NS-2無線物理層實現(xiàn)與衰落功能擴展研究

王 悅，劉燦濤，朱 雷，張書云

(中央財經大學 a.信息管理系；b.計算機科學與技術系，北京 100081)

1 概述

NS-2是一個分組級別的網絡模擬器，它模擬實現(xiàn)了大量網絡組件和協(xié)議[1]。它的無線模塊(WiFi)源自卡耐基梅隆大學的Monarch項目[2]，對無線傳輸做了如下假設和簡化：

(1)假設節(jié)點在發(fā)送或接收一個分組時沒有明顯移動。當節(jié)點處于低速運動或高發(fā)送速率時，該假設基本成立。例如，節(jié)點的移動速度是10 m/s，發(fā)送速率是1 Mb/s，當接收一個1500 Byte的分組時計算得出節(jié)點移動0.12 m。周圍環(huán)境基本不變，不會導致接收失敗。

(2)假設節(jié)點速度遠遠小于光速，因此多普勒效應可忽略不計。

節(jié)點移動速度較慢的Ad hoc無線網絡[3-4]和Mesh無線網絡(節(jié)點靜止)[5]基本滿足這2條假設，可以用NS-2較好地仿真。但是NS-2的無線接收模型過于簡化，不能完全反映現(xiàn)實[6]。主要有如下2個方面的問題：(1)沒有計算干擾信號的累加強度。(2)沒有考慮信道衰落(fading)。特別是后者對網絡性能的影響顯著，由于現(xiàn)實傳輸環(huán)境是復雜的，電磁波經過反射、折射、散射等多條路徑傳播到達接收節(jié)點后，由于節(jié)點移動或周圍環(huán)境變化等原因，信號強度和相位是時變的，這被稱為信道衰落[7]。無線網絡的早期研究為了簡化數學建模一般不考慮衰落效應。但在無線網絡研究取得很大進展的當前[8-9]，在NS-2中引入信道衰落對準確驗證無線算法很有必要。

本文分析NS-2分組收發(fā)仿真的實現(xiàn)原理。針對NS-2沒有考慮信道衰落效應的問題，給出信道衰落仿真的一般計算步驟，并以瑞利衰落為例，在NS-2中驗證無線網絡協(xié)議性能[10-11]。根據無線網絡傳輸的吞吐量和公平性[12]，在引入瑞利衰落后并通過與之前相比，以準確模擬無線傳輸的不確定性。

2 NS-2無線物理層分析

NS-2的無線物理層代碼分布在Mac目錄下channel.cc、wireless-phy.cc和Mac-802_11.cc的C++源文件中。Wireless Channel類實現(xiàn)無線信道傳輸分組功能(channel.cc源文件)；WirelessPhy類實現(xiàn)無線接口收發(fā)分組功能(wirelessphy.cc源文件)；Mac802_11類除實現(xiàn)了802.11的媒體訪問控制功能外，也實現(xiàn)了無線接口卡的SNR計算和分組捕獲功能(Mac-802_11.cc源文件)。

無線物理層的實現(xiàn)原理如圖1所示。

圖1 NS-2無線物理層主要類和方法示意圖

用圖1場景舉例說明無線物理層的實現(xiàn)原理。圖中有A，B，C，D 4個節(jié)點，B在A的發(fā)送半徑內；C在A的發(fā)送半徑外，但在其載波監(jiān)聽半徑內；D在A的載波監(jiān)聽半徑外。在仿真程序實現(xiàn)上，當A向B“發(fā)送”一個分組時，A的上層協(xié)議模塊調用其Mac對象send方法，該方法調用WirelessPhy對象的sendDown方法，后者進一步調用WirelessChannel對象的sendUp方法。WirelessChannel對象將此分組復制為2份，分別調用B和C(在A的載波監(jiān)聽范圍內)的WirelessPhy對象的sendUp方法，再通過調用Mac對象的recv方法，將分組傳遞給B和C的Mac對象。這就完成了一個分組從“發(fā)送”到“接收”的過程。注意：分組在節(jié)點之間的收發(fā)不是真實發(fā)生的網絡傳輸過程，而是通過函數調用的方式來仿真的。發(fā)送節(jié)點(比如A)將分組發(fā)送給載波監(jiān)聽半徑內的所有節(jié)點(比如B，C)。若接收節(jié)點在發(fā)送節(jié)點的發(fā)送半徑內且分組的SNR值大于一定閾值，它可正確接收并解碼該分組；若接收節(jié)點在發(fā)送節(jié)點的載波監(jiān)聽半徑內但不在發(fā)送半徑內(比如C)，它不能正確解碼該分組；若接收節(jié)點在發(fā)送節(jié)點的載波監(jiān)聽半徑外(比如D)，它檢測不到該分組。

按照分組從發(fā)送到接收的過程給出相關方法的主要步驟并附上重點代碼段(步驟編號見圖1)：

(1)WirelessPhy::sendDown

該方法將分組發(fā)送到信道上。

第1步 記錄分組p的發(fā)送信息txinfo_。

p->txinfo_.stamp((MobileNode*)node(),ant_->copy(),Pt_,lambda_);

其中，node()是發(fā)送節(jié)點；ant_->copy()是天線參數；Pt_是發(fā)送功率；lambda_是無線電波的波長。這些參數被記錄在發(fā)送分組里，用于在接收節(jié)點處計算接收功率。

第2步 發(fā)送分組p到信道。

channel_->recv(p,this);

這里通過調用WirelessChannel對象的recv方法來實現(xiàn)。

(2)WirelessChannel::sendUp

該方法將分組傳遞給發(fā)送節(jié)點載波監(jiān)聽半徑范圍內的所有接收節(jié)點。

第1步 缺省按照雙徑傳播模型[7]來計算載波監(jiān)聽半徑distCST_。

distCST_=wifp->getDist(wifp->getCSThresh(),wifp->get Pt(),1.0,1.0,highestZ,highestZ,wifp->getL(),wifp->getL ambda());

第2步 取得以本節(jié)點tnode為圓心以distCST_為半徑的范圍內的鄰居節(jié)點集合outlist。

get_neighbors((MobileNode*)tnode,outlist);

第3步 通過事件調度器s的schedule方法將分組的每個拷貝newp依次傳遞給每個鄰居節(jié)點rifp。傳播延遲propdelay由發(fā)送節(jié)點與接收節(jié)點的距離除以光速得到。

s.schedule(rifp,newp,propdelay);

(3)WirelessPhy::sendUp

該方法從WirelessChannel對象獲得分組p，判斷是否接收正確。

第1步 缺省按照雙徑傳播模型計算接收功率Pr。

Pr=propagation_->Pr(&p->txinfo_,&s,this);

第2步 按照分組的接收功率判斷它能否被正確接收。當Pr小于載波監(jiān)聽閾值CSThresh_時，接收不到該分組(pkt_recvd標記置0)；當Pr大于等于接收閾值RXThresh_時，可正確接收該分組(pkt_recvd置1，hdr->error置0)；當Pr大于CSThresh_且小于RXThresh_時，雖能接收到該分組，但因接收功率低于RXThresh_無法正確解碼它(pkt_recvd置1，hdr->error置1)。正確解碼分組還取決于SNR是否大于一定閾值，這部分在Mac對象中實現(xiàn)，實際上屬于無線物理層的功能。

(4)Mac802_11::recv

該方法計算分組的SNR是否大于等于SNR閾值CPThresh(SNR定義為早先接收的分組pktRx_在接收期間與新到來的干擾分組p的接收功率的比值)。若是，則正確接收該分組并傳給上層協(xié)議；否則丟棄它。

3 信道衰落功能擴展

信道衰落是疊加在大尺度傳播模型(如雙徑模型)上的，是以大尺度傳播模型計算的接收功率為均值的一組隨機變量[7]。在NS-2中衰落功能仿真的實現(xiàn)過程如下：

(1)由大尺度傳播模型給出接收功率均值。

(2)將接收功率均值代入信道衰落模型計算出接收功率的概率分布函數F(x)。

(3)每次接收一個分組時，由F(x)生成一個隨機數作為該分組的實際接收功率。實現(xiàn)上可借助NS-2現(xiàn)有的[0,1]均勻分布的隨機數生成方法Random::uniform(0,1)，由概率論原理，每次生成一個均勻隨機數xk，逆函數F–1(xk)給出了滿足分布F的一個隨機數。

以瑞利衰落為例在NS-2上實現(xiàn)信道衰落仿真，其他衰落模型的實現(xiàn)思路類似。瑞利衰落認為接收信號的強度s符合瑞利分布，概率分布函數為1- e-s2/2σ2。已知功率與電壓的平方呈正比，計算得出接收功率x符合指數分布，即F(x)=1-e-λx，其中，1/λ是接收功率均值。F-1(x)=-(1/λ)ln(1-x)。

將瑞利衰落功能實現(xiàn)在WirelessChannel::sendUp方法的第2步(見第2節(jié))，在雙徑模型給出當前分組的接收功率均值后，調用RayleighPr方法返回一個隨機產生的接收功率值。

主要代碼如下：

4 仿真實驗

使用NS-2缺省的發(fā)送功率Pt=0.28，接收功率閾值為3.7e–10，大尺度傳播模型使用雙徑模型，計算得出發(fā)送半徑是250 m；MAC協(xié)議使用802.11，數據發(fā)送速率為11 Mb/s。在仿真實驗中比較無衰落和瑞利衰落下CBR和TCP性能，數據分組長度均設為256 Byte。

實驗1瑞利衰落對單鏈路傳輸性能的影響

測試瑞利衰落對一條鏈路吞吐量的影響，鏈路長度(發(fā)送節(jié)點與接收節(jié)點的距離)依次設為50 m,100 m,150 m,200 m,240 m。圖2(a)顯示瑞利衰落帶來的分組差錯率隨鏈路長度增加(即接收功率減小)而增大。

分別測試鏈路傳輸CBR(滿負荷)和TCP數據時的吞吐量。圖2(b)和圖2(c)顯示在無衰落情況下CBR/TCP吞吐量是恒定的(分組差錯率為0)，而在瑞利衰落情況下吞吐量隨鏈路長度增加(分組差錯率增大)而減小。比較圖2(a)和圖2(b)，CBR吞吐量下降的百分比比對應的分組差錯率要高，這是因為802.11在分組發(fā)送失敗時認為發(fā)生了碰撞，其競爭窗口增大進一步降低吞吐量。比較圖2(b)和圖2(c)，在衰落情況下TCP比CBR的吞吐量下降更快，這是因為TCP在端到端分組傳輸失敗時認為發(fā)生了擁塞，TCP發(fā)送窗口減小更進一步降低了吞吐量。

圖2 瑞利衰落對單鏈路傳輸性能的影響

仿真如圖3所示的一個WLAN拓撲圖。設置AP(無線訪問點)是接收節(jié)點，坐標在(0,0)處；其余10個節(jié)點競爭信道向AP發(fā)送數據，坐標隨機產生。

圖4顯示了瑞利衰落對WLAN各節(jié)點CBR和TCP吞吐量的影響。從中可以看出，發(fā)現(xiàn)衰落并不會使每個節(jié)點的吞吐量都下降。這是因為距離AP遠的節(jié)點受衰落影響大，其吞吐量下降多，消耗信道帶寬少；而距離AP近的節(jié)點受衰落影響小，因此在這種情況下可以占用更多剩余帶寬。表1顯示所有節(jié)點的CBR/TCP總吞吐量在無衰落和瑞利衰落時相差不多。

圖3 WLAN拓撲圖

圖4 瑞利衰落對WLAN性能的影響

表1 WLAN整體性能

實驗2瑞利衰落對WLAN性能的影響

使用Jain公平性指標(Jain’s fairness index)計算系統(tǒng)公平性[12]。Jain公平性指標度量各節(jié)點吞吐量的均勻程度，取值在[0,1]上。當各節(jié)點的吞吐量相等時，Jain公平性指標值為1，反映公平性最好；各節(jié)點吞吐量差別越大，Jain公平性指標的值越小，反映公平性越差。表1顯示衰落使得公平性變差。這是由于距離AP遠的節(jié)點，吞吐量受衰落影響大，而距離AP近的節(jié)點受衰落影響小，且占用了前者的剩余帶寬。

5 結束語

本文分析了NS-2無線物理層的實現(xiàn)機制，指出其只考慮大尺度傳播模型，而未考慮小尺度的信道衰落，導致計算信號接收功率不夠真實。給出了NS-2中擴展了信道衰落功能的一般計算步驟，將大尺度傳播模型計算的接收功率均值代入信道衰落模型計算出接收功率，實現(xiàn)了瑞利衰落。仿真結果顯示，引入瑞利衰落后的無線網絡傳輸的吞吐量和公平性都受到較大影響。該研究可為準確驗證無線算法提供支持。

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