潘艷榮，劉 潔

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

1 引言

非同步多點通信網絡是由多個子網絡構成，由于子網絡的校驗規(guī)則存在差異，因此在通信過程中，需要單獨調整各個子網絡的通信時鐘，但是在調整時鐘過程中，難以掌握所有子網絡時鐘校驗規(guī)范，所獲得的數(shù)據(jù)特征不準確，不能建立標準的時鐘校驗規(guī)則，導致各個子網絡時鐘之間時間存在時間差，從而出現(xiàn)較為嚴重的延遲現(xiàn)象[1]。非同步多點通信網絡雖然存在明顯的延遲問題，但是卻可以保障通信網絡通信安全。隨著通信工具的更新?lián)Q代，人們對通信網絡質量要求不斷提高，面對非同步多點通信網絡存在的明顯延遲問題，也未曾采用其它通信網絡取代非同步多點通信網絡，反而讓眾多學者看到非同步多點通信網絡發(fā)展前景，成為眾多學者的研究重點[2]。

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

針對上述問題，結合現(xiàn)有的研究成果，引入SystemView仿真平臺，仿真分析非同步多點通信網絡延遲特性，保障非同步多點通信網絡延遲特性仿真分析精度。

2 非同步多點通信網絡延遲特性分析

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

2.1 構建非同步多點通信網絡仿真模型

非同步多點通信網絡屬于分布式拓撲結構，該種方式部署的網絡節(jié)點，可以動態(tài)移動，改變網絡拓撲結構[6]。為此采用無向圖G=(W，D)表示非同步多點通信網絡，其中，W表示無向圖G中的網絡節(jié)點集合，即W={w1，w2，…，wm}，m表示無向圖G中的網絡節(jié)點數(shù)量；D表示無向圖G中的網絡邊集合，即D={d1，d2，…，dn}，n表示無向圖G中的網絡邊數(shù)。

假設節(jié)點w1的鄰居節(jié)點為w2，最遠鄰居節(jié)點為wm，則節(jié)點w1與節(jié)點wm之間的傳輸半徑為r1，無向圖G中的網絡節(jié)點傳輸半徑最大值為rmax，其范圍內的節(jié)點集合為O，以節(jié)點w1作為網絡端點，形成邊相鄰邊的集合E，計算節(jié)點w1至節(jié)點wm的歐幾里德距離l，其計算公式如下

(1)

判斷節(jié)點w1與節(jié)點wm之間的傳輸半徑距離，與節(jié)點w1與節(jié)點wm之間的歐幾里德距離l大小，當r1>l時，將其記為w1→wm；基于非同步多點通信網絡結構，若w1→wm或wm→w1成立，則節(jié)點w1與節(jié)點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(wi，wj)均滿足wi?wj，則無向圖G為連通網絡，反之為不連通網絡。

依據(jù)上述非同步多點通信網絡構建過程，在SystemView仿真平臺上，仿真建立的非同步多點通信網絡模型，如圖1所示。

圖1 非同步多點通信網絡仿真模型

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

2.2 建立非同步多點通信網絡信道

圖1所示的非同步多點通信網絡仿真模型中，存在無數(shù)條不同的傳播途徑，基于非同步多點通信網絡分布式的拓撲結構，其信道的傳播路徑離散均勻分布在非同步多點通信網絡中，將非同步多點通信網絡信道看成一個標準頻率單調衰落基帶等效模型。假設最大多普勒頻移與載波頻率和網絡節(jié)點的最大移動速度有關，當在該信道中輸入K條電波信號A，則輸出信號Y為

(2)

式中，v表示網絡節(jié)點的最大移動速度；c表示信號載波；f表示載波頻率；r1表示衰落信號包絡；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表示標準頻率單調衰落等效基帶；t表示信號所在網絡；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)中的計算結果為在理想環(huán)境，即接收信號在所有路徑上的移動速度都相同，然而在實際環(huán)境中，信號在不同路徑上的移動速度會由產生多普勒頻移和多徑衰落現(xiàn)象而存在一定的區(qū)別，因此非同步多點通信網絡節(jié)點在傳播信號過程中，其信道的頻譜f0的表達式如下

(3)

綜合(2)式和(3)式的計算結果，采用SystemView仿真平臺，建立的非同步多點通信網絡信道，如圖2所示。

圖2 非同步多點通信網絡信道

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通信網絡信道包絡近似于瑞利分布，存在多種網絡通信方式，影響非同步多點通信網絡延遲特性分析結果，為此在SystemView仿真平臺上，確定非同步多點通信網絡通信過程，單一分析網絡延遲特性。

2.3 確定通信過程分析網絡延遲特性

基于圖2所示的非同步多點通信網絡信道，以及非同步多點通信網絡結構，其通信是通過不同層次之間的子網絡，周期性發(fā)生報文的方式實現(xiàn)通信。則其在通信過程中，信息調度周期如圖3所示。

圖3 信息調度周期

從圖3中可以看出，周期性報文發(fā)送包括周期報文和非周期數(shù)據(jù)聲明報文，其中非周期數(shù)據(jù)聲明報文，其中，周期性報文數(shù)據(jù)具有最高的優(yōu)先發(fā)送集[10]。非周期報文發(fā)送階段包括非周期數(shù)據(jù)發(fā)送結束聲明報文和非周期報文，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，在網絡中傳遞數(shù)據(jù)。

非同步多點通信網絡具有如圖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)產生碰撞的現(xiàn)象，而非同步多點通信網絡本身所具有的時鐘規(guī)范不統(tǒng)一問題，此時網絡會產生如圖4所示的四種轉換狀態(tài)，調整信息發(fā)送時間。

圖4 網絡狀態(tài)轉換圖

按照上述內容，在SystemView仿真平臺上設置網絡通信過程，發(fā)現(xiàn)非同步多點通信網絡中存在的延遲問題，由于延遲的時間存在不確定性。針對這個不確定性進行大量研究發(fā)現(xiàn)，其延遲時間分布在一定的范圍內，因此可以采用gamma分布擬合非同步多點通信網絡延遲時間，描述非同步多點通信網絡延遲特性，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]。假設在gamma分布中，網絡延遲的隨機變量必然大于零，如果網絡大小參數(shù)值分別為不同的固定值，則會產生不確定性的網絡延遲，為此采用f1(x)表示網絡延遲的隨機變量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；網絡通信的復雜程度采用變量x的信息熵H表示，則網絡延遲的擬合函數(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 表示取經驗值。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)計算得到的值代入式(4)中，即完成非同步多點通信網絡延遲擬合。

將上述計算過程錄入SystemView仿真平臺，擬合非同步多點通信網絡延遲現(xiàn)象，描述非同步多點通信網絡延遲特性。

3 仿真研究

采用對比仿真的方式，驗證此次研究的非同步多點通信網絡延遲特性SystemView仿真分析方法，并選擇非同步多點通信網絡，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、網絡延遲等變化下，分析非同步多點通信網絡延遲特性精度。

3.1 實驗準備

在此次設計的對比仿真中，將非同步多點通信網絡的端點數(shù)目最小設置為100，最大設置為1000，則其最小傳輸群邊長設置為8，網絡運行協(xié)議為TCP協(xié)議，為了讓此次對比仿真更具真實性、客觀性和準確性，選擇兩個地址作為數(shù)據(jù)傳輸實驗地點，其網絡延遲測試傳輸數(shù)據(jù)量、客戶端和服務器IP地址，以及非同步多點通信網絡仿真參數(shù)，如表1所示。

表1 非同步多點通信網絡仿真參數(shù)

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

3.2 實驗結果

3.2.1 數(shù)據(jù)包測試結果

依據(jù)表1所示的四組實驗地點網絡延遲測試客戶端和服務器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)量對網絡延遲時間的影響，并與設置的網絡延遲時間進行對比，其實驗結果如圖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，非同步多點通信網絡只有在數(shù)據(jù)包數(shù)量出現(xiàn)明顯增加時，才會導致通信網絡延遲時間產生劇烈波動，當通信網絡傳輸數(shù)據(jù)量一定時，通信網絡不會產生較為明顯的網絡延遲現(xiàn)象。根據(jù)圖5得到實驗結果，目前方法1隨著非同步多點通信網絡數(shù)據(jù)包數(shù)量變化，產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隨著非同步多點通信網絡數(shù)據(jù)包數(shù)量變化，僅在進500數(shù)據(jù)包處產生了較大的延遲時間波動，但是，這一波動與網絡延遲實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通信網絡數(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，才會導致通信網絡延遲時間產生劇烈波動，與模擬值基本一致。

3.2.2 占空比測試結果

基于第一組實驗結果，改變通信網絡占空比，即通信時間相對網絡運行時間所占比例，分析數(shù)據(jù)包在兩個地址之間的到達延遲。其實驗結果如圖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，通信網絡傳輸數(shù)據(jù)包到達平均延遲時間不斷降低，通信網絡性能提升逐漸趨于平緩。根據(jù)圖6得到實驗結果，目前方法2隨著非同步多點通信網絡占空比上限變化，非同步多點通信網絡傳輸數(shù)據(jù)包到達平均延遲時間卻未曾出現(xiàn)收斂現(xiàn)象，產生了較大的波動，與模擬值不完全一致；目前方法1隨著非同步多點通信網絡占空比上限變化，非同步多點通信網絡傳輸數(shù)據(jù)包到達平均延遲時間雖然出現(xiàn)收斂現(xiàn)象，未產生較大波動，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通信網絡占空比上限變化，非同步多點通信網絡傳輸數(shù)據(jù)包到達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 網絡延遲分布測試結果

基于第一組和第二組實驗結果，在SystemView仿真平臺上，設置數(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通信網絡延遲特性，其實驗結果如圖7所示。

圖7 網絡延遲分布測試對比圖

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

4 結束語

此次采用SystemView仿真平臺，仿真分析非同步多點通信網絡延遲特性，提高了分析精度。

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

2)但是此次研究仍存在一定不足，在今后研究中，還需進一步研究通信網絡參數(shù)相關性，提高仿真分析方法對參數(shù)變化監(jiān)控度。