TDMA/CSMA混合网络的性能评估与调度优化

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随着物联网等新型控制领域的发展,网络中存在越来越多不同质量需求的数据,传统的单一信道接入方式不能满足业务需求。将TDMA和CSMA/CA机制相结合可以充分利用无线局域网技术高传输速率以及TDMA机制高实时性的优势,是当前控制网络的研究热点。但不同的接入机制同时工作必然会存在相互干扰,TDMA的时隙调度方式也直接影响实时业务的性能和非实时业务的吞吐量。因此,如何对混合网络性能进行评估并寻求最优的调度方法是TDMA/CSMA混合网络能否有效应用的关键。本文首先建立混合网络中的CSMA/CA饱和吞吐量评估模型,分析TDMA周期性实时业务对CSMA/CA非实时业务的影响。通过分析两种机制的工作原理和信道共享方式,将TDMA业务等效为对CSMA/CA业务的周期性强干扰,建立混合网络分析模型。通过计算碰撞概率对DCF二维马尔科夫链分析模型进行改进,推导出混合网络中的CSMA/CA标准饱和吞吐量计算公式。通过设置不同的包长和传输速率等参数进行仿真实验,分析了两种业务的丢包率和吞吐量变化,并验证了本文模型的准确性。其次,针对时隙位置分布设计调度优化方法。分析了不同TDMA时隙分布方式的特点并计算平均时延和吞吐量,证明了均匀分布方式下数据时延和抖动更小,而连续分布方式能够通过合并竞争时隙,为非实时任务提供更大的吞吐量。基于CSMA/CA数据最低信道需求时间和上文提出的吞吐量评估模型,设计分布方式的切换策略以兼顾混合网络中的实时与非实时业务。最后,针对实时任务的周期选择和任务调度设计优化算法。提出一种谐波周期选择算法减少实时任务的抖动和网络利用率,通过对比实验证明了本文算法运算时间较短,能够最小化实时任务的信道占用时间,为非实时业务提供更多带宽。针对实时任务移动切换时的抖动问题,提出基于最小周期进行时隙预留的方法,通过提高移动任务优先级并预先调度,减少切换时延和响应时间的抖动。
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