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基于OPNET的一种动态时分多址协议的网
络建模仿真
蔡溪琛，李绍胜**
（北京邮电大学信息与通信工程学院） 5
摘要：分析了 Link-16数据链中的组网方式，阐述了其中的优势与劣势。之后根据跳频通信
系统组网的特点提出并详细介绍了一种新型的时分多址接入协议，利用网络仿真软件
OPNET建立了网络模型，在此基础上对此协议进行了建模和仿真，并且对结果进行了分析。
关键词：建模；仿真；时分多址；OPNET 10
中图分类号：TN92
Modeling and Simulation of a Dynamic TDMA Protocol
based on OPNET
Cai Xichen, Li Shaosheng 15
(School of Information and Communication Engineering,Beijing Universitity of Posts and
Telecommunications,Beijing,100876)
Abstract: In this paper,first introduce the Link-16 data link network mode,then analyze the
advantages and disadvantages of the netword modle. A new time-division multiple access protocol
is presented according to the characteristics of frequency-hopping communication system. then 20
use OPNET to bulid a network model and simulate the protocol on the end of this paper,the
results are analyzed.
Key words: Modeling; Simulation; TDMA; OPNET
0 引言 25
Link-16数据链是广泛使用于美国及北约各国军队的一种数据链。Link-16数据链的子网
是一个单跳网络，使用无中心节点结构，每个成员按照由轮询机制分配的时隙依次发送数据，
采用 TDMA 组网方式组网，每个成员都按照统一的系统时间同步工作。数据链中存在中继
节点，跨子网的信息传输采用中继节点。[1]
Link-16数据链中采用的 TDMA 组网机制对于网内成员被控制在一定规模内，并且成员30
关系相对稳定时，可以预先进行时隙分配，从而达到控制简单、信道利用率较高动态的效果。
但是在某些应用场合下，网内成员的规模是不稳定的或不可预知的，成员出、入网频繁，
成员信息发送量突发变化多，此时需要对接入的时隙算法进行改进。[2]建立在时隙动态调整
思想上的动态时分多址接入是对时分多址接入机制的一种修正，目的是通过一种自适应机制
使得 TDMA 网络在不被中断的情况下，动态地更改各成员拥有的时隙长度和数量，以适应35
拓扑和成员消息量变化，提高系统的信道利用率。
本文先介绍一种基于 LINK16数据链组网方式改进的动态时分多址接入协议，主要是一
个有中心结构的网络，利用预约争用固定三种时隙来提高网络时隙的使用率。然后使用
OPNET对网络进行建模与仿真。
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1 协议设计 40
跳频通信系统基于 Link-16数据链设计，每个时隙为 ，每秒有 128个时隙。[3]
在设计时分多址组网协议时将一个时帧的长度设置 3s，每个时帧共有 384 个时隙。考虑到
协议设计中必须有时间同步以及协议支持不同优先级业务，在每个时帧中设计两种子帧：控
制子帧与数据子帧。每个子帧长度设置为 32时隙，时帧由 12个子帧组成，其中 1个子帧为
控制子帧，剩余的 11个子帧作为数据子帧使用。 45
…控制子帧
数据子
帧1
数据子
帧2
数据子
帧3
数据子
帧11
时
隙
对
齐
预约请求
与广播
固定数
据传输
保留
语
音
时
隙
预约时隙 争用时隙
时帧
图 1 时帧结构设计图
控制子帧设计
控制子帧主要完成三部分功能：时隙的同步，时钟的校准，预约功能的实现。帧结构如50
下图所示：
预约时隙
1
预约时隙
2
预约时隙
8…
广播时隙
1
广播时隙
2
图 2 控制子帧设计图
在这一阶段主要完成的是时隙同步，采用 RTT 校时获得时钟偏差以及传输时延，网络内
部完成预约算法。预约算法中采用优先级动态提升原则。算法将业务设置为四个优先级，155
最高，4最低。业务的初始优先级是由系统预先设计好的业务优先级所确定。如果低优先级
的业务等待的时间超过一个时帧，请求的优先级自动增加一级，直至提升到最高级。这样既
可以保证高优先级的业务优先发送，又可以使得低优先级业务有机会发送。[4]
数据子帧设计
数据子帧由三部分组成：语音时隙，预约时隙，争用时隙。每个子帧第一个时隙留作语60
音时隙，之后 16个时隙作为预约时隙，剩余 15个时隙作为争用时隙。
语音时隙 …
预约时隙
1
预约时隙
21
争用时隙
1 …
争用时隙
10
图 3 数据子帧设计图
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语音时隙分配在每个子帧开始的阶段，目的是为了为语音包的发送留出专用通道，使得
语音能以较低的延时完成发送。对于语音没有采用任何冲突回避机制。现阶段的语音包数为65
每秒发送 3个包。这种设计中在 3s的时帧
预约数据传输阶段按照上述预约算法分配好的时隙给各个节点使用。此阶段用于发送图
像、文件等对于延时要求较低的业务。
争用阶段用于传输突发消息，采用二进制指数退避算法来保证各个终端之间无冲突发
送。每个终端在发送消息之前都监听信道中是否有信息在发送，如果没有信息发送，则在下70
一时隙开始发送消息。如果在第一次信息发送时发生冲突，则所有的发送终端等待 0或者 1
个时隙进行重新发送，如果再次发送时仍然发生冲突，则所有发送终端再次退避一段时间在
此发送消息。此时从 [0,2^3]的范围中随机取出一个数作为退避时间，其中重传的次数为 4。
当重传次数大于 4次时，丢弃该消息，此次发送失败，报告给高层协议，准备在之后的可用
的争用时隙进行重发。采用这样的设计这样使得冲突概率大大降低。其中基本退避时间设计75
为四个子帧长度（1s）。
2 建模与仿真
节点模型设计
根据跳频通信系统本身的的技术特点与网络架构，并且参考 OSI七层协议的结构设计，
在仿真中将跳频通信系统划分为四层，分别是应用层、网络层、链路层与物理层。[5] 80
应用层主要功能为产生不同功能的数据包，并针对不同的数据包选择不同的打包方式。
网络层主要功能为处理信息发送中的寻址与路由选择，为信息的发送选择中继转发路
径等。并且同时监控网络中的流量，对超时重发进行控制，防止网络中出现拥塞问题，影响
整个网络的运行效率。
链路层层主要功能为实现动态时分多址接入方式，在链路层上实现三大类时隙分配策85
略： 预约时隙，固定时隙和竞争时隙占用。
物理层主要功能为物理层下的物理介质和接口等问题。因为物理层的性能和指标不是
仿真所关注的重点，在仿真中直接使用 OPNET自带的模块。
仿真的重点是对链路层进行仿真。仿真目的是模拟在正常的通信中的节点时隙的利用
率。 90
节点模型设计如下图所示：
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图 3 节点模型设计
整个节点的结构如上图所示，由以下几个部分组成：
(1)APP ：APP 为应用层，功能是产生不同速率的数据包并对数据进行打包等，在仿真95
中模拟产生分配给不同时隙业务的数据包。
(2) AODV ：ADOV为网络层协议，实现路由协议，完成数据包的路由、寻址与拥塞控
制等功能，在仿真中暂时未起作用，只作为一个数据透明通道使用，为今后实现更大范围组
网的仿真预留。
(3) Mac：Mac 为链路层协议，实现动态时分多址接入协议，是整个仿真真最重要的模100
块。
(4)Rx/TX ：Tx 和 Rx 为 OPNET 提供的总线发送模块和接收模块，分别用于发送和接
收消息。
(5)Antenna： Antenna为 OPNET 提供的天线模块,用于信息在空口的发送。
实际应用中节点进行发送时的数据流程为:应用层产生某种类型数据，如语音，数据等105
不同数据在打包之后发送至网络层执行路由协议，进行寻址路由等功能发送至链路层执行
TDMA 算法，根据时隙的分配发送至物理层。接收节点数据接收过程则与此相反。[6]
节点链路层进程设计
进程模型通过 OPNET中的有限状态机 FSM实现对应的链路层协议。
网络为有中心的单跳网络，对于主节点和从节点的MAC 层协议不同，主节点主要负责110
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校时预约等工作，在仿真中主要完成预约功能。
图 4 主节点进程模型设计
主节点的进程模型分为以下几个状态
(1)Init：这个状态是用于初始化链路层配置，加载链路层的参数，如时隙长度、MAC115
帧长度、数据包长度等。
(2)Idle：这个状态是主要用于判断当前转移条件，并决定是继续保持在原状态还是转移
到其他状态。
(3)Attribute：这个状态是用于根据从节点发送给主节点的预约消息进行时隙的分配。从
Rx状态获得消息，完成后交互信息给 Tx状态。 120
(4)Rx：这个状态是用于接收网络中其余从节点的预约消息。
(5)Tx：这个状态是用于发送消息，在完成时隙的预约之后主节点进入此状态进行预约
分配消息的发送。
从节点主要是根据主节点分配的时隙进行发送消息，同时一直监听网络中的状态，为
争用时隙的使用做好准备。 125
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图 5 从节点进程模型设计
从节点的进程模型分为以下几个状态
(1)Init：这个状态是用于初始化链路层配置，加载链路层的参数，如时隙长度、MAC
帧长度、数据包长度等。 130
(2)Idle：这个状态是主要用于判断当前转移条件，并决定是继续保持在原状态还是转移
到其他状态。
(3)Judging：这个状态是用于根据时隙号的不同对时隙进行功能上的分配。将时隙分配
给固定时隙，争用时隙，预约时隙三种方式给不同任务进行使用。
(4)Rx：这个状态是用于接收网络中其余节点的消息，如预约的分配消息和争用中的碰135
撞判断。
(5)Tx：这个状态是用于发送消息,在上层确定此时隙可以用作节点的发送之后，节点进
入此状态进行消息的发送。
3 仿真结果分析
为了更好的研究争用时隙与预约时隙的性能，仿真中仿真了 10 个时帧长度的网络140
负载。研究这段时间内的网络负载与端到端时延。网络规模为 8个节点。在仿真时为了
实现简单，将每个时帧设置为 6 个部分，每 为一个阶段，分别按顺序分配给预约阶
段与争用阶段。节点产生数据包利用了 OPNET中 ON/OFF 建模机制。产生数据包时的分
布符合瑞利分布。基本以网络最大承载力的上限产生数据包，时隙利用达到很高的负载。
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图 6 时隙使用仿真图
图中为 30s 内的网络负载图。从图上可以看出时隙使用基本达到满状态。预约时隙
和争用时隙基本都耗尽。
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图 7 端到端延时仿真图 150
从图中可以看出，预约阶段的时延较小，而因为发送的数据包数基本达到理论上限
导致争用阶段处于一个较高的拥塞状况，随着时间的增加，端到端的时延不断增加，基
本达到所设计的重传窗口的最大值，说明此时发送时碰撞的概率较大，使得时延处于较
高的水平。
4 结论 155
本文利用了 OPNET 网络仿真软件对 TDMA协议进行了建模仿真。仿真中建立了一个
具有 8 个节点的网络仿真。根据 OPNET的特点，从三个层次进行了建模。在仿真中主要
对预约时隙和争用时隙做了仿真。根据实际仿真情况略微修改了时隙结构，使得仿真变
得简单。在实际应用中可能存在的场景，本文只对其中的单跳网络的时分多址协议进行
了仿真和初步研究，后续方向主要是对多跳网络的 FPRP 协议与 AODV 协议组合实现进160
行仿真与研究。使得整个仿真更具有实用的价值。
[参考文献] (References)
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[5] 彭益，魏立柱.基于 OPNET的 Link-16 数据链网络建模仿真[J].计算技术与信息发展，2011，5：45-47.
[6] 陈敏.OPNET网络仿真[M]北京：清华大学出版社，2004.
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