AMCN延遲特性SystemView仿真分析

潘艷榮，劉 潔

(1. 桂林理工大學(xué)南寧分校，廣西 南寧 532100；2. 桂林理工大學(xué)電氣與電子工程系，廣西 南寧 532100)

1 引言

非同步多點(diǎn)通信網(wǎng)絡(luò)是由多個子網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，由于子網(wǎng)絡(luò)的校驗(yàn)規(guī)則存在差異，因此在通信過程中，需要單獨(dú)調(diào)整各個子網(wǎng)絡(luò)的通信時鐘，但是在調(diào)整時鐘過程中，難以掌握所有子網(wǎng)絡(luò)時鐘校驗(yàn)規(guī)范，所獲得的數(shù)據(jù)特征不準(zhǔn)確，不能建立標(biāo)準(zhǔn)的時鐘校驗(yàn)規(guī)則，導(dǎo)致各個子網(wǎng)絡(luò)時鐘之間時間存在時間差，從而出現(xiàn)較為嚴(yán)重的延遲現(xiàn)象[1]。非同步多點(diǎn)通信網(wǎng)絡(luò)雖然存在明顯的延遲問題，但是卻可以保障通信網(wǎng)絡(luò)通信安全。隨著通信工具的更新?lián)Q代，人們對通信網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量要求不斷提高，面對非同步多點(diǎn)通信網(wǎng)絡(luò)存在的明顯延遲問題，也未曾采用其它通信網(wǎng)絡(luò)取代非同步多點(diǎn)通信網(wǎng)絡(luò)，反而讓眾多學(xué)者看到非同步多點(diǎn)通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)展前景，成為眾多學(xué)者的研究重點(diǎn)[2]。

張翠芳等人[3]研究了大量的通信案例，設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)延遲特性研究平臺，建立網(wǎng)絡(luò)模型以及網(wǎng)絡(luò)端到端延遲時間模型，分析網(wǎng)絡(luò)延遲特性，但是該方法分析方向單一，延遲特性分析結(jié)果精度偏低。張丹等人[4]從網(wǎng)絡(luò)延遲變化順發(fā)性因素著手，劃分網(wǎng)絡(luò)端延遲抖動變化，引入斯皮爾曼秩相關(guān)系數(shù)，分析網(wǎng)絡(luò)延遲特性，但該方法在提取端對端延遲過程中，容易受到網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行狀態(tài)影響，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)延遲特性分析結(jié)果出現(xiàn)誤差。劉佳明等人[5]為了刻畫主用戶對傳感器網(wǎng)絡(luò)性能的影響，利用排隊(duì)理論對基于能量和頻譜共享的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)時延性能進(jìn)行建模和分析。

針對上述問題，結(jié)合現(xiàn)有的研究成果，引入SystemView仿真平臺，仿真分析非同步多點(diǎn)通信網(wǎng)絡(luò)延遲特性，保障非同步多點(diǎn)通信網(wǎng)絡(luò)延遲特性仿真分析精度。

2 非同步多點(diǎn)通信網(wǎng)絡(luò)延遲特性分析

此次仿真分析非同步多點(diǎn)通信網(wǎng)絡(luò)延遲特性，選擇操作方便，可以同時模擬非同步多點(diǎn)通信網(wǎng)絡(luò)通信過程、多種通信網(wǎng)絡(luò)通信速率、分析信號和處理數(shù)據(jù)的SystemView仿真平臺。

2.1 構(gòu)建非同步多點(diǎn)通信網(wǎng)絡(luò)仿真模型

非同步多點(diǎn)通信網(wǎng)絡(luò)屬于分布式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，該種方式部署的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，可以動態(tài)移動，改變網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[6]。為此采用無向圖G=(W，D)表示非同步多點(diǎn)通信網(wǎng)絡(luò)，其中，W表示無向圖G中的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)集合，即W={w1，w2，…，wm}，m表示無向圖G中的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)量；D表示無向圖G中的網(wǎng)絡(luò)邊集合，即D={d1，d2，…，dn}，n表示無向圖G中的網(wǎng)絡(luò)邊數(shù)。

假設(shè)節(jié)點(diǎn)w1的鄰居節(jié)點(diǎn)為w2，最遠(yuǎn)鄰居節(jié)點(diǎn)為wm，則節(jié)點(diǎn)w1與節(jié)點(diǎn)wm之間的傳輸半徑為r1，無向圖G中的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)傳輸半徑最大值為rmax，其范圍內(nèi)的節(jié)點(diǎn)集合為O，以節(jié)點(diǎn)w1作為網(wǎng)絡(luò)端點(diǎn)，形成邊相鄰邊的集合E，計(jì)算節(jié)點(diǎn)w1至節(jié)點(diǎn)wm的歐幾里德距離l，其計(jì)算公式如下

(1)

判斷節(jié)點(diǎn)w1與節(jié)點(diǎn)wm之間的傳輸半徑距離，與節(jié)點(diǎn)w1與節(jié)點(diǎn)wm之間的歐幾里德距離l大小，當(dāng)r1>l時，將其記為w1→wm；基于非同步多點(diǎn)通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，若w1→wm或wm→w1成立，則節(jié)點(diǎn)w1與節(jié)點(diǎn)wm之間存在邊，將其記為w1?wm[7]。若無向圖G=(W，D)中，任意節(jié)點(diǎn)(wi，wj)均滿足wi?wj，則無向圖G為連通網(wǎng)絡(luò)，反之為不連通網(wǎng)絡(luò)。

依據(jù)上述非同步多點(diǎn)通信網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建過程，在SystemView仿真平臺上，仿真建立的非同步多點(diǎn)通信網(wǎng)絡(luò)模型，如圖1所示。

圖1 非同步多點(diǎn)通信網(wǎng)絡(luò)仿真模型

從圖1中可以看出，此次建立的非同步多點(diǎn)通信網(wǎng)絡(luò)，共形成了48個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，386條邊，屬于全連通網(wǎng)絡(luò)。如圖1所示的非同步多點(diǎn)通信網(wǎng)絡(luò)仿真模型為基礎(chǔ)，即可建立非同步多點(diǎn)通信網(wǎng)絡(luò)信道。

2.2 建立非同步多點(diǎn)通信網(wǎng)絡(luò)信道

圖1所示的非同步多點(diǎn)通信網(wǎng)絡(luò)仿真模型中，存在無數(shù)條不同的傳播途徑，基于非同步多點(diǎn)通信網(wǎng)絡(luò)分布式的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其信道的傳播路徑離散均勻分布在非同步多點(diǎn)通信網(wǎng)絡(luò)中，將非同步多點(diǎn)通信網(wǎng)絡(luò)信道看成一個標(biāo)準(zhǔn)頻率單調(diào)衰落基帶等效模型。假設(shè)最大多普勒頻移與載波頻率和網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的最大移動速度有關(guān)，當(dāng)在該信道中輸入K條電波信號A，則輸出信號Y為

(2)

式中，v表示網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的最大移動速度；c表示信號載波；f表示載波頻率；r1表示衰落信號包絡(luò)；K表示信號傳播總路徑；k表示信號傳播中的任意一條路徑，即k∈K；βk表示第k條路徑上信號的分界值；fk表示第k條路徑上信號頻率；α表示常用參數(shù)；V表示最大多普勒頻移；r2表示標(biāo)準(zhǔn)頻率單調(diào)衰落等效基帶；t表示信號所在網(wǎng)絡(luò)；θ表示三角函數(shù)角動量；表示輸入信號的主信號峰值[8]。

式(2)中的計(jì)算結(jié)果為在理想環(huán)境，即接收信號在所有路徑上的移動速度都相同，然而在實(shí)際環(huán)境中，信號在不同路徑上的移動速度會由產(chǎn)生多普勒頻移和多徑衰落現(xiàn)象而存在一定的區(qū)別，因此非同步多點(diǎn)通信網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)在傳播信號過程中，其信道的頻譜f0的表達(dá)式如下

(3)

綜合(2)式和(3)式的計(jì)算結(jié)果，采用SystemView仿真平臺，建立的非同步多點(diǎn)通信網(wǎng)絡(luò)信道，如圖2所示。

圖2 非同步多點(diǎn)通信網(wǎng)絡(luò)信道

圖2中，正弦波表示信號源；Q和I表示信號的路徑[9]。從圖2中可以看出，此次建立的非同步多點(diǎn)通信網(wǎng)絡(luò)信道包絡(luò)近似于瑞利分布，存在多種網(wǎng)絡(luò)通信方式，影響非同步多點(diǎn)通信網(wǎng)絡(luò)延遲特性分析結(jié)果，為此在SystemView仿真平臺上，確定非同步多點(diǎn)通信網(wǎng)絡(luò)通信過程，單一分析網(wǎng)絡(luò)延遲特性。

2.3 確定通信過程分析網(wǎng)絡(luò)延遲特性

基于圖2所示的非同步多點(diǎn)通信網(wǎng)絡(luò)信道，以及非同步多點(diǎn)通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，其通信是通過不同層次之間的子網(wǎng)絡(luò)，周期性發(fā)生報(bào)文的方式實(shí)現(xiàn)通信。則其在通信過程中，信息調(diào)度周期如圖3所示。

圖3 信息調(diào)度周期

從圖3中可以看出，周期性報(bào)文發(fā)送包括周期報(bào)文和非周期數(shù)據(jù)聲明報(bào)文，其中非周期數(shù)據(jù)聲明報(bào)文，其中，周期性報(bào)文數(shù)據(jù)具有最高的優(yōu)先發(fā)送集[10]。非周期報(bào)文發(fā)送階段包括非周期數(shù)據(jù)發(fā)送結(jié)束聲明報(bào)文和非周期報(bào)文，其數(shù)據(jù)發(fā)送的優(yōu)先級，是根據(jù)數(shù)據(jù)IP地址大小、時間先后、優(yōu)先級高低等順序，在網(wǎng)絡(luò)中傳遞數(shù)據(jù)。

非同步多點(diǎn)通信網(wǎng)絡(luò)具有如圖3所示的周期性，傳輸數(shù)據(jù)過程中存在統(tǒng)一周期數(shù)據(jù)產(chǎn)生碰撞的現(xiàn)象，而非同步多點(diǎn)通信網(wǎng)絡(luò)本身所具有的時鐘規(guī)范不統(tǒng)一問題，此時網(wǎng)絡(luò)會產(chǎn)生如圖4所示的四種轉(zhuǎn)換狀態(tài)，調(diào)整信息發(fā)送時間。

圖4 網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖

按照上述內(nèi)容，在SystemView仿真平臺上設(shè)置網(wǎng)絡(luò)通信過程，發(fā)現(xiàn)非同步多點(diǎn)通信網(wǎng)絡(luò)中存在的延遲問題，由于延遲的時間存在不確定性。針對這個不確定性進(jìn)行大量研究發(fā)現(xiàn)，其延遲時間分布在一定的范圍內(nèi)，因此可以采用gamma分布擬合非同步多點(diǎn)通信網(wǎng)絡(luò)延遲時間，描述非同步多點(diǎn)通信網(wǎng)絡(luò)延遲特性，其概率密度分布函數(shù)f2為：

(4)

式(4)中，β和h表示gamma分布概率密度分布函數(shù)的兩個參數(shù)[11]。假設(shè)在gamma分布中，網(wǎng)絡(luò)延遲的隨機(jī)變量必然大于零，如果網(wǎng)絡(luò)大小參數(shù)值分別為不同的固定值，則會產(chǎn)生不確定性的網(wǎng)絡(luò)延遲，為此采用f1(x)表示網(wǎng)絡(luò)延遲的隨機(jī)變量x的概率密度分布函數(shù)；變量x的代數(shù)平均值用u表示；網(wǎng)絡(luò)通信的復(fù)雜程度采用變量x的信息熵H表示，則網(wǎng)絡(luò)延遲的擬合函數(shù)F為

(5)

式中，C1、C2、C3表示待定常數(shù)；dx表示對變量x的積分。當(dāng)式(5)存在最大值時，其偏微商的值為0，則f1(x)的偏微商為

f1(x)=exp(C1-1+C2x+C3lnx)

f1(x)=exp(C1-1)xC3exp(C2x)

(6)

式(6)中，exp 表示取經(jīng)驗(yàn)值。采用指數(shù)函數(shù)與冪函數(shù)的乘積的定積分，消除常數(shù)C1，讓C2=β，C3=h，將式(5)和式(6)計(jì)算得到的值代入式(4)中，即完成非同步多點(diǎn)通信網(wǎng)絡(luò)延遲擬合。

將上述計(jì)算過程錄入SystemView仿真平臺，擬合非同步多點(diǎn)通信網(wǎng)絡(luò)延遲現(xiàn)象，描述非同步多點(diǎn)通信網(wǎng)絡(luò)延遲特性。

3 仿真研究

采用對比仿真的方式，驗(yàn)證此次研究的非同步多點(diǎn)通信網(wǎng)絡(luò)延遲特性SystemView仿真分析方法，并選擇非同步多點(diǎn)通信網(wǎng)絡(luò)，作為此次對比仿真對象。對比三組仿真分析方法，在數(shù)據(jù)包、空占比、網(wǎng)絡(luò)延遲等變化下，分析非同步多點(diǎn)通信網(wǎng)絡(luò)延遲特性精度。

3.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

在此次設(shè)計(jì)的對比仿真中，將非同步多點(diǎn)通信網(wǎng)絡(luò)的端點(diǎn)數(shù)目最小設(shè)置為100，最大設(shè)置為1000，則其最小傳輸群邊長設(shè)置為8，網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行協(xié)議為TCP協(xié)議，為了讓此次對比仿真更具真實(shí)性、客觀性和準(zhǔn)確性，選擇兩個地址作為數(shù)據(jù)傳輸實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)，其網(wǎng)絡(luò)延遲測試傳輸數(shù)據(jù)量、客戶端和服務(wù)器IP地址，以及非同步多點(diǎn)通信網(wǎng)絡(luò)仿真參數(shù)，如表1所示。

表1 非同步多點(diǎn)通信網(wǎng)絡(luò)仿真參數(shù)

在如表1所示的參數(shù)設(shè)置下，選擇文獻(xiàn)[3]的基于模糊矩陣的多線程網(wǎng)絡(luò)通信延遲檢測技術(shù)(目前方法1)和文獻(xiàn)[5].基于能量和頻譜共享的傳感器網(wǎng)絡(luò)時延性能分析(目前方法2)作為對比方法進(jìn)行測試。

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.2.1 數(shù)據(jù)包測試結(jié)果

依據(jù)表1所示的四組實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)延遲測試客戶端和服務(wù)器IP地址以及傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包數(shù)量，采用三組仿真分析方法，分別分析數(shù)據(jù)包數(shù)量對網(wǎng)絡(luò)延遲時間的影響，并與設(shè)置的網(wǎng)絡(luò)延遲時間進(jìn)行對比，其實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。

圖5 數(shù)據(jù)包測試對比圖

從圖5中模擬值可以看出，非同步多點(diǎn)通信網(wǎng)絡(luò)只有在數(shù)據(jù)包數(shù)量出現(xiàn)明顯增加時，才會導(dǎo)致通信網(wǎng)絡(luò)延遲時間產(chǎn)生劇烈波動，當(dāng)通信網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)量一定時，通信網(wǎng)絡(luò)不會產(chǎn)生較為明顯的網(wǎng)絡(luò)延遲現(xiàn)象。根據(jù)圖5得到實(shí)驗(yàn)結(jié)果，目前方法1隨著非同步多點(diǎn)通信網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包數(shù)量變化，產(chǎn)生了較大的延遲時間波動，與模擬值不完全一致；目前方法2隨著非同步多點(diǎn)通信網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包數(shù)量變化，僅在進(jìn)500數(shù)據(jù)包處產(chǎn)生了較大的延遲時間波動，但是，這一波動與網(wǎng)絡(luò)延遲實(shí)際情況以及模擬值不完全一致；而研究方法隨著非同步多點(diǎn)通信網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包數(shù)量變化，只有在數(shù)據(jù)包出現(xiàn)明顯增加時，才會導(dǎo)致通信網(wǎng)絡(luò)延遲時間產(chǎn)生劇烈波動，與模擬值基本一致。

3.2.2 占空比測試結(jié)果

基于第一組實(shí)驗(yàn)結(jié)果，改變通信網(wǎng)絡(luò)占空比，即通信時間相對網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行時間所占比例，分析數(shù)據(jù)包在兩個地址之間的到達(dá)延遲。其實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。

圖6 占空比測試對比圖

從圖6中模擬值可以看出，隨著占空比上限的增加，通信網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)包到達(dá)平均延遲時間不斷降低，通信網(wǎng)絡(luò)性能提升逐漸趨于平緩。根據(jù)圖6得到實(shí)驗(yàn)結(jié)果，目前方法2隨著非同步多點(diǎn)通信網(wǎng)絡(luò)占空比上限變化，非同步多點(diǎn)通信網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)包到達(dá)平均延遲時間卻未曾出現(xiàn)收斂現(xiàn)象，產(chǎn)生了較大的波動，與模擬值不完全一致；目前方法1隨著非同步多點(diǎn)通信網(wǎng)絡(luò)占空比上限變化，非同步多點(diǎn)通信網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)包到達(dá)平均延遲時間雖然出現(xiàn)收斂現(xiàn)象，未產(chǎn)生較大波動，但是在占空比上限較低時，平均延遲與模擬值不完全一致；而研究方法隨著非同步多點(diǎn)通信網(wǎng)絡(luò)占空比上限變化，非同步多點(diǎn)通信網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)包到達(dá)平均延遲時間隨著占空比上限的增加而增加，與模擬值基本一致。

3.2.3 網(wǎng)絡(luò)延遲分布測試結(jié)果

基于第一組和第二組實(shí)驗(yàn)結(jié)果，在SystemView仿真平臺上，設(shè)置數(shù)據(jù)傳輸量為2200，分析三組仿真方法在不同信噪比下的非同步多點(diǎn)通信網(wǎng)絡(luò)延遲特性，其實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。

圖7 網(wǎng)絡(luò)延遲分布測試對比圖

從圖7中模擬值可以看出，隨著通信網(wǎng)絡(luò)信噪比的增加，通信網(wǎng)絡(luò)中的網(wǎng)絡(luò)延遲分布范圍隨之增加，但是網(wǎng)絡(luò)延遲分布范圍一直控制在較低的范圍內(nèi)。根據(jù)圖7得到實(shí)驗(yàn)結(jié)果，目前方法1和目前方法2隨著通信網(wǎng)絡(luò)信噪比的增加，網(wǎng)絡(luò)延遲分布范圍變化較大，且網(wǎng)絡(luò)延遲范圍較高，兩組目前方法的分析結(jié)果都與模擬值完全不一致；研究方法隨著通信網(wǎng)絡(luò)信噪比的增加，網(wǎng)絡(luò)延遲范圍隨之增加，但是網(wǎng)絡(luò)延遲范圍，同樣被控制在較低的范圍內(nèi)，與模擬值基本一致。

4 結(jié)束語

此次采用SystemView仿真平臺，仿真分析非同步多點(diǎn)通信網(wǎng)絡(luò)延遲特性，提高了分析精度。

1)研究方法受通信網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包、空占比、網(wǎng)絡(luò)延遲等變化影響較小，分析非同步多點(diǎn)通信網(wǎng)絡(luò)延遲特性，依然具有較高的網(wǎng)絡(luò)延遲分析精度，延遲時間均控制在100ms以內(nèi)。

2)但是此次研究仍存在一定不足，在今后研究中，還需進(jìn)一步研究通信網(wǎng)絡(luò)參數(shù)相關(guān)性，提高仿真分析方法對參數(shù)變化監(jiān)控度。