论文研究-基于NS2的认知无线电仿真模型设计 .pdf

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基于NS2的认知无线电仿真模型设计,杨晨炜,冷甦鹏,NS2(Network Simulator v2)是一种面向对象的、离散时间驱动的网络环境模拟器,主要用于解决网络研究方面的问题。它提供了在无线或有线�
国利技文在线 http://www.paper.edu.cn Reagent LL ARP IFq MAC Propagation 信道分配功率控制 Propagation Propagation1 NetF l NetIF2 NetlF3 000066 Channell Channel2 Channel3 Channel4 图认知节点网络层以下结构示意图 图2中虚线表示信道可以动态分配。从图中可以发现,MAC层从只与一个网络接 口连接变成可以与多个接口动态连接,并∏添加了信道分配与功率搾制子功能。信道分配子 功能可以搾制每个网络接口与哪个信道连接,功率控制子功能根据物理层搜集到的频谱信息 进行功率控制,尽量使报文之间不相互干扰。值得一提的是,频谱信息的搜集和报文冲突控 制工作木来应该由物理层实现,但是在现有NS2版木中报文冲突的控制是在MAC层实现的, 所以为了尽量少的改动原有结构,本文的解决方案也把频谱信息的搜集放在MAC层实现。 下面是添加各个分功能的具体介绍 3.认知无线电模块的添加 增加认知无线电功能需要进行的修改包括对多接口、多信道功能的添加,对物理层和 MAC层的修改,以及认知无线电网络环境的建立。 31多接口、多信道功能的添加 31.1名接口功能的添加 在NS2中网络组件的创建和组合是在OTcl中进行的,而最终的添加组件的函数是 ns- mobilenode, tcl中的 add-interface,这个函数决定∫节点有哪些组件、每个组件的上层和下 层以及一些特殊功能模块。只要创建多个NetF并把他们的上层指定为同一个MAC对象就 可以建立其图2所示的节点模型。在这个函数中节点是根据OTcl中的些已有函数来做到 组件的组合的,而这些已有函数在底层的C++协议模块中都有相应的函数与之对应才使之真 正实现,所以如果已有函数无法实现组件之问相连的功能,就必须另外添加函数米实现,在 底层的实现方式是通过对协议代码的 command函数进行扩展 3 国利技文在线 http://www.paper.edu.cn 图3a和b是两种比较实际的组件结构。前者通过只添加网络接∏的方式实现,后者添 加的方式是使每一个网络接口都有单独的MAC层,这样就可以让每个网络接口使用相同或 不同的MAC协议。 MAC MAC MAC etlF netF netF nets channel channel 图3a一个MC层多收发机模型 图3b多MC层多收发机模型 图3收发机模型 312多信道功能的添加 多信道的添加可以有三种方法,第一种是保持原有的底层信道模块大致不变,而在上层 的配置脚本中添加多条这样的信道。第二科是修改底层信道模块,根据逻辑信道的个数再在 这个模块中定义一种数据结构来存放N(逻辑信道个数)个具体逻辑信道的信息。这个信道 模块可以接收来自所有不同逻辑信道上的节点发送的报文,并统一处理,再分发到各自所在 的信道上。第三种方法是也保持底层信道模块大致不变,但是不修改上层的配貿,而是修改 原有模块的功能使它成为一个广播信道,即尢论上层打算在哪个物理信道上发送报文都把它 广播到这个网络,而让物理层或MAC层来对区分信道。第二种和第三种方案实际上系统模 型是·样的,都只需要个信道对象。图4和图5显示了这两种种方案在系统模型上的区别。 MAC MACMAC MAC MAC MACI MAC MAC PHY PHY PHYI PHY PHYPHY PHY 动态分配 chl ch ch3 ch4 ch5 channel 图第1种方案示意图 图第2、3种方案示意图 第一种方案需要在上层的OTcl中改动较多,而且在底层还要考虑到和其他很多相关模 块之间的联系,所以改起来相对较难。第二种方案实现的关键是新添加的信道模块必须有根 据报文的发送信息区分其所在信道的能力,并维持一种数据结构来保存必耍的节点以及和 身有关的信息,比如信道的频率。它不需要修改上层语言,只需要在模块中区分各个逻辑信 道,而且因为只有单独的模块,所以和其他相关模垬之间的联系不需要改变。所以和第·种 4 国利技文在线 http://www.paper.edu.cn 方案相比实现较为简单。第三种方案是为了进行功率控制而设计的,信道的功能很简单,就 是把所有接收到的报文发送给全部节点,这样上层模块就可以不止收到邻居也收到邻居范围 以外的报文,这样对干扰信号的统计就更加真实和准确。另外这样做如果需要考虑到邻道干 扰也容易实现。所以综合以上因素,本文中对认知无线电协议实例的仿真采用第三种方案。 32对物理层和MAC层的修改 现在版本的NS2把报文的接收放在了MAC层实现,包括判断信道是否空闲,数据接收 是否发生冲突等。判断报文是否接收或产生冲突是根据报文接收功率的信噪比来决定。但是 现在的NS2解决方法是只婓报文的接收功率不在检测门根以上就个考虑其产生的干扰或者 在检测门限以上但只考虑单个报文的十扰。而在认知无线电当中,判断接收信噪比是进行功 率控制的很重要一环,应该考虑进干扰噪声的累积。 基于以上现实,节点的物理层应该把同一信道上的所有达到检测门限的报文全部发送到 MAC层,让MAC层去实现干扰叠加的统计和功率控制。在具体实现上,因为每个报文的 持续时间可能是不一样的,而MAC层模块使用的定时器对某个具体报文没有记忆功能,所 以需要修改原有的定时器类。由于在NS2中每个报文都是继承自 Event类的 Packet*类型, 而每个定时器类有一个 Event*类犁的变量,只要把每个报文的存储地址作为参数传个定时 尜就可以很方便的使定时器具有记忆功能,并实现干扰叠加的统计。 33认知无线电环境的建立 认知无线电环境的建立需要主用户和次用户以及授权信道。主用广可以选用与认知用户 不同的异质网络米替代,但是由于修改了原有的体系结构,也需要对其进行一定的修改才能 让认知无线电节点感知到它。建立认知无线电环境的关键在于次用户节点的MAC协议,它 需要能感知频谱环境,动态的对信道进行选择,并有功率控制功能。 本文以一个简单的认知无线电MAC层协议作为实例。次用户节点采用一个收发机,选 择一条固定的信道作为控制信道,在没有感知到主用户的情况下,次用户收发节点通过 RTS-CTS的交互选择条件最好(即干扰最小)的数据信道进行通信;当感知到主用户的存 在时,次用户节点即使没有信道可用也不能选择被主用户占用的授权信道,而主用户可以随 时使用授权信道。次用户在选择信道的冋时也进行简单的功率控制,控制报文的发射功率固 定,接收方根据收到的控制报文的功率米决定发送方数据的发送功率。 4.修改后仿真运行结果 仿真场景如图6所示,采用3或5、7对次用户节点(每个发送节点都互为邻居),一条 控制信道,5条数据信道,还有一个主用户基站间断性地发送信号,同时占用三个授权信道, 而且对信道的占用情况随机变化,并且主用户与次用户网络的距离足以之相互影响。节点采 用的一些仿真参数如表1所示 国利技文在线 http://www.paper.edu.cn 表1节点参数 信道速率 1 Mbit/s 接收功率门限 3.652e-10W 最低信噪比 1 0dB 次用户最大功率 128mW 次用户最小功率 控制报文功率 200mW 运输层协议 UDP 业务流协议 CBR CBR报文人小 512bytes CBR发送时间间隔 0.01s 主用户 次用户 图6仿真场景 图7、8分别是是当主用广不发送数据付节点对数为3、5、7时次用户网终的吞吐量和 时延情况。在时延比较中添加了和7对运行802.11协议并分别独占7个信道的网络时延的 对比。从图屮可以看出以开始网络负载较轻的时候,三种情况下随着业务量的增多都成比例 地提高,但是当业务量达到一定程度,信道数无法满足需求时,吞吐量的增长变缓,当到达 定数量时无法袋续增长,网络时延也随着次用户节点对数的增多而增人,当次用户网络有 7个节点时,由于数据信道不够用,有时需要等待较长时间,所以时延急剧升高。(仿真图 中横轴的单位是0.5秒,纵轴单位是1比特) E CR 6 NODE -+CR 10 NODES R 10 MODES H 14 NODES -- CR 14 NODES 注占多信道 0 001 图7CR网终吞吐量对比 图8CR树络时延对比 国利技文在线 http://www.paper.edu.cn 图9是当主用户发送数据与不发送数据时网络吞吐量的对比情况。从图中可以看出由于 主用户经常性的出现占用了信道,有可能导致次用户找不到可用信道或者出现很多丢包的情 况,使整个网络的吞吐量大幅下降。 CP有主用户 80211单信道 CR无主用户 80211独占多信道 8钟 图9主用户是含存在时次用户树络吞吐量比较 图10三种环境下的网络春吐量比较 此外,我们还做了主用户保持沉默条件下的认知无线电、单信道802.1和多信道802.11 独占信道)环境下的吞吐量比较,都使用7对收发节点。仿真结果如图10所示。从图中 可以看出802.11独占多信道网终的吞吐量最大,认知无线电网络次之,802.11单信道网络 最差。这符合实际情况,因为802.11多信道网络节点可以独占信道,不需要和别的节点竞 争,而认知无线电网络除了要竞争控制信道,如果数据信道不够还需要竞争数据信道,802.11 单信道网络所有节点竞争一个信道,所以网络吞吐量达到极限后无法再提髙。 5.结论 上的仿真结果验证了本文提出了认知无线电方案的有效性,为NS2增加了多接口、 多信道和考虑干扰累积的功能,使多信道和认知无线电场景的仿真称为可能,对研究多信道 和认知无线电的仿真具有非常积极的意义。 国利技文在线 http://www.paper.edu.cn 参考文献 [1]于斌孙斌温暖等.《NS2与网络模拟》[Ⅵ.北京:人民邮电出版社,20074。 [2] CHOI Noun, PATEL Maulin and VENKATESAN S. A Full Duplex Multi-channel MAC Protocol for Multi-hop Cognitive Radio networks [] Cognitive Radio oriented Wireless Network and Communications, 2006.Ist International Conference on pag [3] JIA Juncheng, ZHANG Qian. HC-MAC: A Hardware-constrained Cognitive MAC for Efficient Spectrum Management [J]. Global Telecommunications Conference, 2007. GLOBECOM 07. IEEE, 26-30 NoV 2007 Page(s)4653-46 [4]LEE Byungjoo, RHEE Scung Hyong Adaptivc MAc Protocol for Throughput Enhanccmcnt in Cognitivc Radio Networks J. Information Networking, 2008. ICOIN 2008 International Conference on23-25 Jan 2008 Page(s): 1-5 NS2-based Cognitive Radio Network Module Design hewei, Leng super National Communication Laboratory uestC. Chengdu (610054) NS2(Network Simulator v2), an Object-oriented, discrete time-driven network environment simulator, which is used to solve problems in network researching. It provides kinds of protocol simulation, such as TCP, routing, channel access, in wired and wireless networks. Cognitive radio is a newly-emerging and promising technique, it needs multiple channels and power control in simulation and sometimes needs multiple interfaces, but NS2 did not support them, so it become obstacles for relevant researcher to easily conduct these kinds of simulation. This paper present a solution of generality to add these supports to NS2. At last, a simulation example is studied to verify the effectiveness of this proposed solution Keywords: NS2, multi-interface, multi-channel, cognitive radio 作者简介 杨晨炜,明,1983年生,硕士研究牛,主要硏究方向是数据通信与计算机网络、自组织无线 树络、认知无线电MAC协议。 冷甦鹏,男,1972年生,博士,副教授,主要研究方向是无线自组织网络、传感器网络、下 代无线网终。 8

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