徐山峰　謝佳

摘 要： 使用NS仿真軟件，仿真分析了采用IEEE 802.11b DCF作為信道接入?yún)f(xié)議的無(wú)線自組織網(wǎng)絡(luò)的效果異常問(wèn)題。通過(guò)“修改傳輸數(shù)據(jù)幀長(zhǎng)度”和“修改競(jìng)爭(zhēng)窗口大小”，對(duì)效果異常問(wèn)題的緩解情況進(jìn)行仿真。仿真結(jié)果證明了兩種解決方案的有效性。

關(guān)鍵詞： 無(wú)線自組織網(wǎng)絡(luò)； 效果異常； IEEE 802.11b DCF； NS

中圖分類號(hào)：TN919.2?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 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

無(wú)線自組織（Ad Hoc）網(wǎng)絡(luò)是一種特殊的無(wú)線移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)不僅具有普通移動(dòng)終端所需的功能，而且具有報(bào)文轉(zhuǎn)發(fā)能力。網(wǎng)絡(luò)中的所有節(jié)點(diǎn)地位平等，無(wú)需設(shè)置任何中心控制節(jié)點(diǎn)，具有很強(qiáng)的抗毀性。Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)與其他移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的最根本區(qū)別是：節(jié)點(diǎn)間的通信可以經(jīng)過(guò)多個(gè)中間節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)發(fā)，即報(bào)文要經(jīng)過(guò)多跳（Hop）到達(dá)目的地。

Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的典型應(yīng)用是2001年由美國(guó)國(guó)防高級(jí)研究項(xiàng)目局（DARPA）提出研制的戰(zhàn)術(shù)瞄準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)（Tactical Targeting Networking Technology，TTNT）。TTNT數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)可在戰(zhàn)術(shù)飛機(jī)、武器系統(tǒng)和地面節(jié)點(diǎn)間建立類似互聯(lián)網(wǎng)的無(wú)線寬帶通信網(wǎng)，從而對(duì)時(shí)間敏感目標(biāo)的精確打擊起到?jīng)Q定性作用，使美軍的網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)能力產(chǎn)生質(zhì)的飛躍。

在Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧中，信道接入?yún)f(xié)議運(yùn)行在物理層之上，是所有報(bào)文在無(wú)線信道上發(fā)送和接收的直接控制者，它的性能好壞直接關(guān)系著信道的利用效率和整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的性能。

Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)信道接入?yún)f(xié)議分為基于單信道、基于雙信道和基于多信道三大類。單信道接入?yún)f(xié)議用于只有一個(gè)共享信道的Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)。所有的控制報(bào)文和數(shù)據(jù)報(bào)文都在同一個(gè)信道上發(fā)送和接收。雙信道接入?yún)f(xié)議用于有兩個(gè)共享信道的Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)。兩個(gè)信道分別為控制信道和數(shù)據(jù)信道?？刂菩诺乐粋魉托诺澜尤?yún)f(xié)議的控制報(bào)文，而數(shù)據(jù)信道只傳送數(shù)據(jù)報(bào)文?；诙嘈诺赖腁d Hoc網(wǎng)絡(luò)信道接入?yún)f(xié)議用于具有多個(gè)信道的Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)。

受硬件技術(shù)發(fā)展的限制，很多Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)都只能支持單信道，因此目前大部分的信道接入?yún)f(xié)議都是為單信道設(shè)計(jì)的。單信道接入?yún)f(xié)議也是目前應(yīng)用最廣泛的。常見(jiàn)的單信道接入?yún)f(xié)議有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協(xié)議的信道利用率最高、性能最好，應(yīng)用也最為廣泛。因此，本文重點(diǎn)闡述基于IEEE 802.11b DCF協(xié)議的Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的一種特殊現(xiàn)象“效果異?！奔捌浣鉀Q方案。

1 效果異常

在無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中，距離越遠(yuǎn)信號(hào)越弱，因此通常在距離較遠(yuǎn)的時(shí)候，采用較低的傳輸速度來(lái)改善信號(hào)質(zhì)量，造成同一個(gè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)里，存在不同傳輸速度的節(jié)點(diǎn)，這種無(wú)線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境稱為多重傳輸速度（multi?rate）環(huán)境，如圖2所示。

如圖2所示，A和B要通過(guò)C（銜接有線網(wǎng)絡(luò)和無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的接入點(diǎn)）傳輸數(shù)據(jù)到遠(yuǎn)程服務(wù)器（server）上。A和B采用IEEE 802.11b DCF作為信道接入?yún)f(xié)議。B的傳輸速度始終為11 Mb/s，A慢慢向外移動(dòng)，傳輸速度由11 Mb/s調(diào)整為2 Mb/s。假設(shè)A和B數(shù)據(jù)幀（frame）大小不變，則占用信道的時(shí)間與自己的傳輸速度成反比。每傳輸一個(gè)相同大小的frame，A的傳輸速度降低，A占用信道時(shí)間增長(zhǎng)，而B(niǎo)占用信道時(shí)間不變。在相同的時(shí)間長(zhǎng)度內(nèi)，A占用信道時(shí)間增長(zhǎng)，B占用信道時(shí)間減短，A的傳輸速度降低導(dǎo)致B的吞吐量急劇下降，這種現(xiàn)象稱為效果異常（Performance Anomaly）。

利用網(wǎng)絡(luò)仿真工具NS（Network Simulator）對(duì)圖2中場(chǎng)景進(jìn)行仿真，A、B和C組成一個(gè)Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)，A、B和C的信道接入?yún)f(xié)議采用IEEE 802.11b DCF，路由協(xié)議采用DSDV（Destination?Sequenced Distance?Vector Routing）協(xié)議。仿真中設(shè)定A和B各自傳輸2 Mb/s的CBR業(yè)務(wù)到C上，frame大小固定為1 000 B，整個(gè)仿真過(guò)程約45 s。在0～15 s內(nèi)，A和B的傳輸速度為11 Mb/s，隨著A的向外移動(dòng)，15～30 s內(nèi)A的傳輸速度調(diào)整為2 Mb/s，30 s后A離開(kāi)有效通信半徑，只剩下B傳輸數(shù)據(jù)。針對(duì)C各收到多少A和B的數(shù)據(jù)（數(shù)據(jù)吞吐量）進(jìn)行仿真分析，如圖3所示。

如圖3所示，在0～15 s內(nèi)A和B的傳輸速度均為11 Mb/s，此時(shí)C收到A和B的數(shù)據(jù)均為約2 Mb/s，系統(tǒng)整體吞吐量約為4 Mb/s。在15～30 s，A的傳輸速度降為2 Mb/s，此時(shí)A的吞吐量降低為約1.1 Mb/s，同時(shí)B的傳輸速度維持在11 Mb/s，但其吞吐量降低為約1.2 Mb/s。在30 s后，A的影響消失，B的吞吐量才恢復(fù)到2 Mb/s，效果異常嚴(yán)重影響到B節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)性能。當(dāng)Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)中存在較多節(jié)點(diǎn)時(shí)，效果異常將給整個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)帶來(lái)破壞性的影響，這個(gè)問(wèn)題必須引起人們的重視。

2 解決方案

2.1 修改傳輸數(shù)據(jù)幀長(zhǎng)度

針對(duì)效果異常問(wèn)題，一種解決方案是改變frame的大?。簜鬏斔俣瓤斓墓?jié)點(diǎn)使用較大的frame，傳輸速度慢的節(jié)點(diǎn)使用較小的frame，因而當(dāng)傳輸速度慢的節(jié)點(diǎn)競(jìng)爭(zhēng)到信道使用權(quán)時(shí)，并不會(huì)占用信道太多時(shí)間，信道很快會(huì)開(kāi)放給所有競(jìng)爭(zhēng)節(jié)點(diǎn)，從而提高B的性能。在圖2中相同的仿真場(chǎng)景下，減小A的frame大小，分別選擇[frameA=]512 B/384 B/256 B/128 B進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果如圖4，圖5所示。

如圖4，圖5所示，隨著[frameA]減小，B的吞吐量不斷回升，且B的吞吐量穩(wěn)定性不斷增大。但是當(dāng)[frameA]過(guò)小，也會(huì)直接導(dǎo)致A的吞吐量過(guò)低，A和B兩方面因素都要考慮。綜合分析圖5，圖6，當(dāng)[frameA=]256 B時(shí)，既保證了B的吞吐量穩(wěn)定在2 Mb/s附近，又保證了A的吞吐量不過(guò)低，效果異常問(wèn)題得到緩解。

2.2 修改競(jìng)爭(zhēng)窗口大小

另一種解決方案是改變A的競(jìng)爭(zhēng)窗口（CW，Contention Window）大小，讓傳輸速度快的節(jié)點(diǎn)更容易競(jìng)爭(zhēng)到信道的使用權(quán)。計(jì)算退避時(shí)間和競(jìng)爭(zhēng)窗口大小的公式如下：

如圖6所示，當(dāng)設(shè)置[CWA=176]后，B的吞吐量穩(wěn)定在2 Mb/s，A的吞吐量穩(wěn)定在0.8 Mb/s，效果異常問(wèn)題得到緩解。

3 展 望

Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)技術(shù)因其無(wú)需架設(shè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)施、可快速展開(kāi)、抗毀性強(qiáng)等特點(diǎn)，在未來(lái)軍用數(shù)據(jù)鏈領(lǐng)域的應(yīng)用前景非常廣闊。隨著Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在軍用領(lǐng)域應(yīng)用的不斷深入，多重傳輸速度環(huán)境下的效果異常問(wèn)題正逐步受到重視。本文通過(guò)對(duì)“修改傳輸數(shù)據(jù)幀長(zhǎng)度”和“修改競(jìng)爭(zhēng)窗口大小”兩種解決方案進(jìn)行仿真，驗(yàn)證了它們能夠有效緩解效果異常問(wèn)題，為應(yīng)用指明了方向。能否將兩種解決方案相互結(jié)合，揚(yáng)長(zhǎng)避短，是筆者今后要繼續(xù)研究的方向。

參考文獻(xiàn)

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[6] 鄭少仁，王海濤，趙志峰，等.Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)技術(shù)[M].北京：人民郵電出版社，2005.

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[9] 王海濤，鄭少仁.Ad Hoc傳感網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)及其相關(guān)問(wèn)題[J].解放軍理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2003，4（1）：1?6.

如圖3所示，在0～15 s內(nèi)A和B的傳輸速度均為11 Mb/s，此時(shí)C收到A和B的數(shù)據(jù)均為約2 Mb/s，系統(tǒng)整體吞吐量約為4 Mb/s。在15～30 s，A的傳輸速度降為2 Mb/s，此時(shí)A的吞吐量降低為約1.1 Mb/s，同時(shí)B的傳輸速度維持在11 Mb/s，但其吞吐量降低為約1.2 Mb/s。在30 s后，A的影響消失，B的吞吐量才恢復(fù)到2 Mb/s，效果異常嚴(yán)重影響到B節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)性能。當(dāng)Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)中存在較多節(jié)點(diǎn)時(shí)，效果異常將給整個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)帶來(lái)破壞性的影響，這個(gè)問(wèn)題必須引起人們的重視。

2 解決方案

2.1 修改傳輸數(shù)據(jù)幀長(zhǎng)度

針對(duì)效果異常問(wèn)題，一種解決方案是改變frame的大?。簜鬏斔俣瓤斓墓?jié)點(diǎn)使用較大的frame，傳輸速度慢的節(jié)點(diǎn)使用較小的frame，因而當(dāng)傳輸速度慢的節(jié)點(diǎn)競(jìng)爭(zhēng)到信道使用權(quán)時(shí)，并不會(huì)占用信道太多時(shí)間，信道很快會(huì)開(kāi)放給所有競(jìng)爭(zhēng)節(jié)點(diǎn)，從而提高B的性能。在圖2中相同的仿真場(chǎng)景下，減小A的frame大小，分別選擇[frameA=]512 B/384 B/256 B/128 B進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果如圖4，圖5所示。

如圖4，圖5所示，隨著[frameA]減小，B的吞吐量不斷回升，且B的吞吐量穩(wěn)定性不斷增大。但是當(dāng)[frameA]過(guò)小，也會(huì)直接導(dǎo)致A的吞吐量過(guò)低，A和B兩方面因素都要考慮。綜合分析圖5，圖6，當(dāng)[frameA=]256 B時(shí)，既保證了B的吞吐量穩(wěn)定在2 Mb/s附近，又保證了A的吞吐量不過(guò)低，效果異常問(wèn)題得到緩解。

2.2 修改競(jìng)爭(zhēng)窗口大小

另一種解決方案是改變A的競(jìng)爭(zhēng)窗口（CW，Contention Window）大小，讓傳輸速度快的節(jié)點(diǎn)更容易競(jìng)爭(zhēng)到信道的使用權(quán)。計(jì)算退避時(shí)間和競(jìng)爭(zhēng)窗口大小的公式如下：

如圖6所示，當(dāng)設(shè)置[CWA=176]后，B的吞吐量穩(wěn)定在2 Mb/s，A的吞吐量穩(wěn)定在0.8 Mb/s，效果異常問(wèn)題得到緩解。

3 展 望

Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)技術(shù)因其無(wú)需架設(shè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)施、可快速展開(kāi)、抗毀性強(qiáng)等特點(diǎn)，在未來(lái)軍用數(shù)據(jù)鏈領(lǐng)域的應(yīng)用前景非常廣闊。隨著Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在軍用領(lǐng)域應(yīng)用的不斷深入，多重傳輸速度環(huán)境下的效果異常問(wèn)題正逐步受到重視。本文通過(guò)對(duì)“修改傳輸數(shù)據(jù)幀長(zhǎng)度”和“修改競(jìng)爭(zhēng)窗口大小”兩種解決方案進(jìn)行仿真，驗(yàn)證了它們能夠有效緩解效果異常問(wèn)題，為應(yīng)用指明了方向。能否將兩種解決方案相互結(jié)合，揚(yáng)長(zhǎng)避短，是筆者今后要繼續(xù)研究的方向。

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[9] 王海濤，鄭少仁.Ad Hoc傳感網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)及其相關(guān)問(wèn)題[J].解放軍理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2003，4（1）：1?6.

如圖3所示，在0～15 s內(nèi)A和B的傳輸速度均為11 Mb/s，此時(shí)C收到A和B的數(shù)據(jù)均為約2 Mb/s，系統(tǒng)整體吞吐量約為4 Mb/s。在15～30 s，A的傳輸速度降為2 Mb/s，此時(shí)A的吞吐量降低為約1.1 Mb/s，同時(shí)B的傳輸速度維持在11 Mb/s，但其吞吐量降低為約1.2 Mb/s。在30 s后，A的影響消失，B的吞吐量才恢復(fù)到2 Mb/s，效果異常嚴(yán)重影響到B節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)性能。當(dāng)Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)中存在較多節(jié)點(diǎn)時(shí)，效果異常將給整個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)帶來(lái)破壞性的影響，這個(gè)問(wèn)題必須引起人們的重視。

2 解決方案

2.1 修改傳輸數(shù)據(jù)幀長(zhǎng)度

針對(duì)效果異常問(wèn)題，一種解決方案是改變frame的大?。簜鬏斔俣瓤斓墓?jié)點(diǎn)使用較大的frame，傳輸速度慢的節(jié)點(diǎn)使用較小的frame，因而當(dāng)傳輸速度慢的節(jié)點(diǎn)競(jìng)爭(zhēng)到信道使用權(quán)時(shí)，并不會(huì)占用信道太多時(shí)間，信道很快會(huì)開(kāi)放給所有競(jìng)爭(zhēng)節(jié)點(diǎn)，從而提高B的性能。在圖2中相同的仿真場(chǎng)景下，減小A的frame大小，分別選擇[frameA=]512 B/384 B/256 B/128 B進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果如圖4，圖5所示。

如圖4，圖5所示，隨著[frameA]減小，B的吞吐量不斷回升，且B的吞吐量穩(wěn)定性不斷增大。但是當(dāng)[frameA]過(guò)小，也會(huì)直接導(dǎo)致A的吞吐量過(guò)低，A和B兩方面因素都要考慮。綜合分析圖5，圖6，當(dāng)[frameA=]256 B時(shí)，既保證了B的吞吐量穩(wěn)定在2 Mb/s附近，又保證了A的吞吐量不過(guò)低，效果異常問(wèn)題得到緩解。

2.2 修改競(jìng)爭(zhēng)窗口大小

另一種解決方案是改變A的競(jìng)爭(zhēng)窗口（CW，Contention Window）大小，讓傳輸速度快的節(jié)點(diǎn)更容易競(jìng)爭(zhēng)到信道的使用權(quán)。計(jì)算退避時(shí)間和競(jìng)爭(zhēng)窗口大小的公式如下：

如圖6所示，當(dāng)設(shè)置[CWA=176]后，B的吞吐量穩(wěn)定在2 Mb/s，A的吞吐量穩(wěn)定在0.8 Mb/s，效果異常問(wèn)題得到緩解。

3 展 望

Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)技術(shù)因其無(wú)需架設(shè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)施、可快速展開(kāi)、抗毀性強(qiáng)等特點(diǎn)，在未來(lái)軍用數(shù)據(jù)鏈領(lǐng)域的應(yīng)用前景非常廣闊。隨著Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在軍用領(lǐng)域應(yīng)用的不斷深入，多重傳輸速度環(huán)境下的效果異常問(wèn)題正逐步受到重視。本文通過(guò)對(duì)“修改傳輸數(shù)據(jù)幀長(zhǎng)度”和“修改競(jìng)爭(zhēng)窗口大小”兩種解決方案進(jìn)行仿真，驗(yàn)證了它們能夠有效緩解效果異常問(wèn)題，為應(yīng)用指明了方向。能否將兩種解決方案相互結(jié)合，揚(yáng)長(zhǎng)避短，是筆者今后要繼續(xù)研究的方向。

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