分布式TDMA网络的时隙设计技术

【摘 要】时隙分配是分布式TDMA组网的一个基础性工作，直接影响到Ad hoc网络的性能。为支持低延迟数据业务，通常选择TDMA组网技术，但常规的固定时隙TDMA网络对时隙的利用率较低。提出了一种基于跳频的固定时隙分配和动态时隙分配相结合的TDMA时隙资源管理技术，有效地解决了TDMA网络的不同类型用户信息传输时隙分配问题。

【关键词】分布式 TDMA组网 时隙 子帧

1 引言

无线电台（窄带电台或宽带电台）经历着一场从点对点通信保障模式向网络化通信保障模式的转变。由于许多场合不易建设基础设施，Ad hoc网络越来越受到重视。

由无线电台构成的Ad hoc网络是一种分布式对等网络，每个电台作用和功能相同，网络具有自组织性，网络的抗毁能力强。Ad hoc网络常用于有干扰的环境以及野外施工、军事战场等场合。但是正因为它没有中心节点（节点具有移动性），导致了它的数据发生碰撞的概率高，网络业务的传输保障达不到使用要求。Ad hoc网络的这种固有缺陷，可以通过在网络的MAC层上，设计并采用TDMA信道接入控制机制，减少数据碰撞概率，增强节点接入信道的公平性。因此，无线电台的分布式TDMA组网已经成为有普遍需求的基础技术。

2 分布式TDMA网络的难点

TDMA方案通过在信道上划分节点工作时隙，增加节点接入无线网络的机会。TDMA网络有两种典型的模型，一种是点对多点网络拓扑，通过中心点集中控制的时隙分配模式，但不能满足TDMA网络的抗毁性要求；另一种是分布式TDMA网络拓扑，由于不需要中心站、易建设，通常是无线电台TDMA组网的首选方案，这样可以确保节点接入无线网络公平性，但时隙分配的不合理将降低时隙的利用率。如何增加时隙的利用率是引入这种分布式TDMA网络的难点。本文基于分布式TDMA网络的时隙划分，研究如何有效地管理分布式网络的TDMA时隙资源，使网内用户高效地共享信道资源，提高这类Ad hoc网络的时隙利用率。

为提高时隙的利用率，参考WNW波形的USAP（Unifying Slot Assignment Protocol）协议技术原理，提出了一种固定时隙分配和动态时隙分配相结合的分布式TDMA时隙分配解决方案，给出了TDMA的时隙、子帧和帧结构，说明了动态时隙进行分配的过程。

3 TDMA时隙分配

3.1 分配策略

由无线电台构成的分布式网络中，一般没有对时隙进行集中式管理的功能实体。分布式网络的TDMA时隙分配必须有一定的分配策略和网内协调机制。目前时隙分配策略主要有固定分配和按需分配两种，网内协调则是通过TDMA的管理时隙而实现。

固定分配不需要对时隙资源进行管理，一跳距离的传输时延很小、碰撞很低，但是对节点数量变化的适应性差，增加节点或减少节点都会使网络重新配置。此外，两跳或两跳以上的用户信息传输需要在后续帧中继，传输时延迅速增加。

按需分配则需要对时隙资源进行管理，既能保证多跳数据传输的时延较小，又能保证数据传输的通过率较高。按需分配时隙必然有信道资源开销，不适合于网络维护信息，如拓扑更新、态势信息的传输，而适合于用户信息的传输。按需分配是一种动态时隙分配技术。

对于电台网络，网络业务具有不确定性，多数无线电台的分布式TDMA时隙分配，宜采用动态分配和固定分配相结合的分配策略，即根据网络中信息流量的大小和类型，固定或动态分配相应的时隙。网络维护信息、态势信息等，可固定分配；用户信息的业务流量时大时小，宜动态分配；管理时隙，宜固定分配。这样的时隙分配策略既兼顾了多种业务传输的需要，又具有灵活和简单的特性。

3.2 信息格式

通常在一些存在干扰的工作环境中，采用跳频技术实现抗干扰传输能力。因此，TDMA的时隙是按突发跳进行设计的。突发跳帧结构根据业务的不同，分以下两种，如图1所示。对应的信道速率为500kbps。

（a）控制/同步突发跳帧结构

（b）业务突发跳帧结构

图1 突发跳的比特信息格式

3.3 TDMA子帧

基于图1所示的跳帧结构，为了适应业务传输的需要，分布式TDMA网络的控制平面和数据平面可采用三种时隙：超短时隙、短时隙、长时隙。

1）超短时隙是管理时隙，时间长度为连续4个跳周期，即2ms，用于节点申请时隙的交互协调。

2）短时隙也是管理时隙，时间长度为连续10个跳周期，即5ms，用于传输网络维护信息和态势信息。网络维护信息周期地发送，发送周期约为24s。

3）长时隙是业务时隙，时间长度为连续100个跳周期，即50ms，用于传输用户信息。

TDMA子帧是定义在上述三种时隙上的帧结构，相应地也有三种：超短子帧（SSTN）、短子帧（STN）、长子帧（LTN）。

1）超短子帧用于分布式TDMA网络的控制。为了避免一跳距离的时隙冲突和两跳距离的“隐终端”现象的发生，超短时隙必须为节点数的5倍。在超短时隙构成的子帧内，每个节点固定分配5个超短时隙。

2）在短时隙构成的子帧内，每个节点固定分配一个短时隙。因此，N个节点的短子帧分配10Th×N周期。同样，短子帧也用于分布式TDMA网络的控制。

3）长子帧为网内节点共用时隙帧，数量为节点数的4倍，以保证三跳距离中继能在一个由长时隙组成的TDMA长子帧内完成。

长时隙动态分配的结果通过超短子帧进行指示。因此，节点可以预约长子帧，长子帧对应TDMA网络的业务子帧。

对一个节点数为N的分布式网络，三种帧的结构如图2所示。N先有一个缺省值，经过网络的运行后，动态调整到实际值。其中Th为跳周期。

3.4 TDMA帧

TDMA帧是定义在TDMA帧上的结构，周期为24s左右。

对一个节点数为N的分布式网络，在TDMA帧周期内，含短子帧一个，超短子帧和长子帧各M个（M=（24000-10N）/220N的数据最接近整数）。TDMA帧结构如图3所示。

由M的计算公式，网络最大节点数可达到110个。在最大节点数下，各个节点约在24s内平均发送一次数据，发送一次网络维护信息。如果节点数减少到32个，则每个节点约在24s内平均至少发送3次数据，发送一次网络维护信息。

4 结论

CSMA采用载波侦听的方式可以提高信道利用率，但节点退避竞争信道方式信息延迟过大，因而无法适用于实时的业务。基于固定分配时隙的TDMA方案，具有数据低延迟特性。但时隙分配后，工作节点对信道的利用率却降低。本文通过在TDMA帧中进一步细化长子帧、短子帧和超短子帧，在每个节点引入控制子帧和业务子帧，活动状态的节点通过控制子帧来完成业务子帧的预约，并通知到TDMA网络的其它节点，实现活动节点对信道时隙的充分利用。在保持低碰撞概率的同时提高了时隙的利用率。

本时隙分配技术经过工程验证，证明可以有效地避免数据信息碰撞，数据业务传输的延迟较低，适应活动节点对低带宽和高带宽各类业务传输要求。

参考文献：

[1] 刘鑫，马正新，石荣. 基于TDMA卫星通信的上下行带宽分配策略分析[J]. 移动通信， 2011（14）： 38-42.

[2] 严忠，齐忠杰. 动态TDMA资源分配方法研究与实现[J]. 移动通信， 2010（6）： 41-44.

[3] 刘阳. 分布式无线智能接入技术研究[D]. 西安： 西安电子科技大学， 2012.

[4] 张俊强，许宗泽，胡战虎. 一种用于无节点战术数据链的TDMA协议[J]. 航空电子技术， 2003（4）.

[5] 王宝康，陈强. 一种改进的Ad hoc网络中动态TDMA时隙分配方法[J]. 电子世界， 2011（14）.