动态TDMA资源分配方法研究与实现

【摘要】针对TDMA机制存在的问题,文章提出了一种动态TDMA方法(DTDMA)并对其参数作了分析,描述了时隙动态调整的过程,最后通过与标准TDMA的比较和仿真验证了其可用性。

【关键词】DTDMA TDMA 时帧结构 时隙调整

在无线组网领域大量采用TDMA接入控制方法, TDMA接入控制的特点是当网内成员被控制在一定规模内,并且成员关系相对稳定时,可以预先进行时隙分配且无需中心控制,从而达到控制简单、信道利用率较高的效果。但是在某些应用场合下,网内成员的规模是不稳定的或不可预知的,成员出、入网频繁,成员信息发送量突发变化多,此时TDMA接入控制方式会暴露出控制方式不够灵活、时隙资源利用率低的缺点。本文针对成员规模不稳定或不可预知的无线TDMA网络,提出一种动态TDMA方法(简称DTDMA),合理动态地调整各成员所拥有的时隙资源,提高信道利用率。

1 DTDMA的基本思想

1.1 问题的提出

TDMA是一种按时间片来划分每个成员信息发送时机的接入控制方式,它将时间轴划分成一定长度的、周而复始的时帧,时帧内部为各个成员分配工作时隙以发射信号,在不发射信号的时隙则接收其他成员所发射的信号。时帧就是一个网络循环周期,时帧的结构决定了各个成员的时隙排列,表明了其发送顺序和发送起始时刻及持续长度。传统TDMA的时帧结构划分见图1:

多个时帧构成一个时元以便于管理。传统的TDMA机制下,根据网络成员的数量、成员信息发送量等初始输入进行统一规划,产生静态的时帧结构,配置在每个成员的控制器中,在运行中保持不变。这样的机制隐含着两个方面的问题[1,2]:

(1)系统运行过程中,当成员退网、入网行为较普遍时,原规划的时隙经常有闲置状况,而新成员的加入则意味着产生重新规划的要求,这将影响系统的连续运行。

(2)当网内成员信息发送量在时间轴上分布不均匀时,会出现系统资源分配不合理的问题。也就是说某些成员信息有突发时,静态的时隙资源可能无法保证其无阻塞发送,而同时其他一些成员的时隙资源却闲置着。

1.2 DTDMA基本策略

建立在时隙动态调整思想上的DTDMA是对TDMA机制的一种修正,其基础仍然是TDMA,目的是通过一种自适应机制使得TDMA网络在不被中断的情况下,动态地更改各成员拥有的时隙长度和数量,以适应拓扑和成员消息量变化,提高系统的信道利用率。

时隙动态调整的基本策略包括如下几方面:

(1)决定成员发送时机的仍然是时隙,并且在某个时段内,各成员被分配的时隙资源相对固定;但是长期来看却不是一成不变的,而是允许按照一定的规则和方法进行自动调整,具有空余时隙资源的成员出让一些时隙给那些当前产生拥塞的成员。

(2)时隙动态调整过程是在成员之间协商完成的,无需中心控制。

(3)引入mini-slot的概念,作为时隙调整的基本单位。

(4)为每个在网成员提供基本时隙,以保证其拥有基本的发送权利。为每个成员提供可分配时隙,可以申请和赠予。为所有成员提供可竞争使用的中断时隙,进行信令控制。

(5)成员退网收回其时隙资源,新的成员加入时为其分配基本时隙和可分配时隙。

2 DTDMA方法的参数分析

2.1 时帧长度

时帧长度Tf,即DTDMA网络运行中一个时帧占用的时间长度,根据网内用户数量和网内需要循环发送的消息的周期率而定。在DTDMA系统中如果采用固定长度的时帧长度,则系统协议简洁、控制实现简单;而如果网内用户数量变化大,也可以采用可变时帧长算法,需要启用相应的协议过程,实现复杂。

2.2 最小时隙资源调整量

本文的DTDMA方法引入mini-slot的概念,作为DTDMA时隙调整算法中的最小时隙资源调整量。mini-slot的长度Tms与波形特性相关,表征具备发送这种波形下的最小信息单位长度的能力。

2.3 最小时隙长度

在DTDMA时帧结构中,根据传输的要求,为满足成员的可用数据流量,需确定用户时隙的长度下限。以mini-slot为计量单位,最小时隙长度MASS(Minimum Assignable Slot Size)的计算公式为:

MASS =上取整{( 时隙同步段开销+用户最小完整数据长度+成员内数传时隙保护长度+无线传输时隙保护长度)/Tms}

2.4 平均时隙长度

在DTDMA体制下由于时隙长度是可变的,所以不存在一个绝对统一的时隙长度,而只是采用平均时隙长度来衡量各成员发送时机的资源,作为时隙动态调整协议的算法依据。平均时隙长度AASS(Average Assignable Slot Size)的计算公式为:

AASS =上取整{( 时隙同步段开销+业务平均单位数据长度+成员内数传时隙保护长度+无线传输时隙保护长度)/Tms}

3 时隙动态调整过程

为保证应用数据消息的时效性,应保证消息端到端的传输时延在允许范围内,以此为目标的时隙动态调整算法需要包括几个基本过程:初始分配、运行监视、调整决策、调整申请与应答。其整体框图见图2:

网内每个成员需要监视和维持几个数据表:成员地址表Ai,成员时隙表Ti,成员发送负荷表Xi,成员优先级表Pi。则调整算法函数为:

F=f(Ai, Ti, Xi, Pi)

算法中为保证调整效率,每次选择拥有最多空闲分配时隙的成员进行时隙申请调整。每次调整的数量要能够发送自身当前超负荷消息量,以保证下一个循环周期中能够将剩余消息全部发送。如果一个成员的可分配时隙被申请调整后仍不能满足需求,则可继续向其他成员申请可分配时隙。为减少系统震荡,出让时隙的成员的数据缓存只要不足以引起时隙调整需求,就不主动回收出让的时隙资源。

4 效果分析

4.1 与标准TDMA方式的比较

对于可动态时隙调整的DTDMA、固定时隙的标准TDMA二者的性能进行分析与对比,主要考虑的指标包括:各成员消息到达率服从泊松分布时网络的最大吞吐量(从而比较信道利用率),以及网络正常与拥塞情况下的时延特性[2,3]。作为原理性分析,这里假定每个时帧周期中为每个成员分配一个时隙。

假设两种体制下每时隙平均长度均可传递N个字节数据量,成员数为I,则固定时隙的标准TDMA只有在消息均匀分布于各成员时才能够接近N*I,而可动态时隙调整的DTDMA则可以稳定地将最大吞吐量逼近N*I。

标准TDMA中成员在一个时帧周期内消息到达只要不超过每时隙平均长度可传递的N字节,就可在一帧中传输完成,时延平均为Tf/2。当某些成员消息突发超过N字节时,消息时延将会超过一个时帧,平均为(m×Tf+ Tf/2),其中m为剩余消息量与成员每时隙传输能力比值的下取整。而当成员剩余消息长时间大于N字节时,消息时延将会趋于无穷大,由于系统内存有限,很容易发生消息丢弃现象。

DTDMA中成员在一个时帧中消息到达只要不超过N字节,就可在一帧中传输完成,时延平均亦为Tf/2。当某些成员消息突发超过N字节时,在调整算法未启用前,少量消息时延会超过Tf,但通过调整时隙长度后续消息时延将会控制在Tf内。如果总的消息量未大于系统的最大吞吐量,可以通过调整,使消息的时延控制在有限范围内来满足消息近实时的要求。

4.2 仿真效果

使用OPNET工具对标准TDMA、DTDMA方法进行建模和仿真,比较信道利用率。其中TDMA接入控制方式的时隙初始时固定分配,DTDMA接入控制方法需要处理“初始化开始”、“运行监视”、“时隙申请”及“时隙出让”等事件,根据不同的协议请求,实现组包、发包、动态出让时隙、更新时隙表等功能。

为了具有可比性,仿真实验中TDMA、DTDMA的运行条件设为相同:无线网络覆盖范围为350km×350km,组网成员共50个在网络中随机分布。时帧长度统一设定为12秒,初始运行时各个成员均匀占有时隙资源。并设定每个成员无线信道数据传输速率为30000bps,成员每次产生的数据包长度平均为36字节,并可在一定范围内(Nmin字节～Nmax字节)变化。设R=Nmax/Nmin,分别在R=1、2、3时进行仿真,仿真时间都为60分钟。

最终得到的不同突发消息量下的信道利用率,如图3所示:

由图3可以看出,当网内各个成员信息流量固定时,TDMA、DTDMA的效率大致相似。当各个成员信息流量不均匀时,DTDMA方法能产生较好的信道利用率增益,只要系统中有可借用的时隙资源,就可通过几次调整达到对突发消息传输能力的要求,从而充分利用信道。

5 结束语

DTDMA能够适应无中心自组织、有较高抗毁性要求、各成员信息流量不均匀的无线互连网络的链路层接入控制,使得成员之间的时隙资源分布能够适应成员信息流量的动态变化。它支持系统运行过程中的成员入网、退网过程,并充分利用了退网成员的时隙资源,提高了信道资源利用率。

参考文献

[1]郝莉,陈彦辉,张彪. 一种适于AD-HOC网的改进型TDMA协议[J]. 北京电子科技学院学报,2005,13(420): 37-39.

[2]Gianfranco Pierobon, Zanella A, Salloum A. Contention-TDMA Protocol: Performance Evaluation[J]. IEEE trans. on Vehicular Technology, 2002,51(4): 781-788.

[3]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,2003,34(4): 13-14.