accesses protocols of Ad Hoc network，they have both advantages and disadvantages.TDMA can avoid collision among different nodes，but average delay becomes longer when network scale expands，at the same time，if some nodes don’t have transmission requirement in its slots，there will be free slots.CSMA uses competition pattern，but collision probability of nodes increases when network scale expands.According to two kinds of protocols，this paper presents a kind of mixed multiple accesses protocol which combines TDMA with CSMA.Using fixed distribution and dynamic distribution to improve network efficiency and decrease average delay.Using MATLAB software to simulate and prove its property.

MAC level，multiple access，TDMA，CSMA

TP393

A

1002-0640（2017）02-0163-05

2016-01-05

2016-02-07

王凱銳（1990-），男，陜西寶雞人，碩士。研究方向：無(wú)線自組網(wǎng)技術(shù)。