王寶璽，文運(yùn)豐，馬鵬飛，扈 鵬

（中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081）

一種定向網(wǎng)絡(luò)動態(tài)時分信道接入機(jī)制

王寶璽，文運(yùn)豐，馬鵬飛，扈 鵬

（中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081）

無人機(jī)編隊(duì)飛行時，可由控制站作為中心，通過定向天線與無人機(jī)交換遙控遙測信息。提出一種適用于有中心定向網(wǎng)絡(luò)的動態(tài)時分信道接入機(jī)制，在沒有同步裝置時，結(jié)合異步、同步2種鄰居發(fā)現(xiàn)算法進(jìn)行鄰居發(fā)現(xiàn)。動態(tài)分配信道，對不同優(yōu)先級業(yè)務(wù)提供服務(wù)質(zhì)量（QoS）保障，提高時隙利用率；能夠?qū)崿F(xiàn)空間復(fù)用，解決定向天線存在的隊(duì)列頭阻塞問題，提高空間復(fù)用效率，很大程度上改善網(wǎng)絡(luò)性能。在EXata網(wǎng)絡(luò)仿真平臺上進(jìn)行了仿真驗(yàn)證，仿真結(jié)果表明，該算法能夠有效提高網(wǎng)絡(luò)吞吐量，降低時延。

定向網(wǎng)絡(luò)；動態(tài)時隙分配；鄰居發(fā)現(xiàn)；空間復(fù)用；隊(duì)列頭阻塞；網(wǎng)絡(luò)仿真

0 引言

近年來，對于定向天線在無線網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用的研究越來越受到重視［1－3］，相對于全向天線，定向天線將傳輸能量集中在有限波束寬度的方向上，因此具有很多優(yōu)勢，具體表現(xiàn)為可以擴(kuò)大通信范圍，減少網(wǎng)絡(luò)通信的跳數(shù)，降低延遲；降低發(fā)射功率；由于具有方向性，能夠提高抗干擾、低截獲的能力；提供空間復(fù)用能力。同時定向天線也帶來一些問題，如新的隱藏終端、暴露終端、聾節(jié)點(diǎn)、鄰居發(fā)現(xiàn)以及隊(duì)列頭阻塞的問題［4，5］。對于定向無線網(wǎng)絡(luò)信道接入控制機(jī)制性能，學(xué)術(shù)界進(jìn)行了廣泛研究。重點(diǎn)主要集中在解決聾節(jié)點(diǎn)、鄰居發(fā)現(xiàn)和空間復(fù)用等方面［2，6－9］。文獻(xiàn)［6］提出了一種D-MAC定向信道接入?yún)f(xié)議，該機(jī)制基于IEEE 802.11 MAC協(xié)議。D-MAC協(xié)議使用全向—定向混合天線模式，假設(shè)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)鄰居節(jié)點(diǎn)的地址信息可知，而且全向天線與定向天線具有相同的天線增益。文獻(xiàn)［9］提出一種基于忙音的定向接入機(jī)制，使用波束切換天線，利用RTS/CTS以及2個帶外窄帶忙音來避免沖突，并且增大空間復(fù)用率，從而提高網(wǎng)絡(luò)容量。文獻(xiàn)［10］提出一種純定向的接入機(jī)制DTRA，節(jié)點(diǎn)通過3次握手完成鄰居發(fā)現(xiàn)，并在預(yù)約時隙到來時發(fā)送數(shù)據(jù)。根據(jù)網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)是否已經(jīng)同步，可以將鄰居發(fā)現(xiàn)算法分成2類：同步發(fā)現(xiàn)算法［11－13］和異步發(fā)現(xiàn)算法［14－17］。本文提出一種適用于有中心的定向網(wǎng)絡(luò)信道接入機(jī)制（D-DTDMA），中心采用異步鄰居發(fā)現(xiàn)，并為網(wǎng)絡(luò)中業(yè)務(wù)進(jìn)行動態(tài)時隙分配，提供區(qū)分優(yōu)先級業(yè)務(wù)的QoS保證以及空間復(fù)用能力，解決定向網(wǎng)絡(luò)隊(duì)列頭阻塞問題。

1 定向動態(tài)時分多址接入機(jī)制

1.1 D-DTDMA算法描述

本文使用理想的波束切換天線模型，將天線分為6個扇區(qū)，每個波束寬度均為60°，每次只有一個扇區(qū)可以進(jìn)行通信，其余扇區(qū)方向天線增益與主瓣增益相比為可忽略的值。天線可以定向發(fā)送或接收，但是不能同時進(jìn)行發(fā)送和接收。天線模型如圖1所示。

圖1 理想波束切換天線模型

該協(xié)議將時間分為若干不定長時幀，時幀分為中心鄰居發(fā)現(xiàn)、普通鄰居發(fā)現(xiàn)、業(yè)務(wù)請求、時隙分配和數(shù)據(jù)傳輸5個階段。每個階段分為很多子時隙，其中各階段子時隙數(shù)可以根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行動態(tài)配置。

為了提高網(wǎng)絡(luò)性能并保證網(wǎng)絡(luò)健壯，鄰居發(fā)現(xiàn)階段每隔一段時間進(jìn)行一次。網(wǎng)絡(luò)協(xié)議結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 定向網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意

1.1.1 中心鄰居發(fā)現(xiàn)階段

中心鄰居發(fā)現(xiàn)開始后，中心節(jié)點(diǎn)天線在每個扇區(qū)方向上停留（M＋1）個子時隙，M為扇區(qū)個數(shù)，每個子時隙長度為：

式中：tHoneIn為HoneIn幀的傳輸時間；ttrans為消息的傳播時間；tguard為保護(hù)間隔。其他節(jié)點(diǎn)天線在每個扇區(qū)方向停留1個子時隙，等待接收HoneIn幀。

中心節(jié)點(diǎn)在每個子時隙開始時發(fā)送HoneIn幀，包括發(fā)送扇區(qū)號和剩余HoneIn幀個數(shù)x。收到HoneIn幀的節(jié)點(diǎn)停止搜索，并設(shè)定定時器長度為x?t。HoneIn進(jìn)程示意圖如圖3所示。

圖3 HoneIn進(jìn)程示意

節(jié)點(diǎn)A在S2方向收到中心節(jié)點(diǎn)扇區(qū)1發(fā)的HoneIn幀，停止搜索，并開啟定時器T1；節(jié)點(diǎn)B也在某時刻收到HoneIn幀，停止搜索并開啟定時器T2。

該進(jìn)程結(jié)束后，進(jìn)入Hello-Reply階段，如圖4所示。當(dāng)鄰居節(jié)點(diǎn)收到第1個Hello幀，任意選擇一個時隙應(yīng)答Reply幀，包括自身節(jié)點(diǎn)號和通信扇區(qū)號。節(jié)點(diǎn)B、D同時選擇時隙1進(jìn)行應(yīng)答，則碰撞（用陰影表示）；而節(jié)點(diǎn)A、C分別選擇時隙0和時隙s應(yīng)答。第1輪Hello-Reply結(jié)束后，中心節(jié)點(diǎn)發(fā)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)A、C。在第2輪中，中心節(jié)點(diǎn)Hello幀中包括已發(fā)現(xiàn)的A、C節(jié)點(diǎn)號，這使得B、D在第2輪入網(wǎng)的概率增大。

圖4 Hello-Reply過程示意

之后在剩余M－1個扇區(qū)方向都重復(fù)上述過程。因此完成Hello-Reply過程的時間為：

式中，tHello和tReply分別為Hello時隙和Reply時隙的持續(xù)時間。

1.1.2 普通鄰居發(fā)現(xiàn)階段

在中心鄰居發(fā)現(xiàn)過程中，各節(jié)點(diǎn)使用TPSN算法［18］以中心節(jié)點(diǎn)時間為基準(zhǔn)進(jìn)行全網(wǎng)絡(luò)時間同步。因此普通鄰居發(fā)現(xiàn)階段可以使用同步發(fā)現(xiàn)算法使其他各個節(jié)點(diǎn)完成相互發(fā)現(xiàn)，記錄自身與其他節(jié)點(diǎn)的通信扇區(qū)圖。將本階段分為（N－1）?M個子時隙，其中N為網(wǎng)絡(luò)中總節(jié)點(diǎn)數(shù)，M為每個節(jié)點(diǎn)天線的扇區(qū)數(shù)。該階段接收節(jié)點(diǎn)天線方向和發(fā)送節(jié)點(diǎn)天線方向始終相反，如圖5所示。

圖5 同步算法天線掃描示意

各節(jié)點(diǎn)根據(jù)自身節(jié)點(diǎn)號依次進(jìn)行鄰居發(fā)現(xiàn)。在每次掃描時隙開始時，發(fā)送節(jié)點(diǎn)按照預(yù)定的方向序列發(fā)送發(fā)現(xiàn)消息，而其他節(jié)點(diǎn)根據(jù)規(guī)定在各方向上等待發(fā)現(xiàn)消息。當(dāng)接收到發(fā)現(xiàn)消息后，將發(fā)送節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)號和通信扇區(qū)號存入鏈表。

1.1.3 業(yè)務(wù)申請階段

該階段分為（N－1）個子時隙，中心節(jié)點(diǎn)根據(jù)鄰居發(fā)現(xiàn)結(jié)果，可以得知其他節(jié)點(diǎn)的方向。其他節(jié)點(diǎn)計算自身要發(fā)送數(shù)據(jù)的優(yōu)先級和數(shù)量，根據(jù)節(jié)點(diǎn)號在自身相應(yīng)時隙中向中心節(jié)點(diǎn)發(fā)送請求，包括自身節(jié)點(diǎn)號和業(yè)務(wù)的目的節(jié)點(diǎn)號，業(yè)務(wù)的優(yōu)先級和數(shù)量，以及自身與其他節(jié)點(diǎn)的通信扇區(qū)表。中心節(jié)點(diǎn)則將天線對準(zhǔn)相應(yīng)節(jié)點(diǎn)，等待接收請求。

若節(jié)點(diǎn)需要退網(wǎng)，則在自身時隙到來時，發(fā)送退網(wǎng)請求，中心節(jié)點(diǎn)在時隙分配階段應(yīng)答退網(wǎng)請求，則退網(wǎng)成功。

1.1.4 時隙分配階段

時隙分配階段在網(wǎng)絡(luò)時幀的分配時隙內(nèi)完成，該階段分為（N－1）個時隙。在該階段內(nèi)，中心節(jié)點(diǎn)根據(jù)請求鏈表中存儲的網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點(diǎn)的時隙請求、業(yè)務(wù)優(yōu)先級信息，對本網(wǎng)絡(luò)時幀中的數(shù)據(jù)子時隙進(jìn)行分配，為網(wǎng)絡(luò)中的各優(yōu)先級業(yè)務(wù)提供QoS保障，并且根據(jù)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)通信扇區(qū)表計算空間復(fù)用情況，分配方法見1.2節(jié)。數(shù)據(jù)子時隙分配完畢后，中心節(jié)點(diǎn)將網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)總數(shù)量、當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)時幀內(nèi)數(shù)據(jù)子時隙的總數(shù)量及各節(jié)點(diǎn)的時隙分配情況等信息寫入數(shù)據(jù)時隙分配幀，中心節(jié)點(diǎn)在每個鄰居節(jié)點(diǎn)對應(yīng)時隙到來時，將天線對準(zhǔn)該節(jié)點(diǎn)，發(fā)送業(yè)務(wù)時隙分配結(jié)果。

1.1.5 數(shù)據(jù)發(fā)送階段

網(wǎng)絡(luò)中的各無人機(jī)節(jié)點(diǎn)在接收到中心無人機(jī)節(jié)點(diǎn)廣播的數(shù)據(jù)時隙分配幀后，從數(shù)據(jù)時隙分配幀中獲取當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)時幀內(nèi)的總數(shù)據(jù)子時隙數(shù)及自身分配到的數(shù)據(jù)子時隙信息。各無人機(jī)節(jié)點(diǎn)等待自身分配到的數(shù)據(jù)子時隙到來時向網(wǎng)絡(luò)中的其他無人機(jī)節(jié)點(diǎn)發(fā)送自身的數(shù)據(jù)分組。此階段可進(jìn)行空間復(fù)用。各個數(shù)據(jù)子時隙內(nèi)的數(shù)據(jù)分組傳輸完成后，當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)時幀結(jié)束。由于鄰居發(fā)現(xiàn)階段開銷很大，因此，本機(jī)制中設(shè)置每隔一段時間才進(jìn)行一次鄰居發(fā)現(xiàn)。

1.1.6 隊(duì)列頭阻塞問題

使用定向天線會有隊(duì)列頭阻塞的問題，即由于網(wǎng)絡(luò)層業(yè)務(wù)隊(duì)列采用的是先進(jìn)先出的模式來進(jìn)行發(fā)送，對于全向天線，這種方式是可以接受的，但是對于定向天線模式，則會造成頭阻塞問題。這是因?yàn)槎ㄏ蛱炀€，某些方向上的信道可用，而其他方向不可用，如果隊(duì)列中的第一個數(shù)據(jù)包的發(fā)送方向被阻塞，即使之后的數(shù)據(jù)包的發(fā)送方向可用，也不能進(jìn)行發(fā)送。如圖6所示，節(jié)點(diǎn)A與B、C、D進(jìn)行通信。節(jié)點(diǎn)A的業(yè)務(wù)隊(duì)列中順序排列著發(fā)送給節(jié)點(diǎn)B、C、D的數(shù)據(jù)包。如果節(jié)點(diǎn)B和節(jié)點(diǎn)E正在通信，節(jié)點(diǎn)A必須等到節(jié)點(diǎn)B和節(jié)點(diǎn)E的通信完畢之后才可以發(fā)送。對于全向網(wǎng)絡(luò)，這種機(jī)制是合理的，因?yàn)楣?jié)點(diǎn)A發(fā)送的數(shù)據(jù)可能會影響到節(jié)點(diǎn)B和節(jié)點(diǎn)E之間的通信。但是在定向天線網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點(diǎn)A可以先安排向節(jié)點(diǎn)C發(fā)送數(shù)據(jù)，而不需要等待節(jié)點(diǎn)B通信完成，從而增加空間復(fù)用，提高系統(tǒng)容量，減小時延。

圖6 隊(duì)列頭阻塞問題

若解決該問題，可以在很大程度上提高網(wǎng)絡(luò)中空間復(fù)用的效率，從而進(jìn)一步改善網(wǎng)絡(luò)性能。在本文提到的機(jī)制中，提出了一種解決頭阻塞問題的方案：在業(yè)務(wù)申請時隙中，各節(jié)點(diǎn)查詢自身網(wǎng)絡(luò)隊(duì)列中的業(yè)務(wù)，將自身要發(fā)送的數(shù)據(jù)和在隊(duì)列中的順序發(fā)送給中心節(jié)點(diǎn)。中心節(jié)點(diǎn)計算空間復(fù)用時，可以輪詢各個節(jié)點(diǎn)的請求，若當(dāng)前各節(jié)點(diǎn)隊(duì)列隊(duì)首數(shù)據(jù)包均不滿足空間復(fù)用條件，則查詢下一個包是否滿足，依次類推直到找到能夠進(jìn)行空間復(fù)用或到最后一個包為止。

之后將分配情況發(fā)送給各節(jié)點(diǎn)后，各節(jié)點(diǎn)根據(jù)分配情況，首先將包從隊(duì)列取出，并在MAC層重新組成新的隊(duì)列，使其可以解決頭阻塞，盡量的滿足空間復(fù)用，提高網(wǎng)絡(luò)吞吐量。

由上述討論可知，D-DTDMA具有以下優(yōu)勢：

①組網(wǎng)協(xié)議根據(jù)網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的業(yè)務(wù)需求自適應(yīng)的調(diào)整網(wǎng)絡(luò)時幀的長度，能夠有效提高時隙利用率；

②中心節(jié)點(diǎn)根據(jù)網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點(diǎn)業(yè)務(wù)的優(yōu)先級完成網(wǎng)絡(luò)時幀中數(shù)據(jù)子時隙的動態(tài)分配，能夠?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)中的不同優(yōu)先級業(yè)務(wù)提供QoS保障；

③提供業(yè)務(wù)空間復(fù)用能力，提高網(wǎng)絡(luò)吞吐量，改善網(wǎng)絡(luò)性能；

④支持節(jié)點(diǎn)的入網(wǎng)和退網(wǎng)，能夠滿足網(wǎng)絡(luò)規(guī)模動態(tài)變化的需求；

⑤解決了隊(duì)列頭阻塞問題，提高空間復(fù)用效率，進(jìn)一步改善網(wǎng)絡(luò)性能。

1.2 D-DTDMA時隙分配算法

中心節(jié)點(diǎn)在遍歷請求鏈表后，計算業(yè)務(wù)請求的優(yōu)先級和數(shù)量，根據(jù)以下算法進(jìn)行區(qū)分優(yōu)先級的數(shù)據(jù)時隙動態(tài)分配［19，20］。

①設(shè)置最大總數(shù)據(jù)時隙數(shù)以及各優(yōu)先級最大數(shù)據(jù)時隙數(shù)，避免某一時幀過長，若有節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)，會使得其入網(wǎng)時間變長。其中高優(yōu)先級可分配的時隙數(shù)多于低優(yōu)先級。這樣既可保證高優(yōu)先級業(yè)務(wù)的QoS，又能保證低優(yōu)先級業(yè)務(wù)能夠發(fā)送，兼顧公平性。

②計算總請求時隙數(shù)和各優(yōu)先級時隙數(shù)，并分別與相應(yīng)最大時隙數(shù)對比，選擇其中小的為可分配的時隙數(shù)。若可分配的總時隙數(shù)大于各優(yōu)先級可分配時隙數(shù)之和，則將剩余時隙按照優(yōu)先級從高到低依次分配給各優(yōu)先級。

③首先分配優(yōu)先級高的業(yè)務(wù)時隙。判斷當(dāng)請求等于實(shí)際可分配的時隙數(shù)時，則按照請求的情況依次分配。若請求多于實(shí)際可分配的時隙數(shù)時，則首先給每個請求的節(jié)點(diǎn)分配一個時隙，保證其在本時幀中能夠發(fā)送數(shù)據(jù)。再將剩余的時隙按照概率分配給各請求節(jié)點(diǎn)。

④同時根據(jù)通信扇區(qū)表判斷是否有其他節(jié)點(diǎn)業(yè)務(wù)能夠進(jìn)行并發(fā)。判斷標(biāo)準(zhǔn)為：若發(fā)送節(jié)點(diǎn)與并發(fā)發(fā)送節(jié)點(diǎn)在接收節(jié)點(diǎn)或并發(fā)接收節(jié)點(diǎn)的同一扇區(qū)，同時接收節(jié)點(diǎn)與并發(fā)接收節(jié)點(diǎn)在發(fā)送節(jié)點(diǎn)或并發(fā)傳輸節(jié)點(diǎn)的同一扇區(qū)，則不可并發(fā)，否則可以發(fā)起并發(fā)。

⑤之后再以同樣方法分配其他優(yōu)先級的數(shù)據(jù)時隙。

2 EXata網(wǎng)絡(luò)建模仿真

EXata［21］是一款能夠產(chǎn)生連接真實(shí)網(wǎng)絡(luò)及應(yīng)用的網(wǎng)絡(luò)仿真軟件，擁有一套綜合體系工具來對有線及無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行精確建模和預(yù)測。

2.1 仿真場景設(shè)置

仿真場景采用笛卡爾坐標(biāo)系，仿真區(qū)域?yàn)樗?5 km×35 km。設(shè)置各節(jié)點(diǎn)的傳輸距離為50 km，采用靜態(tài)路由，傳輸層采用UDP協(xié)議，物理層采用DSSS模型，數(shù)據(jù)傳輸速率為2Mbps。仿真業(yè)務(wù)使用CBR，業(yè)務(wù)優(yōu)先級由高到低分別為2、1、0，數(shù)據(jù)包長度為2 048 bytes。定向接入機(jī)制設(shè)置70個數(shù)據(jù)時隙。優(yōu)先級2、1、0的業(yè)務(wù)可分配的最大時隙數(shù)分別為40、20、10。帶寬為2 Mbps。仿真場景如圖7所示。

圖7 定向網(wǎng)絡(luò)仿真場景

2.1.1 優(yōu)先級業(yè)務(wù)仿真

場景如圖7所示，節(jié)點(diǎn)1為中心節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)2～7每隔一段時間向節(jié)點(diǎn)1發(fā)送數(shù)據(jù)。節(jié)點(diǎn)2、3的業(yè)務(wù)為高優(yōu)先級（優(yōu)先級2）；節(jié)點(diǎn)4、5的業(yè)務(wù)為中優(yōu)先級（優(yōu)先級1）；節(jié)點(diǎn)6、7的業(yè)務(wù)為低優(yōu)先級（優(yōu)先級0）。網(wǎng)絡(luò)性能與業(yè)務(wù)速率的關(guān)系仿真如圖8和圖9所示。

圖8 網(wǎng)絡(luò)吞吐量與業(yè)務(wù)速率關(guān)系

圖9 端到端時延與業(yè)務(wù)速率關(guān)系

仿真結(jié)果表明，低負(fù)載時各優(yōu)先級吞吐量和時延相差不大。隨著網(wǎng)絡(luò)負(fù)載量增加，在發(fā)包速率為10 Packets/s時，低優(yōu)先級業(yè)務(wù)首先達(dá)到飽和，但是由于中、高優(yōu)先級業(yè)務(wù)還沒有達(dá)到飽和，因此剩余時隙可以分給低優(yōu)先級業(yè)務(wù)進(jìn)行傳輸；網(wǎng)絡(luò)負(fù)載繼續(xù)增加到18 Packets/s時，中優(yōu)先級業(yè)務(wù)達(dá)到飽和，但高優(yōu)先級業(yè)務(wù)未飽和，此時首先將剩余時隙分配給中優(yōu)先級業(yè)務(wù)，而低優(yōu)先級業(yè)務(wù)所分配到的時隙減少，吞吐量開始下降直至其飽和吞吐量。同理當(dāng)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載逐漸增加到23 Packets/s，高優(yōu)先級業(yè)務(wù)趨于飽和，剩余時隙逐漸減少，中優(yōu)先級業(yè)務(wù)時隙減少，吞吐量也逐漸下降直至飽和。各優(yōu)先級飽和吞吐量與設(shè)計的機(jī)制中為各優(yōu)先級業(yè)務(wù)固定分配的時隙數(shù)有關(guān)。因此該接入機(jī)制能夠提供不同優(yōu)先級的QoS保證。

2.1.2 空間復(fù)用仿真

仿真場景如圖7，設(shè)置2～6號節(jié)點(diǎn)以一定速率向中心節(jié)點(diǎn)1發(fā)送數(shù)據(jù)，節(jié)點(diǎn)7向節(jié)點(diǎn)6發(fā)送數(shù)據(jù)，其中節(jié)點(diǎn)7可分別與節(jié)點(diǎn)3、4、5實(shí)現(xiàn)資源復(fù)用。仿真并與不進(jìn)行空間復(fù)用的機(jī)制對比結(jié)果如圖10所示。

圖10 空間復(fù)用與無復(fù)用的機(jī)制對比

仿真結(jié)果表明，本文設(shè)計的定向網(wǎng)絡(luò)接入機(jī)制可以提供空間復(fù)用能力，有效地提高了網(wǎng)絡(luò)性能。由圖10（a）可知，無空間復(fù)用時，該接入機(jī)制飽和吞吐量大概為1.8Mbps，信道利用率為90%；而有空間復(fù)用時，由于當(dāng)節(jié)點(diǎn)3、4、5向節(jié)點(diǎn)1發(fā)送數(shù)據(jù)時，節(jié)點(diǎn)7可以共用同一時隙向節(jié)點(diǎn)6發(fā)送，因此吞吐量可以超過2 Mbps，信道利用率大于100%。理想情況下，每個數(shù)據(jù)時隙都可以允許2對節(jié)點(diǎn)同時傳輸，因此，理想飽和吞吐量為無復(fù)用時的2倍。而由于可以復(fù)用，業(yè)務(wù)獲得信道接入的概率增大，則在隊(duì)列中等待的時間變小，從而也使得時延變小。

2.1.3 頭阻塞問題仿真

針對上述提出的隊(duì)列頭阻塞問題，本文的定向網(wǎng)絡(luò)接入機(jī)制提出了解決方案，并對該方案進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。場景設(shè)置如圖7，業(yè)務(wù)配置為節(jié)點(diǎn)2～7以10 Packets/s速率向中心節(jié)點(diǎn)1發(fā)送數(shù)據(jù)，節(jié)點(diǎn)7變速率分別向節(jié)點(diǎn)5、6發(fā)送數(shù)據(jù)。仿真結(jié)果如圖11所示。

圖11 頭阻塞問題仿真結(jié)果

仿真結(jié)果表明，解決頭阻塞問題之后，網(wǎng)絡(luò)吞吐量和時延性能均有改善。這是由于雖然節(jié)點(diǎn)7向節(jié)點(diǎn)5發(fā)送數(shù)據(jù)時可以和節(jié)點(diǎn)3、4并發(fā)，向節(jié)點(diǎn)6發(fā)送數(shù)據(jù)時可以和節(jié)點(diǎn)3、4、5并發(fā)，但是由于節(jié)點(diǎn)7的數(shù)據(jù)隊(duì)列中數(shù)據(jù)包的目的節(jié)點(diǎn)依次為節(jié)點(diǎn)1、節(jié)點(diǎn)5和節(jié)點(diǎn)6。而向節(jié)點(diǎn)1發(fā)包的同時，其他節(jié)點(diǎn)沒有能進(jìn)行并發(fā)的業(yè)務(wù)，因此，節(jié)點(diǎn)7需要等到向節(jié)點(diǎn)1發(fā)完數(shù)據(jù)之后才能依次向節(jié)點(diǎn)5、6發(fā)包，這就導(dǎo)致了一定的資源浪費(fèi)，降低網(wǎng)絡(luò)性能。解決頭阻塞問題后，節(jié)點(diǎn)7檢測到頭包不滿足并發(fā)條件時，可以查找之后的包是否可以并發(fā)，將隊(duì)列中的包取出重新排隊(duì)發(fā)送，從而提高空間復(fù)用的效率，改善網(wǎng)絡(luò)性能。

3 結(jié)束語

本文提出的算法綜合異步鄰居發(fā)現(xiàn)和同步鄰居發(fā)現(xiàn)算法，實(shí)現(xiàn)在無同步裝置情況下盡可能快地進(jìn)行鄰居發(fā)現(xiàn)。信道時隙分配可根據(jù)網(wǎng)絡(luò)中的業(yè)務(wù)需求，利用較小的控制開銷，動態(tài)調(diào)節(jié)時幀長度，在有突發(fā)業(yè)務(wù)時，保證較大的網(wǎng)絡(luò)吞吐量和較小的平均時延；提供業(yè)務(wù)空間復(fù)用能力，并解決定向網(wǎng)絡(luò)存在的頭阻塞問題，極大地提高了網(wǎng)絡(luò)吞吐量，改善網(wǎng)絡(luò)性能；在支持不同優(yōu)先級業(yè)務(wù)QoS的同時，保證一定的發(fā)送公平性；可以支持多節(jié)點(diǎn)的無沖突入網(wǎng)退網(wǎng)。

該項(xiàng)研究可以提高定向網(wǎng)絡(luò)的傳輸效率，改善網(wǎng)絡(luò)性能，對于組網(wǎng)技術(shù)發(fā)展具有指導(dǎo)和驗(yàn)證的意義；可以提高飛行器編隊(duì)的高效協(xié)同組網(wǎng)能力，實(shí)現(xiàn)空戰(zhàn)向基于戰(zhàn)場信息共享網(wǎng)絡(luò)的多機(jī)協(xié)同作戰(zhàn)模式的轉(zhuǎn)變，為天空地一體信息化作戰(zhàn)體系及現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)的實(shí)現(xiàn)提供新概念、新技術(shù)和新方法。

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A Dynamic-TDMA MAC Mechanism for Directional Networks with a Central Node

WANG Baoxi，WEN Yunfeng，MA Pengfei，HU Peng
（The 54th Research Institute of CETC，Shijiazhuang Hebei 050081，China）

Using directional antennas，control station can act as a central node and exchange remote information with UAV fleet during the flight.The paper proposes a Dynamic TDMA（DDTDMA）MAC mechanism for directional networks without synchronous equipment，which combines asynchronous and synchronous neighbor discovery algorithms.DDTDMA implements a dynamic slotassignment algorithm，which provides QoS for traffics of different priorities，and has a high utilization of slot.It also realizes spatial reuse and solves the“headofline blocking”problem，obtaining a better network performance.Simulations on the Exata network simulation platform show that the algorithm can significantly increase the network throughput and reduce the delay.

directional network；dynamic slot assignment；neighbor discovery；spatial reuse；head-of-line blocking；network simu-lation

TN929.5

A

1003－3106（2015）09－0024－06

10.3969/j.issn.1003－3106.2015.09.07

王寶璽，文運(yùn)豐，馬鵬飛，等.一種定向網(wǎng)絡(luò)動態(tài)時分信道接入機(jī)制［J］.無線電工程，2015，45（9）：24－29.

王寶璽男，（1990—），碩士研究生。主要研究方向：飛行器測控技術(shù)、移動自組網(wǎng)通信。

2015-05-20

國家部委基金資助項(xiàng)目。

文運(yùn)豐男，（1966—），研究員。主要研究方向：遙控遙測通信、移動自組網(wǎng)。