王彥剛, 萬(wàn)留進(jìn), 呂遵明, 樓 俐

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基于跨層設(shè)計(jì)的無(wú)線自組網(wǎng)方案①

王彥剛, 萬(wàn)留進(jìn), 呂遵明, 樓 俐

(中國(guó)電子設(shè)備系統(tǒng)工程公司南京電訊技術(shù)研究所, 南京210007)

首先詳細(xì)描述了目前無(wú)線自組網(wǎng)現(xiàn)狀及問(wèn)題, 然后基于跨層設(shè)計(jì)思想提出一種無(wú)線節(jié)點(diǎn)組網(wǎng)方案, 尤其對(duì)MAC層、網(wǎng)絡(luò)層的實(shí)現(xiàn)方案進(jìn)行了詳細(xì)描述, 最后進(jìn)行樣機(jī)實(shí)現(xiàn)并搭建半實(shí)物仿真環(huán)境進(jìn)行了仿真試驗(yàn), 仿真結(jié)果顯示該組網(wǎng)方案在網(wǎng)絡(luò)吞吐量方面比傳統(tǒng)組網(wǎng)模式有顯著提升.

跨層設(shè)計(jì); 半實(shí)物仿真; 網(wǎng)絡(luò)吞吐量

隨著無(wú)線自組網(wǎng)技術(shù)在軍事領(lǐng)域、搶險(xiǎn)救災(zāi)等民用領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用, 目前各種類型的無(wú)線自組網(wǎng)節(jié)點(diǎn)設(shè)備被研制使用, 經(jīng)過(guò)科研人員的多年努力, 物理層數(shù)據(jù)傳輸速率有了較大幅度的提升, 但網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建方面還沒(méi)有突破性的進(jìn)展, 組網(wǎng)應(yīng)用時(shí)網(wǎng)絡(luò)吞吐量仍然偏低, 將物理信道提升的性能大打折扣. 主要表現(xiàn)在:

1) 信道接入效率不高, 在信道接入方面普遍采用CSMA或TDMA接入方式, CSMA模式適用于突發(fā)業(yè)務(wù)較多的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境, 在節(jié)點(diǎn)數(shù)增多且網(wǎng)絡(luò)流量較均勻時(shí), 性能會(huì)急劇下降, TDMA模式適用于網(wǎng)絡(luò)流量較均勻的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境, 但在實(shí)際使用中, 網(wǎng)絡(luò)環(huán)境復(fù)雜多變, 位于網(wǎng)絡(luò)中不同位置的節(jié)點(diǎn)之間的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境都會(huì)有巨大差別;

2) 網(wǎng)絡(luò)易產(chǎn)生擁塞, 當(dāng)前無(wú)線自組網(wǎng)在建立路由時(shí), 往往不考慮業(yè)務(wù)負(fù)載分布情況, 這種方式非常容易產(chǎn)生局部網(wǎng)絡(luò)流量較大情況, 尤其對(duì)TDMA的信道接入方式, 局部網(wǎng)絡(luò)流量較大情況極易造成“瓶頸”節(jié)點(diǎn)的出現(xiàn), 導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)擁塞, 甚至網(wǎng)絡(luò)“癱瘓”, 造成嚴(yán)重后果;

3) QoS保證能力不夠, 話音、圖像等多媒體信息的實(shí)時(shí)傳輸需求日益增長(zhǎng), 但無(wú)線自組網(wǎng)具有拓?fù)鋭?dòng)態(tài)變化、隱終端、暴露終端等特性, 導(dǎo)致為應(yīng)用業(yè)務(wù)提供一條端到端的具有QoS保證的通道仍然具有很大難度.

本文以解決或改善上述問(wèn)題為目標(biāo), 基于跨層設(shè)計(jì)思想[1,2]提出了一種自適應(yīng)的自組網(wǎng)方案, 同時(shí)進(jìn)行了樣機(jī)實(shí)現(xiàn), 最后經(jīng)過(guò)半實(shí)物仿真環(huán)境測(cè)試, 測(cè)試結(jié)果表明, 該組網(wǎng)方案在網(wǎng)絡(luò)吞吐量方面比傳統(tǒng)組網(wǎng)模式有顯著提升.

1　基本架構(gòu)

根據(jù)無(wú)線自組網(wǎng)節(jié)點(diǎn)既要能夠產(chǎn)生業(yè)務(wù)又要具有路由器功能的特點(diǎn), 本方案將無(wú)線節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)成為一個(gè)符合TCP/IP協(xié)議的路由器節(jié)點(diǎn), 對(duì)外提供以太網(wǎng)接口,通過(guò)網(wǎng)口可以連接任意多個(gè)符合TCP/IP協(xié)議棧的終端, 例如常用的PC機(jī)等, 業(yè)務(wù)由終端產(chǎn)生, 通過(guò)無(wú)線節(jié)點(diǎn)發(fā)送出去, 如圖1所示.

圖1　系統(tǒng)總體框圖

2　實(shí)現(xiàn)方案

2.1 概述

本方案借鑒跨層設(shè)計(jì)思想將分散在網(wǎng)絡(luò)各個(gè)子層的特性參數(shù)協(xié)調(diào)融合, 使協(xié)議棧能夠以全局的方式適應(yīng)特定應(yīng)用和網(wǎng)絡(luò)狀況變化, 從而通信終端能夠在盡可能少的人為操作下, 自適應(yīng)的完成組網(wǎng). 本方案中MAC層和網(wǎng)絡(luò)層之間相互共享參數(shù)信息, 能夠?qū)W(wǎng)絡(luò)資源進(jìn)行有效分配, 提高網(wǎng)絡(luò)的綜合性能. 本方案基于TCP/IP協(xié)議棧進(jìn)行設(shè)計(jì), 邏輯框圖如圖2所示, 該框圖只給出了本方案所獨(dú)有的模塊, 對(duì)于其它TCP/IP協(xié)議固有模塊進(jìn)行了省略.

圖2 協(xié)議棧功能模塊

2.2 MAC層方案

2.2.1 信道接入模塊

本方案采用時(shí)隙化信道, 時(shí)隙化信道由多個(gè)持續(xù)時(shí)間相等的時(shí)隙組成, 時(shí)隙組合成一個(gè)較大的時(shí)幀, 時(shí)幀循環(huán)重復(fù)使用. 信道接入模塊的設(shè)計(jì)目標(biāo)主要為: 網(wǎng)絡(luò)中不采用固定設(shè)施進(jìn)行集中管理, 節(jié)點(diǎn)以分布式的工作模式接入信道, 無(wú)需人工干預(yù); 具有資源預(yù)約功能和時(shí)隙空間復(fù)用能力.

(1) 時(shí)幀格式

無(wú)線信道劃分為連續(xù)時(shí)幀, 每個(gè)時(shí)幀有6N(N>1, N為基本時(shí)隙數(shù)量)個(gè)時(shí)隙構(gòu)成, 如圖3所示. 其中, 前面3N個(gè)時(shí)隙作為專用時(shí)隙, 后3N個(gè)時(shí)隙為公共時(shí)隙, 另外, 專用時(shí)隙又分為基本時(shí)隙、應(yīng)達(dá)時(shí)隙和再應(yīng)答時(shí)隙三種. 下面詳細(xì)描述這四種時(shí)隙.

圖3 時(shí)幀格式

1) 基本時(shí)隙. 節(jié)點(diǎn)能否申請(qǐng)到一個(gè)基本時(shí)隙作為節(jié)點(diǎn)是否入網(wǎng)的標(biāo)志, 當(dāng)節(jié)點(diǎn)準(zhǔn)備入網(wǎng)時(shí), 首先通過(guò)一段時(shí)間的偵聽(tīng)過(guò)程, 然后通過(guò)基本時(shí)隙的申請(qǐng)算法競(jìng)爭(zhēng)獲得一個(gè)屬于自己的基本時(shí)隙. 基本時(shí)隙能夠?qū)崿F(xiàn)可靠廣播, 對(duì)信道資源預(yù)約、路由協(xié)議、網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步等都有很好的支持.

2) 應(yīng)答時(shí)隙和再應(yīng)答時(shí)隙. 每個(gè)基本時(shí)隙后面都緊跟一個(gè)應(yīng)答時(shí)隙和再應(yīng)答時(shí)隙, 兩個(gè)應(yīng)答時(shí)隙和基本時(shí)隙是對(duì)應(yīng)的. 在需要進(jìn)行信道資源預(yù)約時(shí), 兩個(gè)應(yīng)答時(shí)隙配合基本時(shí)隙一起進(jìn)行資源預(yù)約, 當(dāng)不需要信道資源預(yù)約時(shí), 這兩個(gè)時(shí)隙和基本時(shí)隙一起作為本節(jié)點(diǎn)的可靠廣播時(shí)隙.

3) 公共時(shí)隙. 這些時(shí)隙允許網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)根據(jù)需要進(jìn)行預(yù)約使用.

(2) 基本時(shí)隙申請(qǐng)及維護(hù)

采用RR-ALOHA協(xié)議[3,4]中的算法進(jìn)行申請(qǐng)和維護(hù)基本時(shí)隙, 該算法保證每個(gè)節(jié)點(diǎn)能夠在局部范圍內(nèi)獲得一個(gè)可靠的廣播時(shí)隙.

(3) 時(shí)隙預(yù)約及釋放

采用RTS/CTS握手機(jī)制進(jìn)行時(shí)隙預(yù)約. 不同的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中對(duì)RTS/CTS握手機(jī)制的實(shí)現(xiàn)方式是不同的, 本方案基于節(jié)點(diǎn)的基本時(shí)隙進(jìn)行實(shí)現(xiàn), 下面從四個(gè)部分進(jìn)行詳細(xì)介紹時(shí)隙預(yù)約及釋放過(guò)程:

1) 時(shí)隙無(wú)沖突預(yù)約條件. 當(dāng)發(fā)送節(jié)點(diǎn)與接收節(jié)點(diǎn)預(yù)約時(shí)隙時(shí), 發(fā)送節(jié)點(diǎn)必須選擇無(wú)沖突且可空間復(fù)用的時(shí)隙進(jìn)行預(yù)約, 這些時(shí)隙需要同時(shí)滿足條件為: 對(duì)于本節(jié)點(diǎn)和接收節(jié)點(diǎn)這些時(shí)隙是空閑的; 對(duì)于本節(jié)點(diǎn)的鄰居節(jié)點(diǎn)這些時(shí)隙沒(méi)有被預(yù)約為接收時(shí)隙; 對(duì)于接收節(jié)點(diǎn)的鄰居節(jié)點(diǎn)這些時(shí)隙沒(méi)有被預(yù)約為發(fā)送時(shí)隙.

2) 時(shí)隙預(yù)約. 發(fā)送節(jié)點(diǎn)將選擇的可預(yù)約為發(fā)送的時(shí)隙和預(yù)約時(shí)隙數(shù)量放到RTS中, 在基本時(shí)隙發(fā)送給接收節(jié)點(diǎn), 接收節(jié)點(diǎn)收到RTS后從中選擇可預(yù)約為接收的時(shí)隙放到CTS中, 在應(yīng)答時(shí)隙回復(fù), 當(dāng)發(fā)送節(jié)點(diǎn)收到CTS后, 提取預(yù)約時(shí)隙, 則在接下來(lái)的預(yù)約時(shí)隙發(fā)送數(shù)據(jù), 同時(shí)將預(yù)約的時(shí)隙放入到RESV, 通過(guò)再應(yīng)答時(shí)隙發(fā)送出去, 向鄰居節(jié)點(diǎn)通告預(yù)約的發(fā)送時(shí)隙, 如圖4所示.

圖4 資源預(yù)約過(guò)程

3) 時(shí)隙通告. 根據(jù)1)中描述的無(wú)沖突預(yù)約時(shí)隙條件, 發(fā)送節(jié)點(diǎn)必須知道本節(jié)點(diǎn)的鄰居預(yù)約時(shí)隙的情況. 時(shí)隙通告采用監(jiān)聽(tīng)機(jī)制, 當(dāng)鄰居節(jié)點(diǎn)監(jiān)聽(tīng)到CTS消息, 就會(huì)得知鄰居節(jié)點(diǎn)預(yù)約了哪些時(shí)隙為接收, 當(dāng)鄰居節(jié)點(diǎn)監(jiān)聽(tīng)到RESV消息, 就會(huì)得知鄰居節(jié)點(diǎn)預(yù)約了哪些時(shí)隙為發(fā)送.

4) 時(shí)隙釋放. 由于網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湓诓煌５淖兓? 可能有新鄰居節(jié)點(diǎn)到達(dá), 同時(shí)沒(méi)有監(jiān)聽(tīng)到時(shí)隙通告消息, 就會(huì)造成預(yù)約沖突, 此時(shí)則放棄使用這些時(shí)隙.

2.2.2 同步模塊

同步模塊用來(lái)進(jìn)行時(shí)隙和時(shí)幀同步. 首先網(wǎng)內(nèi)各個(gè)節(jié)點(diǎn)都具備高穩(wěn)時(shí)鐘, 這些時(shí)鐘在網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)運(yùn)行之前被統(tǒng)一校準(zhǔn), 依靠硬件時(shí)鐘的高穩(wěn)定特性能夠維持網(wǎng)絡(luò)同步較長(zhǎng)時(shí)間, 同時(shí)在組網(wǎng)時(shí)指定時(shí)間主控節(jié)點(diǎn), 其它節(jié)點(diǎn)通過(guò)周期性與時(shí)間主控節(jié)點(diǎn)進(jìn)行交互TOD(Time Of Date)信息, 進(jìn)行維持網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步, 另外時(shí)間主控節(jié)點(diǎn)使用第1個(gè)基本時(shí)隙, 同時(shí)在基本時(shí)隙內(nèi)廣播當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)時(shí)幀長(zhǎng)度以及當(dāng)期基本時(shí)隙的編號(hào), 其它節(jié)點(diǎn)通過(guò)監(jiān)聽(tīng)這些信息實(shí)現(xiàn)時(shí)幀同步.

2.2.3 監(jiān)聽(tīng)模塊

監(jiān)聽(tīng)模塊收到一個(gè)MAC幀時(shí), 通過(guò)其幀類型字段判斷當(dāng)前數(shù)據(jù)部分的內(nèi)容并進(jìn)行處理, 通過(guò)這種方式可以獲得鄰居節(jié)點(diǎn)、時(shí)隙使用狀態(tài)、TOD等信息.

2.2.4 擁塞監(jiān)測(cè)模塊

本方案引入報(bào)文隊(duì)列增長(zhǎng)系數(shù)進(jìn)行描述節(jié)點(diǎn)的擁塞情況, 即一個(gè)時(shí)幀內(nèi)到達(dá)的報(bào)文數(shù)量除以轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)量的值, 反映了報(bào)文隊(duì)列的變化趨勢(shì). 這需要設(shè)置兩個(gè)預(yù)警門限: 最小預(yù)警門限和最大預(yù)警門限. 當(dāng)報(bào)文隊(duì)列達(dá)到最小預(yù)警門限, 則擁塞檢測(cè)模塊開(kāi)始計(jì)算報(bào)文隊(duì)列增長(zhǎng)系數(shù). 如果增長(zhǎng)系數(shù)大于1就表示緩存隊(duì)列變長(zhǎng), 擁塞程度增加, 則不再通過(guò)該節(jié)點(diǎn)繼續(xù)建立路由, 直到擁塞狀態(tài)解除.

2.3 網(wǎng)絡(luò)層方案

2.3.1 IP報(bào)文解析模塊

當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)層下面有兩個(gè)MAC層, 都有數(shù)據(jù)到達(dá)和轉(zhuǎn)發(fā). IP報(bào)文解析模塊負(fù)責(zé)對(duì)兩個(gè)MAC層提交上來(lái)的IP包進(jìn)行解析, 然后提供給相應(yīng)的模塊處理.

2.3.2路由模塊

(1) 設(shè)計(jì)目標(biāo)

AODV協(xié)議[5]是為自組網(wǎng)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)的, 能夠?qū)?dòng)態(tài)鏈路狀況快速自適應(yīng), 具有處理開(kāi)銷和存儲(chǔ)開(kāi)銷低等特點(diǎn). 本方案基于本文第二節(jié)描述的MAC層協(xié)議設(shè)計(jì)了一種AODV協(xié)議的改進(jìn)方案, 設(shè)計(jì)目標(biāo)如下:

1) 具有流量均衡功能, 能夠避開(kāi)網(wǎng)絡(luò)流量集中的節(jié)點(diǎn), 減少網(wǎng)絡(luò)擁塞發(fā)生;

2) 具有端到端資源預(yù)約功能, 提供QoS保證.

(2) 設(shè)計(jì)方案

AODV協(xié)議的工作過(guò)程可以簡(jiǎn)單概述為源節(jié)點(diǎn)發(fā)起RREQ消息, 中間節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)RREQ消息, 目的節(jié)點(diǎn)收到RREQ消息后回復(fù)RREP消息, RREP消息按照RREQ消息路徑到達(dá)源節(jié)點(diǎn), 源節(jié)點(diǎn)收到RREP消息表示路由建立完畢.

本方案將MAC層的資源預(yù)約過(guò)程與AODV協(xié)議進(jìn)行結(jié)合. 在RREQ發(fā)送階段, 源節(jié)點(diǎn)將RTS和RREQ消息級(jí)聯(lián)后進(jìn)行發(fā)送, 中間收到RTS-RREQ級(jí)聯(lián)消息后, 提取RTS并分析, 認(rèn)為資源滿足需求, 則構(gòu)建給上游節(jié)點(diǎn)回復(fù)的CTS消息、以及給下游節(jié)點(diǎn)的RTS消息, 然后與RREQ消息進(jìn)行級(jí)聯(lián)繼續(xù)轉(zhuǎn)發(fā), 否則不處理, 當(dāng)上游節(jié)點(diǎn)偵聽(tīng)到CTS-RTS-RREQ級(jí)聯(lián)的消息后, 提取CTS消息完成資源預(yù)約握手, 下游節(jié)點(diǎn)收到CTS-RTS-RREQ消息后, 提取RTS和RREQ消息進(jìn)行處理, 處理過(guò)程和上游節(jié)點(diǎn)相同. 在RREP回復(fù)階段, 目的節(jié)點(diǎn)收到CTS-RTS-RREQ的級(jí)聯(lián)消息后, 構(gòu)建給上游節(jié)點(diǎn)回復(fù)的CTS消息然后和RREP消息級(jí)聯(lián)發(fā)送給上游節(jié)點(diǎn), 上游節(jié)點(diǎn)收到CTS-RREP消息后, 根據(jù)CTS構(gòu)建RESV消息,然后再與RREP消息級(jí)聯(lián)為RESV-RREP繼續(xù)向上游節(jié)點(diǎn)發(fā)送, 直到源節(jié)點(diǎn)收到RESV-RREP消息, 表示一條資源充沛的路徑被選擇. 具體如圖5所示.

圖5 路由建立過(guò)程

當(dāng)路由建立成功后, 源節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)之間周期地發(fā)送正向路由和反向路由的維護(hù)消息, 完成路由的維護(hù), 當(dāng)節(jié)點(diǎn)超時(shí)收不到路由維護(hù)消息, 則認(rèn)為路由失效, 將路由刪除并釋放預(yù)約資源.

2.3.3 QoS申請(qǐng)模塊

當(dāng)有QoS申請(qǐng)信令到達(dá), 則觸發(fā)QoS申請(qǐng)模塊, 該模塊將QoS請(qǐng)求命令進(jìn)行解析, 根據(jù)其QoS要求進(jìn)行端到端的資源預(yù)約.

2.3.4 IP報(bào)文轉(zhuǎn)發(fā)模塊

該模塊用于區(qū)分普通IP報(bào)文和QoS IP報(bào)文, 同時(shí)進(jìn)行相應(yīng)的轉(zhuǎn)發(fā)處理. 對(duì)于普通的IP報(bào)文, 通過(guò)路由表轉(zhuǎn)發(fā), 如果沒(méi)有路由, 則觸發(fā)路由模塊重新建立路由; 對(duì)于QoS IP報(bào)文, 則放入QoS報(bào)文緩存隊(duì)列, 通過(guò)QoS路徑轉(zhuǎn)發(fā), 如果沒(méi)有QoS路徑, 則丟棄.

3　半實(shí)物仿真

3.1 仿真內(nèi)容

利用VRNET搭建半實(shí)物網(wǎng)絡(luò)環(huán)境仿真環(huán)境, 其中實(shí)物節(jié)點(diǎn)兩個(gè), 仿真節(jié)點(diǎn)12個(gè), 采用網(wǎng)絡(luò)性能測(cè)試軟件IxChariot仿真測(cè)試網(wǎng)絡(luò)吞吐量和網(wǎng)絡(luò)時(shí)延.

3.2 軟件介紹

3.2.1 VRNET網(wǎng)絡(luò)仿真軟件

VRNET Developer 是一款由北京未爾科技研發(fā)的離散事件網(wǎng)絡(luò)仿真器, 提供大量通信協(xié)議庫(kù), 能夠支持用戶在有線和無(wú)線網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域的各種仿真需求, 尤其在無(wú)線自組網(wǎng)以及無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)方面, VRNET提供了大量的協(xié)議模型, 能夠滿足用戶的各種應(yīng)用.

3.2.2 IxChariot網(wǎng)絡(luò)測(cè)試軟件

IxChariot是美國(guó)IXIA公司推出的針對(duì)應(yīng)用層性能測(cè)試的一款軟測(cè)試工具, 能夠評(píng)估網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的性能和容量, 對(duì)網(wǎng)絡(luò)和設(shè)備進(jìn)行壓力測(cè)試, 得到設(shè)備及網(wǎng)絡(luò)在不同應(yīng)用、不同參數(shù)下的吞吐量、時(shí)延、丟包、反應(yīng)時(shí)間等性能參數(shù).

3.3 半實(shí)物網(wǎng)絡(luò)環(huán)境搭建

3.3.1 場(chǎng)景描述

半實(shí)物仿真場(chǎng)景搭建需要一臺(tái)服務(wù)器、兩臺(tái)計(jì)算機(jī)終端和兩臺(tái)無(wú)線節(jié)點(diǎn)樣機(jī), 其中服務(wù)器運(yùn)行VRNET仿真環(huán)境, 模擬12個(gè)網(wǎng)絡(luò)虛擬節(jié)點(diǎn), 計(jì)算機(jī)終端1和無(wú)線節(jié)點(diǎn)樣機(jī)1映射到虛擬仿真環(huán)境中的兩個(gè)節(jié)點(diǎn), 計(jì)算機(jī)終端2和無(wú)線節(jié)點(diǎn)樣機(jī)2連接, 樣機(jī)之間可以進(jìn)行無(wú)線通信, 如圖6所示. 此時(shí)計(jì)算機(jī)終端1和終端2都運(yùn)行IxChariot軟件, 通過(guò)半實(shí)物的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境進(jìn)行通信測(cè)試.

圖6 半實(shí)物仿真場(chǎng)景

3.3.2 仿真場(chǎng)景參數(shù)配置

根據(jù)一般使用環(huán)境, 網(wǎng)絡(luò)仿真環(huán)境設(shè)置為: 信息速率1.5 Mbit/s; 節(jié)點(diǎn)隨機(jī)移動(dòng); 節(jié)點(diǎn)移動(dòng)隨機(jī)速度0 km/h～60 km/h; 鏈路誤比特率4.42×10-5; 節(jié)點(diǎn)通信距離5 km; 拓?fù)浞秶?0 km×15 km; 節(jié)點(diǎn)數(shù)12; 路由模塊AODV、改進(jìn)版AODV; MAC層CSMA/CA、TDMA(時(shí)隙長(zhǎng)度10 ms)、本方案MAC協(xié)議(時(shí)隙長(zhǎng)度10 ms); 仿真節(jié)點(diǎn)隨機(jī)產(chǎn)生背景業(yè)務(wù), 報(bào)文間隔符合指數(shù)分布.

3.3.3 測(cè)試過(guò)程

測(cè)試過(guò)程可以分為以下幾個(gè)步驟:

1) 運(yùn)行計(jì)算機(jī)終端1、終端2的IxChariot控制端軟件, 同時(shí)配置測(cè)試參數(shù);

2) 在IxChariot控制端軟件加載吞吐量測(cè)試腳本文件, 運(yùn)行測(cè)試軟件, 同時(shí)更改VRNET Developer仿真環(huán)境中的背景業(yè)務(wù)量, 再重復(fù)上述步驟, 記錄當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)背景業(yè)務(wù)情況下的平均吞吐量, 共計(jì)測(cè)試八種背景業(yè)務(wù)量下的平均吞吐量;

3) 按照2)中方法再測(cè)試網(wǎng)絡(luò)時(shí)延.

3.4 仿真測(cè)試結(jié)果分析

本仿真基于背景業(yè)務(wù)量由輕及重的過(guò)程, 對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能進(jìn)行了仿真測(cè)試, 并將測(cè)試結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比.

3.4.1 網(wǎng)絡(luò)吞吐量分析

圖7是網(wǎng)絡(luò)吞吐量測(cè)試結(jié)果. 通過(guò)仿真結(jié)果看出:

1) 當(dāng)沒(méi)有背景業(yè)務(wù)或背景業(yè)務(wù)比較小時(shí), CSMA/CA和本方案的網(wǎng)絡(luò)吞吐量相對(duì)比較高, 靜態(tài)TDMA網(wǎng)絡(luò)吞吐量較低. 這是因?yàn)楸尘皹I(yè)務(wù)較少, 信道競(jìng)爭(zhēng)不激烈, 對(duì)CSMA/CA有利, 但在節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)過(guò)程中, 仍然會(huì)與上下游節(jié)點(diǎn)競(jìng)爭(zhēng), 依然存在報(bào)文碰撞及空閑信道被誤認(rèn)為繁忙的現(xiàn)象, 本方案通過(guò)協(xié)商的方式接入信道, 能夠很大程度減小上述現(xiàn)象的發(fā)生, 但本方案中還有接近一半的時(shí)隙被靜態(tài)劃分出的作為基本時(shí)隙使用, 因此與CSMA/CA吞吐量相差不大. 對(duì)于靜態(tài)TDMA來(lái)說(shuō), 資源被固定劃分給每個(gè)節(jié)點(diǎn), 處于較忙狀態(tài)的節(jié)點(diǎn)資源必定不夠, 即使其它大部分時(shí)隙空閑, 也無(wú)法使用, 因此即使沒(méi)有背景業(yè)務(wù), 靜態(tài)TDMA的吞吐量也較低.

2)隨著背景業(yè)務(wù)的增加, 本方案仍然保持較穩(wěn)定的吞吐量, CSMA/CA吞吐量在逐步下降, 靜態(tài)TDMA吞吐量下降幅度較大. 這是因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)競(jìng)爭(zhēng)信道的頻率增加了, 對(duì)于CSMA/CA來(lái)說(shuō), 每個(gè)節(jié)點(diǎn)占用信道的機(jī)會(huì)變小且碰撞概率增大, 導(dǎo)致發(fā)送隊(duì)列變長(zhǎng)且重傳次數(shù)增加, 網(wǎng)絡(luò)吞吐量開(kāi)始下降, 對(duì)于本方案來(lái)說(shuō), 節(jié)點(diǎn)之間通過(guò)協(xié)商的方式使用信道, 碰撞概率低, 空閑時(shí)隙能夠被充分利用, 吞吐量基本不會(huì)下降太多, 對(duì)于靜態(tài)TDMA來(lái)說(shuō), 雖然沒(méi)有碰撞問(wèn)題發(fā)生, 但每個(gè)節(jié)點(diǎn)僅有的帶寬被眾多業(yè)務(wù)平分, 發(fā)送隊(duì)列迅速增加, 導(dǎo)致發(fā)送端超時(shí)重傳, 進(jìn)一步導(dǎo)致隊(duì)列長(zhǎng)度倍增, 網(wǎng)絡(luò)擁塞現(xiàn)象逐步顯現(xiàn).

3.4.2 網(wǎng)絡(luò)時(shí)延分析

圖8是網(wǎng)絡(luò)時(shí)延測(cè)試結(jié)果. 通過(guò)仿真結(jié)果看出:

1)當(dāng)沒(méi)有背景業(yè)務(wù)或背景業(yè)務(wù)比較小時(shí), CSMA/CA的時(shí)延最小、本方案次之、靜態(tài)TDMA時(shí)延最大. 這是因?yàn)镃SMA/CA不受時(shí)隙限制, 只要有數(shù)據(jù)就可以競(jìng)爭(zhēng)信道發(fā)送, 對(duì)于靜態(tài)TDMA方式, 則必須等到自己的時(shí)隙到達(dá)后才能發(fā)送, 因此報(bào)文在發(fā)送隊(duì)列里的等待時(shí)間較長(zhǎng), 本方案的時(shí)延要明顯好于靜態(tài)TDMA, 可以根據(jù)需要在一個(gè)時(shí)幀內(nèi)預(yù)約多個(gè)空閑時(shí)隙, 時(shí)延降低.

2) 隨著背景業(yè)務(wù)增多, CSMA/CA時(shí)延增大, 本方案變化不明顯, 靜態(tài)TDMA時(shí)延增大, 這是因?yàn)镃SMA/CA競(jìng)爭(zhēng)信道困難且報(bào)文碰撞概率增大, 報(bào)文重傳增多, 時(shí)延增大, 對(duì)于本方案來(lái)說(shuō), 此時(shí)依然可以保持高效利用信道資源, 時(shí)延增加不明顯, 對(duì)于靜態(tài)TDMA來(lái)說(shuō), 緩存隊(duì)列增加明顯, 導(dǎo)致發(fā)送端超時(shí)重傳, 隊(duì)列長(zhǎng)度倍增, 網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)擁塞, 時(shí)延增大明顯.

3.4.3 總體評(píng)價(jià)

實(shí)際使用過(guò)程中, 任何節(jié)點(diǎn)既不會(huì)長(zhǎng)期處于負(fù)載較輕也不會(huì)處于負(fù)載過(guò)重狀態(tài), 此時(shí)本方案要優(yōu)于CSMA/CA和靜態(tài)TDMA, 雖然在時(shí)延方面比CSMA/CA略差一些, 但也基本能夠滿足大部分業(yè)務(wù)需求, 另外, 隨著物理信道性能的提升, 時(shí)隙劃分可以越來(lái)越小, 時(shí)延會(huì)得到更好的改善. 對(duì)于網(wǎng)絡(luò)擁塞問(wèn)題, 本方案提出的路由協(xié)議是可以對(duì)其改善的, 即便網(wǎng)絡(luò)負(fù)載過(guò)重, 也不會(huì)導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)“癱瘓”.

圖7 網(wǎng)絡(luò)吞吐量測(cè)試結(jié)果

圖8 網(wǎng)絡(luò)時(shí)延測(cè)試結(jié)果

4　結(jié)語(yǔ)

目前, 本方案組網(wǎng)性能還遠(yuǎn)沒(méi)有達(dá)到高效接入、智能管理等理想實(shí)用狀態(tài), 只是在一定程度上具有自適應(yīng)功能, 比傳統(tǒng)組網(wǎng)模式具有一定先進(jìn)性, 與理想狀態(tài)還有很大距離, 例如: 組網(wǎng)時(shí)必須指定時(shí)間主控節(jié)點(diǎn), 一旦時(shí)間主控節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障或者被摧毀, 網(wǎng)絡(luò)時(shí)間就會(huì)隨著時(shí)間的推移逐步“失步”; 另外, 本方案雖然節(jié)點(diǎn)通過(guò)監(jiān)聽(tīng)自動(dòng)入網(wǎng), 能夠省去手動(dòng)分配時(shí)隙的繁瑣, 但網(wǎng)絡(luò)規(guī)模(網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn))數(shù)需要事先確定, 當(dāng)網(wǎng)絡(luò)飽和后, 節(jié)點(diǎn)將無(wú)法繼續(xù)入網(wǎng), 不能根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行擴(kuò)大網(wǎng)絡(luò)規(guī)模. 因此, 后續(xù)還需針對(duì)上述的題進(jìn)一步研究并提出更好的解決思路.

1 王金龍,吳啟暉,龔玉萍,等.認(rèn)知無(wú)線網(wǎng)絡(luò).北京:電子工業(yè)出版社,2010.

2 Su H, Zhang X. Cross-layer based opportunistic MAC protocols for QoS provisionings over cognitive radio wireless networks. IEEE Journal on Selected Areas in Communications, 2008, 26(1): 118–129.

3 Borgonovo F, Capone A, Cesana M, Fratta L. RR-ALOHA: A reliable R-ALOHA broadcast channel for ad-hoc inter- vehicle communication networks. Proc. of Med-Hoc-Net 2002. Chia, Italy. 2002. 15–19.

4 Borgonovo F, Capone A, Cesana M, Fratta L. Ad hoc MAC: A new MAC architecture for ad hoc networks providing efficient and reliable point-to-point and broadcast services. ACM Wireless Networks (WINET), 2004, 10(4): 359–366.

5 陳林星,曾曦,曹毅.移動(dòng)Ad hoc網(wǎng)絡(luò).北京:電子工業(yè)出版社,2012:210–236.

Wirless Self-Organized Network Scheme Based on Cross-Layer Design

WANG Yan-Gang, WAN Liu-Jin, LV Zun-Ming, LOU Li

(Nanjing Telecommunication Technology Research Institute of CESEC, Nanjing 210007, China)

After analyzing the shortages of current wireless self-organized network, this paper presents a radio self-organized network scheme based on cross-layer design, particularly describes the scheme contents of MAC and Network layers. Then, the semi-physical simulation environment for prototype aeroplane is developed. The simulation results show that this scheme can obviously improve the ability of network throughput comparing with the traditional self-organized network mode.

cross-layer design; semi-physical simulation; network throughput

國(guó)家自然科學(xué)基金(61201216)

2016-04-20;收到修改稿時(shí)間:2016-07-07

[10.15888/j.cnki.csa.005605]