一種基于令牌的短波網動態時隙調整方案

劉杰 王欽為 鐘書豪

摘要：TDMA組網方式是目前一種常見的組網方式，適應性好，抗干擾能力強，廣泛應用于各類型網絡。采用TDMA協議進行組網時，最初都是靜態時隙配置，網絡化初始化階段各節點占用時隙均已規定好，系統簡單可靠;但各節點發送業務需求處于動態變化，高效的動態時隙分配方法一直是該領域研究的熱點。本文針對采用靜態時隙分配的短波網提出了一個基于令牌的改進型動態時隙調整方案，提高其時隙利用效率。

關鍵詞：TDMA;動態時隙;令牌

引言

短波具備較大的傳輸距離，大多數短波系統的無線信號具備全向性，因此短波信號是一種典型的全向性廣播信號，在短波組網的較大區域內，為避免干擾，同一時間只能有一個節點進行信號發送，因此短波網非常適合采用TDMA協議組網。

一、時隙分配發展概況

1.靜態時隙分配

靜態時隙分配是最常見的TDMA時隙分配方式。TDMA系統中，將時間劃分成以幀為基礎的打包單位，每次數據傳輸以幀為單位進行，而每一幀又劃分為許多個時隙組成，且每個時隙長度固定。以8個節點短波組網為例，預設每一幀有17個時隙，采用平均分配，第1個時隙為網絡控制信息，第2至17時隙為數據時隙，平均分配于節點1至節點7，每個節點占有兩個時隙。第1個時隙為中心節點占用，廣播網絡控制信息，后續時隙歸占用的節點發送自己的數據。

除平均分配外，靜態時隙分配還可以根據節點級別對16個數據時隙進行分類，比如節點1為重要節點，可以分配5個時隙，節點2、節點3為次重要節點，每個點分配3個時隙，其節點各分配1個時隙。

靜態分布也由很多分配方式，但有一點不變的就是網絡初始化時，所有時隙都已經分配明確，組網完成后基本不進行變動，因此稱為靜態時隙分配。

2.動態時隙分配

靜態時隙分配需在初始節點掌握所有節點信息，預判各節點業務數量進行時隙分配，分配后調整困難，靈活性差，因此高效的動態時隙調整技術成為必然的發展趨勢。下面介紹幾種常見的動態時隙分配方式。

基于拓撲的動態時隙分配。該動態分布常用近距離復雜拓撲結構網絡，各網絡節點的時隙分配數量與自己連接的節點數量成正比，在網絡控制信息中攜帶各節點時隙分配情況，每一幀的時隙分配都可以根據拓撲結構動態變化。這種分配方式保證了每一條拓撲鏈路的時隙分配基本均衡，但是需要在時隙分配時掌握全部拓撲信息。

基于預申請模式的動態時隙分配。各節點在下一個時隙周期分配前，需進行時隙申請，可申請多個時隙，也可根據申請節點平均分配，不同的細分方案中申請機制各不相同，但總而言之就是收集所有節點時隙申請，設計一個分配算法，分配本周期內時隙，然后等待下一個申請、分配周期。

分布式網絡中的局部協調動態時隙分配。分布式網絡規模較大時，且拓撲結構動態變化頻繁時，很難掌握全網實時拓撲，也沒有一個統一的時隙調度中心進行時隙分配，這個時候就需要一個分布式時隙動態調整機制，常見的就是分布式局部時隙動態調。該方式中，各相鄰節點間進行控制信息交互，根據各節點業務需求，進行時隙調配。

上述動態時隙調整方案共同點都是基于一定的網絡變量，設計一個動態分配算法，指定下一個數據周期內的時隙分配。

二、一種基于令牌的短波網動態時隙調整方案

本文基于現有短波TDMA靜態平均時隙網絡，設計了一種通過令牌方式調整時隙分配的短波組網方式，提高現有網絡時隙利用效率。

1.現有短波TDMA靜態平均時隙分配網絡的不足

以上文8節點短波組網為例，總共17個時隙，各節點分配的時隙為2個，短波因其數據傳輸速率低，實際運用中各節點同時收發大量數據的情況非常少見，大多數情況下是多節點、少量業務居多，偶爾突發一個節點有大業務量需求，在這種應用場景下，有大量業務發送需求的節點只能占用2個時隙，極端情況下其它節點均無業務時，其它時隙均處于空閑狀態，此時全網時隙利用率只有12.5%。

2.改進型方案設計

根據此場景本文提出一種改進方案，同樣是預設8個節點組網，17個時隙。

a） 第1個時隙不變，依然用來進行網絡控制信息傳輸;

b） 第2個至第9個時隙平均分配到8個節點，第10至17個時隙為預留時隙;

c） 網絡初始化階段生成一個令牌，初始階段令牌標記為“空閑”，當令牌為“空閑”時，將預留的第10至17個時隙平均分配至節點1至節點8，此時各節點占用兩個時隙;

d） 假設節點1有大量業務需要發送，節點1通過網絡控制信息進行令牌申請;

e） 令牌發送至節點1，節點1將令牌狀態標記為“使用”;

f） 網絡識別令牌為“使用”時，將預留的第10至17個時隙分配給節點1;

g） 節點1占用時隙2和時隙10-17進行數據發送，數據發送完畢后，標記令牌為空閑，等待令牌申請，將令牌發送至申請節點;

h） 網絡識別令牌為“空閑”，將預留的第10至17個時隙平均分配至節點1至8，此時各節點均占用兩個時隙。

三、令牌申請機制

上述提出的解決方案中，并未明確申請令牌環的出發機制，下面提供幾種設計思路：

a） 設置業務量判斷標準，例如50K以上業務通過業務系統反饋至電臺，進行令牌申請;

b） 業務優先級設置，進行高優先級業務發送時申請令牌，低優先級不申請;

c） 人工選擇，在業務終端上可進行手動選擇，本業務是否需要高帶寬支持;

d） 根據電臺緩存情況進行判斷，發送緩存區待發數據較多時，進行令牌申請，優點是無需業務系統進行信息反饋，電臺自己就可以完成判斷。

四、技術發展分析

該方案在對現有的TDMA靜態時隙組網協議變動非常小，加入的也是非常成熟而且還可以大幅度簡化的令牌協議（不用引入完整的令牌環協議），技術可行性高，實現難度低，可為作為一種簡單有效的動態時隙分配方法供大家參考。

參考文獻：

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