一種基于令牌的短波網(wǎng)動態(tài)時隙調(diào)整方案

劉杰 王欽為 鐘書豪

摘要：TDMA組網(wǎng)方式是目前一種常見的組網(wǎng)方式，適應(yīng)性好，抗干擾能力強(qiáng)，廣泛應(yīng)用于各類型網(wǎng)絡(luò)。采用TDMA協(xié)議進(jìn)行組網(wǎng)時，最初都是靜態(tài)時隙配置，網(wǎng)絡(luò)化初始化階段各節(jié)點(diǎn)占用時隙均已規(guī)定好，系統(tǒng)簡單可靠;但各節(jié)點(diǎn)發(fā)送業(yè)務(wù)需求處于動態(tài)變化，高效的動態(tài)時隙分配方法一直是該領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。本文針對采用靜態(tài)時隙分配的短波網(wǎng)提出了一個基于令牌的改進(jìn)型動態(tài)時隙調(diào)整方案，提高其時隙利用效率。

關(guān)鍵詞：TDMA;動態(tài)時隙;令牌

引言

短波具備較大的傳輸距離，大多數(shù)短波系統(tǒng)的無線信號具備全向性，因此短波信號是一種典型的全向性廣播信號，在短波組網(wǎng)的較大區(qū)域內(nèi)，為避免干擾，同一時間只能有一個節(jié)點(diǎn)進(jìn)行信號發(fā)送，因此短波網(wǎng)非常適合采用TDMA協(xié)議組網(wǎng)。

一、時隙分配發(fā)展概況

1.靜態(tài)時隙分配

靜態(tài)時隙分配是最常見的TDMA時隙分配方式。TDMA系統(tǒng)中，將時間劃分成以幀為基礎(chǔ)的打包單位，每次數(shù)據(jù)傳輸以幀為單位進(jìn)行，而每一幀又劃分為許多個時隙組成，且每個時隙長度固定。以8個節(jié)點(diǎn)短波組網(wǎng)為例，預(yù)設(shè)每一幀有17個時隙，采用平均分配，第1個時隙為網(wǎng)絡(luò)控制信息，第2至17時隙為數(shù)據(jù)時隙，平均分配于節(jié)點(diǎn)1至節(jié)點(diǎn)7，每個節(jié)點(diǎn)占有兩個時隙。第1個時隙為中心節(jié)點(diǎn)占用，廣播網(wǎng)絡(luò)控制信息，后續(xù)時隙歸占用的節(jié)點(diǎn)發(fā)送自己的數(shù)據(jù)。

除平均分配外，靜態(tài)時隙分配還可以根據(jù)節(jié)點(diǎn)級別對16個數(shù)據(jù)時隙進(jìn)行分類，比如節(jié)點(diǎn)1為重要節(jié)點(diǎn)，可以分配5個時隙，節(jié)點(diǎn)2、節(jié)點(diǎn)3為次重要節(jié)點(diǎn)，每個點(diǎn)分配3個時隙，其節(jié)點(diǎn)各分配1個時隙。

靜態(tài)分布也由很多分配方式，但有一點(diǎn)不變的就是網(wǎng)絡(luò)初始化時，所有時隙都已經(jīng)分配明確，組網(wǎng)完成后基本不進(jìn)行變動，因此稱為靜態(tài)時隙分配。

2.動態(tài)時隙分配

靜態(tài)時隙分配需在初始節(jié)點(diǎn)掌握所有節(jié)點(diǎn)信息，預(yù)判各節(jié)點(diǎn)業(yè)務(wù)數(shù)量進(jìn)行時隙分配，分配后調(diào)整困難，靈活性差，因此高效的動態(tài)時隙調(diào)整技術(shù)成為必然的發(fā)展趨勢。下面介紹幾種常見的動態(tài)時隙分配方式。

基于拓?fù)涞膭討B(tài)時隙分配。該動態(tài)分布常用近距離復(fù)雜拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，各網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的時隙分配數(shù)量與自己連接的節(jié)點(diǎn)數(shù)量成正比，在網(wǎng)絡(luò)控制信息中攜帶各節(jié)點(diǎn)時隙分配情況，每一幀的時隙分配都可以根據(jù)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)動態(tài)變化。這種分配方式保證了每一條拓?fù)滏溌返臅r隙分配基本均衡，但是需要在時隙分配時掌握全部拓?fù)湫畔ⅰ?/p>

基于預(yù)申請模式的動態(tài)時隙分配。各節(jié)點(diǎn)在下一個時隙周期分配前，需進(jìn)行時隙申請，可申請多個時隙，也可根據(jù)申請節(jié)點(diǎn)平均分配，不同的細(xì)分方案中申請機(jī)制各不相同，但總而言之就是收集所有節(jié)點(diǎn)時隙申請，設(shè)計(jì)一個分配算法，分配本周期內(nèi)時隙，然后等待下一個申請、分配周期。

分布式網(wǎng)絡(luò)中的局部協(xié)調(diào)動態(tài)時隙分配。分布式網(wǎng)絡(luò)規(guī)模較大時，且拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)動態(tài)變化頻繁時，很難掌握全網(wǎng)實(shí)時拓?fù)洌矝]有一個統(tǒng)一的時隙調(diào)度中心進(jìn)行時隙分配，這個時候就需要一個分布式時隙動態(tài)調(diào)整機(jī)制，常見的就是分布式局部時隙動態(tài)調(diào)。該方式中，各相鄰節(jié)點(diǎn)間進(jìn)行控制信息交互，根據(jù)各節(jié)點(diǎn)業(yè)務(wù)需求，進(jìn)行時隙調(diào)配。

上述動態(tài)時隙調(diào)整方案共同點(diǎn)都是基于一定的網(wǎng)絡(luò)變量，設(shè)計(jì)一個動態(tài)分配算法，指定下一個數(shù)據(jù)周期內(nèi)的時隙分配。

二、一種基于令牌的短波網(wǎng)動態(tài)時隙調(diào)整方案

本文基于現(xiàn)有短波TDMA靜態(tài)平均時隙網(wǎng)絡(luò)，設(shè)計(jì)了一種通過令牌方式調(diào)整時隙分配的短波組網(wǎng)方式，提高現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)時隙利用效率。

1.現(xiàn)有短波TDMA靜態(tài)平均時隙分配網(wǎng)絡(luò)的不足

以上文8節(jié)點(diǎn)短波組網(wǎng)為例，總共17個時隙，各節(jié)點(diǎn)分配的時隙為2個，短波因其數(shù)據(jù)傳輸速率低，實(shí)際運(yùn)用中各節(jié)點(diǎn)同時收發(fā)大量數(shù)據(jù)的情況非常少見，大多數(shù)情況下是多節(jié)點(diǎn)、少量業(yè)務(wù)居多，偶爾突發(fā)一個節(jié)點(diǎn)有大業(yè)務(wù)量需求，在這種應(yīng)用場景下，有大量業(yè)務(wù)發(fā)送需求的節(jié)點(diǎn)只能占用2個時隙，極端情況下其它節(jié)點(diǎn)均無業(yè)務(wù)時，其它時隙均處于空閑狀態(tài)，此時全網(wǎng)時隙利用率只有12.5%。

2.改進(jìn)型方案設(shè)計(jì)

根據(jù)此場景本文提出一種改進(jìn)方案，同樣是預(yù)設(shè)8個節(jié)點(diǎn)組網(wǎng)，17個時隙。

a） 第1個時隙不變，依然用來進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)控制信息傳輸;

b） 第2個至第9個時隙平均分配到8個節(jié)點(diǎn)，第10至17個時隙為預(yù)留時隙;

c） 網(wǎng)絡(luò)初始化階段生成一個令牌，初始階段令牌標(biāo)記為“空閑”，當(dāng)令牌為“空閑”時，將預(yù)留的第10至17個時隙平均分配至節(jié)點(diǎn)1至節(jié)點(diǎn)8，此時各節(jié)點(diǎn)占用兩個時隙;

d） 假設(shè)節(jié)點(diǎn)1有大量業(yè)務(wù)需要發(fā)送，節(jié)點(diǎn)1通過網(wǎng)絡(luò)控制信息進(jìn)行令牌申請;

e） 令牌發(fā)送至節(jié)點(diǎn)1，節(jié)點(diǎn)1將令牌狀態(tài)標(biāo)記為“使用”;

f） 網(wǎng)絡(luò)識別令牌為“使用”時，將預(yù)留的第10至17個時隙分配給節(jié)點(diǎn)1;

g） 節(jié)點(diǎn)1占用時隙2和時隙10-17進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送，數(shù)據(jù)發(fā)送完畢后，標(biāo)記令牌為空閑，等待令牌申請，將令牌發(fā)送至申請節(jié)點(diǎn);

h） 網(wǎng)絡(luò)識別令牌為“空閑”，將預(yù)留的第10至17個時隙平均分配至節(jié)點(diǎn)1至8，此時各節(jié)點(diǎn)均占用兩個時隙。

三、令牌申請機(jī)制

上述提出的解決方案中，并未明確申請令牌環(huán)的出發(fā)機(jī)制，下面提供幾種設(shè)計(jì)思路：

a） 設(shè)置業(yè)務(wù)量判斷標(biāo)準(zhǔn)，例如50K以上業(yè)務(wù)通過業(yè)務(wù)系統(tǒng)反饋至電臺，進(jìn)行令牌申請;

b） 業(yè)務(wù)優(yōu)先級設(shè)置，進(jìn)行高優(yōu)先級業(yè)務(wù)發(fā)送時申請令牌，低優(yōu)先級不申請;

c） 人工選擇，在業(yè)務(wù)終端上可進(jìn)行手動選擇，本業(yè)務(wù)是否需要高帶寬支持;

d） 根據(jù)電臺緩存情況進(jìn)行判斷，發(fā)送緩存區(qū)待發(fā)數(shù)據(jù)較多時，進(jìn)行令牌申請，優(yōu)點(diǎn)是無需業(yè)務(wù)系統(tǒng)進(jìn)行信息反饋，電臺自己就可以完成判斷。

四、技術(shù)發(fā)展分析

該方案在對現(xiàn)有的TDMA靜態(tài)時隙組網(wǎng)協(xié)議變動非常小，加入的也是非常成熟而且還可以大幅度簡化的令牌協(xié)議（不用引入完整的令牌環(huán)協(xié)議），技術(shù)可行性高，實(shí)現(xiàn)難度低，可為作為一種簡單有效的動態(tài)時隙分配方法供大家參考。

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