TDMA自组织网络中基于令牌环的带宽分配算法研究

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移动自组织网络(Mobile Ad Hoc Networks,MANETs)具有快速组网、多跳通信、分布式、动态拓扑等特点,并在车联网、传感器网络、应急救援、军事等场景具有广泛的应用。在多跳自组织网络中,现有的基于TDMA(Time Division Multiple Access)的分配型MAC(Multiple Access Control)协议中信道资源分配的方式不够灵活,无法根据节点的业务负载动态的调整传输时隙,网络的吞吐量较低。同时当网络中的节点数目增加时,不能自适应的调整网络中的时隙数目,导致多跳网络中的端到端时延较高。令牌环协议具有灵活分配带宽、保障节点有限时延等特点,所以针对上述问题,本文提出一种在TDMA自组织网络中基于令牌环的带宽分配算法—TWTR(TDMA With Token Ring)协议。在TWTR协议中,节点入网后首先被划分到不同的一跳网络,从而形成不同的令牌环。然后,利用基于TDMA的超帧结构将时隙划分到不同的令牌环中。最后,以端到端时延最小为目标,根据网络中的节点数通过时隙数目优化算法动态的调整各个令牌环的时隙数目,以获得较小的端到端时延,同时令牌传递算法可以将令牌优先传递至业务量和优先级较高的节点。该协议将TDMA协议和令牌环协议有效的结合在一起,可以为多跳自组织网络提供较小的端到端时延和较高的吞吐量。本文以三跳网络为基础,首先分析了TWTR协议的平均服务时间和端到端时延。之后,对时隙数目优化算法的有效性进行了理论验证,并在OPNET平台上对本文提出的TWTR协议进行了建模仿真。最后,以端到端时延和网络吞吐量为主要性能指标与传统的USAP(Unifying Slot Assignment Protocol)协议和WTRP(Wireless Token Ring Protocol)协议进行了对比分析。仿真结果表明TWTR协议具有较低的端到端时延和较高的吞吐量,与传统的MAC协议相比有一定的性能提升。最后,在MANET硬件平台上简单实现了TWTR协议,验证了协议的有效性。
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