| 标题 | 无线自组织网络中“效果异常”问题的分析和解决 |
| 范文 | 徐山峰 谢佳 摘 要： 使用NS仿真软件，仿真分析了采用IEEE 802.11b DCF作为信道接入协议的无线自组织网络的效果异常问题。通过“修改传输数据帧长度”和“修改竞争窗口大小”，对效果异常问题的缓解情况进行仿真。仿真结果证明了两种解决方案的有效性。 关键词： 无线自组织网络； 效果异常； IEEE 802.11b DCF； NS 中图分类号：TN919.2?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2014）11?0004?03 Abstract： The effect abnomal phenomenon of Ad Hoc network taking IEEE 802.11b distributed coordination function （DCF） as channel access protocol is analyzed with the network simulator （NS） simulation software. By “modifying the transmission data frame length” and “modifying the contention window size”， the remission of effect abnomal situation was simulated. The simulation results indicate the effectiveness of these two solutions. Keywords： wireless Ad Hoc network； effect abnomal phenomenon； IEEE 802.11b DCF； NS 0 引 言 无线自组织（Ad Hoc）网络是一种特殊的无线移动通信网络。网络中的节点不仅具有普通移动终端所需的功能，而且具有报文转发能力。网络中的所有节点地位平等，无需设置任何中心控制节点，具有很强的抗毁性。Ad Hoc网络与其他移动通信网络的最根本区别是：节点间的通信可以经过多个中间节点的转发，即报文要经过多跳（Hop）到达目的地。 Ad Hoc网络技术的典型应用是2001年由美国国防高级研究项目局（DARPA）提出研制的战术瞄准网络技术（Tactical Targeting Networking Technology，TTNT）。TTNT数据链系统可在战术飞机、武器系统和地面节点间建立类似互联网的无线宽带通信网，从而对时间敏感目标的精确打击起到决定性作用，使美军的网络中心战能力产生质的飞跃。 在Ad Hoc网络协议栈中，信道接入协议运行在物理层之上，是所有报文在无线信道上发送和接收的直接控制者，它的性能好坏直接关系着信道的利用效率和整个网络的性能。 Ad Hoc网络信道接入协议分为基于单信道、基于双信道和基于多信道三大类。单信道接入协议用于只有一个共享信道的Ad Hoc网络。所有的控制报文和数据报文都在同一个信道上发送和接收。双信道接入协议用于有两个共享信道的Ad Hoc网络。两个信道分别为控制信道和数据信道。控制信道只传送信道接入协议的控制报文，而数据信道只传送数据报文。基于多信道的Ad Hoc网络信道接入协议用于具有多个信道的Ad Hoc网络。 受硬件技术发展的限制，很多Ad Hoc网络的节点都只能支持单信道，因此目前大部分的信道接入协议都是为单信道设计的。单信道接入协议也是目前应用最广泛的。常见的单信道接入协议有ALOHA，CSMA（Carrier Sense Multiple Access），MACA（Multiple Access Collision Avoidance），MACAW（MACA for Wireless LAN）和IEEE 802.11b DCF（Distributed Coordination Function）等。其中以IEEE 802.11b DCF协议的信道利用率最高、性能最好，应用也最为广泛。因此，本文重点阐述基于IEEE 802.11b DCF协议的Ad Hoc网络的一种特殊现象“效果异常”及其解决方案。 1 效果异常 在无线网络中，距离越远信号越弱，因此通常在距离较远的时候，采用较低的传输速度来改善信号质量，造成同一个无线网络里，存在不同传输速度的节点，这种无线网络环境称为多重传输速度（multi?rate）环境，如图2所示。 如图2所示，A和B要通过C（衔接有线网络和无线网络的接入点）传输数据到远程服务器（server）上。A和B采用IEEE 802.11b DCF作为信道接入协议。B的传输速度始终为11 Mb/s，A慢慢向外移动，传输速度由11 Mb/s调整为2 Mb/s。假设A和B数据帧（frame）大小不变，则占用信道的时间与自己的传输速度成反比。每传输一个相同大小的frame，A的传输速度降低，A占用信道时间增长，而B占用信道时间不变。在相同的时间长度内，A占用信道时间增长，B占用信道时间减短，A的传输速度降低导致B的吞吐量急剧下降，这种现象称为效果异常（Performance Anomaly）。 利用网络仿真工具NS（Network Simulator）对图2中场景进行仿真，A、B和C组成一个Ad Hoc网络，A、B和C的信道接入协议采用IEEE 802.11b DCF，路由协议采用DSDV（Destination?Sequenced Distance?Vector Routing）协议。仿真中设定A和B各自传输2 Mb/s的CBR业务到C上，frame大小固定为1 000 B，整个仿真过程约45 s。在0～15 s内，A和B的传输速度为11 Mb/s，随着A的向外移动，15～30 s内A的传输速度调整为2 Mb/s，30 s后A离开有效通信半径，只剩下B传输数据。针对C各收到多少A和B的数据（数据吞吐量）进行仿真分析，如图3所示。 如图3所示，在0～15 s内A和B的传输速度均为11 Mb/s，此时C收到A和B的数据均为约2 Mb/s，系统整体吞吐量约为4 Mb/s。在15～30 s，A的传输速度降为2 Mb/s，此时A的吞吐量降低为约1.1 Mb/s，同时B的传输速度维持在11 Mb/s，但其吞吐量降低为约1.2 Mb/s。在30 s后，A的影响消失，B的吞吐量才恢复到2 Mb/s，效果异常严重影响到B节点的网络性能。当Ad Hoc网络中存在较多节点时，效果异常将给整个网络系统带来破坏性的影响，这个问题必须引起人们的重视。 2 解决方案 2.1 修改传输数据帧长度 针对效果异常问题，一种解决方案是改变frame的大小：传输速度快的节点使用较大的frame，传输速度慢的节点使用较小的frame，因而当传输速度慢的节点竞争到信道使用权时，并不会占用信道太多时间，信道很快会开放给所有竞争节点，从而提高B的性能。在图2中相同的仿真场景下，减小A的frame大小，分别选择[frameA=]512 B/384 B/256 B/128 B进行仿真，仿真结果如图4，图5所示。 如图4，图5所示，随着[frameA]减小，B的吞吐量不断回升，且B的吞吐量稳定性不断增大。但是当[frameA]过小，也会直接导致A的吞吐量过低，A和B两方面因素都要考虑。综合分析图5，图6，当[frameA=]256 B时，既保证了B的吞吐量稳定在2 Mb/s附近，又保证了A的吞吐量不过低，效果异常问题得到缓解。 2.2 修改竞争窗口大小 另一种解决方案是改变A的竞争窗口（CW，Contention Window）大小，让传输速度快的节点更容易竞争到信道的使用权。计算退避时间和竞争窗口大小的公式如下： 如图6所示，当设置[CWA=176]后，B的吞吐量稳定在2 Mb/s，A的吞吐量稳定在0.8 Mb/s，效果异常问题得到缓解。 3 展 望 Ad Hoc网络技术因其无需架设网络设施、可快速展开、抗毁性强等特点，在未来军用数据链领域的应用前景非常广阔。随着Ad Hoc网络技术在军用领域应用的不断深入，多重传输速度环境下的效果异常问题正逐步受到重视。本文通过对“修改传输数据帧长度”和“修改竞争窗口大小”两种解决方案进行仿真，验证了它们能够有效缓解效果异常问题，为应用指明了方向。能否将两种解决方案相互结合，扬长避短，是笔者今后要继续研究的方向。 参考文献 [1] SKINNER Tony. DARPA successfully demonstrates tactical targeting network technology [J]. Jane's Defence Weekly， 2005， 42（44）： 2?10. [2] HEUSSE M， ROUSSEU F， BERGER?SABBATEL G， et al. Performance anomaly of 802.11b [C]// Proceedings of Twenty?Second Annual Joint Conference on the IEEE Computer and Communications. San Francisco： IEEE Societies， 2003： 836?843. [3] YANG Duck?Yong， LEE Tae?Jin， JANG Kyunghun， et al. Performance enhancement of multirate IEEE 802.11 WLANs with geographically scattered stations [J]. IEEE Transcation on Mobile Computing， 2006， 5（7）： 906?919. [4] ZHOU L， HAAS Z. Securing Ad Hoc networks [J]. IEEE Network， 1999， 13（6）： 24?30. [5] POTTIE G J， KAISER W J. Wireless integrated network sensors [J]. Communications of the ACM， 2000， 43（5）： 51?58. [6] 郑少仁，王海涛，赵志峰，等.Ad Hoc网络技术[M].北京：人民邮电出版社，2005. [7] 英春，刘勇，史美林.有线与无线的互连[J/OL].[2001?05?06].http：//articles.e?works.net.cn/It_overview/Article10381.htm. [8] DARPA. Tactical targeting networked technology （TTNT） industry day sol [EB/OL]. （2000?10?27） [2007?05?10]. http：//www.darpa.mil/baa/TTNT?ID?00.htm. [9] 王海涛，郑少仁.Ad Hoc传感网络的体系结构及其相关问题[J].解放军理工大学学报，2003，4（1）：1?6. 如图3所示，在0～15 s内A和B的传输速度均为11 Mb/s，此时C收到A和B的数据均为约2 Mb/s，系统整体吞吐量约为4 Mb/s。在15～30 s，A的传输速度降为2 Mb/s，此时A的吞吐量降低为约1.1 Mb/s，同时B的传输速度维持在11 Mb/s，但其吞吐量降低为约1.2 Mb/s。在30 s后，A的影响消失，B的吞吐量才恢复到2 Mb/s，效果异常严重影响到B节点的网络性能。当Ad Hoc网络中存在较多节点时，效果异常将给整个网络系统带来破坏性的影响，这个问题必须引起人们的重视。 2 解决方案 2.1 修改传输数据帧长度 针对效果异常问题，一种解决方案是改变frame的大小：传输速度快的节点使用较大的frame，传输速度慢的节点使用较小的frame，因而当传输速度慢的节点竞争到信道使用权时，并不会占用信道太多时间，信道很快会开放给所有竞争节点，从而提高B的性能。在图2中相同的仿真场景下，减小A的frame大小，分别选择[frameA=]512 B/384 B/256 B/128 B进行仿真，仿真结果如图4，图5所示。 如图4，图5所示，随着[frameA]减小，B的吞吐量不断回升，且B的吞吐量稳定性不断增大。但是当[frameA]过小，也会直接导致A的吞吐量过低，A和B两方面因素都要考虑。综合分析图5，图6，当[frameA=]256 B时，既保证了B的吞吐量稳定在2 Mb/s附近，又保证了A的吞吐量不过低，效果异常问题得到缓解。 2.2 修改竞争窗口大小 另一种解决方案是改变A的竞争窗口（CW，Contention Window）大小，让传输速度快的节点更容易竞争到信道的使用权。计算退避时间和竞争窗口大小的公式如下： 如图6所示，当设置[CWA=176]后，B的吞吐量稳定在2 Mb/s，A的吞吐量稳定在0.8 Mb/s，效果异常问题得到缓解。 3 展 望 Ad Hoc网络技术因其无需架设网络设施、可快速展开、抗毁性强等特点，在未来军用数据链领域的应用前景非常广阔。随着Ad Hoc网络技术在军用领域应用的不断深入，多重传输速度环境下的效果异常问题正逐步受到重视。本文通过对“修改传输数据帧长度”和“修改竞争窗口大小”两种解决方案进行仿真，验证了它们能够有效缓解效果异常问题，为应用指明了方向。能否将两种解决方案相互结合，扬长避短，是笔者今后要继续研究的方向。 参考文献 [1] SKINNER Tony. DARPA successfully demonstrates tactical targeting network technology [J]. Jane's Defence Weekly， 2005， 42（44）： 2?10. [2] HEUSSE M， ROUSSEU F， BERGER?SABBATEL G， et al. Performance anomaly of 802.11b [C]// Proceedings of Twenty?Second Annual Joint Conference on the IEEE Computer and Communications. San Francisco： IEEE Societies， 2003： 836?843. [3] YANG Duck?Yong， LEE Tae?Jin， JANG Kyunghun， et al. Performance enhancement of multirate IEEE 802.11 WLANs with geographically scattered stations [J]. IEEE Transcation on Mobile Computing， 2006， 5（7）： 906?919. [4] ZHOU L， HAAS Z. Securing Ad Hoc networks [J]. IEEE Network， 1999， 13（6）： 24?30. [5] POTTIE G J， KAISER W J. Wireless integrated network sensors [J]. Communications of the ACM， 2000， 43（5）： 51?58. [6] 郑少仁，王海涛，赵志峰，等.Ad Hoc网络技术[M].北京：人民邮电出版社，2005. [7] 英春，刘勇，史美林.有线与无线的互连[J/OL].[2001?05?06].http：//articles.e?works.net.cn/It_overview/Article10381.htm. [8] DARPA. Tactical targeting networked technology （TTNT） industry day sol [EB/OL]. （2000?10?27） [2007?05?10]. http：//www.darpa.mil/baa/TTNT?ID?00.htm. [9] 王海涛，郑少仁.Ad Hoc传感网络的体系结构及其相关问题[J].解放军理工大学学报，2003，4（1）：1?6. 如图3所示，在0～15 s内A和B的传输速度均为11 Mb/s，此时C收到A和B的数据均为约2 Mb/s，系统整体吞吐量约为4 Mb/s。在15～30 s，A的传输速度降为2 Mb/s，此时A的吞吐量降低为约1.1 Mb/s，同时B的传输速度维持在11 Mb/s，但其吞吐量降低为约1.2 Mb/s。在30 s后，A的影响消失，B的吞吐量才恢复到2 Mb/s，效果异常严重影响到B节点的网络性能。当Ad Hoc网络中存在较多节点时，效果异常将给整个网络系统带来破坏性的影响，这个问题必须引起人们的重视。 2 解决方案 2.1 修改传输数据帧长度 针对效果异常问题，一种解决方案是改变frame的大小：传输速度快的节点使用较大的frame，传输速度慢的节点使用较小的frame，因而当传输速度慢的节点竞争到信道使用权时，并不会占用信道太多时间，信道很快会开放给所有竞争节点，从而提高B的性能。在图2中相同的仿真场景下，减小A的frame大小，分别选择[frameA=]512 B/384 B/256 B/128 B进行仿真，仿真结果如图4，图5所示。 如图4，图5所示，随着[frameA]减小，B的吞吐量不断回升，且B的吞吐量稳定性不断增大。但是当[frameA]过小，也会直接导致A的吞吐量过低，A和B两方面因素都要考虑。综合分析图5，图6，当[frameA=]256 B时，既保证了B的吞吐量稳定在2 Mb/s附近，又保证了A的吞吐量不过低，效果异常问题得到缓解。 2.2 修改竞争窗口大小 另一种解决方案是改变A的竞争窗口（CW，Contention Window）大小，让传输速度快的节点更容易竞争到信道的使用权。计算退避时间和竞争窗口大小的公式如下： 如图6所示，当设置[CWA=176]后，B的吞吐量稳定在2 Mb/s，A的吞吐量稳定在0.8 Mb/s，效果异常问题得到缓解。 3 展 望 Ad Hoc网络技术因其无需架设网络设施、可快速展开、抗毁性强等特点，在未来军用数据链领域的应用前景非常广阔。随着Ad Hoc网络技术在军用领域应用的不断深入，多重传输速度环境下的效果异常问题正逐步受到重视。本文通过对“修改传输数据帧长度”和“修改竞争窗口大小”两种解决方案进行仿真，验证了它们能够有效缓解效果异常问题，为应用指明了方向。能否将两种解决方案相互结合，扬长避短，是笔者今后要继续研究的方向。 参考文献 [1] SKINNER Tony. DARPA successfully demonstrates tactical targeting network technology [J]. Jane's Defence Weekly， 2005， 42（44）： 2?10. [2] HEUSSE M， ROUSSEU F， BERGER?SABBATEL G， et al. Performance anomaly of 802.11b [C]// Proceedings of Twenty?Second Annual Joint Conference on the IEEE Computer and Communications. San Francisco： IEEE Societies， 2003： 836?843. [3] YANG Duck?Yong， LEE Tae?Jin， JANG Kyunghun， et al. Performance enhancement of multirate IEEE 802.11 WLANs with geographically scattered stations [J]. IEEE Transcation on Mobile Computing， 2006， 5（7）： 906?919. [4] ZHOU L， HAAS Z. Securing Ad Hoc networks [J]. IEEE Network， 1999， 13（6）： 24?30. [5] POTTIE G J， KAISER W J. Wireless integrated network sensors [J]. Communications of the ACM， 2000， 43（5）： 51?58. [6] 郑少仁，王海涛，赵志峰，等.Ad Hoc网络技术[M].北京：人民邮电出版社，2005. [7] 英春，刘勇，史美林.有线与无线的互连[J/OL].[2001?05?06].http：//articles.e?works.net.cn/It_overview/Article10381.htm. [8] DARPA. Tactical targeting networked technology （TTNT） industry day sol [EB/OL]. （2000?10?27） [2007?05?10]. http：//www.darpa.mil/baa/TTNT?ID?00.htm. [9] 王海涛，郑少仁.Ad Hoc传感网络的体系结构及其相关问题[J].解放军理工大学学报，2003，4（1）：1?6. |
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