王 悅，劉燦濤，朱 雷，張書云

(中央財(cái)經(jīng)大學(xué) a.信息管理系；b.計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系，北京 100081)

1 概述

NS-2是一個(gè)分組級(jí)別的網(wǎng)絡(luò)模擬器，它模擬實(shí)現(xiàn)了大量網(wǎng)絡(luò)組件和協(xié)議[1]。它的無線模塊(WiFi)源自卡耐基梅隆大學(xué)的Monarch項(xiàng)目[2]，對(duì)無線傳輸做了如下假設(shè)和簡(jiǎn)化：

(1)假設(shè)節(jié)點(diǎn)在發(fā)送或接收一個(gè)分組時(shí)沒有明顯移動(dòng)。當(dāng)節(jié)點(diǎn)處于低速運(yùn)動(dòng)或高發(fā)送速率時(shí)，該假設(shè)基本成立。例如，節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)速度是10 m/s，發(fā)送速率是1 Mb/s，當(dāng)接收一個(gè)1500 Byte的分組時(shí)計(jì)算得出節(jié)點(diǎn)移動(dòng)0.12 m。周圍環(huán)境基本不變，不會(huì)導(dǎo)致接收失敗。

(2)假設(shè)節(jié)點(diǎn)速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于光速，因此多普勒效應(yīng)可忽略不計(jì)。

節(jié)點(diǎn)移動(dòng)速度較慢的Ad hoc無線網(wǎng)絡(luò)[3-4]和Mesh無線網(wǎng)絡(luò)(節(jié)點(diǎn)靜止)[5]基本滿足這2條假設(shè)，可以用NS-2較好地仿真。但是NS-2的無線接收模型過于簡(jiǎn)化，不能完全反映現(xiàn)實(shí)[6]。主要有如下2個(gè)方面的問題：(1)沒有計(jì)算干擾信號(hào)的累加強(qiáng)度。(2)沒有考慮信道衰落(fading)。特別是后者對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能的影響顯著，由于現(xiàn)實(shí)傳輸環(huán)境是復(fù)雜的，電磁波經(jīng)過反射、折射、散射等多條路徑傳播到達(dá)接收節(jié)點(diǎn)后，由于節(jié)點(diǎn)移動(dòng)或周圍環(huán)境變化等原因，信號(hào)強(qiáng)度和相位是時(shí)變的，這被稱為信道衰落[7]。無線網(wǎng)絡(luò)的早期研究為了簡(jiǎn)化數(shù)學(xué)建模一般不考慮衰落效應(yīng)。但在無線網(wǎng)絡(luò)研究取得很大進(jìn)展的當(dāng)前[8-9]，在NS-2中引入信道衰落對(duì)準(zhǔn)確驗(yàn)證無線算法很有必要。

本文分析NS-2分組收發(fā)仿真的實(shí)現(xiàn)原理。針對(duì)NS-2沒有考慮信道衰落效應(yīng)的問題，給出信道衰落仿真的一般計(jì)算步驟，并以瑞利衰落為例，在NS-2中驗(yàn)證無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議性能[10-11]。根據(jù)無線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)耐掏铝亢凸叫訹12]，在引入瑞利衰落后并通過與之前相比，以準(zhǔn)確模擬無線傳輸?shù)牟淮_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(shí)現(xiàn)無線信道傳輸分組功能(channel.cc源文件)；WirelessPhy類實(shí)現(xiàn)無線接口收發(fā)分組功能(wirelessphy.cc源文件)；Mac802_11類除實(shí)現(xiàn)了802.11的媒體訪問控制功能外，也實(shí)現(xiàn)了無線接口卡的SNR計(jì)算和分組捕獲功能(Mac-802_11.cc源文件)。

無線物理層的實(shí)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(chǎng)景舉例說明無線物理層的實(shí)現(xiàn)原理。圖中有A，B，C，D 4個(gè)節(jié)點(diǎn)，B在A的發(fā)送半徑內(nèi)；C在A的發(fā)送半徑外，但在其載波監(jiān)聽半徑內(nèi)；D在A的載波監(jiān)聽半徑外。在仿真程序?qū)崿F(xiàn)上，當(dāng)A向B“發(fā)送”一個(gè)分組時(shí)，A的上層協(xié)議模塊調(diào)用其Mac對(duì)象send方法，該方法調(diào)用WirelessPhy對(duì)象的sendDown方法，后者進(jìn)一步調(diào)用WirelessChannel對(duì)象的sendUp方法。WirelessChannel對(duì)象將此分組復(fù)制為2份，分別調(diào)用B和C(在A的載波監(jiān)聽范圍內(nèi))的WirelessPhy對(duì)象的sendUp方法，再通過調(diào)用Mac對(duì)象的recv方法，將分組傳遞給B和C的Mac對(duì)象。這就完成了一個(gè)分組從“發(fā)送”到“接收”的過程。注意：分組在節(jié)點(diǎn)之間的收發(fā)不是真實(shí)發(fā)生的網(wǎng)絡(luò)傳輸過程，而是通過函數(shù)調(diào)用的方式來仿真的。發(fā)送節(jié)點(diǎn)(比如A)將分組發(fā)送給載波監(jiān)聽半徑內(nèi)的所有節(jié)點(diǎn)(比如B，C)。若接收節(jié)點(diǎn)在發(fā)送節(jié)點(diǎn)的發(fā)送半徑內(nèi)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(diǎn)在發(fā)送節(jié)點(diǎn)的載波監(jiān)聽半徑內(nèi)但不在發(fā)送半徑內(nèi)(比如C)，它不能正確解碼該分組；若接收節(jié)點(diǎn)在發(fā)送節(jié)點(diǎn)的載波監(jiān)聽半徑外(比如D)，它檢測(cè)不到該分組。

按照分組從發(fā)送到接收的過程給出相關(guān)方法的主要步驟并附上重點(diǎn)代碼段(步驟編號(hào)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(diǎn)；ant_->copy()是天線參數(shù)；Pt_是發(fā)送功率；lambda_是無線電波的波長(zhǎng)。這些參數(shù)被記錄在發(fā)送分組里，用于在接收節(jié)點(diǎn)處計(jì)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(diào)用WirelessChannel對(duì)象的recv方法來實(shí)現(xiàn)。

(2)WirelessChannel::sendUp

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

第1步 缺省按照雙徑傳播模型[7]來計(jì)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(diǎn)tnode為圓心以distCST_為半徑的范圍內(nèi)的鄰居節(jié)點(diǎn)集合outlist。

get_neighbors((MobileNode*)tnode,outlist);

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

s.schedule(rifp,newp,propdelay);

(3)WirelessPhy::sendUp

該方法從WirelessChannel對(duì)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(jì)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(dāng)Pr小于載波監(jiān)聽閾值CSThresh_時(shí)，接收不到該分組(pkt_recvd標(biāo)記置0)；當(dāng)Pr大于等于接收閾值RXThresh_時(shí)，可正確接收該分組(pkt_recvd置1，hdr->error置0)；當(dāng)Pr大于CSThresh_且小于RXThresh_時(shí)，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(duì)象中實(shí)現(xiàn)，實(shí)際上屬于無線物理層的功能。

(4)Mac802_11::recv

該方法計(jì)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(kuò)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(jì)算的接收功率為均值的一組隨機(jī)變量[7]。在NS-2中衰落功能仿真的實(shí)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(jì)算出接收功率的概率分布函數(shù)F(x)。

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

以瑞利衰落為例在NS-2上實(shí)現(xiàn)信道衰落仿真，其他衰落模型的實(shí)現(xiàn)思路類似。瑞利衰落認(rèn)為接收信號(hào)的強(qiáng)度s符合瑞利分布，概率分布函數(shù)為1- e-s2/2σ2。已知功率與電壓的平方呈正比，計(jì)算得出接收功率x符合指數(shù)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(shí)現(xiàn)在WirelessChannel::sendUp方法的第2步(見第2節(jié))，在雙徑模型給出當(dāng)前分組的接收功率均值后，調(diào)用RayleighPr方法返回一個(gè)隨機(jī)產(chǎn)生的接收功率值。

主要代碼如下：

4 仿真實(shí)驗(yàn)

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(jì)算得出發(fā)送半徑是250 m；MAC協(xié)議使用802.11，數(shù)據(jù)發(fā)送速率為11 Mb/s。在仿真實(shí)驗(yàn)中比較無衰落和瑞利衰落下CBR和TCP性能，數(shù)據(jù)分組長(zhǎng)度均設(shè)為256 Byte。

實(shí)驗(yàn)1瑞利衰落對(duì)單鏈路傳輸性能的影響

測(cè)試瑞利衰落對(duì)一條鏈路吞吐量的影響，鏈路長(zhǎng)度(發(fā)送節(jié)點(diǎn)與接收節(jié)點(diǎn)的距離)依次設(shè)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(cuò)率隨鏈路長(zhǎng)度增加(即接收功率減小)而增大。

分別測(cè)試鏈路傳輸CBR(滿負(fù)荷)和TCP數(shù)據(jù)時(shí)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(cuò)率為0)，而在瑞利衰落情況下吞吐量隨鏈路長(zhǎng)度增加(分組差錯(cuò)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(duì)應(yīng)的分組差錯(cuò)率要高，這是因?yàn)?02.11在分組發(fā)送失敗時(shí)認(rèn)為發(fā)生了碰撞，其競(jìng)爭(zhēng)窗口增大進(jìn)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?yàn)門CP在端到端分組傳輸失敗時(shí)認(rèn)為發(fā)生了擁塞，TCP發(fā)送窗口減小更進(jìn)一步降低了吞吐量。

圖2 瑞利衰落對(duì)單鏈路傳輸性能的影響

仿真如圖3所示的一個(gè)WLAN拓?fù)鋱D。設(shè)置AP(無線訪問點(diǎn))是接收節(jié)點(diǎn)，坐標(biāo)在(0,0)處；其余10個(gè)節(jié)點(diǎn)競(jìng)爭(zhēng)信道向AP發(fā)送數(shù)據(jù)，坐標(biāo)隨機(jī)產(chǎn)生。

圖4顯示了瑞利衰落對(duì)WLAN各節(jié)點(diǎn)CBR和TCP吞吐量的影響。從中可以看出，發(fā)現(xiàn)衰落并不會(huì)使每個(gè)節(jié)點(diǎn)的吞吐量都下降。這是因?yàn)榫嚯xAP遠(yuǎn)的節(jié)點(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)的CBR/TCP總吞吐量在無衰落和瑞利衰落時(shí)相差不多。

圖3 WLAN拓?fù)鋱D

圖4 瑞利衰落對(duì)WLAN性能的影響

表1 WLAN整體性能

實(shí)驗(yàn)2瑞利衰落對(duì)WLAN性能的影響

使用Jain公平性指標(biāo)(Jain’s fairness index)計(jì)算系統(tǒng)公平性[12]。Jain公平性指標(biāo)度量各節(jié)點(diǎn)吞吐量的均勻程度，取值在[0,1]上。當(dāng)各節(jié)點(diǎn)的吞吐量相等時(shí)，Jain公平性指標(biāo)值為1，反映公平性最好；各節(jié)點(diǎn)吞吐量差別越大，Jain公平性指標(biāo)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(yuǎn)的節(jié)點(diǎn)，吞吐量受衰落影響大，而距離AP近的節(jié)點(diǎn)受衰落影響小，且占用了前者的剩余帶寬。

5 結(jié)束語

本文分析了NS-2無線物理層的實(shí)現(xiàn)機(jī)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(dǎo)致計(jì)算信號(hào)接收功率不夠真實(shí)。給出了NS-2中擴(kuò)展了信道衰落功能的一般計(jì)算步驟，將大尺度傳播模型計(jì)算的接收功率均值代入信道衰落模型計(jì)算出接收功率，實(shí)現(xiàn)了瑞利衰落。仿真結(jié)果顯示，引入瑞利衰落后的無線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)耐掏铝亢凸叫远际艿捷^大影響。該研究可為準(zhǔn)確驗(yàn)證無線算法提供支持。

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