论文研究-WLAN-Mesh网络中MAC协议公平性问题的半实物仿真与分析 .pdf

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WLAN-Mesh网络中MAC协议公平性问题的半实物仿真与分析,刘维康,雷磊,指出了纯计算机仿真在WLAN-Mesh网络中MAC协议公平性问题研究上的局限性,利用自行研制的实际业务流终端构建了基于EXata的半实物网络仿�
国武技论文在线 http:/www.paper.edu.cn 70 真实业务流终端的实现 由1.1芍可知, EXata仿真软件中只是提供了可与仿真网络进行数据交可的半实物接口, 而半实物仿真系统中需要的实际网络设备则需要用户根据自身的需求来选择。我们根据本次 半实物仿真硏究的需要,在充分熟悉EXaa半实物仿真原理的基础上,自行搭建了两组业务 流终端系统,以作为半实物仿真系统中的实物收发节 实物节点真实文本业务的研制是基于两块嵌入式ARM开发板进行的。首先是嵌入式 Linuκ系统的搭建,主要工作是对开发板进行 bootloader、 Linux内核与根文件系统的移植。 在此基础上,通过相关的驱动加载和网络编程,开发实现了基于GUI的恒定比特率文本业 务。恒定比特率的文本业务基于客户端服务器模式。一块开发板作为客户端,通过加载实 际的文本内容,以指定的发包间隔向另一块充当服务端的开发板发包:服务端则对收到的数 80据进行处珥,如对吞吐量和时延等性能指标进行统计,并通过界面显示出来。图2为某次加 载真实文本业务半实物仿真中客户端和服务端实物节点的收发效果图。 lata Sender ata Rece Setting Eata is an nul ator software! Timer(ns: PeerIP:[10,10.0.3 15819#18:39 画的的 EXata is ar emulator softaware! 19919:1:40 EXata is ar nul ator softare! Statistics 16019:10:41 Pktsize: b化e PktNinber: 160 Pkt Nuim Thruput(bit/o2.3(2 belay(ms): 31 2563 Start Transmission CLOSE o:0.0.03 G a)客户端发包时效果图 (b)服务端收包时效果图 图2加载真实文木业务的半实物仿真中实物收发节点效果图 85 实物节点真实视频业务通过两台PC机实现。真实视频业务中,一台PC机作为流娸体 服务端进行视频实时传输,另·台PC杋作为客户端进行视频实吋下载并播放。 公平性问题的半实物仿真与分析 加载真实文本业务的半实物仿真 0 在 EXata网络仿真环境中建立图3所示的同心圆环拓扑。为表述方便,该图中只描绘了 4对节点的分布情况,实际仿真时建立的是16对节点,它们均匀分布在图3所示同心圆的 内外环上,并按箭头所示方向建立16对业务流。其中,实线箭头连接的为与实际业务流终 端有映射关系的仿真收发节点,它们之间传输真实的文本业务,用流1表示,文本大小为 1024byte,发送间隔为100ms,图中虚线箭头则表示其余15对仿真CBR流,包人小和发送 95间隔与实际业务流一致。仿真时间为120s,16对业务流的传输持续整个仿真时间。为尽量 减小上层协议对公平性问题研究的影响,仿真中节点处于静止状态,网络层使用静态路由 物坦层采用DSSS模型,信道比特率为1Mbps,传输层采用UDP协议,其余仿真参数如表 1所 3 国武技论文在线 http:/www.paper.edu.cn 流1 流k 100 图3多点同心圆环仿真拓扑示意图 表1仿真参数 参数名参数值 参数名 参数值 传播模型 Two-Ray物理层接收模型SNR- THRESHOLD-BASED 通信范围 52m 接收信噪比门限 1 0dB 物理载波检测范围 532m 时隙长度 20 PHY头大 192bit SIFS MAC头大小 DIFS Sous RTS大小 160bit CW CTS/ACK大小 112bit CW 1023 由文献[1]叮知,当传播模型为Two-Ray时,节点的信号接收功率可用(1)式表示 l05 、Ph2h2GG1 其中P为信号的发射功率,G和G分别为发送节点和接收节点的天线增益,h1和h分 别为发送节点和接收节点的天线高度,d为收发节点间的距离。 在前面的工作中,我们定义了接收节点的冲突干扰范围12并根据(1)式推导出当节点 的天线高度、增益及发送功率相冋的情况下接收节点的冲突干扰范围可用下式表小: 110 =d√SMR (2) 其中是接收节点的冲突干扰范围,SNR,则是节点判断信号能被正确接收的信噪比 门限值。在表1中SNR取10dB,则r大约为178 为描述网络中多个业务流的公平性,我们在仿貞结果分析中采用了式(3)所示的公平 性指数F13 T:I 115 Fl= (3) ∑(r/9) 其中,N为网络中业务流的总数,;和分别表示流i的吞吐量和权重。在本文的仿真 中,将各个业务流的权重设置为相同。由式(3)可知F在区间[N,1中取值,当F取1 时,表示网终中各个节点能公平地共享信道带宽;当F/为1N时,则认为网终中的节点处 于完全不公平状态 120 按照图3所示的网络拓扑,我们选取不同的内外环半径r和R,得出各个业务流的平均 吞吐量如图4所小,其中流1表小真实的文本业务,流2到流16表小15对仿真业务。表2 刂列出了按图4中各业务流的吞吐量由(3)式计算待出的不冋拓扑下的公平性指数及网终 总春吐量 4 国武技论文在线 http:/www.paper.edu.cn r=50.R=100 r 日r-175R-375 60 516 业务流序号 125 图4不同网络拓扑下各节点对的春吐量示意图 表2不同拓扑下的网络总吞吐量及公平性指数 (rm, R/m) (50,100) (100,300) (175,375) Th, otal/Kbps 770.0696 7163177 713.0457 FI 0.9979 0.8849 .5915 针对上述仿真结果,我们可做如下分析: 130 1)当r=50,R=100时,由于节点的通信范围为252m,故所有节点均处于单跳范围内, 并且信道处于饱和状态。此时,节点在两种载波检测机制的作用下能有效地避免冲突的发生, 从而保证各节点公平地共享信道带宽。如图4所示,冬节点对的吞吐量只存在小幅差异,表 2中网终的总吞吐量达到饱和信道容量值4,公平性指数近似为1。 2)当r=100,R=300时,仿真网终转变为多跳的 WLAN-Mesh网络。由图3的拓扑图 135可知,少数发送节点不在其余发送节点的物理载波检测范围内,而这些发送节点对应的接收 节点由于处在其余收发节点对的发送节点的物理载波检测范围內,载波检测机制使得这些少 数接收节点由于经常检测到信道上有信号发送而无法对收到的RTS/DATA帧进行应答,此 时就会导致少数节点共享信道上存在不公平。但多数发送节点在其余发送节点的物理载波检 测范围内,物理载波检测机制为这些发送节点提供了一种同步机制,有效地避免了多数 140节点对间的冲突。在这种网络拓扑下,物理载波检测机制一定程度上保证了节点对在接入信 道上的公平性。从图4中可以看出各节点对的吞吐量的差异有所增人,表2中的公平性指数 相比于单跳环境有小幅下降。 3)当r=175,R=375时,大量发送节点处于其余发送节点的物理载波检测范围外,物 理载波检测己无法保证发送节点间的同步。此时近半数发送节点还处于其余收发节点对的接 145收节点的沖突干扰范围內,这些发送节点的信号干扰使得这些接收节点的冲突频繁发生,出 现极为不公平现象。从图4和表2中均可以看出,此时节点间的不公平问题尤为突出 加载真实视频业务的半实物仿真 为进一步说明 WLAN-Mcsh网终中MAC层采用DCF协议时引发的不公平性问题,我 们将真实文本业务改为真实视频业务,并在 EXata仿真环境中建立图5所示的四点链状拓扑 150通过实物接收节点收到的实时视频画面,我们可以更为直观地反映不公平现象的存在。 图5四点链状拓扑 国武技论文在线 http:/www.paper.edu.cn 在上述拓扑中,仿真中两个节点对分布在同直线上,收发节点问的距离均为d,两节 155点对的距离为D。节点1和2分别与外部实物终端映射,它们之间建立真实的视频流,节点 3和4之间则建立仿真CBR流,数据包大小为1024bvte,发包间隔为4msa仿真时间为20s 两个业务流的传输持续整个仿真时间。信道比特率为2Mbps,其余仿真参数均与2.节仿真 实验一致。 按照图5所示的网络拓扑,我们选取不同的d和D进行仿真实验。图6给出了d和D 160取不同值时在客户端抓取的视频画面 (a)d-50,D=100 b)d200,D-200 (c)d-200.D-500 (d)d-200,D-600 165 注:d-=200,冂)=350时实物接收端没有收到视频,故没有该拓扑下的抓取画面 图6不同拓扑下接收视频的抓取画面 从上面的抓取画面,我们可以直观地看山在不同拓扑下仿貞CBR流对貞实视频流的影 响是不一样的。另外,我们也可对上述现象做出以下分析 170 1)当d=50,D=l00时,网络中4个节点均处于各自的通信范围内。此时,两个业务流 能公平地共享信道带宽,从图6中也可以看出,接收到的视频画面的保真度较高。 2)当d-200,D-200时,仿真网络转变为多跳的 WLAN-Mesh网络。此时,两个业务 流不能完全公平地共享信道,但物理载波检测机制能为两个发送节点提供一种同步机制,从 而较好地保证公平性。从图中可以看到,仿真抓取的图像的质量下降,局部岀现勹赛克 175 3)当d-20,D-350时,发送节点3在接收节点2的冲突十扰范围内,而物理载波检 测机制无法为两个发送节点提供同步,导致信道被仿真CBR流垄断,出现严重不公平现象, 仿真时实物接收端无法收到视频画面。 4)当d=200,D=500时,两发送节点不在各自的物理载波检测范围内,而接收节点2 却在发送节点3的物理载泼检测范围内。当节点3发送数据时,节点2就无法应答收到的 l80 RTS/DATA帧,导致节点1发送失败,公平性得不到保证。仿真中发现接收端不能再现连 续的视频画面,从抓取的諍态图中也可以看岀画面变得比较模糊,而且出现大片的马赛览。 5)当d-200,D-600时,两对收发节点都不在各自的物理载波检测范围内,两个业务 国武技论文在线 http:/www.paper.edu.cn 流均能独立地占用信道,此吋,接收端接收到连续的高保真祧频画面 结论 WLAN-Mesh网终作为一种极具潜力的宽带接入骨干网,其MAC层的基夲信道接入办 议DCF的公平性问题一直是该领域研究的热点之一。而现有的对该协议的研究工作大多是 在纯计算机仿真的结果上廾展的。木文首先对纯计算机仿真的可信度提出了质疑,认为该方 法的仿貞结果可能与实际网络的公平性情况存在偏差,针对前人研究方法的局限性,指出了 采用半实物仿真來硏究该问题的优势。在自行硏制的实际业务流终端设备的基础上枃建了基 190于 EXata的半实物仿真系统,结合不同网络环境下的半实物仿真结果,对wLAN-Mesh网络 MAC协议的公平性问题倣了细致地分析。后续WLAN-Mesh网络中MAC协议的研究将以 本文中搭建的半实物仿真系统为基础,以期获得更为真实的仿真结果,从而提出更为可靠的 MAC协议改进算法。 195参考文献 1 Wang, X, LiIm, A.O. IEEE 802. 11s wireless mesh networks: Framework and Challenges[J]. Ad Hoc Networks, 2008,6(6:970-984 [21 Zhou Y H. Nettles S M. Balancing the hidden and exposed node problems with power control in CSMA!CA-based wireless networks LA. iEEE Wireless Communications and Networking Conference[C]. USA 200IEEE,2005.683-688 [3 Xu S and Saadawi T. Does the ieee 802.11 MAC protocol work well in multihop wireless ad hoc networks?[J]. Communications Magazine, IEEE, 2001, 39(6): 130-13 4] IEEE 802 LAN/MAN Standards Committee. Wireless Lan mediun access control (MAC) and physical layer (PHY)specifcations [S]. IEEE Standard 802.11, 1999 205 5] Xu K, Gerla M and Bae S. How effective is the IEEE 802. 1IRTS/ CTS handshake in Ad Hoc networkS[] IEEE. GiLOBECOMO2IC. Taipei: IEEE, 2002. 72-76 [6 Gupta r, Walrand J Impatient backoff algorithm: fairness in a distributed ad hoc MAc [A]. IEEE International Conference on Communications[C]. USA: IEEE, 2007. 3562-3569 [7]ScalableNetworkTechnologiesQUalnetsimulator[ol].http:/www.quainet.com 210[8]周春华,冀潇.基于 QualNet的半实物网络仿真[J.科协论坛,下半月,2011,8:67-68 [9]段威,任华,柳海峰.基于 OPNET的通信网络半实物仿真方法研究[计算机仿真,2007,24(11): 138-143 [10]赖安琪.基于 QualNet的战术数据链ˇ实物仿真[J.电讯技术,2009,49(5):74-77. ITSRappaport. Wireless Communications: Principles and Practice[M]. Upper Saddle River, N: Prentice-Ilall 2151996 [12]雷磊,许宗泽,冯欣肷. Ad hoc网络中信号干扰对DCF协议公平性的影响及仿真分析J系统仿頁学 报,2010,22(1):165-169 [13 Jain R, Durresi A, and Babic G. Throughput fairness index: An explanation[R]. The Ohio State University, Columbus OH 43210.1999 220 [141 Bianchi G. Performance analysis of the IEEE 802. 11 distributed coordination function[J IEEE Journal or Sclccted Arcas in Communications, 2000. 18(3): 535-547 15]雷磊,许宗泽. Ad hoc网络屮DCF公平性分析与改进[.电子与信息学报,2008,30(2):472-476

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