文献标识码： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.2016.09.022
中文引用格式： 杜静，习勇，黄圣春. 一种适用于动态拓扑变化的改进型TDMA协议[J].电子技术应用，2016，42(9)：84-86，90.
英文引用格式： Du Jing，Xi Yong，Huang Shengchun. A reformed TDMA protocol fitted for dynamic topology[J].Application of Electronic Technique，2016，42(9)：84-86，90.
0 引言
Ad Hoc网络是一种分布式的网络，节点之间通过动态组网建立通信链路[1]。宽带网络波形是无线自组织网络的重要波形，美军在设计宽带网络波形(Wideband Network Waveform，WNW)时，在MAC层使用了基于USAP(Unifying Slot Assignment Protocol)的TDMA协议[2]。
YOUNG C D在1996年提出了经典的多跳多信道USAP协议[3]，即为框架协议，协议实现了分布式多跳时隙分配算法，但每个时帧中只有一个广播时隙用于节点广播本地状态信息，无法适应Ad Hoc网络的动态拓扑变化[4]。在此基础上，YOUNG C D又提出了USAP-MA(USAP Mul-
tiple Access)协议[5]和USAP-MBA(USAP Multiple Broadcast Access)协议[6]，但都没有达到预期效果。
国内有多家单位都在研究宽带网络波形，但是对于多跳分布式TDMA MAC协议的实用化研究还较少[7-8]。本文在研究经典USAP协议的基础上，主要针对原有协议中存在的无法快速适应Ad Hoc网络拓扑变化及组网时间较长等问题进行了改进。通过增加时帧结构中控制时隙个数等于网络中节点个数，保证每个节点都能在一帧中对应的控制时隙发送控制包，减小控制信息的交互时长，并提出改进后的E-USAP协议。改进后的协议针对车载通信，典型车辆行驶过程中拓扑变化能够作出快速反应，更加适应实际场景的需求。
1 USAP协议思想
USAP协议能实现多跳分布式时隙分配的核心在于邻节点间控制信息的交换和本地时隙表的更新，该协议的帧结构如图1所示。网络中有N个节点，N个时帧组成一个超帧，每个时帧划分为M个时隙，N和M均为常数，每帧的第一个时隙分配给一个固定节点来发送控制分组(NMOP)，F为信道个数。
NMOP包括两种类型的USAP协议信息：第一种为新时隙的声明和确认，另一种为已存在的时隙分配信息的比特图。每个节点都会在对应的控制时隙中发送NMOP包，对应的邻节点接收到NMOP包后解析出包中信息并更新自己的本地时隙分配表，并在对应自己节点ID号的时帧号中广播自己的控制包信息，这样将时隙分配信息发送至两跳范围[9]。
2 基于USAP改进的协议
2.1 协议帧结构
为了简化协议设计，本文只考虑单信道情况下的时隙分配情况，即F=1。改进后的E-USAP协议帧结构如图2所示，其中时隙0～(N-1)是控制时隙，时隙长度为t0；时隙N～(N+M-2)是数据时隙，时隙长度为t1。对于USAP协议节点经过一个超帧才能完成一次控制信息的交互，一个超帧长度为N×(t0+(M-1)×t1)，改进后的协议增加了每一帧中控制时隙的个数，使每个节点都能在一帧对应的控制时隙中发送控制包，节点经过一个时帧就可以完成一次控制帧的交互，一个时帧长度为N×t0+(M-1)×t1。
2.2 节点时隙更新算法
时隙分配表包括每个时隙的使用状态和使用节点ID号，即用一个状态序对表示(时隙使用状态，使用节点ID)。状态序对分为4种情况：
(1)（0，-1）表示该时隙没有被本节点的邻居节点占用；
(2)（1，本节点ID号）表示该时隙被本节点占用；
(3)（2，邻节点ID号）表示该时隙被本节点的一跳邻节点占用；
(4)（3，使用节点ID号）时隙分配产生冲突。
当节点接收到控制包时，根据时隙状态更新函数对时隙进行更新。
时隙更新函数伪代码：
void slot_update(){
switch(1){
case(state 1):{
if(本地状态为(2,邻节点ID)) 本地状态更新为
(0,-1);break;}
case(state 2):{
if(本地状态为(0,-1)) 本地状态更新为(2,邻
节点ID);
if(本地状态为(2,使用节点ID)){
if(使用节点ID!=本节点的邻节点ID)
本地状态更新为(2,发包节点ID);
if(使用节点ID==发包节点ID)&&(使用
节点ID==本节点的邻节点ID)
本地状态更新为(3,min(使用节点ID,
邻节点ID));} break;}
case(state 3):{
if(使用节点ID==发包节点的邻节点ID)
&&(本地状态为(0,-1)||本地状态为(2,使用节点ID))
本地状态更新为(2,使用节点ID);break;}
case(state 4):{
if(使用节点ID==发包节点的邻节点ID)&&
本地状态为(1,本节点ID)&&(使用节点ID<本节点ID)}
本地状态更新为(2,使用节点ID)；break;}
3 协议性能仿真及结果分析
3.1 协议仿真
为了考察协议的性能，在OPNET平台[10]下进行仿真。仿真参数如下：场景大小为1 500 m×1 500 m，节点个数为6个，节点的通信范围为300 m，数据传输速率为11 Mb/s，包大小为900 bit，控制包中NMOP包大小为80 bit，请求时隙包大小为88 bit，释放时隙包大小为96 bit，业务分组到达间隔服从指数分布，其平均值可调整，控制时隙t0为0.07 ms，数据时隙t1为1 ms。
3.2 不同静态拓扑条件下仿真结果分析
选取6个节点组成分布式、链状、星形、环状4种典型拓扑结构，如图3所示，仿真实现不同拓扑结构下两种协议的网络组建时间，即从第一帧开始一直到每个节点在一帧的数据时隙内都可以发送数据所用的时间。由理论分析可知，E-USAP是在USAP协议基础上增加了每帧的控制时隙个数，对于USAP协议，通过一个超帧才能实现所有节点一次控制帧的交互，而E-USAP协议在一帧的时间内就可以实现控制帧的交互，大大提高了协议效率。
4种不同拓扑条件下网络组建时间比较如图4所示，可以看出，对于分布式网络，原有协议网络组建时间在0.088 1 s左右，改进后协议在0.018 3 s左右，大约缩减到了1/5；对于链状、星形、环状网络，原有协议网络组建时间在0.03 s左右，改进后的协议在0.004 s左右，大约缩减到了1/7～1/6。所以E-USAP协议相对于原有的USAP协议，其网络组建时间大幅度减小，节点能够在较短时间内完成组网。
3.3 分布式动态拓扑条件下仿真结果分析
针对分布式拓扑结构，仿真模拟节点5在预定轨迹上运动，运动轨迹及参数如图5所示，节点移动速度为30 m/s，共定义5段轨迹，每段轨迹运动结束之后停留2 s。
在OPNET仿真程序中，设置包的到达间隔均值，可以得到仿真网络在不同负载下的性能指标并评估两种协议的吞吐量，即表示单位时间内网络中所有节点成功接收数据分组的总量和时延，亦即源模块产生数据分组到目的模块接收到数据分组的时间。协议吞吐量性能比较如图6所示，时延性能比较如图7所示。
由图6可以看出，当节点移动产生拓扑结构的改变，改进后的协议能够更快地作出反应，减小因拓扑结构改变导致的包冲突。在负载达到3.2 Mb/s时，两种协议吞吐量达到稳定，E-USAP协议约为0.97 Mb/s，USAP协议约为0.84 Mb/s，吞吐量相对于原有协议提高了15.5%。
由图7可以看出，E-USAP协议时延总低于USAP协议。E-USAP协议和USAP协议在负载达到3.2 Mb/s时时延趋于稳定，E-USAP协议约为1.36 s，USAP协议约为1.71 s，时延减小了25.7%。这是因为原有协议控制包交互一次需要一个超帧，当拓扑变化时，不能及时作出反应，导致包冲突加剧，发送包时间加长。
从上述分析结果得到，当节点移动速度为30 m/s时，可以模拟典型车辆行驶过程中拓扑变化的场景，改进后的E-USAP协议在一个时帧中可以实现所有节点控制时隙的交互，在网络达到稳定时，吞吐量相对于原有协议提高了15.5%，时延减小了25.7%；在静态拓扑条件下，改进后的E-USAP协议缩短了1/6～1/5的网络组建时间，使节点能够快速组网。
4 结论
本文针对原有协议中存在的无法快速适应Ad Hoc网络拓扑变化及组网时间较长等问题进行改进。在静态拓扑条件下，能够减小网络组建时间，使节点快速入网；在动态拓扑条件下，改进后的协议在网络稳定时相对于原有协议具有更好的吞吐量和时延性能，解决了原有协议无法适应车载网络结构快速变化的问题。但是协议帧结构中的时隙总数是固定的，没有使时隙利用率最大化，因此时帧长度随着拓扑结构变化动态可变将会是未来研究的重点。
参考文献
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