戰術局域網TDMA雙隊列輪詢調度算法

武警工程大學研究生管理大隊 鄭垚睿 余緣敏

1 戰術局域網

戰術局域網（Tact ical LAN, TLAN）是小型化的戰術互聯網，是戰術環境中態勢感知系統、火力控制系統和指揮控制系統的數據傳輸媒介[1]。1994年4月美軍的“沙漠鐵錘”演習進一步明確了戰術局域網的內涵和外延，其定義與組成結構也得到了完善。隨后，以無線局域網（Wir el ess Local Ar ea Net work，WLAN）技術為核心的戰術局域網逐步為世界各軍事強國所接受，成為現代戰術通信系統的重要組成部分[2]。

2 傳統MAC層調度算法

MAC調度算法定義了網絡系統的資源調度策略和節點接入規則，高效穩定的MAC調度算法能夠極大地提高戰術局域網的網絡性能和通信效率。MAC層調度算法也因此成為戰術局域網研究的熱點。

2.1 CSMA/CA算法分析及存在問題

CSMA/CA（Car r i er Sense Mul t i pl e Access-Col l ision Avoidance）又稱作帶沖突檢測的載波偵聽碰撞避免算法，由DCF和PCF兩種調度方式組成。該算法以IEEE 802.11系列無線局域網協議為代表，是一種較為成熟的無線局域網調度算法。CSMA/CA調度策略下，節點在發送數據前首先監聽網絡狀態，若網絡信道繁忙，則推遲自身數據傳輸，直至網絡空閑。

然而，CSMA/CA調度方式存在以下問題：首先，接入用戶數增加時碰撞概率大幅提高并導致系統性能惡化。其次，無法體現戰術通信系統多層級指揮的實際需求。再次，網絡節點在被輪詢一次只能發送一個分組，對于發送數據量較多的網絡節點將造成數據堵塞，進而導致信息失效。最后，控制節點的輪詢具有盲目性，無論網絡節點是否具有發送需求都將在一個周期內被輪詢一次，存在一定的輪詢周期浪費。

2.2 TDMA單隊列輪詢算法分析及存在問題

TDMA單隊列輪詢算法的工作過程與無線通信的半雙工模式類似[3]，通過設立的工作隊列對AP（Access Point,AP）工作時間進行時分復用。AP的輪詢過程和節點的數據傳輸過程均在這一隊列中完成。單隊列TDMA戰術局域網設一個接入點AP和m個網絡節點，接入點AP包含一個記錄了所有已入網節點信息的輪詢表，新的節點在完成入網認證之后，首先將自己的節點信息發送給AP，待AP成功更新其輪詢表之后，即完成了加入輪詢隊列操作。

然而，單隊列輪詢存在的問題如下：首先，固定時隙長度將導致具有長報文發送需求的節點產生報文堆積。其次，排斥“插隊”行為的FIFO無法體現節點優先級，導致重要信息延時過大。再次，網絡中節點入/退網頻繁或懶惰節點較多時，系統輪詢時隙浪費嚴重，輪詢等待時延增加。

圖1

3 TDMA雙隊列輪詢調度算法

為解決單隊列輪詢算法存在的輪詢效率低下、時隙浪費嚴重的問題，本文提出TDMA雙隊列輪詢調度算法（見圖1）。

在TDMA戰術局域網中，所有節點都有嚴格的時延需求，為了避免這些時延敏感度較高的活躍節點發生數據擁塞，提高戰術局域網AP的輪詢效率，需要將活躍度較低的節點掛起，優先對活躍節點進行輪詢和響應，通過這種方式代替原來對所有網絡節點無優先級區分的輪詢，從而節省網絡資源，提高信道利用率。在雙隊列輪詢算法中，建立兩組分別進行輪詢的請求隊列，即活躍節點隊列（ANQ，Act ive Node Queue）和懶惰節點隊列（LNQ，Lazy Node Queue），通過優先響應ANQ的發送請求，同時周期性地輪詢LNQ，并將其中有發送需求的節點請求加入ANQ中完成數據的發送。兩種隊列都采用先到先服務（Fir st In Fir st Out，FIFO）原則進行服務。

4 結論

本文所提出的TDMA雙隊列輪詢調度算法，通過引入ANQ和LNQ，將戰術網絡節點進行了初步的優先級區分。區別的響應機制使得戰術網絡的處理能力有傾向性地賦予需求更大的節點，提高了網絡的調度效率，降低了空輪詢引起的時隙浪費，使得戰術網絡擁有較強的魯棒性。

[1]薛俊涵.基于排隊模型的無線局域網性能分析[D].濟南:山東大學,2010.

[2]石睿.戰術互聯網的研究及其性能評估[D].西安:西安電子科技大學,2009.

[3]王文政.戰術數據鏈動態輪詢調度算法[J].國防科技大學學報,2009,12(2):47-54.