（中國人民解放軍91977部隊(duì) 北京 100036）

1 引言

媒體接入控制（Media Access Control，MAC）［1］上，是所有報(bào)文在無線信道上發(fā)送和接收的直接控制者，它的性能好壞直接關(guān)系著信道的利用效率和整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的性能。MAC協(xié)議的作用主要是完成網(wǎng)絡(luò)中多個(gè)節(jié)點(diǎn)對(duì)物理信道使用權(quán)的分配和調(diào)度功能，使共享信道能夠在網(wǎng)絡(luò)中盡可能達(dá)到最大的利用效率。

本文分別以固定資源分配協(xié)議的TDMA和競爭資源分配協(xié)議中的CSMA為代表，分別通過仿真驗(yàn)證來比較這兩種協(xié)議在海上移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)中的性能和各自適應(yīng)的環(huán)境［2～3］。

2 TDMA協(xié)議和CSMA協(xié)議分析

無線多址接入?yún)f(xié)議采用多用戶共享信道技術(shù)，解決了突發(fā)性、間歇性的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)用戶競爭信道的問題，不同的多址協(xié)議適用于不同的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用環(huán)境［4］?？傮w而言，無線多址接入?yún)f(xié)議分為固定資源分配協(xié)議和競爭資源分配協(xié)議兩種。

其中固定資源分配協(xié)議以TDMA（Time Division Multiple Access）和 FDMA（Frequency Division Multiple Access）兩種協(xié)議為最典型的代表，而競爭資源分配協(xié)議以ALOHA（Additive Line On-line Hawaii System）和 CSMA（Carrier Sense Multiple Access）為代表［5～7］。隨著時(shí)間、社會(huì)、經(jīng)濟(jì)的蓬勃發(fā)展，多址接入技術(shù)領(lǐng)域也在日新月異的革新，基于ALOHA、CSMA以及TDMA的擴(kuò)展協(xié)議如同雨后春筍般誕生。

2.1 TDMA協(xié)議

TDMA系列協(xié)議又稱為時(shí)分多址技術(shù)，就是把一個(gè)傳輸通道進(jìn)行時(shí)間分割成周期性的幀，每幀再分割成若干個(gè)時(shí)隙分配給預(yù)先規(guī)劃的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行使用并發(fā)送信號(hào)［8］。在滿足定時(shí)和同步的條件下，節(jié)點(diǎn)可以分別在各時(shí)隙中接收到其他節(jié)點(diǎn)的信號(hào)而不互相干擾。理論上，TDMA將信道資源按照參與的用戶節(jié)點(diǎn)數(shù)進(jìn)行規(guī)劃和預(yù)分配，各個(gè)節(jié)點(diǎn)僅在自己的時(shí)隙資源上發(fā)送數(shù)據(jù)，可以從根本上避免無限組網(wǎng)中的各節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)碰撞問題，但考慮到節(jié)點(diǎn)業(yè)務(wù)分布的不均衡性，TDMA協(xié)議在保證公平性的前提下，可能會(huì)導(dǎo)致信道資源的浪費(fèi)和鏈路利用率的下降［9］。

2.2 CSMA協(xié)議

CSMA協(xié)議起源于美國夏威夷大學(xué)開發(fā)的ALOHA網(wǎng)所采用的爭用型協(xié)議。ALOHA是最早的隨機(jī)多址協(xié)議，是最簡單、最基礎(chǔ)的無線數(shù)據(jù)通信協(xié)議［9］。其核心思想是：終端站點(diǎn)有數(shù)據(jù)分組發(fā)送，其立即占用信道發(fā)送信息分組；若在一定的時(shí)間內(nèi)收到中心站點(diǎn)通過專用反饋信道回送的應(yīng)答信號(hào)，則信息分組發(fā)送成功；若超過規(guī)定的時(shí)延，終端站點(diǎn)未收到中心站點(diǎn)的確認(rèn)信號(hào)，則表示此次通信失?。?0～11］。

CSMA在ALOHA的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)，使之具有比ALOHA協(xié)議更高的介質(zhì)利用率。CSMA協(xié)議中每個(gè)站在發(fā)送數(shù)據(jù)幀之前，首先要進(jìn)行載波監(jiān)聽，只有介質(zhì)空閑時(shí)，才允許發(fā)送幀。這時(shí)，如果兩個(gè)以上的站同時(shí)監(jiān)聽到介質(zhì)空閑并發(fā)送幀，則會(huì)產(chǎn)生沖突現(xiàn)象，這使發(fā)送的幀都成為無效幀，發(fā)送隨即宣告失敗。每個(gè)站必須有能力隨時(shí)檢測(cè)沖突是否發(fā)生，一旦發(fā)生沖突，則應(yīng)停止發(fā)送，以免介質(zhì)帶寬因傳送無效幀而被白白浪費(fèi)，然后隨機(jī)延時(shí)一段時(shí)間后，再重新爭用介質(zhì)，重發(fā)送幀［12～13］。

本文的后續(xù)實(shí)驗(yàn)中將使用簡單的CSMA協(xié)議進(jìn)行建模，以代表此類競爭型信道接入?yún)f(xié)議對(duì)海上移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)進(jìn)行評(píng)估驗(yàn)證。

3 仿真場景設(shè)計(jì)

3.1 仿真場景配置

仿真軟件平臺(tái)為OPNET14.5A，Anaconda3，visual studio 2010，硬件平臺(tái)為中低檔個(gè)人微機(jī)（臺(tái)式機(jī)筆記本電腦），CPU賽揚(yáng)1.2G及以上，硬盤容量100G及以上，內(nèi)存容量2G及以上。支持鼠標(biāo)、鍵盤操作，安裝有網(wǎng)絡(luò)適配器（有線無線）。

根據(jù)實(shí)際海上移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)組織情況，目前移動(dòng)節(jié)點(diǎn)數(shù)量不多，節(jié)點(diǎn)移動(dòng)性不高。仿真場景由10個(gè)節(jié)點(diǎn)構(gòu)成，其拓?fù)淙鐖D1所示。圖中的線段是為各個(gè)節(jié)點(diǎn)規(guī)劃的移動(dòng)軌跡，各個(gè)節(jié)點(diǎn)分別由6段移動(dòng)路徑構(gòu)成，每段移動(dòng)時(shí)間長度為10min，整個(gè)仿真持續(xù)時(shí)間為60min。

圖1 仿真拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

全網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的初始拓?fù)錇橹本€型排列，相鄰節(jié)點(diǎn)間距為5～6公里，仿真過程中節(jié)點(diǎn)拓?fù)鋾?huì)經(jīng)歷橫隊(duì)、縱隊(duì)和三角形等隊(duì)形前進(jìn)，前進(jìn)過程中各節(jié)點(diǎn)間距會(huì)發(fā)生變化，從而可以評(píng)估網(wǎng)絡(luò)由單跳到多跳不同可達(dá)性條件下的性能。

本節(jié)主要的仿真評(píng)估對(duì)象為MAC層協(xié)議，所以本節(jié)僅仿真全互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)場景而忽略多跳網(wǎng)絡(luò)的環(huán)境。為盡量降低路由性能對(duì)MAC層性能的影響，本節(jié)實(shí)驗(yàn)中路由協(xié)議采用表驅(qū)動(dòng)（OLSR）協(xié)議組網(wǎng)。該協(xié)議開銷小，與按需路由（AODV）協(xié)議相比，其開銷和組網(wǎng)性能不隨業(yè)務(wù)分布的不同而變化。

3.2 業(yè)務(wù)流量配置

在業(yè)務(wù)流量配置方面，1號(hào)節(jié)點(diǎn)位于全網(wǎng)的中心位置（移動(dòng)過程中也是如此），后文稱之為中心旗艦節(jié)點(diǎn)，其他節(jié)點(diǎn)稱為普通節(jié)點(diǎn)。為體現(xiàn)流量的不均衡性，網(wǎng)絡(luò)中的業(yè)務(wù)流量僅存在于中心旗艦節(jié)點(diǎn)和普通節(jié)點(diǎn)之間。普通節(jié)點(diǎn)發(fā)起的業(yè)務(wù)流量稱之為上行流量，中心節(jié)點(diǎn)發(fā)起的流量稱之為下行流量。

具體流量分布仍然采用下行流量符合POSSION分布，上行流量符合確定性分布（即CBR業(yè)務(wù)流）的方法，這主要是考慮模擬上報(bào)節(jié)點(diǎn)的周期性和突發(fā)性。另外，在業(yè)務(wù)流量強(qiáng)度方面，本節(jié)為測(cè)試不同接入?yún)f(xié)議的吞吐量上限，根據(jù)信道容量的差異，設(shè)置了由輕載到重載的多種業(yè)務(wù)流量負(fù)載。具體如表1所示。在每個(gè)場景中，上行業(yè)務(wù)負(fù)載始終為每個(gè)流4kbps，全網(wǎng)上行流量共計(jì)36kbps。下行業(yè)務(wù)流量由輕載到重載分別為72kbps～590kbps不等。信道容量為650kbps。

表1 業(yè)務(wù)流量

4 接入?yún)f(xié)議的仿真性能對(duì)比

本節(jié)通過選取兩種有代表性的MAC協(xié)議（CSMA和TDMA）進(jìn)行仿真分析，從而評(píng)估兩種MAC協(xié)議在典型場景下的性能優(yōu)劣以及對(duì)路由協(xié)議的影響。為MAC協(xié)議選型提供數(shù)據(jù)支撐和決策依據(jù)。

4.1 CSMA協(xié)議仿真性能分析

圖2為使用CSMA協(xié)議時(shí)仿真獲取的上行業(yè)務(wù)交付率（吞吐率）與網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用層歸一化負(fù)載關(guān)系曲線。本文定義的應(yīng)用層歸一化負(fù)載如式（1）所示，其中ρ為應(yīng)用層歸一化負(fù)載、A為應(yīng)用層流量負(fù)載（單位為bps）、C為信道容量（CSMA仿真中使用UHF信道，所以C為650kbps）。值得注意的是，此處所定義的應(yīng)用層歸一化負(fù)載并非全網(wǎng)所有流量的歸一化負(fù)載，相同條件下后者的數(shù)值應(yīng)略大于前者（含部分路由開銷和IP層及以下報(bào)頭開銷）。因本節(jié)重點(diǎn)從應(yīng)用層角度評(píng)估MAC協(xié)議的承載能力，故選擇應(yīng)用層負(fù)載為輸入。由圖中可以看到，CSMA協(xié)議下，在應(yīng)用層歸一化負(fù)載小于0.6時(shí)，上行業(yè)務(wù)交付率為95%以上；當(dāng)應(yīng)用層歸一化負(fù)載大于0.6后，上行業(yè)務(wù)的交付率急劇下降；當(dāng)應(yīng)用層歸一化負(fù)載大于0.8后，上行業(yè)務(wù)交付率幾乎為0。由圖中可以看到，應(yīng)用層交付率隨負(fù)載增加的惡化是一個(gè)突變的過程，而不是通常認(rèn)為的漸變過程。這主要是由于業(yè)務(wù)分布不對(duì)稱造成的。本實(shí)驗(yàn)所采用的上行和下行的數(shù)據(jù)量具有不對(duì)稱性，上行流量相比下行流量而言負(fù)載較輕（設(shè)為恒定的每節(jié)點(diǎn)4kbps）且為CBR分布，這就導(dǎo)致了其丟包大部分是由于碰撞引起。而在不對(duì)稱流量下的上行業(yè)務(wù)之間的碰撞概率以及上行和下行業(yè)務(wù)之間的碰撞概率并不是隨流量增長而均勻分布的，所以導(dǎo)致上行業(yè)務(wù)交付率的惡化具有一個(gè)臨界值，通過圖2的曲線可以看到，其歸一化負(fù)載臨界值在0.6附近。

圖2 不同應(yīng)用層負(fù)載下的上行業(yè)務(wù)交付率曲線

圖3為使用CSMA協(xié)議時(shí)仿真獲取的下行業(yè)務(wù)交付率（吞吐率）與網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用層歸一化負(fù)載關(guān)系曲線。由圖中可以看到，與上行業(yè)務(wù)相比，下行業(yè)務(wù)的吞吐率隨歸一化負(fù)載負(fù)載增加的惡化更為明顯。例如：上行業(yè)務(wù)交付率在歸一化負(fù)載小于0.7時(shí)均高于0.5，大部分情況下保持在80%以上，而下行業(yè)務(wù)在歸一化負(fù)載超過0.6時(shí)其交付率即低于50%，另外，下行業(yè)務(wù)的應(yīng)用層交付率的隨負(fù)載增加的惡化相對(duì)于上行業(yè)務(wù)較平滑，其臨界點(diǎn)較模糊。其原因也在于用戶業(yè)務(wù)的分布。本實(shí)驗(yàn)中不同場景的上行業(yè)務(wù)流量均設(shè)為恒定的每節(jié)點(diǎn)4kbps，而下行流量則根據(jù)不同場景的需求設(shè)置為如表1所示下行流量1到下行流量9的不同強(qiáng)度。由于隨著全網(wǎng)流量的增大，下行業(yè)務(wù)流量占全網(wǎng)業(yè)務(wù)流量的比重持續(xù)增加，所以導(dǎo)致下行業(yè)務(wù)的丟包主要由緩存擁塞溢出引起（不同于上行流量的報(bào)文碰撞）。由于下行業(yè)務(wù)的流量分布設(shè)置為泊松分布，所以下行業(yè)務(wù)的源節(jié)點(diǎn)（中心旗艦節(jié)點(diǎn)）的緩存隊(duì)長變化較為平緩，所以其交付率劣化曲線較為平緩。

圖3 不同應(yīng)用層負(fù)載下的下行業(yè)務(wù)交付率曲線

圖4所示為使用CSMA協(xié)議時(shí)仿真獲取的上行業(yè)務(wù)平均端到端時(shí)延與網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用層歸一化負(fù)載關(guān)系曲線。從圖中可以看到，在各種不同的負(fù)載激勵(lì)下，上行業(yè)務(wù)的時(shí)延基本是穩(wěn)定在0.06s～0.07s之間。一般來說，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載飽和后（對(duì)照?qǐng)D2和圖3應(yīng)該是歸一化負(fù)載為0.6附近）網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)報(bào)文的端到端時(shí)延將急劇攀升，這與圖4的曲線相違背。實(shí)際上，通過分析仿真數(shù)據(jù)后發(fā)現(xiàn)，這仍然與不對(duì)稱的業(yè)務(wù)配置相關(guān)。在不對(duì)稱業(yè)務(wù)配置條件下，上行業(yè)務(wù)流量在總流量中占比很小，其丟包大部分來源于無線信道中的報(bào)文碰撞而非節(jié)點(diǎn)排隊(duì)擁塞。所以，從曲線上看，當(dāng)負(fù)載較大時(shí)，上行業(yè)務(wù)的交付率急劇下降（大量丟包），但是因?yàn)樵垂?jié)點(diǎn)緩存系統(tǒng)的平均隊(duì)長較短（并沒有達(dá)到擁塞程度），所以少部分成功交付的應(yīng)用層報(bào)文的端到端時(shí)延仍然很小。

圖4 不同應(yīng)用層負(fù)載下的上行業(yè)務(wù)時(shí)延曲線

圖5所示為使用CSMA協(xié)議時(shí)仿真獲取的下行業(yè)務(wù)平均端到端時(shí)延與網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用層歸一化負(fù)載關(guān)系曲線。從圖中可以看到，隨著網(wǎng)絡(luò)負(fù)載的增加，下行業(yè)務(wù)的時(shí)延顯著上升。綜合圖4的分析可以知道，這實(shí)際上是由于下行業(yè)務(wù)負(fù)載大大增加而造成了中心旗艦節(jié)點(diǎn)的信道容量達(dá)到飽和，從而使發(fā)送節(jié)點(diǎn)進(jìn)入擁塞狀態(tài)，緩存隊(duì)列長度急劇增加從而帶來時(shí)延的攀升。

圖5 同應(yīng)用層負(fù)載下的下行業(yè)務(wù)時(shí)延曲線

圖6所示為圖5的對(duì)數(shù)版本，從圖中可以看到，當(dāng)應(yīng)用層歸一化負(fù)載達(dá)到0.36時(shí)，下行業(yè)務(wù)時(shí)延即出現(xiàn)了顯著攀升（達(dá)到了100s以上），可見此時(shí)網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)處于嚴(yán)重?fù)砣麪顟B(tài)。36%的利用率也與理論上的CSMA信道利用率相吻合。

4.2 TDMA協(xié)議仿真性能分析

本節(jié)對(duì)TDMA協(xié)議的仿真結(jié)果進(jìn)行分析和評(píng)估并討論其在不同環(huán)境下的適應(yīng)性。

圖7為使用TDMA協(xié)議時(shí)仿真獲取的上行業(yè)務(wù)交付率（吞吐率）與網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用層歸一化負(fù)載關(guān)系曲線。為便于與CSMA協(xié)議性能比較，將CSMA協(xié)議的上行業(yè)務(wù)交付率曲線一并列入圖7?？梢钥吹?，使用TDMA協(xié)議作為接入?yún)f(xié)議且歸一化負(fù)載超過10%之后，上行業(yè)務(wù)交付率即顯著下降并且在各種負(fù)載條件下都顯著低于CSMA協(xié)議。本實(shí)驗(yàn)采用的是基于靜態(tài)資源分配的TDMA協(xié)議，所有信道資源以時(shí)分方式在所有節(jié)點(diǎn)之間平均分配。試驗(yàn)場景中配置了10個(gè)節(jié)點(diǎn)，所以每個(gè)節(jié)點(diǎn)占用1/10信道資源（即65kbps）。由圖7可知，上行業(yè)務(wù)流的每個(gè)源節(jié)點(diǎn)發(fā)起的負(fù)載為4kbps，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于節(jié)點(diǎn)占用的10%信道速率。直觀地理解，上行流量業(yè)務(wù)應(yīng)該不會(huì)受全網(wǎng)歸一化負(fù)載的影響并且具有很高的通信質(zhì)量保證。然而事實(shí)上是，當(dāng)下行負(fù)載較?。ū?中的下行流量1）時(shí)，全網(wǎng)信道資源相對(duì)充沛，上行業(yè)務(wù)交付率較高（高于95%）；隨著下行負(fù)載的逐步增加，中心旗艦節(jié)點(diǎn)（下行業(yè)務(wù)的源節(jié)點(diǎn)和上行業(yè)務(wù)的目的節(jié)點(diǎn)）的發(fā)送隊(duì)列出現(xiàn)擁塞，路由數(shù)據(jù)無法及時(shí)有效進(jìn)行擴(kuò)散從而導(dǎo)致上行業(yè)務(wù)的源節(jié)點(diǎn)（除中心旗艦節(jié)點(diǎn)之外的其他節(jié)點(diǎn)）認(rèn)為中心旗艦節(jié)點(diǎn)脫網(wǎng)，致使上行業(yè)務(wù)無法有效投遞。

圖6 對(duì)數(shù)坐標(biāo)版本的下行時(shí)延曲線的

圖7 TDMA與CSMA上行業(yè)務(wù)交付率比較

圖8為使用TDMA協(xié)議時(shí)仿真獲取的下行業(yè)務(wù)交付率（吞吐率）與網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用層歸一化負(fù)載關(guān)系曲線。為便于與CSMA協(xié)議性能比較，將CSMA協(xié)議的下行業(yè)務(wù)交付率曲線一并列入圖8?？梢钥吹剑琓DMA協(xié)議的下行業(yè)務(wù)交付率相對(duì)好于其上行業(yè)務(wù)交付率，這是因?yàn)橄滦袠I(yè)務(wù)的目的節(jié)點(diǎn)（除中心旗艦節(jié)點(diǎn)之外的其他節(jié)點(diǎn)）自身所發(fā)送的數(shù)據(jù)量較少，相對(duì)于中心旗艦節(jié)點(diǎn)而言，路由信息的擴(kuò)散沒有受到影響，所以其業(yè)務(wù)報(bào)文的交付率較高。從圖中也可以看到隨著全網(wǎng)歸一化負(fù)載的增大，TDMA下行業(yè)務(wù)交付率遠(yuǎn)低于CSMA下行業(yè)務(wù)的交付率。這是因?yàn)門DMA的時(shí)隙資源采用靜態(tài)分配原則，中心旗艦節(jié)點(diǎn)和其他節(jié)點(diǎn)一樣僅分配1/10信道資源（約65kbps），當(dāng)下行業(yè)務(wù)增大時(shí)，其相對(duì)基于競爭的CSMA協(xié)議更早地進(jìn)入了擁塞狀態(tài)。所以，靜態(tài)TDMA協(xié)議會(huì)造成資源浪費(fèi)（上行業(yè)務(wù)量小，部分資源未使用）與擁塞同時(shí)出現(xiàn)，解決這個(gè)問題的辦法是采用更為復(fù)雜的動(dòng)態(tài)時(shí)隙分配算法，根據(jù)實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)的分布動(dòng)態(tài)申請(qǐng)和釋放時(shí)隙。

圖8 TDMA與CSMA下行業(yè)務(wù)交付率比較

圖9為使用TDMA協(xié)議時(shí)仿真獲取的上行業(yè)務(wù)時(shí)延與網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用層歸一化負(fù)載關(guān)系曲線。為便于與CSMA協(xié)議性能比較，將CSMA協(xié)議的上行業(yè)務(wù)時(shí)延曲線一并列入圖9?？梢钥吹剑琓DMA的上行業(yè)務(wù)時(shí)延遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于CSMA協(xié)議的上行業(yè)務(wù)時(shí)延，其原因在于TDMA采用時(shí)分接入方式而CSMA采用競爭接入方式，采用時(shí)分接入方式的網(wǎng)絡(luò)必須等待到屬于自己的時(shí)隙時(shí)才可以發(fā)送數(shù)據(jù)，所以總體看，其端到端時(shí)延中除了傳輸時(shí)延外還包括排隊(duì)等待時(shí)隙的時(shí)延，故TDMA協(xié)議的端到端時(shí)延遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于CSMA協(xié)議。

圖9 TDMA與CSMA上行業(yè)務(wù)時(shí)延比較

圖10為使用TDMA協(xié)議時(shí)仿真獲取的下行業(yè)務(wù)時(shí)延與網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用層歸一化負(fù)載關(guān)系曲線。為便于與CSMA協(xié)議性能比較，將CSMA協(xié)議的下行業(yè)務(wù)時(shí)延曲線一并列入圖10?？梢钥吹?，TDMA的下行業(yè)務(wù)時(shí)延與歸一化負(fù)載并非完全呈現(xiàn)正相關(guān)。當(dāng)下行業(yè)務(wù)負(fù)載相對(duì)于下行時(shí)隙資源而言未形成網(wǎng)絡(luò)擁塞時(shí)，下行業(yè)務(wù)時(shí)延較小，當(dāng)形成擁塞時(shí)，下行業(yè)務(wù)的時(shí)延急劇攀升。由于時(shí)分接入方式下不存在數(shù)據(jù)碰撞的問題，所以這部分的時(shí)延完全是由緩存擁塞引起。另外，隨著網(wǎng)絡(luò)歸一化負(fù)載繼續(xù)加大，下行業(yè)務(wù)的端到端時(shí)延會(huì)出現(xiàn)一定的波動(dòng)，而不是單純的正相關(guān)，這與實(shí)際業(yè)務(wù)的交付率有關(guān)，在負(fù)載較高時(shí)，下行業(yè)務(wù)交付率會(huì)急劇下降，帶來有效的計(jì)算樣本的下降，從而影響了統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的數(shù)值，其實(shí)可以認(rèn)為大部分未交付數(shù)據(jù)的端到端時(shí)延為無窮大，而曲線中統(tǒng)計(jì)的僅為少部分交付業(yè)務(wù)的時(shí)延，少數(shù)樣本統(tǒng)計(jì)的數(shù)值導(dǎo)致從曲線上看是出現(xiàn)了時(shí)延下降。

圖10 TDMA與CSMA下行業(yè)務(wù)時(shí)延比較

4.3 接入?yún)f(xié)議對(duì)路由的影響

前面對(duì)TDMA協(xié)議組網(wǎng)性能的分析提到，當(dāng)下行業(yè)務(wù)流量超過中心旗艦所擁有的信道資源最大容量后，會(huì)造成節(jié)點(diǎn)緩存擁塞進(jìn)而嚴(yán)重影響節(jié)點(diǎn)路由消息的擴(kuò)散，從而對(duì)上行和下行業(yè)務(wù)帶來較大的影響。為進(jìn)一步比較接入?yún)f(xié)議對(duì)路由性能的影響，本節(jié)通過修改節(jié)點(diǎn)TDMA協(xié)議的緩存策略來提高路由消息的優(yōu)先級(jí)，從而保證無論怎樣配置業(yè)務(wù)負(fù)載，均不會(huì)影響路由消息的擴(kuò)散。通過對(duì)改進(jìn)策略前后應(yīng)用層面業(yè)務(wù)性能的比較來說明接入?yún)f(xié)議（尤其是TDMA協(xié)議）對(duì)路由性能的影響。

本節(jié)對(duì)調(diào)度策略的修改如圖11所示，上層業(yè)務(wù)到達(dá)后，調(diào)度器對(duì)路由消息和普通業(yè)務(wù)消息進(jìn)行區(qū)分，如果當(dāng)前報(bào)文是路由消息報(bào)文，就將其調(diào)度到隊(duì)頭位置，如果當(dāng)前報(bào)文是普通業(yè)務(wù)消息報(bào)文，則將其調(diào)度到隊(duì)尾。緩存隊(duì)列的發(fā)送原則是：當(dāng)時(shí)隙到來時(shí)，從隊(duì)頭到隊(duì)尾依次取出報(bào)文并發(fā)送于信道。這樣就保證了路由消息的優(yōu)先發(fā)送和優(yōu)先擴(kuò)散。另外，由于路由報(bào)文的整體開銷較小，其優(yōu)先發(fā)送對(duì)業(yè)務(wù)報(bào)文的時(shí)延和吞吐量帶來的影響可以忽略不計(jì)。

圖11 修改后的調(diào)度策略

本節(jié)的仿真場景與前述基本一致，所不同過的是本節(jié)僅對(duì)歸一化業(yè)務(wù)負(fù)載為0.6（即上行流量36kbps，下行流量360kbps）的業(yè)務(wù)配置進(jìn)行仿真。這樣做的原因是在TDMA接入?yún)f(xié)議下，此時(shí)已經(jīng)能夠完全模擬中心旗艦節(jié)點(diǎn)擁塞的情況（中心旗艦節(jié)點(diǎn)信道資源約為65kbps）。

圖12 改進(jìn)前后上行業(yè)務(wù)吞吐量對(duì)比

圖12為改進(jìn)策略前后的上行業(yè)務(wù)吞吐量曲線對(duì)比圖。由于僅選用一種業(yè)務(wù)負(fù)載進(jìn)行仿真，本節(jié)選用與上行業(yè)務(wù)交付率具有正相關(guān)的上行業(yè)務(wù)吞吐量的絕對(duì)值進(jìn)行分析。圖中橫軸為仿真時(shí)間（單位：s），縱軸為上行業(yè)務(wù)吞吐量?？梢钥吹?，改進(jìn)調(diào)度策略后的網(wǎng)絡(luò)上行吞吐量一致保持在36kbps，達(dá)到了100%的交付率，而改進(jìn)前的吞吐量則在仿真后急劇下降為0。在其他配置相同的情況下，充分說明未進(jìn)行業(yè)務(wù)區(qū)分的TDMA協(xié)議會(huì)嚴(yán)重影響熱點(diǎn)節(jié)點(diǎn)（例如本場景中的中心旗艦節(jié)點(diǎn)）的路由擴(kuò)散。

圖13為改進(jìn)調(diào)度策略前后某個(gè)節(jié)點(diǎn)的下行業(yè)務(wù)的吞吐量示意圖。由圖中可以看到改進(jìn)后的吞吐量一直維持在較高和穩(wěn)定的區(qū)間內(nèi)，而改進(jìn)前的吞吐量除個(gè)別峰值外基本很低，并且在有些時(shí)段降為0。我們知道，每個(gè)節(jié)點(diǎn)僅有4kbps的上行業(yè)務(wù)流量，遠(yuǎn)未達(dá)到上行業(yè)務(wù)源節(jié)點(diǎn)的信道容量極限。理論上其路由擴(kuò)散不會(huì)受到影響，但其作為接收節(jié)點(diǎn)仍然受到了較大的影響?？梢姡幢銟I(yè)務(wù)負(fù)載沒有對(duì)信道造成擁塞，優(yōu)先調(diào)度路由協(xié)議報(bào)文仍然對(duì)提高全網(wǎng)吞吐量具有重要意義。

圖13 改進(jìn)前后下行業(yè)務(wù)吞吐量對(duì)比

圖14為改進(jìn)前后圖13所示節(jié)點(diǎn)的下行業(yè)務(wù)無線子網(wǎng)跳數(shù)比較。可以看到，改進(jìn)后的業(yè)務(wù)流跳數(shù)一直穩(wěn)定在1跳，而改進(jìn)前統(tǒng)計(jì)的下行業(yè)務(wù)流的報(bào)文跳數(shù)波動(dòng)較大。其原因在于，中心旗艦節(jié)點(diǎn)位于海上移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)中央，在OLSR路由協(xié)議中，該節(jié)點(diǎn)相當(dāng)于MPR節(jié)點(diǎn)，對(duì)全網(wǎng)拓?fù)涞木S護(hù)具有重要意義。當(dāng)下行業(yè)務(wù)擁塞引起MPR節(jié)點(diǎn)失效后，全網(wǎng)會(huì)進(jìn)入重新選取MPR節(jié)點(diǎn)以及重新計(jì)算網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞倪^程，這就造成了網(wǎng)絡(luò)的震蕩。網(wǎng)絡(luò)震蕩直接引起了下行業(yè)務(wù)流的端到端跳數(shù)的變化。全互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)中各個(gè)節(jié)點(diǎn)的是1跳可達(dá)的，但是在網(wǎng)絡(luò)震蕩的條件下，上層業(yè)務(wù)流的數(shù)據(jù)被反復(fù)轉(zhuǎn)發(fā)，會(huì)進(jìn)一步造成各個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)的擁塞，從而進(jìn)一步惡化路由消息的擴(kuò)散效果，同時(shí)在全網(wǎng)造成類似廣播風(fēng)暴的破壞性效應(yīng)。

圖14 改進(jìn)前后下行業(yè)務(wù)吞吐量對(duì)比

圖15 改進(jìn)前后下行業(yè)務(wù)吞吐量對(duì)比

圖15為改進(jìn)前后全網(wǎng)總流量的對(duì)比示意圖?？梢钥吹剑倪M(jìn)后的全網(wǎng)流量一直穩(wěn)定在150kbps左右（具體由下行65kbps，上行36kbps，路由開銷50kbps構(gòu)成），而改進(jìn)前全網(wǎng)總流量高達(dá)500kbps以上，接近信道容量的90%。其原因與圖14的原因相同，均因中心節(jié)點(diǎn)擁塞導(dǎo)致的路由轉(zhuǎn)發(fā)震蕩引起的。可以看到，路由震蕩帶來了網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)量成倍的增加，足以癱瘓網(wǎng)絡(luò)的正常運(yùn)行。

5 結(jié)語

通過本文仿真評(píng)估及數(shù)據(jù)分析可以看出，在節(jié)點(diǎn)數(shù)量不多（10個(gè)左右），節(jié)點(diǎn)移動(dòng)性不強(qiáng)的條件下，從上行及下行業(yè)務(wù)交付率、時(shí)延以及其他性能指標(biāo)上分析，CSMA協(xié)議優(yōu)于靜態(tài)TDMA協(xié)議。其原因在于海上移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的業(yè)務(wù)分布是不對(duì)稱的。中心旗艦節(jié)點(diǎn)到其他節(jié)點(diǎn)的下行業(yè)務(wù)流量較大，分布的隨機(jī)性較強(qiáng)；而普通節(jié)點(diǎn)到中心旗艦節(jié)點(diǎn)的上行業(yè)務(wù)流量較小，周期性較強(qiáng)（例如定期上報(bào)的態(tài)勢(shì)業(yè)務(wù)和傳感器業(yè)務(wù)）。這就決定了基于靜態(tài)時(shí)隙分配的TDMA無法適應(yīng)這種不對(duì)稱性，造成了旗艦節(jié)點(diǎn)擁塞而普通節(jié)點(diǎn)資源浪費(fèi)。所以，海上移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)更適合使用基于競爭的CSMA協(xié)議或者基于復(fù)雜時(shí)隙預(yù)約算法的動(dòng)態(tài)TDMA協(xié)議。

另一方面，路由消息的調(diào)度和服務(wù)質(zhì)量保證對(duì)全網(wǎng)性能至關(guān)重要。這是因?yàn)榧幢闶侨ヂ?lián)網(wǎng)絡(luò)，由于擁塞等原因造成路由消息擴(kuò)散問題后，網(wǎng)絡(luò)流量會(huì)成倍攀升從而進(jìn)一步加劇網(wǎng)絡(luò)的擁塞，引起惡性循環(huán)。建議無論采用何種路由協(xié)議，均應(yīng)該給予路由消息以較高優(yōu)先級(jí)，避免路由擴(kuò)散問題引起的網(wǎng)絡(luò)性能惡化。