無線自組織網絡中“效果異?！眴栴}的分析和解決

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作為信道接入協議的無線自組織網絡的效果異常問題。通過“修改傳輸數據幀長度”和“修改競爭窗口大小”，對效果異常問題的緩解情況進行仿真。仿真結果證明了兩種解決方案的有效性。

關鍵詞： 無線自組織網絡； 效果異常； IEEE 802.11b DCF； NS

中圖分類號：TN919.2?34 文獻標識碼： A 文章編號： 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

無線自組織（Ad Hoc）網絡是一種特殊的無線移動通信網絡。網絡中的節點不僅具有普通移動終端所需的功能，而且具有報文轉發能力。網絡中的所有節點地位平等，無需設置任何中心控制節點，具有很強的抗毀性。Ad Hoc網絡與其他移動通信網絡的最根本區別是：節點間的通信可以經過多個中間節點的轉發，即報文要經過多跳（Hop）到達目的地。

Ad Hoc網絡技術的典型應用是2001年由美國國防高級研究項目局（DARPA）提出研制的戰術瞄準網絡技術（Tactical Targeting Networking Technology，TTNT）。TTNT數據鏈系統可在戰術飛機、武器系統和地面節點間建立類似互聯網的無線寬帶通信網，從而對時間敏感目標的精確打擊起到決定性作用，使美軍的網絡中心戰能力產生質的飛躍。

在Ad Hoc網絡協議棧中，信道接入協議運行在物理層之上，是所有報文在無線信道上發送和接收的直接控制者，它的性能好壞直接關系著信道的利用效率和整個網絡的性能。

Ad Hoc網絡信道接入協議分為基于單信道、基于雙信道和基于多信道三大類。單信道接入協議用于只有一個共享信道的Ad Hoc網絡。所有的控制報文和數據報文都在同一個信道上發送和接收。雙信道接入協議用于有兩個共享信道的Ad Hoc網絡。兩個信道分別為控制信道和數據信道。控制信道只傳送信道接入協議的控制報文，而數據信道只傳送數據報文。基于多信道的Ad Hoc網絡信道接入協議用于具有多個信道的Ad Hoc網絡。

受硬件技術發展的限制，很多Ad Hoc網絡的節點都只能支持單信道，因此目前大部分的信道接入協議都是為單信道設計的。單信道接入協議也是目前應用最廣泛的。常見的單信道接入協議有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協議的信道利用率最高、性能最好，應用也最為廣泛。因此，本文重點闡述基于IEEE 802.11b DCF協議的Ad Hoc網絡的一種特殊現象“效果異常”及其解決方案。

1 效果異常

在無線網絡中，距離越遠信號越弱，因此通常在距離較遠的時候，采用較低的傳輸速度來改善信號質量，造成同一個無線網絡里，存在不同傳輸速度的節點，這種無線網絡環境稱為多重傳輸速度（multi?rate）環境，如圖2所示。

如圖2所示，A和B要通過C（銜接有線網絡和無線網絡的接入點）傳輸數據到遠程服務器（server）上。A和B采用IEEE 802.11b DCF作為信道接入協議。B的傳輸速度始終為11 Mb/s，A慢慢向外移動，傳輸速度由11 Mb/s調整為2 Mb/s。假設A和B數據幀（frame）大小不變，則占用信道的時間與自己的傳輸速度成反比。每傳輸一個相同大小的frame，A的傳輸速度降低，A占用信道時間增長，而B占用信道時間不變。在相同的時間長度內，A占用信道時間增長，B占用信道時間減短，A的傳輸速度降低導致B的吞吐量急劇下降，這種現象稱為效果異常（Performance Anomaly）。

利用網絡仿真工具NS（Network Simulator）對圖2中場景進行仿真，A、B和C組成一個Ad Hoc網絡，A、B和C的信道接入協議采用IEEE 802.11b DCF，路由協議采用DSDV（Destination?Sequenced Distance?Vector Routing）協議。仿真中設定A和B各自傳輸2 Mb/s的CBR業務到C上，frame大小固定為1 000 B，整個仿真過程約45 s。在0～15 s內，A和B的傳輸速度為11 Mb/s，隨著A的向外移動，15～30 s內A的傳輸速度調整為2 Mb/s，30 s后A離開有效通信半徑，只剩下B傳輸數據。針對C各收到多少A和B的數據（數據吞吐量）進行仿真分析，如圖3所示。

如圖3所示，在0～15 s內A和B的傳輸速度均為11 Mb/s，此時C收到A和B的數據均為約2 Mb/s，系統整體吞吐量約為4 Mb/s。在15～30 s，A的傳輸速度降為2 Mb/s，此時A的吞吐量降低為約1.1 Mb/s，同時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的吞吐量才恢復到2 Mb/s，效果異常嚴重影響到B節點的網絡性能。當Ad Hoc網絡中存在較多節點時，效果異常將給整個網絡系統帶來破壞性的影響，這個問題必須引起人們的重視。

2 解決方案

2.1 修改傳輸數據幀長度

針對效果異常問題，一種解決方案是改變frame的大小：傳輸速度快的節點使用較大的frame，傳輸速度慢的節點使用較小的frame，因而當傳輸速度慢的節點競爭到信道使用權時，并不會占用信道太多時間，信道很快會開放給所有競爭節點，從而提高B的性能。在圖2中相同的仿真場景下，減小A的frame大小，分別選擇[frameA=]512 B/384 B/256 B/128 B進行仿真，仿真結果如圖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的吞吐量穩定性不斷增大。但是當[frameA]過小，也會直接導致A的吞吐量過低，A和B兩方面因素都要考慮。綜合分析圖5，圖6，當[frameA=]256 B時，既保證了B的吞吐量穩定在2 Mb/s附近，又保證了A的吞吐量不過低，效果異常問題得到緩解。

2.2 修改競爭窗口大小

另一種解決方案是改變A的競爭窗口（CW，Contention Window）大小，讓傳輸速度快的節點更容易競爭到信道的使用權。計算退避時間和競爭窗口大小的公式如下：

如圖6所示，當設置[CWA=176]后，B的吞吐量穩定在2 Mb/s，A的吞吐量穩定在0.8 Mb/s，效果異常問題得到緩解。

3 展 望

Ad Hoc網絡技術因其無需架設網絡設施、可快速展開、抗毀性強等特點，在未來軍用數據鏈領域的應用前景非常廣闊。隨著Ad Hoc網絡技術在軍用領域應用的不斷深入，多重傳輸速度環境下的效果異常問題正逐步受到重視。本文通過對“修改傳輸數據幀長度”和“修改競爭窗口大小”兩種解決方案進行仿真，驗證了它們能夠有效緩解效果異常問題，為應用指明了方向。能否將兩種解決方案相互結合，揚長避短，是筆者今后要繼續研究的方向。

參考文獻

[1] SKINNER Tony. DARPA successfully demonstrates tactical targeting network technology [J]. Jane's Defence Weekly， 2005， 42（44）： 2?10.

[2] HEUSSE M， ROUSSEU F， BERGER?SABBATEL G， et al. Performance anomaly of 802.11b [C]// Proceedings of Twenty?Second Annual Joint Conference on the IEEE Computer and Communications. San Francisco： IEEE Societies， 2003： 836?843.

[3] YANG Duck?Yong， LEE Tae?Jin， JANG Kyunghun， et al. Performance enhancement of multirate IEEE 802.11 WLANs with geographically scattered stations [J]. IEEE Transcation on Mobile Computing， 2006， 5（7）： 906?919.

[4] ZHOU L， HAAS Z. Securing Ad Hoc networks [J]. IEEE Network， 1999， 13（6）： 24?30.

[5] POTTIE G J， KAISER W J. Wireless integrated network sensors [J]. Communications of the ACM， 2000， 43（5）： 51?58.

[6] 鄭少仁，王海濤，趙志峰，等.Ad Hoc網絡技術[M].北京：人民郵電出版社，2005.

[7] 英春，劉勇，史美林.有線與無線的互連[J/OL].[2001?05?06].http：//articles.e?works.net.cn/It_overview/Article10381.htm.

[8] DARPA. Tactical targeting networked technology （TTNT） industry day sol [EB/OL]. （2000?10?27） [2007?05?10]. http：//www.darpa.mil/baa/TTNT?ID?00.htm.

[9] 王海濤，鄭少仁.Ad Hoc傳感網絡的體系結構及其相關問題[J].解放軍理工大學學報，2003，4（1）：1?6.

如圖3所示，在0～15 s內A和B的傳輸速度均為11 Mb/s，此時C收到A和B的數據均為約2 Mb/s，系統整體吞吐量約為4 Mb/s。在15～30 s，A的傳輸速度降為2 Mb/s，此時A的吞吐量降低為約1.1 Mb/s，同時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的吞吐量才恢復到2 Mb/s，效果異常嚴重影響到B節點的網絡性能。當Ad Hoc網絡中存在較多節點時，效果異常將給整個網絡系統帶來破壞性的影響，這個問題必須引起人們的重視。

2 解決方案

2.1 修改傳輸數據幀長度

針對效果異常問題，一種解決方案是改變frame的大小：傳輸速度快的節點使用較大的frame，傳輸速度慢的節點使用較小的frame，因而當傳輸速度慢的節點競爭到信道使用權時，并不會占用信道太多時間，信道很快會開放給所有競爭節點，從而提高B的性能。在圖2中相同的仿真場景下，減小A的frame大小，分別選擇[frameA=]512 B/384 B/256 B/128 B進行仿真，仿真結果如圖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的吞吐量穩定性不斷增大。但是當[frameA]過小，也會直接導致A的吞吐量過低，A和B兩方面因素都要考慮。綜合分析圖5，圖6，當[frameA=]256 B時，既保證了B的吞吐量穩定在2 Mb/s附近，又保證了A的吞吐量不過低，效果異常問題得到緩解。

2.2 修改競爭窗口大小

另一種解決方案是改變A的競爭窗口（CW，Contention Window）大小，讓傳輸速度快的節點更容易競爭到信道的使用權。計算退避時間和競爭窗口大小的公式如下：

如圖6所示，當設置[CWA=176]后，B的吞吐量穩定在2 Mb/s，A的吞吐量穩定在0.8 Mb/s，效果異常問題得到緩解。

3 展 望

Ad Hoc網絡技術因其無需架設網絡設施、可快速展開、抗毀性強等特點，在未來軍用數據鏈領域的應用前景非常廣闊。隨著Ad Hoc網絡技術在軍用領域應用的不斷深入，多重傳輸速度環境下的效果異常問題正逐步受到重視。本文通過對“修改傳輸數據幀長度”和“修改競爭窗口大小”兩種解決方案進行仿真，驗證了它們能夠有效緩解效果異常問題，為應用指明了方向。能否將兩種解決方案相互結合，揚長避短，是筆者今后要繼續研究的方向。

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如圖3所示，在0～15 s內A和B的傳輸速度均為11 Mb/s，此時C收到A和B的數據均為約2 Mb/s，系統整體吞吐量約為4 Mb/s。在15～30 s，A的傳輸速度降為2 Mb/s，此時A的吞吐量降低為約1.1 Mb/s，同時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的吞吐量才恢復到2 Mb/s，效果異常嚴重影響到B節點的網絡性能。當Ad Hoc網絡中存在較多節點時，效果異常將給整個網絡系統帶來破壞性的影響，這個問題必須引起人們的重視。

2 解決方案

2.1 修改傳輸數據幀長度

針對效果異常問題，一種解決方案是改變frame的大?。簜鬏斔俣瓤斓墓濣c使用較大的frame，傳輸速度慢的節點使用較小的frame，因而當傳輸速度慢的節點競爭到信道使用權時，并不會占用信道太多時間，信道很快會開放給所有競爭節點，從而提高B的性能。在圖2中相同的仿真場景下，減小A的frame大小，分別選擇[frameA=]512 B/384 B/256 B/128 B進行仿真，仿真結果如圖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的吞吐量穩定性不斷增大。但是當[frameA]過小，也會直接導致A的吞吐量過低，A和B兩方面因素都要考慮。綜合分析圖5，圖6，當[frameA=]256 B時，既保證了B的吞吐量穩定在2 Mb/s附近，又保證了A的吞吐量不過低，效果異常問題得到緩解。

2.2 修改競爭窗口大小

另一種解決方案是改變A的競爭窗口（CW，Contention Window）大小，讓傳輸速度快的節點更容易競爭到信道的使用權。計算退避時間和競爭窗口大小的公式如下：

如圖6所示，當設置[CWA=176]后，B的吞吐量穩定在2 Mb/s，A的吞吐量穩定在0.8 Mb/s，效果異常問題得到緩解。

3 展 望

Ad Hoc網絡技術因其無需架設網絡設施、可快速展開、抗毀性強等特點，在未來軍用數據鏈領域的應用前景非常廣闊。隨著Ad Hoc網絡技術在軍用領域應用的不斷深入，多重傳輸速度環境下的效果異常問題正逐步受到重視。本文通過對“修改傳輸數據幀長度”和“修改競爭窗口大小”兩種解決方案進行仿真，驗證了它們能夠有效緩解效果異常問題，為應用指明了方向。能否將兩種解決方案相互結合，揚長避短，是筆者今后要繼續研究的方向。

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