基于源節(jié)點(diǎn)發(fā)包速度的大型無線網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)服務(wù)性能分析

葉夢

摘要：由于無線多跳通信在大型無線網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用廣泛，因而對網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)服務(wù)質(zhì)量的研究變得非常重要。實(shí)時(shí)事件檢測或報(bào)告的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、可視化傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)事件檢測存在一些缺陷，如實(shí)時(shí)服務(wù)質(zhì)量性能指標(biāo)的端到端延時(shí)和吞吐量會隨無線跳數(shù)增加而快速降低。以源節(jié)點(diǎn)發(fā)包速度為新的分析角度進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)服務(wù)質(zhì)量性能計(jì)算，將認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)和無線多跳網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)包在每一跳都能轉(zhuǎn)發(fā)。在轉(zhuǎn)發(fā)過程中引入源節(jié)點(diǎn)發(fā)包速度計(jì)算吞吐量、端到端延時(shí)和延時(shí)方差。分析和仿真結(jié)果表明，源節(jié)點(diǎn)發(fā)包速度的提高會在更短時(shí)間內(nèi)提高網(wǎng)絡(luò)吞吐量并達(dá)到最大吞吐量且最大吞吐量會有所增大，但是越高的源節(jié)點(diǎn)發(fā)包速度會在發(fā)包時(shí)間過長的情況下更快速地造成嚴(yán)重的網(wǎng)絡(luò)擁塞，增大網(wǎng)絡(luò)端到端平均時(shí)延和時(shí)延方差，增大網(wǎng)絡(luò)能源消耗。

關(guān)鍵詞：實(shí)時(shí)服務(wù)質(zhì)量；源節(jié)點(diǎn)發(fā)包速度；吞吐量；端到端延時(shí)；延時(shí)方差

DOI：10.11907/rjdk.173347

中圖分類號：TP393

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1672-7800（2018）007-0214-05

Abstract：Becauseofthewideapplicationofmultihopwirelesscommunicationsinlarge-scalewirelessnetworks，itisnecessarytostudyreal-timequalityofservice（QoS）.Therearesomechallengesinreal-timeapplicationssuchaswirelesssensornetworksdetectionofreal-timeevents，visualsensornetworks，andsoon.Forexample，theendtoenddelayandthroughputofreal-timeQoSindicatorsdecreaserapidlywiththenumberofwirelesshops.Themainpurposeofthispaperistostudythereal-timeQoSperformancecalculationofthenetworkfromthenewanalysisangleofsourcenodesspeedofsendingDATApacket.Inthispaper，wecombinethecognitivenetworkwiththewirelessmultihopnetworktorealizethepacketforwardingwithopportunityroutingandopportunityspectrumineachhop.Inthewholeforwardingprocess，thesourcesspeedofsendingDATApacketisintroducedtocalculatethethroughput，endtoenddelayanddelayvariance.AnalysisandsimulationresultsshowthatthesourcesspeedofsendingDATApacketcouldimprovethethroughputinashorterperiodoftimeandthemaximumthroughput.Andthemaximumthroughputcouldalsogetimprovementwithhigherspeed.However，thehigherspeedofthesourcewillquicklycausedmoreseriousnetworkcongestionifthepacketsaresentforlongtime.Andthissituationalsoincreasethenetworkaverageend-to-enddelayanddelayvarianceandnetworkenergyconsumption.

KeyWords：real-timequalityofservice；thesourcenodesspeedofsendingDATApackets；throughput；end-to-enddelay；delayvariance

0引言

過去幾年大型無線網(wǎng)絡(luò)越來越受關(guān)注，如Adhoc網(wǎng)絡(luò)、Mesh網(wǎng)絡(luò)和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)等。這些網(wǎng)絡(luò)形成的相關(guān)商業(yè)應(yīng)用包括實(shí)時(shí)事件檢測或報(bào)告的傳感器網(wǎng)絡(luò)[1]、支持語音和多媒體的IP協(xié)議、無線Mesh網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施的寬帶互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，以及可視化傳感器網(wǎng)絡(luò)的視頻監(jiān)控[2]。

基于Mesh網(wǎng)絡(luò)無線基礎(chǔ)設(shè)施的寬帶接入網(wǎng)絡(luò)使用更低的成本實(shí)現(xiàn)較大的服務(wù)范圍，例如城市WiFi-Mesh網(wǎng)絡(luò)可延伸到幾個(gè)主要城市，為大眾提供上網(wǎng)和電子郵件服務(wù)。可視化傳感器網(wǎng)絡(luò)采用無線網(wǎng)絡(luò)將顯著降低設(shè)施成本，實(shí)現(xiàn)更高的部署密度。

但是在上述多跳無線網(wǎng)絡(luò)中，由于引入動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)資源造成實(shí)時(shí)通信的服務(wù)質(zhì)量受限，如數(shù)據(jù)流吞吐量不足、端到端延時(shí)、延時(shí)抖動(dòng)[3-5]。動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)資源有頻譜帶寬和無線節(jié)點(diǎn)/無線電，具體是在非授權(quán)頻譜帶寬下基于無線衰落和干擾的隨機(jī)頻譜可用性以及源于動(dòng)態(tài)負(fù)載和其它因素（如無線電失靈），這兩大因素影響著無線電性能。

本文運(yùn)用大型認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)解決以上限制。認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)利用頻譜寬帶和無線節(jié)點(diǎn)/無線電實(shí)現(xiàn)可靠的大型無線通信。在實(shí)時(shí)服務(wù)質(zhì)量（qualityofservice：QoS）分析過程中引入源節(jié)點(diǎn)發(fā)包速度，從而得出源節(jié)點(diǎn)發(fā)包速度和吞吐量、端到端時(shí)延、時(shí)延抖動(dòng)的關(guān)系。

1相關(guān)工作

認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)和嵌入式互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)（EWI）結(jié)構(gòu)的相關(guān)工作在參考文獻(xiàn)[1，6-10]中進(jìn)行了闡述，其中在參考文獻(xiàn)[6]中提出了大型認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)概念，在參考文獻(xiàn)[7]中，建議將EWI作為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的跨層統(tǒng)一設(shè)計(jì)架構(gòu)。在參考文獻(xiàn)[8，9]中，作為試點(diǎn)結(jié)構(gòu)參考模型，EWI在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中首次被引用到特定的應(yīng)用研究。在參考文獻(xiàn)[9]中，EWI進(jìn)一步運(yùn)用在無所不在的無線Mesh基礎(chǔ)設(shè)施構(gòu)建中。

單播設(shè)計(jì)與已有的機(jī)會路由關(guān)聯(lián)的研究工作見參考文獻(xiàn)[10-13]。原則上，機(jī)會路由方案是處理路由協(xié)議和MAC協(xié)議的協(xié)同設(shè)計(jì)，然而之前的研究大多是處理單跳服務(wù)指標(biāo)。在參考文獻(xiàn)[14]中，LiangSong和DimitriosHatzinakos運(yùn)用網(wǎng)絡(luò)地址、無線電實(shí)施、數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)過程這三部分進(jìn)行單播模塊設(shè)計(jì)。單播模塊機(jī)會的操作鄰近節(jié)點(diǎn)，使得端到端的實(shí)時(shí)服務(wù)質(zhì)量性能隨著連續(xù)的鄰近操作得到保證。以源節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)跳數(shù)分析計(jì)算吞吐量、端到端延時(shí)以及延時(shí)抖動(dòng)。

本文在LiangSong和DimitriosHatzinakos研究工作的基礎(chǔ)上，提出以源節(jié)點(diǎn)發(fā)包速度這個(gè)新的參考變量分析網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)服務(wù)質(zhì)量，得到源節(jié)點(diǎn)發(fā)包速度和吞吐量、端到端延時(shí)和延時(shí)抖動(dòng)的關(guān)系。

2實(shí)時(shí)服務(wù)質(zhì)量性能分析

性能分析是在數(shù)學(xué)上量化本文的主要論點(diǎn)。為了分析實(shí)時(shí)服務(wù)質(zhì)量，在單播鏈路模塊中，主要指標(biāo)有吞吐量、端到端延時(shí)和延時(shí)抖動(dòng)。所有研究主要回答一個(gè)問題：服務(wù)質(zhì)量指標(biāo)如何隨著源節(jié)點(diǎn)發(fā)包速度的大小變化而變化。

2.1分析模型

性能分析模型包括節(jié)點(diǎn)分布、無線信道、能量消耗、帶寬可用性和空閑概率這5個(gè)重要因素。

2.1.1節(jié)點(diǎn)分布模型

節(jié)點(diǎn)分布模型是節(jié)點(diǎn)密度為λ的二維泊松分布，即給定區(qū)域Α面積為|Α|，區(qū)域內(nèi)的節(jié)點(diǎn)數(shù)量隨著參數(shù)λ|Α|泊松分布，其中泊松模型是運(yùn)用在隨機(jī)分布和隨機(jī)移動(dòng)的典型模型。

2.1.2無線信道模型

給定任意發(fā)送節(jié)點(diǎn)n和任意接收節(jié)點(diǎn)m，傳輸成功的信道是一個(gè)與發(fā)射功率Ρt、無線電數(shù)據(jù)速率R和傳輸距離ζ=|Lm-Ln|有關(guān)的函數(shù)，定義這個(gè)函數(shù)為f（Pt，R，ζ）。

假設(shè)信道符合小規(guī)模瑞利衰落[15]，信道模型如下：

其中，G是一個(gè)常量，指傳播損耗，N0是接收噪聲功率的頻譜密度，α是無線信道路徑損耗的部分，B是一個(gè)閾值常數(shù)，表示接收器的靈敏度，ξ指變量的單位均值。

2.1.3能量消耗模型

在單播鏈路模塊中，空閑狀態(tài)的節(jié)點(diǎn)能量消耗定義為PI。在“發(fā)送DATA”、“發(fā)送RTS”、“發(fā)送CTS”、“發(fā)送ACK”這4種狀態(tài)下的能量消耗定義為Ps+（1+β）·Pt，其中Ps是發(fā)射器電路功耗，β是由射頻功率放大器效率決定的常數(shù)。節(jié)點(diǎn)其它狀態(tài)或時(shí)間下（例如接收或空閑監(jiān)聽狀態(tài)）的能量消耗定義為PR。

2.1.4帶寬可用性與空閑概率

當(dāng)開始一個(gè)單播模塊時(shí)，假設(shè)節(jié)點(diǎn)在沒有重大延時(shí)的情況下通過認(rèn)知無線電總是可以找到可用信道，空閑概率就是節(jié)點(diǎn)參與周圍節(jié)點(diǎn)發(fā)起的單播無線鏈路且處在空閑狀態(tài)下的概率。在分析過程中定義這個(gè)空閑概率為ρ。

2.2端到端性能分析

一次端到端數(shù)據(jù)傳輸在源節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)形成一條邏輯鏈路，中間通過多次迭代完成一次傳輸。本文的分析方法是通過分析迭代性能即單跳性能，最后得到端到端性能。給定源節(jié)點(diǎn)發(fā)包速度為Vs，分析結(jié)果表示為最大吞吐量Φ，端到端延時(shí)為γ，端到端延時(shí)抖動(dòng)為θ。

2.2.1端到端延時(shí)

給定源節(jié)點(diǎn)發(fā)包速度Vs，則傳輸時(shí)間t內(nèi)源節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)包總數(shù)為Vs·t。定義目的節(jié)點(diǎn)接收的數(shù)據(jù)包的個(gè)數(shù)為Nd，則t時(shí)刻節(jié)點(diǎn)空閑概率為：

其中N為信道數(shù)，因?yàn)榭紤]節(jié)點(diǎn)在沒有重大延時(shí)情況下通過認(rèn)知無線電總可以找到可用信道，所以忽略傳輸過程中丟失的DATA數(shù)據(jù)包。

聯(lián)合式（2）、式（4）可知，源節(jié)點(diǎn)發(fā)包速度Vs很小時(shí)，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)空閑節(jié)點(diǎn)概率很高，利用率不高，網(wǎng)絡(luò)吞吐量Φ也偏小。當(dāng)源節(jié)點(diǎn)發(fā)包速度Vs提高到使網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)空閑概率偏低時(shí)，吞吐量Φ隨著源節(jié)點(diǎn)發(fā)包速度Vs的增長而增長。但是源節(jié)點(diǎn)發(fā)包速度Vs再繼續(xù)增長，空閑節(jié)點(diǎn)概率過低就會導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)阻塞，使吞吐量Φ降低。

2.2.2端到端時(shí)延期望

端到端延時(shí)定義為∑Ii=1τi，由式（3）得端到端的延時(shí)期望為：

聯(lián)合式（2）、式（5）可知端到端延時(shí)變量γ大小隨著源節(jié)點(diǎn)的發(fā)包速度Vs的提高而在短時(shí)間內(nèi)增大，很快達(dá)到最大吞吐量。

2.2.3端到端延時(shí)抖動(dòng)

定義Ic為DATA數(shù)據(jù)包迭代完成的次數(shù)即無線跳數(shù)，Iu為未完成迭代的次數(shù)。Ic和Iu是兩個(gè)獨(dú)立的隨機(jī)變量且I=Ic+Iu，則延時(shí)抖動(dòng)為：

聯(lián)合式（2）、式（6），延時(shí)抖動(dòng)變量Θ的大小隨源節(jié)點(diǎn)發(fā)包速度Vs的增大而增大。

2.2.4網(wǎng)絡(luò)能量消耗

2.3小結(jié)

分析結(jié)果表明，實(shí)時(shí)服務(wù)質(zhì)量指標(biāo)隨著網(wǎng)絡(luò)規(guī)模擴(kuò)大而大幅度提高，特別是最大吞吐量Φ可以獨(dú)立于傳輸距離的限制。源節(jié)點(diǎn)發(fā)包速度Vs在一定范圍內(nèi)的提高能減小網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的空閑概率ρ，有效增加網(wǎng)絡(luò)利用率，使吞吐量Φ增大。端到端延時(shí)γ和延時(shí)抖動(dòng)Θ以及網(wǎng)絡(luò)的能量消耗Ξ都會隨著源節(jié)點(diǎn)發(fā)包速度Vs的增大而增大。

3仿真實(shí)驗(yàn)

3.1仿真實(shí)驗(yàn)參數(shù)分析

仿真實(shí)驗(yàn)中一些數(shù)據(jù)的固定值見表1，要注意的是給定的無線電傳輸參數(shù)符合所開發(fā)的試驗(yàn)臺，而其它參數(shù)例如功耗和信道模型參數(shù)是典型的室內(nèi)短距離無線電參數(shù)。對于每次迭代都隨機(jī)生成密度為λ的泊松點(diǎn)，給定傳輸距離為l的源節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)，設(shè)置源節(jié)點(diǎn)發(fā)包速度。根據(jù)描述的單播模塊以源節(jié)點(diǎn)速度為Vs發(fā)送DATA數(shù)據(jù)包到目的節(jié)點(diǎn)，然后記錄每個(gè)DATA數(shù)據(jù)包端到端延時(shí)實(shí)例。

3.2仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

在仿真實(shí)驗(yàn)中，固定節(jié)點(diǎn)密度λ=0.1/m2，給定源節(jié)點(diǎn)速度分別為每秒發(fā)送10、15、20個(gè)DATA數(shù)據(jù)包，最后統(tǒng)計(jì)實(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù)，得到結(jié)果如圖1所示。

圖1顯示給定源節(jié)點(diǎn)速度，短時(shí)間內(nèi)吞吐量提高的速率較快，隨著發(fā)包時(shí)間變長，網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)包增多，吞吐量的提高速率會有所降低。源節(jié)點(diǎn)發(fā)包速度越快吞吐量提高速率越高，源節(jié)點(diǎn)速度增大，網(wǎng)絡(luò)中最大吞吐量也會增大。當(dāng)達(dá)到了最大吞吐量之后繼續(xù)發(fā)送DATA數(shù)據(jù)包會造成網(wǎng)絡(luò)擁塞，吞吐量會降低，并且發(fā)包速度越快，吞吐量降低速率越高。

圖2、圖3顯示端到端平均時(shí)延和端到端時(shí)延方差大約隨源節(jié)點(diǎn)發(fā)包時(shí)間呈線性狀態(tài)。源節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)包時(shí)間越長，端到端平均時(shí)延和時(shí)延方差值越大，并且源節(jié)點(diǎn)發(fā)包速度越快，端到端平均時(shí)延和時(shí)延方差增加比率越高，網(wǎng)絡(luò)擁塞后的端到端平均時(shí)延和時(shí)延方差值越大。

圖4表示網(wǎng)絡(luò)平均能耗在網(wǎng)絡(luò)開始工作時(shí)會比網(wǎng)絡(luò)工作一段較短的時(shí)間內(nèi)能耗更高。當(dāng)通過最低網(wǎng)絡(luò)平均能耗的時(shí)間點(diǎn)之后，網(wǎng)絡(luò)平均能耗與源節(jié)點(diǎn)發(fā)包時(shí)間近似呈線性增長關(guān)系。如果源節(jié)點(diǎn)持續(xù)發(fā)包，網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)包會增多，網(wǎng)絡(luò)中工作的節(jié)點(diǎn)增多，消耗的能量增加，并且網(wǎng)絡(luò)源節(jié)點(diǎn)發(fā)包速度越快，在網(wǎng)絡(luò)擁塞后消耗的能量越多。

4結(jié)語

仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，源節(jié)點(diǎn)發(fā)包速度與網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)服務(wù)性能指標(biāo)息息相關(guān)。源節(jié)點(diǎn)發(fā)包速度的提高會在很短的時(shí)間內(nèi)提高網(wǎng)絡(luò)吞吐量并達(dá)到吞吐量最大值且最大吞吐量會增大，但是源節(jié)點(diǎn)發(fā)包速度越高，會在發(fā)包時(shí)間過長的情況下造成更嚴(yán)重的網(wǎng)絡(luò)擁塞，增大網(wǎng)絡(luò)的端到端平均時(shí)延和時(shí)延方差，增大網(wǎng)絡(luò)能源消耗。

本文只針對網(wǎng)絡(luò)源節(jié)點(diǎn)發(fā)包速度的改變衡量大型實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)性能指標(biāo)，對于其它因素，例如源節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)距離、網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)密度，則沒有與源節(jié)點(diǎn)發(fā)包速度的改變相結(jié)合進(jìn)行分析，今后可在這些方面進(jìn)行相關(guān)研究。

參考文獻(xiàn)：

[1]SONGL.Wirelessmeshinfrastructuresupportingbroadbandinternetwithmultimediaservices[C].inProceedingsofthe4thIEEEInternationalConferenceonCircuitsandSystemsforCommunications（ICCSC'08），pp.792–796，Shanghai，China，May2008.

[2]KUNDURD，LINCY，LUCS.Visualsensornetworks[J].EURASIPJournalonAdvancesinSignalProcessing，2007（3）：215-255.

[3]ANSI/IEEEStandardforLocalandMetropolitanAreaNetworksPart11（802.11）[S].WirelessLANmediumaccesscontrol（MAC）andphysicallayer（PHY）specifications.revised2003.

[4]DRAVESR，PADHYEJ，ZILLB.Routinginmulti-radio，multi-hopwirelessmeshnetworks[C].inProceedingsofthe10thAnnualInternationalConferenceonMobileComputingandNetworking（MOBICOM04），pp.114–128，Philadelphia，Pa，USA，September2004.

[5]ZHUY，LIUH，WUM，etal.Implementationexperienceofaprototypeforvideostreamingoverwirelessmeshnetworks[C].inProceedingsofthe4thAnnualIEEEConsumerCommunicationsandNetworkingConference（CCNC07），pp.23-28，LasVegas，Nev，USA，January2007.

[6]DJUKICP，VALAEES.Linkschedulingforminimumdelayinspatialre-useTDMA[C].inProceedingsofthe26thIEEEInternationalConferenceonComputerCommunications（INFOCOM′07），pp.28–36，Anchorage，Alaska，USA，May，2007.

[7]SONGL.Cognitivenetworks：standardizingthelargescalewirelesssystems[C].inProceedingsofthe5thIEEEConsumerCommunicationsandNetworkingConference（CCNC′08），LasVegas，Nev，USA，2008（1）：988-992.

[8]SONGL，HATZINAKOSD.Embeddedwirelessinterconnectforsensornetworks：conceptandexample[C].inProceedingsofthe4thAnnualIEEEConsumerCommunicationsandNetworkingConference（CCNC′07），pp.850–854，LasVegas，Nev，USA，2007（1）：850-854.

[9]BISWASS，MORRISR.Opportunisticroutinginmultihopwirelessnetworks[C].inProceedingsofthe2ndACMWorkshoponHotTopicsinNetworks（HotNets′03），Cambridge，Mass，USA，November2003.

[10]ZORZIM，RAORR.Geographicrandomforwarding（GeRaF）foradhocandsensornetworks：energyandlatencyperformance[J].IEEETransactionsonMobileComputing，2003，2（4）：349-365.

[11]ZORZIM，RAORR.Geographicrandomforwarding（GeRaF）foradhocandsensornetworks：multihopperformance[J].IEEETransactionsonMobileComputing，2003，2（4）：337-348.

[12]SHAHRCS，WIETHOLTERS，W¨OLISZA，etal.Modelingandanalysisofopportunisticroutinginlowtrafficscenarios[C].inProceedingsofthe3rdInternationalSymposiumonModelingandOptimizationinMobile，Adhoc，andWirelessNetworks（WIOPT′05），pp.294-304，Trentino，Italy，April2005.

[13]BLETSASA，KHISTIA，REEDDP，etal.Asimplecooperativediversitymethodbasedonnetworkpathselection[J].IEEEJournalonSelectedAreasinCommunications，2006，24（3）：659-672.

[14]SONGL，HATZINAKOSD.Real-timecommunicationsinlargescalewirelessnetworks[C].InternationalJournalofDigitalMultimediaBroadcasting，vol.2008，no.586067，2008.

[15]RAPPAPORTTS.Wirelesscommunications：principlesandpractice[M].NewJersey：PrenticeHall，1996.

（責(zé)任編輯：杜能鋼）