紫外光Ad Hoc网络中的TDMA时隙分配算法分析

陈谋，李晓毅，王申涛，李海涛（重庆通信学院，重庆400035）

紫外光Ad Hoc网络中的TDMA时隙分配算法分析

陈谋，李晓毅，王申涛，李海涛
（重庆通信学院，重庆400035）

摘要：归纳总结了现有无线电中的TDMA时隙分配算法，分析了Ad Hoc网络对TDMA时隙分配算法的影响。从紫外光大气传输特性出发介绍了紫外光定向技术，并分析了紫外光定向技术对时隙分配算法的具体影响。

关键词：紫外光通信；Ad Hoc网络；时隙分配算法

0　引言

紫外光通信作为一种新型的无线通信手段，一直受到军队的高度关注。国外现已研制出可实现点对点非视距通信的样机，但由于紫外光非视距通信距离有限，点对点（Ad Hoc）通信不能满足实际战场需要，各国军方开始对紫外光通信组网进行研究。由于Ad Hoc网络具有传输距离较远和网络抗毁性强的优点，能弥补紫外光点对点非视距通信的不足，满足当前战场环境的需要，因此，紫外光Ad Hoc网络越来越受到研究者的重视。因为当前紫外光通信硬件上还达不到频分多址（FDMA）有效划分频谱的要求，码分多址（CDMA）系统在设计和实现上又过于复杂，所以本文在紫外光Ad Hoc网络中使用时分多址（TDMA）接入方式。

1　TDMA时隙分配算法

无线电中现有的TDMA协议的分类如图1所示。基于固定分配算法的TDMA协议将时间分割成时帧后，每一帧都被分成固定数目的时隙，且每个节点分配的时隙都是唯一且固定的，网络中的节点根据预先约定的算法使用时隙。该算法容易实现且不会产生时隙冲突，但具有不能满足多个节点同时发送信息和无法对存在突发性业务的节点进行有效时隙分配的缺点。比较有代表性的是启发式时隙分配算法[1]、有序节点染色算法[2]和均域退火算法[3]。

图1　TDMA协议分类

基于动态分配算法的TDMA协议是在节点需要发送数据时才给其分配所需时隙，数据发送完毕后，不再将时隙分配给该节点。

基于集中式动态时隙分配算法的TDMA协议一般存在一个获知整个网络节点信息的中心控制节点，该中心节点为整个网络中的节点进行时隙分配。但是，当中心节点遭受摧毁时，整个网络便不能工作，导致采用该协议的网络抗毁能力较差。具有代表性的是集中式轮询协议[4]。

在分布式动态TDMA协议里，网络中的各个节点通常根据某个固定的规则，对各自的传输时隙进行预留。

基于拓扑透明特性的分布式动态TDMA协议在为节点分配时隙时，不需要考虑当前的局部网络拓扑信息，网络开销较小，但也因此导致节点间进行数据传输时产生较多冲突。具有代表性的是Chlamtac等提出的扩时多址接入协议（Time Spread Multiple Access，TSMA）[5]。

基于拓扑依赖特性的分布式动态TDMA协议在分配时隙时只需要考虑网络拓扑信息，根据是否需要提前收集领域信息分为两类：一类是各节点先通过交互控制信息来收集领域信息，再根据收集的领域信息进行时隙分配，其中比较有代表性的是统一时隙分配协议（Unifying Slot Assignment Protocol，USAP）[6]；另一类是通过控制包的交互，直接解决领域内的冲突，进行时隙预留，其中具有代表性的是五步预留协议（Five-Phase Reservation Protocol，FPRP）[7]。由于该协议考虑了网络拓扑信息，因此可以降低时隙冲突，能高效地进行时隙分配，但其实现一次时隙分配的时间较长，不能适应网络拓扑的快速变化。

基于混合分配算法的TDMA协议将时隙固定分配给对应的节点，同时在不干扰该时隙使用节点的前提下，允许其它节点竞争该时隙。比较有代表性的有PTDMA协议和ABROAD协议[8]。

根据以上分析可知，针对不同的网络形式和性能指标要求可采用不同的时隙分配算法。为探索出适用于紫外光Ad Hoc网络的TDMA时隙分配算法，本文分析了Ad Hoc网络和紫外光传输特性对时隙分配算法的影响。

2　Ad Hoc网络对TDMA时隙分配的影响

Ad Hoc网络是动态无中心的，没有专门的中心节点来处理时隙分配。在基于固定时隙分配算法的TDMA协议中，每个节点都必须分配唯一且固定的时隙。因此，随着节点数的增加，所需的时隙数目也相应增加，在网络总带宽一定的条件下，每个节点使用的带宽减小，传输时延增大。这种时隙分配方式限制了网络的容量，由于Ad Hoc网络的节点数量不定，会出现传输时延随节点数增加而变大的问题，因此，固定时隙分配算法的TDMA协议不适用于Ad Hoc网络。

由于Ad Hoc网络特有的组网模式，其信道接入协议面临着多跳信道共享方式、隐藏终端、暴露终端和节点移动性影响等问题，影响了时隙分配算法的设计。因此，在设计适用于Ad Hoc网络的TDMA时隙分配算法时，应考虑以下几个方面：

①在Ad Hoc网络中，只有在节点两跳邻域范围内的信息传输才会产生冲突。因此，在进行时隙分配时，节点可以不需要知道整个网络的时隙分配情况，只需保证与邻域内节点分配的时隙在传输时不发生冲突或尽可能减少冲突即可。

②由于Ad Hoc网络中每个节点共享无线信道，节点间的地位是对等的，如何保证各个节点接入的公平性非常重要，如果网络长期被少数几个节点间的通信链路抢占，其余链路因无法发送数据会处于“饿死”状态。因此，在设计时隙分配算法时，应着重考虑节点接入信道的公平性。另外，对于军用Ad Hoc网络来说，因为网络中节点收集到的信息重要性有可能临时存在不同，所以在保证节点接入信道公平性的原则下，要确保重要信息能及时传输。

③在设计适合Ad Hoc网络的TDMA动态时隙分配算法时，会涉及隐蔽终端与暴露终端的问题。802.11中通过预约信道发送RTS和CTS帧来解决该问题，在TDMA的时隙分配过程中可以参考这种解决思路，设计相应的算法。

3　紫外通信方式对TDMA时隙分配的影响

3.1紫外光大气传输特性

紫外光非视距通信（Non Line of Sight，NLOS）有3种传输方式，如图2所示。3种方式的优缺点如下：①采用全向发送全向接收模式，节点间可以很方便地进行信息交互，但传输距离十分有限。②采用定向发送全向接收模式，通过定向传输增加通信距离，利用全向接收简化协议，但较纯定向方式，全向接收会降低协议解决冲突的能力，使定向传输被限制在全向天线的范围内。③采用定向发送定向接收模式能增加传输距离，增强协议的抗干扰能力。因此，本文主要分析该模式。

对于定向发送定向接收方式，紫外光大气传输模型采用单次散射模型[9]，如图3所示。假设发送端和接收端位于Z轴，发送光轴和接收光轴在同一XZ平面上。r为发送端与接收端之间的水平距离，θT为发送仰角，φT为发散角，θR为接收仰角，φR为接收视场角，θS为散射角，则θS=θT+θR。发送端发射的紫外光子通过自由空间衰减到达散射区域V，接收端通过收集单次散射后的光子实现非视距通信。

图2　紫外光非视距通信3种工作模式

图3　紫外光单次散射模型

其中，λ为波长，Pt为发送功率，Ke为大气信道消光系数，KS为散射系数，Ar为接收孔径面积，Ω为发送立体角，V为有效散射区域体积，PS为散射角θS的相函数。在特定仿真环境下可按式（2）设置接收功率，对传输过程和链路损耗进行模拟。

3.2紫外光定向技术

对于纯定向传输，当网络中的节点与多个节点通信时，需要考虑紫外光波束切换问题。已有研究人员借鉴无线电通信中波束切换天线的设计思想设计出一种在紫外光网络中能定向切换光束的收发装置[11]，如图4所示。其中原点表示阵元，该装置由多个阵元组成，每个阵元可以定向发送或接收紫外光信号。

图4　紫外光束切换装置

阵元数为S的理想紫外光束切换系统示意图如图5所示，光束在平面上形成了S个扇区，扇区宽度由系统阵元数确定，节点可与处于扇区内的任意节点进行通信。

图5　理想光束切换装置示意图

3.3紫外光定向技术对时隙分配的影响

紫外光定向技术扩大了传输距离，提高了数据传输速率，降低了节点发射功率和节点间的干扰，但定向光束也给时隙分配协议的设计带来了新问题。

①邻节点发现问题。在紫外光传感器网络中，节点采用定向发送全向接收的工作模式，故发送节点在发送数据前无需获取邻节点的位置信息，只需保证在节点对通信范围之内即可通信。当节点使用定向装置后，节点某时刻只能与扇区内的节点通信，因此在发送数据前，节点必须知晓目标所处的扇区位置，从而选择该扇区定向发送光束。从以上发送过程可知，在TDMA协议中的邻居发现阶段，光束必须经过多次切换才能与邻居节点交互位置信息，邻居发现是时隙分配的基础，如果不能快速且有效地发现邻居节点，必然会影响时隙分配阶段的效率。如何解决紫外光定向传输中的邻节点发现问题成为时隙分配前必须考虑的首要问题。

②新的隐藏终端问题。在802.11中，通过对信道进行预约，发送RTS和CTS帧可以解决隐蔽终端问题。但是，在定向天线引入Ad Hoc网络后，MAC层会产生新的隐藏终端问题。新隐藏终端示意图如图6所示，实线表示以节点B为圆心的定向紫外光束的覆盖范围。假设B节点向A节点发起通信请求的同时，C节点也准备向D节点发起通信请求。因为此时光束是定向发送的，所以C节点不会收到B节点的RTS帧。如果A、B节点通信结束后B节点意图与C节点通信，则必然会在C节点处与D节点发送的数据信息发生碰撞。新隐藏终端增加了数据的冲突概率，降低了网络的吞吐量。如何合理设计时隙分配算法，解决隐藏终端问题也是在组网过程中需要考虑的。

图6　新隐藏终端示意图

4　结束语

本文通过分析与归纳无线电中的TDMA时隙分配算法，总结阐述了现有的研究成果。通过分析Ad Hoc网络和紫外通信方式对时隙分配的影响，得出在设计适用于紫外光Ad Hoc网络的TDMA时隙分配算法时应考虑的问题和难点。本文的分析结果为研究人员进一步开展组网研究打下了基础。

参考文献：

[1] VUONG T H P, HUYNH D T. Adapting Broadcasting Sets to Topology Changes in Packet Radio Networks [C]. Boston,MA,USA: The 8th International Conference on ComputerCommunications and Networks, 1999.

[2] YEO J, LEE H, KIM S. An Efficient Broadcast Scheduling Algorithm for TDMAAd-Hoc Networks [J]. Computers and Operations Research, 2002,29(13): 1793-1806

[3] WANG G, ANSARI N. Optimal Broadcast Scheduling in Packet Radio NetworksUsing MeanfieldAnnealing[J]. IEEE Journal on Selected Areas in Communications, 1997,15(2): 250-260.

[4]曾勇,黄巍,杨静,等.运用动态优先级轮询机制的数据链仿真[J].电子科技大学学报, 2008, 37(2): 244-247.

[5] CHLAMTACh I, FARAGO A. Making Transmission Schedules Immune to Topology Changes in Multihop Packet Radio Networks [J]. IEEE/ACM Transactions on Networking, 1994, 2(1):23-29.

[6] YOUNG C D. USAP:A Unifying Dynamic Distributed Multichannel TDMA Slot Assingment Protocol [C]. San Francisco, CA, USA: IEEE Seventeenth Annual Joint Conference of the IEEE Computer and Communications Societies, 1998.

[7] ZHU chenxi, CORSON M S. A Five-Phase Reservation Protocol(FPRP) for Mobile Ad hoc networks [C]. San Francisco, CA: IEEE Computer and Communications Societies, 2001.

[8] CHLAMTAC I, MYERS A, SYROTIUK V, et al. An Adaptive Medium AccessControl (MAC) Protocol for Reliable Broadcast in Wireless Networks[C]. New Orleans, LA, USA: IEEE International Conference on Communications, 2000.

[9]何华,柯熙政,赵太飞.紫外光非视距单次散射链路模型的研究[J].光学学报, 2010, 30(11): 3148-3152.

[10] ZHENG Yuan X. Approximate performance analysis of wireless ultraviolet links [C]. Piscataway, NJ, USA: 2007 IEEE International Conference on Acoustics, Speech, and Signal Processing, 2007.

[11]赵太飞,柯熙政,冯艳玲.大气日盲紫外无线光组网技术研究[J].光通信技术, 2010,36 (7): 50-53.

Analysis of TDMA time slot allocation algorithm in ultraviolet Ad Hoc network

CHENMou,LIXiao-yi,WANGShen-tao,LIHai-tao
(Chongqing Communication Institute, Chongqing 400035, China)

Abstract:The paper summarizes the present TDMA time slot allocation algorithm in wireless communication, analyzes the influence of Ad Hoc network on the TDMA time slot allocation algorithm. Then the paper introduces ultraviolet orientation technique based on the ultraviolet atmosphere transmission characteristic, and analyzes the specific influence of them on time slot allocation algorithm.

Key words:ultraviolet communication, Ad Hoc network, slot assignment algorithm

中图分类号：TN23

文献标识码：A

文章编号：1002-5561（2016）01-0040-04

DOI：10.13921/j.cnki.issn1002-5561.2016.01.013

收稿日期：2015-09-21。

基金项目：重庆市自然科学基金（CSTS2012jjA40033）资助；重庆市基础与前沿研究计划项目（cstc2014jcyjA40051）资助。

作者简介：陈谋（1991－），男，硕士生，主要研究方向为无线传输理论与技术。