基于Ad Hoc网络改进的TNMA时槽分配算法
关键词：Ad Hoc网络，动态TDMA,插槽分配介绍
摘要-传统动态TDMA算法的槽分配基于不同的优先级。当存在大量优先级相同的节点时，无法及时处理请求，导致通道访问延迟差距较大。本文对传统动态TDMA的优先级进行了修改，以确保相同用户优先级分配的公平性，更适合于大规模自设网络。
第一章 绪论
Ad Hoc网络可以提供方便、灵活的通信，而不需要传统基础设备[1]的支持。Ad Hoc网络是无中心、自组织、自由移动等待等现代战场的首选技术。
在无线网络带宽有限、功率有限的情况下，MAC协议在资源重用方面有效，避免拥塞和冲突，实现公平、能源效率和可靠性[2]。在最小的情况下，Ad Hoc网络必须确保具有高优先级的任务能够优先级于信息交互[3]。考虑到上述因素，TDMA（时分多址）接入协议能够满足需求，因此Ad Hoc网络优先使用TDMA技术[4][5]。
根据不同的时隙分配，TDMA可分为固定TDMA和动态TDMA。在网络用户和结构稳定性的情况下，一般使用固定的TDMA协议。但在实际网络中，网络结构的变化肯定非常频繁，如外部节点登录和内部节点[6]注销。因此，固定的TDMA时隙划分将无法有效地支持网络。而动态TDMA插槽可以很好地解决这类问题。动态TDMA使用了一个优先级机制，它有几个不同优先级的成员，因为任务需求并不相同。每个用户将被分配到不同的优先级和不同数量的插槽，这可以很好地解决固定TDMA无法解决[7][8]的问题。
动态TDMA算法根据用户的优先级分配时隙。 仿真结果表明，当存在大量具有相同优先级的请求时，无法及时处理该请求[9]。 而动态TDMA的请求总是在变化的，每个用户的访问在足够长的时间内应该基本相同，以达到均衡。 但是，如果请求时隙两端具有相同优先级请求的用户分布，则信道访问时延会有很大差距。 因此，本文对优先级进行了修改，以保证具有相同优先级的用户之间时隙分配的公平性。
- 基于改进的动态TDMA算法的研究
2.1 TDMA介绍
随着数字通信和卫星通信技术的发展，TDMA技术随时代的需要而出现。20世纪60年代中期，卫星通信系统采用频分多接入FDMA。为了解决由非线性应答器引起的互调制效应，人们开始研究TDMA技术。
TDMA技术在第二代移动通信系统中处于领先地位。自1980年左右，以FDMA技术为基础，第一代模拟蜂窝移动通信系统建立，用户数量在短时间内急剧增加，系统容量的设计远远不能满足市场的需求。出现了容量不足、阻塞和中断率增加、系统干扰增加、单一业务增多等诸多缺点。这推动了第二代移动通信系统的发展。在90年代，基于TDMA技术的第二代数字蜂窝移动通信系统在地面移动通信系统中处于领先地位。事实上，TDMA与FDMA混合使用，以更好地利用频率资源。
TDMA将时间划分为不重叠的时间段（帧），将帧划分为不重叠的时隙（信道），与用户有一种对应关系。 根据时隙区分不同地址的用户信号，从而完成多址连接。 这是通信技术中基本的多址接入技术之一，是一种数字传输技术，将射频划分成不同的时间间隔来分配给多个呼叫方[12]。
在满足定时和同步的条件下，基站可以接收每个时隙中的每个移动终端的信号，并且移动终端的信号不能混合[13]。同时，从基站发送到多个移动终端的信号按顺序排列，并在预定的时间槽内传输。只要在指定的时间槽内接收到该移动终端，该信号就可以发送到该合成信号中的该移动终端，并且可以区分该接收机。与FDMA相比，TDMA具有通信质量高、保密性好、系统容量大等优点。但它必须有精确的定时和同步，以确保移动终端与基站之间的正常通信。在2G(GSM)中，移动通信系统被广泛应用于卫星通信和光纤通信技术[14]。
TDMA协议将时间轴的形成划分为某些元素。每个元素都被划分为时间段。在每个时间元件中，向每个网络站分配一定量的时隙来发送信号，并且非发送信号的时隙用于接收由其它站发送的信号。每个网络站点都有一个准确的时钟，为了实现时分多址工作，它应指定时钟的一个站点作为基准，时钟的另一个站点被预测形成一个统一的系统时钟[12]。
TDMA网络的时隙划分方法应根据通信的实际需求来确定。网络的时隙划分必须满足通信的实时需求，同时也要考虑网络的效率。当间隙较小时，网络的实时性能较好，但效率太低，时隙太长，无法保证通信[13]的实时性能。TDMA协议是用于数据通信的高实时要求。TDMA主要具有以下特点：
- 通过给每个用户分配一个不重叠的时隙，使N个用户可以共享相同的载波频信道，使TDMA的带宽利用率高，系统容量大。
- N个时分信道共享相同的载波信道，其带宽相同，所以N个时分信道只需要一个收发器，而且间调制干扰很小，基站设备的复杂性也很小。
- 更宽的传输带宽。在电路频谱效率方面，TDMA的频带比FDMA更宽，有利于提高干扰和多路径衰落，并可以提高通信质量。
- 在TDMA系统中，为了充分利用时间资源，应将保护时隙压缩到最小。 但是为了缩短保护时隙，传输信号的时隙边缘要被显着抑制，会使传输信号的频谱扩展并导致相邻信道的干扰。
2.2算法描述
TDMA操作模式的最小单位是“时隙”，时间段划分为时间元，然后时间段划分为64个时间段，一个时间段划分为1536个槽，每个时隙7.8124ms。一个时隙格式的管道结构如图 1所示[10][11]。
图 1时间槽格式的卡车运输。
在固定的TDMA中，C的整个信道宽度可以平均分配给M个用户，每个用户只能在分配的C/M的时隙内发送数据。在其他插槽中，它只能接收数据[14]。因此，在整个信道传输过程中，信息传输过程中的任何一个用户都不会受到其他用户的影响，一个周期中的每个用户只占用一个单独的C/M时隙[15]。对于下一个周期，每个用户可以继续发送C/M时隙数据，该周期将持续到结束。
动态TDMA协议将长度为C的时间帧划分为固定的分配时间槽和保留的分配时间槽。插槽分配的规则如下所示：为网络中的所有用户分配一个固定的时间槽，共n，然后留出一个响应时间槽，将剩余的C-n-1插槽分配给根据优先级[10]需要额外分配时间槽的用户。
用户可以在分配的时隙中请求数据传输，其中包括时隙数的数量和任务请求[15]的优先级。要应用更高的优先级，您可以分配时隙优先级。本文将优先级分为4级（1级最高，4级最低）。
用户的任务请求处理的顺序主要由数据的优先级和动态TDMA算法[16][17]的优先级决定。因此，根据这两点，对优先级算法进行了修改。
假设节点A请求一个优先级为q，时间槽数为j的应用程序。在此时间段之前，节点A也应用于相同的优先级任务(q)，然后将节点A的任务请求，将q修改为Q：
（1）
m取决于优先级的数量，n的值取决于请求的时隙的数量。
2.3帧格式
帧格式如图 2可分为控制信息帧时隙、响应时隙和数据帧时隙3个部分。
控制消息帧时隙：首先为每个簇成员分配一个固定的时隙请求帧，共N个。每帧结束后改变用户请求帧的时隙位置。 轮换机制，避免在预留时隙稀缺时，后面的用户没有分配到预留时隙。 轮换机制保证了每个用户在每个时隙中的位置更加统一，从而保证了用户的公平性。
图 2动态TDMA帧格式。
用户可以在分配的时隙中请求数据传输，这需要包括时隙数和任务的优先级。通过这种方式，可以比较应用更高优先级的用户，以便首先获得时间槽。为了尽可能保证数据帧时间段的分布，应用的时间段数是默认应用程序时间段值的两倍，不需要发送数据的用户不需要申请时段。
响应帧时隙是指广播集群节点的数据时隙分配。集群中所有集群成员所请求的时隙信息将汇总在集群头中。之后，集群头将比较每个节点时隙的优先级：在低优先级请求之前安排高优先级请求，对相同优先级的请求进行及时排序。时隙分配完成后，集群头广播时隙分配方案。
根据固定时间隙中的每个节点应用于额外的时隙的情况来确定数据帧时隙。当许多用户申请预留槽时，将根据优先级分配。
2.4改进后的动态TDMA算法的时隙分配过程
具体的优先级校正算法如下：
通过对优先级的修改，我们可以区分具有相同优先级的时隙请求，以避免分配[18]的不公平。
假设表 1显示了4个用户的优先级应用（1-4，优先级最高），在传统的动态TDMA算法中，如果E的用户想要在第三个时隙得到优先级1的插槽分配，在其他用户得到优先级1[18]的插槽分配后才能得到插槽分配。此时，A、B、D和F已经分配了两个时隙。这就导致了具有相同优先级的用户的时隙分配的不公平。因此，优化优先级修改[19]优化动态TDMA协议是非常重要的。
表 1 7个用户的优先级应用程序
结合（1），我们在C的四个时隙中修改了优先级(假设m=100，n=10)。
第一次时槽优先级被修改为
第二个时槽优先级被修改为
第三个时槽优先级被修改为
第四个时槽优先级被修改为
通过（1），我们修改了所有的优先级，如表 2所示。
表 2 修改优先级
以优先级为1为例，修改后的优先级按大小排序，见表 1（最小到最大），在相同优先级的情况下，因为用户E应用了最小的时间槽号，并且以前没有应用于优先级任务。
表 3 修改算法的优先级级别为1
如表 4和表 5所示，修改后的优先级2和3根据数字（最小到最大）进行排序，在相同优先级的情况下，原始动态TDMA算法将分配应用早期[20][21]的时隙。
表 4 修改算法的优先级为2
表 5 修改算法的优先级为3
优先级2的时隙分配为10次，A、C、E、G已经应用了两次。在修改算法之前，如果G想要在第三时隙中获得优先级2的分配，只有A和E得到两次分配才能得到分配。修改算法后，G将首先得到分配。因为G只应用了1个时隙，所以修改后的时隙分配是更公平的[22]。
总之，修改后的TDMA协议的时隙分配原则是：总体而言，根据优先级进行时隙分配，如果有超过1个用户应用了相同优先级的时隙分配，我们将与应用的时隙的大小进行比较，并根据首先应用的
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