一种基于令牌的短波网动态时隙调整方案

刘杰 王钦为 钟书豪

摘要：TDMA组网方式是目前一种常见的组网方式，适应性好，抗干扰能力强，广泛应用于各类型网络。采用TDMA协议进行组网时，最初都是静态时隙配置，网络化初始化阶段各节点占用时隙均已规定好，系统简单可靠;但各节点发送业务需求处于动态变化，高效的动态时隙分配方法一直是该领域研究的热点。本文针对采用静态时隙分配的短波网提出了一个基于令牌的改进型动态时隙调整方案，提高其时隙利用效率。

关键词：TDMA;动态时隙;令牌

引言

短波具备较大的传输距离，大多数短波系统的无线信号具备全向性，因此短波信号是一种典型的全向性广播信号，在短波组网的较大区域内，为避免干扰，同一时间只能有一个节点进行信号发送，因此短波网非常适合采用TDMA协议组网。

一、时隙分配发展概况

1.静态时隙分配

静态时隙分配是最常见的TDMA时隙分配方式。TDMA系统中，将时间划分成以帧为基础的打包单位，每次数据传输以帧为单位进行，而每一帧又划分为许多个时隙组成，且每个时隙长度固定。以8个节点短波组网为例，预设每一帧有17个时隙，采用平均分配，第1个时隙为网络控制信息，第2至17时隙为数据时隙，平均分配于节点1至节点7，每个节点占有两个时隙。第1个时隙为中心节点占用，广播网络控制信息，后续时隙归占用的节点发送自己的数据。

除平均分配外，静态时隙分配还可以根据节点级别对16个数据时隙进行分类，比如节点1为重要节点，可以分配5个时隙，节点2、节点3为次重要节点，每个点分配3个时隙，其节点各分配1个时隙。

静态分布也由很多分配方式，但有一点不变的就是网络初始化时，所有时隙都已经分配明确，组网完成后基本不进行变动，因此称为静态时隙分配。

2.动态时隙分配

静态时隙分配需在初始节点掌握所有节点信息，预判各节点业务数量进行时隙分配，分配后调整困难，灵活性差，因此高效的动态时隙调整技术成为必然的发展趋势。下面介绍几种常见的动态时隙分配方式。

基于拓扑的动态时隙分配。该动态分布常用近距离复杂拓扑结构网络，各网络节点的时隙分配数量与自己连接的节点数量成正比，在网络控制信息中携带各节点时隙分配情况，每一帧的时隙分配都可以根据拓扑结构动态变化。这种分配方式保证了每一条拓扑链路的时隙分配基本均衡，但是需要在时隙分配时掌握全部拓扑信息。

基于预申请模式的动态时隙分配。各节点在下一个时隙周期分配前，需进行时隙申请，可申请多个时隙，也可根据申请节点平均分配，不同的细分方案中申请机制各不相同，但总而言之就是收集所有节点时隙申请，设计一个分配算法，分配本周期内时隙，然后等待下一个申请、分配周期。

分布式网络中的局部协调动态时隙分配。分布式网络规模较大时，且拓扑结构动态变化频繁时，很难掌握全网实时拓扑，也没有一个统一的时隙调度中心进行时隙分配，这个时候就需要一个分布式时隙动态调整机制，常见的就是分布式局部时隙动态调。该方式中，各相邻节点间进行控制信息交互，根据各节点业务需求，进行时隙调配。

上述动态时隙调整方案共同点都是基于一定的网络变量，设计一个动态分配算法，指定下一个数据周期内的时隙分配。

二、一种基于令牌的短波网动态时隙调整方案

本文基于现有短波TDMA静态平均时隙网络，设计了一种通过令牌方式调整时隙分配的短波组网方式，提高现有网络时隙利用效率。

1.现有短波TDMA静态平均时隙分配网络的不足

以上文8节点短波组网为例，总共17个时隙，各节点分配的时隙为2个，短波因其数据传输速率低，实际运用中各节点同时收发大量数据的情况非常少见，大多数情况下是多节点、少量业务居多，偶尔突发一个节点有大业务量需求，在这种应用场景下，有大量业务发送需求的节点只能占用2个时隙，极端情况下其它节点均无业务时，其它时隙均处于空闲状态，此时全网时隙利用率只有12.5%。

2.改进型方案设计

根据此场景本文提出一种改进方案，同样是预设8个节点组网，17个时隙。

a） 第1个时隙不变，依然用来进行网络控制信息传输;

b） 第2个至第9个时隙平均分配到8个节点，第10至17个时隙为预留时隙;

c） 网络初始化阶段生成一个令牌，初始阶段令牌标记为“空闲”，当令牌为“空闲”时，将预留的第10至17个时隙平均分配至节点1至节点8，此时各节点占用两个时隙;

d） 假设节点1有大量業务需要发送，节点1通过网络控制信息进行令牌申请;

e） 令牌发送至节点1，节点1将令牌状态标记为“使用”;

f） 网络识别令牌为“使用”时，将预留的第10至17个时隙分配给节点1;

g） 节点1占用时隙2和时隙10-17进行数据发送，数据发送完毕后，标记令牌为空闲，等待令牌申请，将令牌发送至申请节点;

h） 网络识别令牌为“空闲”，将预留的第10至17个时隙平均分配至节点1至8，此时各节点均占用两个时隙。

三、令牌申请机制

上述提出的解决方案中，并未明确申请令牌环的出发机制，下面提供几种设计思路：

a） 设置业务量判断标准，例如50K以上业务通过业务系统反馈至电台，进行令牌申请;

b） 业务优先级设置，进行高优先级业务发送时申请令牌，低优先级不申请;

c） 人工选择，在业务终端上可进行手动选择，本业务是否需要高带宽支持;

d） 根据电台缓存情况进行判断，发送缓存区待发数据较多时，进行令牌申请，优点是无需业务系统进行信息反馈，电台自己就可以完成判断。

四、技术发展分析

该方案在对现有的TDMA静态时隙组网协议变动非常小，加入的也是非常成熟而且还可以大幅度简化的令牌协议（不用引入完整的令牌环协议），技术可行性高，实现难度低，可为作为一种简单有效的动态时隙分配方法供大家参考。

参考文献：

[1] 方拥军，TD-SCDMA系统中的动态时隙分配过程研究，现代电子技术，2005年10期.

[2]卢林林，数据链TDMA动态时隙分配算法研究[D]. 西安电子科技大学，2015.

[3]李灿，短波通信网令牌环协议应用研究[D]，中国舰船研究院，2014.

[4]宋文强，TDMA自组织网络中基于令牌环的带宽分配算法研究[D]，西安电子科技大学，2019.