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王牌战士内测支持机型:路由特性對IEEE 802.11 DCF多跳網絡容量的影響

王牌战士啥时候开服 www.tabks.icu [03-27 05:28:09]   來源://www.tabks.icu  通信電路   閱讀:9612

 

概要:(其中,最主要的是網絡中MAC協議的差別)。筆者認為,對于網絡性能所進行的分析應根據實際的網絡條件來進行,不存在普遍適用的準則。在多跳網絡中,路由協議和MAC協議的互動會對網絡性能產生很大的影響,因此將這兩個層次的技術結合起來進行性能分析是必要的。近年來,IEEE 802.11已經成為無線局域網中一個主要的國際標準,其中基本的接入機制是分布式協調功能(DCF)。隨著Ad Hoc網絡技術在軍事、商業等領域的應用,IEEE 802.11DCF作為主流接入協議之一受到了更多關注,因此本文研究的多跳網絡則基于這種MAC協議。使用數學分析方法,研究了在IEEE 802.11 DCF多跳網絡中,路由策略和節點傳輸半徑設置對網絡容量的影響問題。1 路由特性對多跳網絡容量的影響在多跳網絡中主要有兩種不同的因素會對最終生成的路由長跳/短跳特性產生影響:(1)節點功率(傳輸半徑)設置的影響如果節點功率設置較低,傳輸距離較短,必然會造成傳輸路由為短跳路由。這會對網絡容量帶來雙重影響,有利的方面包括:小的傳輸距離意味著信道的空間復用能力提高,網絡中可以有更多的傳輸同時發生;節點傳輸范圍內的平均鄰節點減少,由于分組碰撞而導致傳輸失敗的概率減小。不利的方面則是:分組需要更多的跳數才能到達最終的目的節點,傳輸過

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0  引言

對于Ad Hoc或傳感器網絡這樣的多跳無線網絡來說,信源節點與信宿節點通常不在對方的傳輸覆蓋范圍內,因此在傳送信息時需要經過中間節點的轉發。在轉發過程中,對路由的選擇可以有兩種策略:短跳路由策略,即數據轉發過程使用由多個短距離鏈路組成的路由;長跳路由策略,即數據轉發過程使用由少量的長距離鏈路組成的路由。

不同路由策略對網絡傳輸容量帶來的影響是一個值得關注的問題。對此,一些研究給出了不同的觀點。文獻[1]認為在一個干擾受限的網絡中,每跳的距離越短,網絡的傳輸容量越高。文獻[2-4]則從分析網絡干擾的角度,研究了長跳/短跳路由問題,認為網絡中可能存在一個最佳的傳輸半徑設置,能夠使網絡的容量達到最大。盡管這些文獻的觀點并不相同,但是它們之間并不存在直接的對立,原因是它們所假設的網絡條件不同(其中,最主要的是網絡中MAC協議的差別)。筆者認為,對于網絡性能所進行的分析應根據實際的網絡條件來進行,不存在普遍適用的準則。

在多跳網絡中,路由協議和MAC協議的互動會對網絡性能產生很大的影響,因此將這兩個層次的技術結合起來進行性能分析是必要的。近年來,IEEE 802.11已經成為無線局域網中一個主要的國際標準,其中基本的接入機制是分布式協調功能(DCF)。隨著Ad Hoc網絡技術在軍事、商業等領域的應用,IEEE 802.11DCF作為主流接入協議之一受到了更多關注,因此本文研究的多跳網絡則基于這種MAC協議。使用數學分析方法,研究了在IEEE 802.11 DCF多跳網絡中,路由策略和節點傳輸半徑設置對網絡容量的影響問題。

1  路由特性對多跳網絡容量的影響

在多跳網絡中主要有兩種不同的因素會對最終生成的路由長跳/短跳特性產生影響:

(1)節點功率(傳輸半徑)設置的影響

如果節點功率設置較低,傳輸距離較短,必然會造成傳輸路由為短跳路由。這會對網絡容量帶來雙重影響,有利的方面包括:小的傳輸距離意味著信道的空間復用能力提高,網絡中可以有更多的傳輸同時發生;節點傳輸范圍內的平均鄰節點減少,由于分組碰撞而導致傳輸失敗的概率減小。不利的方面則是:分組需要更多的跳數才能到達最終的目的節點,傳輸過程中出現失敗而丟棄分組的概率增加;為完成同樣數量的端到端業務傳輸,網絡節點的平均轉發次數增加,致使網絡內部更加繁忙。這在一定程度上抵消了由于空間復用能力增加而帶來的好處。如果節點功率設置較高則情況相反。

(2)路由策略的影響

在網絡節點功率設置確定的情況下,不同的路由策略也會造成最終生成的路由特性不同。倘若發送節點使用的路由協議(或策略)傾向于選擇距離自己近的鄰節點作為下一跳的轉發節點,則最終生成的路由必然是短跳路由。反之,則會導致長跳路由。

路由協議對網絡性能的影響可參照圖1來說明:在多跳網絡中,基于載波監聽的MAC協議(如:IEEE 802.11 DCF)都需要面對隱藏終端問題。當節點S發起傳輸后,處于節點D獨占區(用B(S,D)表示)的節點無法監聽到節點S的信號,因此可能在此次傳輸進行期間發起新的干擾傳輸,造成S,D之間傳輸失敗。顯然,B(S,D)區域的面積越大,隱藏終端的數量越多,傳輸失敗概率也就越大。然而,B(S,D)區域的面積大小則受到路由策略的影響。


基于以上原因,在多跳網絡中,對于MAC層性能的研究應結合特定的路由策略以及功率控制方案來進行才更有意義。此外,雖然路由策略和節點功率設置都可能造成路由的短跳/長跳特性變化,但是這兩種因素對網絡性能的影響機制是有差別的。例如:當節點的發送功率確定時,改變路由策略可以造成路由長跳、短跳的特性不同,但通常對網絡中信道的空間復用能力沒有影響。在進行研究時,應該對這兩種因素的影響進行區分。

本文所進行的研究,基于如下的網絡條件假設:

(1)網絡范圍無限大,忽略邊際效應的影響;

(2)節點依照密度為λ的2維泊松點過程分布;

(3)MAC層接入協議使用IEEE 802.11 DCF;

(4)網絡處于飽和條件下,每個節點在任何時候都有等待發送的分組;

(5)業務均勻,每個節點等概率地向其他所有節點發送,且業務量相同;

(6)所有節點擁有相同的傳輸半徑R,節點的平均鄰節點數量為n=λπR2;

(7)網絡節點使用相同的路由協議,不考慮多種路由策略混合使用的問題。

一些研究多跳網絡的工作中,使用節點的(一跳)吞吐量作為衡量網絡性能的尺度。然而這一個適用于WLAN的指標,無法反應出多跳網絡中的一些特性。在文獻[2,3]中,使用了平均發送前進量為指標來衡量網絡性能,較好地解決了這一問題。但由于這些文獻是針對slotted ALOHA協議的網絡,其定義平均發送前進量時用到的時隙概念并不適合IEEE 802.11 DCF的實際情況。因此,本文重新定義平均前進量為:在單位時間內,一個節點能夠成功發送的分組數量與這些分組在前進方向上前進距離之積的期望值。該指標綜合考慮了傳輸距離與傳輸成功率之間的折衷問題,顯然該值越大,表明網絡承載業務的能力越強。

2 數學分析模型描述

自從提出IEEE 802.11以來,對它的性能分析成為了研究焦點。其中,文獻[7]開創性地使用基于Markov鏈的模型來描述[EEE 802.11 DCF所有的指數退避協議細節,構造單跳、全連通網絡下的協議分析模型。由于該模型具有很好的結構和精確性,使得其后很多關于WLAN網絡的研究主要基于該模型,并且產生了很多改進和變型的分析模型。

文獻[10]在文獻[7]的基礎上進行改進,考慮了多跳環境下節點的空間分布、隱藏終端、空間復用等因素對分組傳輸成功概率的影響,使得該模型能夠被用于進行多跳網絡。本文在該模型基礎上進行網絡容量分析。該模型最終可表達為一個方程組,對其求解后可得到所有變量值,其中包括:變量τ,表示網絡節點在一個空閑時隙內發送分組的概率;變量p,表示發送分組失敗的概率;變量σ,表示網絡節點監測到一次空閑時隙的平均時間間隔。模型推導過程不是本文主題,不再詳述,僅解釋其中與本文研究目標相關的幾個重要控制參數(Γ,Λ1,Λ2)的物理意義。

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