崔可嘉,孫 昕

(北京交通大學電子信息工程學院,北京100044)

基于TDMA的無沖突動態(tài)時隙分配算法

崔可嘉,孫 昕

(北京交通大學電子信息工程學院,北京100044)

針對分簇Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)中固定時隙分配算法信道資源浪費和競爭時隙分配算法傳輸延遲不固定的問題,提出一種基于時分多址接入的無沖突動態(tài)時隙分配算法。該算法根據(jù)網(wǎng)絡(luò)負載動態(tài)調(diào)整幀長,即當網(wǎng)絡(luò)負載增大時,增加幀長,提高信道利用率;當網(wǎng)絡(luò)負載減小時,減少幀長,降低信道申請時延。仿真結(jié)果表明,與NEBS算法和時隙ALOHA算法相比,該算法可根據(jù)網(wǎng)絡(luò)負載動態(tài)調(diào)整資源分配,從而提高系統(tǒng)的吞吐量。

時分多址;時隙分配算法;時隙回收算法;無沖突;Ad Hoc網(wǎng)絡(luò);吞吐量

1 概述

在Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)中,時隙分配算法控制信道資源的分配,直接影響系統(tǒng)的性能。時隙分配算法分為2類:基于競爭的分配算法和基于調(diào)度的分配算法[1]。

基于競爭的分配算法允許節(jié)點通過隨機接入的方式爭用時隙,典型的基于競爭的分配算法包括時隙ALOHA和CSMA/CA等[2-4]。盡管這類分配算法得到了廣泛的應(yīng)用,但由于其基于競爭的本質(zhì),當負載上升后,數(shù)據(jù)的傳輸時延難以得到保證,因此難以滿足實時業(yè)務(wù)(如視頻、語音等)的要求。

最典型的基于調(diào)度的分配算法是TDMA時隙分配算法。網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點被分配一定數(shù)量的時隙,進行無沖突的數(shù)據(jù)傳輸,可以滿足服務(wù)質(zhì)量(QoS)的需求[5]。時隙分配算法控制資源的分配,直接影響系統(tǒng)吞吐量,是這類算法研究的重點[6-7]。

在文獻[8]提出的NAMA算法中,各個節(jié)點擁有一個隨機數(shù)種子,并以此計算哈希值(Hash),決定當前時隙的使用者。各個節(jié)點通過交換隨機數(shù)種子,即可計算網(wǎng)絡(luò)內(nèi)所有節(jié)點在當前時隙的哈希值,實現(xiàn)無沖突地傳輸數(shù)據(jù)。但是NAMA算法僅能實現(xiàn)信道資源的均勻分配,未考慮到各個節(jié)點負載不平衡的情況,造成了信道資源的浪費。同時,在新節(jié)點加入網(wǎng)絡(luò)時,由于其他節(jié)點尚未獲得其隨機數(shù)種子,可能引起持續(xù)的數(shù)據(jù)碰撞,導(dǎo)致新節(jié)點無法廣播自身的隨機數(shù)種子。

文獻[9]提出的NEBS算法對NAMA算法進行了改進。NEBS算法中有3種時隙:基于競爭的NE時隙,用于各節(jié)點傳輸自身的NAMA隨機數(shù)種子;基于無競爭的NA時隙,使用NAMA算法進行接入,用于各個節(jié)點申請數(shù)據(jù)傳輸D時隙;基于無競爭的D時隙,進行數(shù)據(jù)傳輸。各個節(jié)點在NE時隙使用隨機接入?yún)f(xié)議,廣播自身的NAMA隨機數(shù)種子,解決了NAMA算法中有可能產(chǎn)生的持續(xù)碰撞。由于NEBS僅使用NAMA算法進行數(shù)據(jù)傳輸時隙的預(yù)約,因此可以很好地適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)負載的變化。但是由于NA時隙以及NE時隙不能用于數(shù)據(jù)傳輸,它們將固定占用部分時隙,造成時隙資源的浪費。

在文獻[10]提出的USAP算法中,每復(fù)幀中的幀數(shù)N和每幀中的時隙數(shù)M均為固定值,需要根據(jù)網(wǎng)絡(luò)規(guī)模提前規(guī)劃。每幀的第一個時隙為唯一的節(jié)點保留,用于發(fā)送控制信息預(yù)約時隙,因此幀數(shù)N需大于網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點數(shù)。每幀中的時隙數(shù)M直接影響系統(tǒng)性能。若M取值過小,則大量時隙用于發(fā)送控制信息,造成了信道資源的浪費;若M取值過大,則導(dǎo)致預(yù)約時隙的延時過大。每幀中的時隙數(shù)M需要預(yù)先配置,很難取得最優(yōu)值。這種算法的分配方式單一、不夠靈活,難以應(yīng)用于節(jié)點數(shù)較多、負載變化較大的網(wǎng)絡(luò)。

針對固定幀長度的時隙分配算法,文獻[11]將信道資源劃分為等間隔的時隙塊,然后使用二叉樹塊內(nèi)均分法進行信道資源的均勻分配。但是,這種算法邏輯較為復(fù)雜,而且在多次劃分后會產(chǎn)生不等間隔的小時隙塊,這些時隙塊不能單獨分配給用戶,造成了時隙資源的浪費。

文獻[12-13]提出的算法針對USAP算法不靈活的缺陷進行了改進。它們以二進制指數(shù)增加幀長,調(diào)節(jié)信道資源的分配。但是這些算法并沒有幀長減少機制。新入網(wǎng)節(jié)點只能在每幀的第一時隙接入網(wǎng)絡(luò),不斷增長的幀將導(dǎo)致新節(jié)點接入網(wǎng)絡(luò)的時延增大。同時,過長的幀中存在未分配時隙,降低了信道利用率。

針對網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的特點和上述算法的不足,本文提出了一種基于TDMA的無沖突動態(tài)時隙分配算法。算法根據(jù)網(wǎng)絡(luò)負載動態(tài)調(diào)整幀長,調(diào)節(jié)固定分配時隙和動態(tài)分配時隙所占的比例,以解決固定幀長算法不夠靈活的問題。

2 算法描述

2.1 復(fù)幀結(jié)構(gòu)

對網(wǎng)絡(luò)環(huán)境進行了如下假設(shè):

(1)數(shù)據(jù)碰撞是導(dǎo)致傳輸失敗的唯一原因;

(2)每個節(jié)點擁有各自唯一的ID,且ID號從1開始連續(xù)遞增;

(3)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部節(jié)點總數(shù)固定,節(jié)點可能頻繁出入網(wǎng),且負載不平衡;

(4)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)有中心,且中心節(jié)點與其他各節(jié)點均在一跳范圍內(nèi)。中心節(jié)點的ID號為1。

在本文算法中,一個復(fù)幀包含n個固定幀,n應(yīng)不小于分簇Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點數(shù)量。一個幀包含k(1≤k≤MAX_SLOT)個不固定時隙,k隨網(wǎng)絡(luò)負載動態(tài)調(diào)整。MAX_SLOT為每幀最大的時隙數(shù),隨著MAX_SLOT的增加,可以對信道資源進行更細致的劃分;但是在高負載情況下,若每幀時隙數(shù)過大,會導(dǎo)致時隙申請的時延增大。因此,需要根據(jù)實際情況設(shè)置MAX_SLOT的取值。復(fù)幀結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 復(fù)幀結(jié)構(gòu)

本文算法中包含2類信令:控制信令和數(shù)據(jù)信令?？刂菩帕钣?種:一般節(jié)點的時隙申請信令和中心節(jié)點的時隙分配信息信令。每幀包含2個部分:固定分配時隙部分和動態(tài)分配時隙部分。每幀的第1時隙為固定分配時隙,第1幀的第1時隙固定分配給中心節(jié)點,用于發(fā)送時隙分配信息信令,第i幀的第1時隙固定分配給ID號為i的節(jié)點,用于發(fā)送數(shù)據(jù)信令或時隙申請信令;每幀的第2～k時隙由簇內(nèi)中心節(jié)點根據(jù)網(wǎng)絡(luò)負載動態(tài)分配給各個節(jié)點。

文獻[9]中的NEBS算法將時隙分為控制信令時隙和數(shù)據(jù)時隙,控制信令時隙專門用于傳輸控制信令,不可進行數(shù)據(jù)信令的傳輸;同理,在數(shù)據(jù)時隙不能進行控制信令的傳輸。本文算法不再做這種劃分,除第1幀的第1時隙用于時隙分配信息信令的傳輸,其他時隙均可傳輸控制信令或數(shù)據(jù)信令。當無需傳輸控制信令時,控制信令時隙的存在會降低時隙利用率;而當節(jié)點需要申請時隙時,本文算法可使用節(jié)點擁有的任何時隙進行傳輸控制信令,降低了時隙申請的時延。

2.2 時隙分配流程

時隙分配流程包括2個部分:一般節(jié)點申請時隙和中心節(jié)點授予時隙。

當網(wǎng)絡(luò)負載上升時,1個復(fù)幀中的1個時隙不能滿足數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨?數(shù)據(jù)在節(jié)點內(nèi)部的緩存隊列中緩存。當緩存隊列長度L小于等于幀數(shù)n時,節(jié)點發(fā)送隊列中的數(shù)據(jù);當緩存隊列長度L大于幀數(shù)n時,節(jié)點將向中心節(jié)點發(fā)送時隙申請信令,請求中心節(jié)點額外分配時隙。申請的時隙數(shù)s為:

在收到時隙申請信令后,中心節(jié)點判斷是否滿足時隙授予條件,若時隙數(shù)量k未達到最大時隙數(shù)MAX_SLOT,則中心節(jié)點根據(jù)申請時隙數(shù)增加每幀中時隙的個數(shù),將這些時隙分配給該節(jié)點,并更新時隙分配表;若時隙數(shù)量k已經(jīng)達到最大時隙數(shù)MAX_SLOT,則中心節(jié)點進行優(yōu)先級搶占。在1幀1時隙,中心節(jié)點發(fā)送時隙分配信息信令,各個節(jié)點收到后,進行時隙分配信息的同步,確定自身的發(fā)送時隙。圖2給出了一個時隙分配的例子,網(wǎng)絡(luò)中共包含5個節(jié)點,1個復(fù)幀內(nèi)包含5個幀。

圖2 時隙分配舉例

在初始狀態(tài)下,中心節(jié)點在1幀1時隙發(fā)送時隙分配信息信令,其余節(jié)點各擁有20%的信道資源。當3號節(jié)點的負載上升,20%的信道資源不能滿足傳輸需求。假設(shè)在3幀1時隙時,3號節(jié)點的隊列長度達到12,根據(jù)式(1),它將向中心節(jié)點申請2個時隙。在收到時隙申請信令后,中心節(jié)點將時隙2和時隙3分配給3號節(jié)點,并將每幀時隙數(shù)k增加到3,此時幀結(jié)構(gòu)尚未變化。中心節(jié)點在下一復(fù)幀的1幀1時隙廣播新的時隙分配表,各個節(jié)點收到新的時隙分配表后,根據(jù)其內(nèi)容更新本地的時隙信息,此時,幀結(jié)構(gòu)發(fā)生變化,3號節(jié)點可以在每幀的2時隙、3時隙和3幀1時隙發(fā)送數(shù)據(jù),3號節(jié)點擁有73.3%的信道資源。

2.3 時隙回收流程

本文算法可以對未使用的時隙進行回收,減少幀長度,以保證信道資源的高效利用。在時隙分配之后,中心節(jié)點將持續(xù)監(jiān)聽各個已分配時隙的使用情況,并以復(fù)幀(n幀)為單位統(tǒng)計各個節(jié)點未使用的時隙數(shù)count。在一個復(fù)幀結(jié)束后,中心節(jié)點首先根據(jù)監(jiān)聽結(jié)果,計算各個節(jié)點需回收的時隙數(shù)m。需回收的時隙數(shù)m為:

然后,中心節(jié)點刪除時隙分配表中被回收的時隙,并更新每幀時隙數(shù)k,最后,中心節(jié)點在1幀1時隙發(fā)送時隙分配信息信令,其他節(jié)點該信令后,進行時隙分配信息的同步。圖3給出了一個時隙回收的例子。

圖3 時隙回收舉例

網(wǎng)絡(luò)中有5個節(jié)點,每復(fù)幀包含5個幀。在初始狀態(tài)下,每幀包含3個時隙,2時隙和3時隙分配給2號節(jié)點。在第1復(fù)幀中,2號節(jié)點在1幀2時隙、2幀3時隙、3幀3時隙和5幀2時隙發(fā)送數(shù)據(jù),使用時隙數(shù)為4,未使用時隙數(shù)為7。根據(jù)式(2),中心節(jié)點應(yīng)回收2號節(jié)點的一個時隙。在第2復(fù)幀中,中心節(jié)點在1幀1時隙發(fā)送新的時隙分配信息信令,各個節(jié)點收到后更新幀結(jié)構(gòu)。更新后,每幀包含2個時隙,第1時隙為固定分配時隙,第2時隙供2號節(jié)點使用。在時隙回收前,一復(fù)幀共包含15個時隙, 2號節(jié)點擁有73.3%的信道資源;時隙回收后,一復(fù)幀共包含10個時隙,2號節(jié)點擁有60%的信道資源。與文獻[12-13]相比,本文算法對未使用時隙進行動態(tài)回收,使時隙申請得到更快的響應(yīng),提高了信道利用率。

2.4 優(yōu)先級機制

文獻[8-13]中的算法均無優(yōu)先級機制。當網(wǎng)絡(luò)總負載較大時,各個節(jié)點將采用平均分配的方式獲取信道資源。在這種情況下,業(yè)務(wù)的服務(wù)質(zhì)量(QoS)無法得到保障。在本文算法中,時隙申請遵循優(yōu)先級機制,當網(wǎng)絡(luò)負載較大時,僅為低優(yōu)先級節(jié)點保留固定分配部分的信道資源,保證低優(yōu)先級節(jié)點不會因為無法申請到信道而“餓死”;高優(yōu)先級節(jié)點將占用大部分信道資源,保證業(yè)務(wù)的服務(wù)質(zhì)量。

各個節(jié)點的優(yōu)先級在規(guī)劃網(wǎng)絡(luò)時配置,在申請時隙時,各個節(jié)點聲明自身的優(yōu)先級,以便中心節(jié)點進行時隙分配。當每幀的時隙數(shù)量k達到最大可分配時隙數(shù)MAX_SLOT時,中心節(jié)點不能分配新的時隙。這時對于高優(yōu)先級節(jié)點發(fā)起的時隙申請,中心節(jié)點將遍歷整個時隙分配表,尋找最低優(yōu)先級節(jié)點占有的時隙,并將該時隙分配給高優(yōu)先級節(jié)點;對于低優(yōu)先級節(jié)點發(fā)起的時隙申請,中心節(jié)點將不再響應(yīng),低優(yōu)先級節(jié)點可在若干復(fù)幀后再次發(fā)起時隙申請。

3 算法性能分析

歸一化吞吐量(時隙利用率)是衡量時隙分配算法性能的重要指標。對于本文算法,當網(wǎng)絡(luò)內(nèi)負載不平衡或網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點數(shù)較多時,由于固定分配算法的存在,將造成一定信道資源的浪費?？紤]最極端的一種情況:網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部僅有一個節(jié)點有數(shù)據(jù)發(fā)送,分配給其他節(jié)點的固定時隙均無法得到利用。在這種情況下,歸一化吞吐量S應(yīng)為:

其中,k為時隙數(shù)量;n為每復(fù)幀中的幀數(shù),由網(wǎng)絡(luò)中的最大節(jié)點數(shù)決定。表1給出了n為20和100時,數(shù)量k與歸一化吞吐量S的對應(yīng)關(guān)系。

表1 時隙數(shù)量與歸一化吞吐量的對應(yīng)關(guān)系

隨著時隙數(shù)量k的上升,固定分配時隙所占的比例逐漸降低,有效減少了由于負載不平衡造成的資源浪費。網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點數(shù)對歸一化吞吐量S影響不大。

平均時隙申請時延t是衡量動態(tài)時隙分配算法性能的另一項重要指標。時隙申請時延是指,從一般節(jié)點發(fā)送時隙申請信令到中心節(jié)點發(fā)送時隙分配信息信令的時間。平均時隙申請時延t應(yīng)滿足:

其中,k為時隙數(shù)量;n為每復(fù)幀中的幀數(shù),由網(wǎng)絡(luò)中的最大節(jié)點數(shù)決定。平均時隙申請時延t由時隙數(shù)量k和網(wǎng)絡(luò)中最大節(jié)點數(shù)共同影響。綜合式(3)和式(4),可得出以下結(jié)論:

(1)隨時隙數(shù)量上升,吞吐量上升,平均時隙申請時延上升;

(2)隨網(wǎng)絡(luò)規(guī)模上升,吞吐量基本保持不變,平均時隙申請時延上升。

對于USAP等固定時隙分配算法,由于時隙數(shù)量k為固定值,需要預(yù)先定義,很難取得最優(yōu)值。若時隙數(shù)量k過大,雖然可以獲得較高的吞吐量,但是帶來的負面影響是時隙申請時延上升,即吞吐量與時隙申請時延2項性能指標不可兼得。而本文算法可以隨時調(diào)整時隙數(shù)量k的取值,當網(wǎng)絡(luò)負載較小時,減少時隙數(shù)量,降低時隙申請時延;當網(wǎng)絡(luò)負載較大時,增加時隙數(shù)量,提高吞吐量。

4 仿真結(jié)果與分析

利用Matlab軟件對本文算法的歸一化吞吐量性能進行了仿真。在仿真中,最大時隙數(shù)MAX_SLOT為100,每復(fù)幀中的幀數(shù)n與網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點數(shù)量相等,各個節(jié)點數(shù)據(jù)包的到達相互獨立。圖4給出了在10個節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)中,本文算法、NEBS(1∶5∶7)算法[9]、時隙ALOHA算法和理論的G-S曲線。

圖4 G-S曲線的對比

在NEBS算法中,每個幀中NE時隙與NA時隙的比為1∶7,NA時隙與D時隙的比為1∶5。在總負載G低于0.8時,本文算法和NEBS算法均接近理論值;隨著總負載G的進一步上升,NEBS算法上升變慢,歸一化吞吐量S最終穩(wěn)定于0.83附近。這是由于NA時隙與D時隙的比為1∶5,每6個時隙中有一個時隙用來進行信道預(yù)約,因此歸一化吞吐量最高僅能達到5/6。而在本文算法中,隨著總負載G的上升,每幀時隙數(shù)變大,用于發(fā)送控制信令的時隙在所有時隙中的比例降低,當總負載G達到1.5時,歸一化吞吐量S達到0.98以上。時隙ALOHA算法的歸一化吞吐量S在總負載G為1時達到最大值,但仍然不足0.4,隨著總負載G進一步上升,碰撞增多,歸一化吞吐量S開始下降。

圖5給出了在10個節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)中2種不同算法歸一化吞吐量S隨信道負載的變化曲線。在10個節(jié)點中,僅有一個節(jié)點有數(shù)據(jù)發(fā)送,其余節(jié)點皆處于空閑狀態(tài)。通過控制該節(jié)點在不同時刻的包到達率來模擬網(wǎng)絡(luò)負載動態(tài)變化的過程。

圖5 歸一化吞吐量隨信道負載的變化曲線

在0～250時隙范圍內(nèi),該節(jié)點的包到達率為0.9;在250～800時隙范圍內(nèi),該節(jié)點的包到達率為0.5;在800～2 000時隙范圍內(nèi),該節(jié)點的包到達率為0.25,在2 000時隙后,該節(jié)點的包到達率為0。

NAMA算法將信道資源平均分配,每個節(jié)點占用10%的信道帶寬。當包到達率為0.9時,10%的信道帶寬并不能滿足傳輸需求,并且整個網(wǎng)絡(luò)的歸一化吞吐量僅為0.1。本文算法可以根據(jù)網(wǎng)絡(luò)負載調(diào)整幀長,使幀結(jié)構(gòu)適應(yīng)當前負載,高效利用信道資源。

5 結(jié)束語

本文提出了一種基于TDMA的無沖突動態(tài)時隙分配算法。通過動態(tài)調(diào)整幀長來適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)負載的變化,進行時隙的動態(tài)分配和回收。在低負載時,減少幀長,降低信道申請時延;在高負載時,增加幀長,提高信道利用率。仿真結(jié)果表明,本文算法實現(xiàn)了信道資源的高效利用;同時,由于本文算法采用無沖突的數(shù)據(jù)傳輸,當負載達到飽和后,吞吐量并不會下降。本文算法為如何高效合理利用時隙資源提供了參考,改善時延性能是下一步研究的重點。

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編輯 任吉慧

Dynamic Slot Assignment Algorithm of Contention-avoid Based on TDMA

CUI Ke-jia,SUN Xin
(School of Electronic and Information Engineering,Beijing Jiaotong University,Beijing 100044,China)

Concerning the problem of resource waste in fixed assignment algorithm and uncertain transmission delay in contention assignment algorithm,a dynamic slot assignment algorithm of contention-avoid based on Time Division Multiple Address(TDMA)for clustered Ad Hoc network is proposed.The length of frame can be adapted to the net traffic.When the net traffic increases,the frame length increases to improve channel utilization;when the net traffic reduces,the frame length reduces to reduce the delay of accessing.It is proved by simulation results that the algorithm can increase throughput of the system,compared with NEBS and slot-ALOHA.

Time Division Multiple Address(TDMA);slot assignment algorithm;slot reuse algorithm;contentionavoid;Ad Hoc network;throughput

1000-3428(2014)10-0122-05

A

TP393

10.3969/j.issn.1000-3428.2014.10.024

北京交通大學校基金資助項目(2012JBZ015)。

崔可嘉(1988-),男,碩士研究生,主研方向:Ad Hoc網(wǎng)絡(luò),無線接入技術(shù);孫 昕,教授。

2013-10-08

2013-11-26E-mail:ckjhljcy@126.com

中文引用格式:崔可嘉,孫 昕.基于TDMA的無沖突動態(tài)時隙分配算法[J].計算機工程,2014,40(10):122-126.

英文引用格式:Cui Kejia,Sun Xin.Dynamic Slot Assignment Algorithm of Contention-avoid Based on TDMA[J]. Computer Engineering,2014,40(10):122-126.