Adhoc網(wǎng)絡(luò)仿真

1、Harbin Institute of Technology無(wú)線自組織網(wǎng)絡(luò)課程報(bào)告姓名： 李煥英 學(xué)號(hào)： 1130510205 班級(jí)： 1305102 指導(dǎo)教師： 張文彬 院系： 電子與信息工程學(xué)院 時(shí)間：2016年12月 RTS/CTS機(jī)制下802.11b的最大吞吐量仿真一、 背景知識(shí)1、Ad hoc網(wǎng)絡(luò)中MAC協(xié)議（1）IEEE 802.11的分布式協(xié)調(diào)功能(DCF)DCF的基本思路：在無(wú)線網(wǎng)絡(luò)上不可能進(jìn)行沖突檢測(cè)，故不設(shè)置沖突檢測(cè)機(jī)制，采用規(guī)則延遲來(lái)處理，以保證MAC控制的可操作性和公平性?；驹瓌t為：節(jié)點(diǎn)要發(fā)送MAC幀，首先監(jiān)聽無(wú)線信道，若空閑，則可以發(fā)送該幀；否則延遲等待，再次競(jìng)爭(zhēng)發(fā)

2、送。（2）面臨的主要問(wèn)題:“隱藏”終端問(wèn)題假設(shè)：A正在向B傳輸數(shù)據(jù)，C也要向B發(fā)送數(shù)據(jù)隱藏終端：在接收者的通信范圍內(nèi)而在發(fā)送者的通信范圍外的終端。帶來(lái)的問(wèn)題是A向B發(fā)送報(bào)文，C聽不到A的發(fā)送。C也發(fā)送報(bào)文時(shí)在B發(fā)生碰撞。單頻網(wǎng)絡(luò)的信道接入控制協(xié)議，使用RTS-CTS握手機(jī)制，力求解決Ad hoc網(wǎng)絡(luò)中的隱藏終端和暴露終端問(wèn)題，是構(gòu)成其他機(jī)制的基礎(chǔ)。（3）解決隱藏終端的方法RTS/CTSa) 節(jié)點(diǎn)A向節(jié)點(diǎn)B發(fā)送RTS，表明A需要向B發(fā)送數(shù)據(jù)。RTS 幀有兩個(gè)目的：預(yù)約無(wú)線鏈路的使用權(quán)，并要求接收到這一消息的其他的工作站停止發(fā)送。（發(fā)送端清場(chǎng)） b) B接收到A的RTS后，向周邊所有節(jié)點(diǎn)發(fā)出CTS

3、信號(hào)，表明已準(zhǔn)備就緒，A可以發(fā)送。而其他欲向B發(fā)送數(shù)據(jù)的節(jié)點(diǎn)則暫停發(fā)送。（接收端清場(chǎng)）c) 在A、B雙方成功交換RTS/CTS信號(hào)后，即完成握手后A向B開始發(fā)送數(shù)據(jù)。這種機(jī)制保證了多個(gè)互不可見的發(fā)送節(jié)點(diǎn)同時(shí)向一個(gè)接受節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息時(shí)，實(shí)際上只能是收到接受節(jié)點(diǎn)回應(yīng)CTS的那個(gè)節(jié)點(diǎn)能夠發(fā)送，避免了沖突發(fā)生。實(shí)際上，沖突還是有可能發(fā)生，即A、C同時(shí)向B發(fā)送RTS時(shí)，兩者的RTS在B上沖突，B無(wú)法接收準(zhǔn)確的信息，則不發(fā)送任何回應(yīng)的CTS。這樣，A和C都收不到B的CTS消息，則采用退避競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制分配一個(gè)隨機(jī)定時(shí)值，再競(jìng)爭(zhēng)發(fā)送RTS，直到成功為止。(4) RTS-CTS握手機(jī)制a) 當(dāng)一個(gè)終端要發(fā)送數(shù)據(jù)給另一

4、個(gè)終端時(shí)，它首先發(fā)送一個(gè)RTS給目標(biāo)終端。b) 接收節(jié)點(diǎn)準(zhǔn)備好接收工作，則回復(fù)一個(gè)CTS。c) 發(fā)送者確認(rèn)來(lái)自接收節(jié)點(diǎn)的CTS，則開始發(fā)送報(bào)文。d) 如果發(fā)送者沒(méi)有收到接收節(jié)點(diǎn)的CTS，則重發(fā)RTS，并等待回應(yīng)。e) 其他接收到RTS或CTS的節(jié)點(diǎn)采用二進(jìn)制指數(shù)退避算法延遲數(shù)據(jù)發(fā)送，以避免沖突。（5）分析偵聽到RTS或CTS控制報(bào)文的其他終端的反應(yīng)過(guò)程a) 偵聽到RTS控制報(bào)文的任何其他終端均向A關(guān)閉，而且在足夠長(zhǎng)的時(shí)間保持沉默，使A可以無(wú)沖突的收到CTS控制報(bào)文。b) 所有偵聽到CTS控制報(bào)文的終端均向B關(guān)閉，而且在后繼數(shù)據(jù)到來(lái)期間保持沉默，時(shí)間長(zhǎng)短可以從CTS報(bào)文中得到?？赡軟_突：C、B同

5、時(shí)向A發(fā)送RTS，則二進(jìn)制指數(shù)退避。每次沖突退避加倍，每次成功發(fā)送后，減少到最小的退避窗口。在多終端單一小區(qū)環(huán)境下，將會(huì)總有利于成功發(fā)送的節(jié)點(diǎn)再次發(fā)送，從而影響公平性。2、帶有RTS/CTS的擴(kuò)展DCF(1）RTS/CTS機(jī)制機(jī)制的使用是可選的，每個(gè)802.11節(jié)點(diǎn)必須實(shí)現(xiàn)該功能。明確預(yù)留信道，避免“隱藏”終端沖突a) 發(fā)送者發(fā)送短的RTS（請(qǐng)求發(fā)送）；b) 接收者用短的CTS（清除發(fā)送）；c) CTS為發(fā)送者預(yù)留了帶寬同時(shí)通告所有的站點(diǎn)（包括隱藏站點(diǎn)）；d) RTS/CTS長(zhǎng)度很短，沖突的概率小；(2）帶RTS/CTS的DCF機(jī)制工作過(guò)程當(dāng)發(fā)射端希望發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，首先檢測(cè)信道是否空閑，若是信道

6、為空閑時(shí)，送出RTS，RTS信號(hào)包括發(fā)射端的地址、接收端的地址、下一筆數(shù)據(jù)將持續(xù)發(fā)送的時(shí)間等信息。接收端收到RTS信號(hào)后，將響應(yīng)短信號(hào)，CTS信號(hào)上也包含根據(jù)RTS內(nèi)記錄修正后的剩余的持續(xù)發(fā)送的時(shí)間。當(dāng)發(fā)射端收到CTS包后，隨即開始發(fā)送數(shù)據(jù)包。接收端收到數(shù)據(jù)包后，將以包內(nèi)的CRC的數(shù)值來(lái)檢驗(yàn)包數(shù)據(jù)是否正確，若結(jié)果正確，接收端將響應(yīng)ACK包，告知發(fā)射端數(shù)據(jù)已經(jīng)被成功地接收。當(dāng)發(fā)射端沒(méi)有收到接收端的ACK包時(shí)，將認(rèn)為包在傳輸過(guò)程中丟失，而一直重新發(fā)送包。3、吞吐量隨著物理層傳輸速率的提高，系統(tǒng)中的吞吐量是否也會(huì)成正比的提高呢？其實(shí)不然。首先，無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中存在一些無(wú)法避免的開銷，如采用CSMA/CA策

7、略時(shí)，傳送前必須先等待DIFS的時(shí)間，這意味著通道并不是時(shí)時(shí)刻刻都在傳送數(shù)據(jù)。其次，像RTS/CTS、ACK等控制包也會(huì)帶來(lái)額外的開銷。下面分析PLCP的long preamble、short preamble對(duì)吞吐量的影響。（1）802.11b物理層（Physical Layer）首先，802.11b的物理層是由兩個(gè)部分組成的，分別為Physical Layer Convergence Protocol(PLCP)和Physical Medium Dependent(PMD)。PMD主要負(fù)責(zé)無(wú)線信號(hào)的調(diào)制和解調(diào)，PLCP則負(fù)責(zé)將MAC層傳下來(lái)的數(shù)據(jù)包傳給PMD，以及檢測(cè)通道的狀態(tài)是處于忙碌還

8、是閑置，然后將結(jié)果返回給MAC層，即Clear Channel Assessment(CCA)。在PLCP里提供兩種類型的preamble Long preamble和short preamble，在標(biāo)準(zhǔn)中，長(zhǎng)前導(dǎo)是必須提供的，短前導(dǎo)則為可有可無(wú)的選項(xiàng)，主要用來(lái)縮減開銷，提升傳輸效果。（2）IEEE 802.11b的MAC層在MAC層也有header，如下圖所示，header加CRC占了34bytes，此部分即為開銷。但大部分時(shí)候只會(huì)用到Address1到Address3，Address4不會(huì)用到，所以一般來(lái)說(shuō)，MAC層的開銷都會(huì)設(shè)為28bytes。二、 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1、802.11b RTS/C

9、TS模式下的吞吐量推導(dǎo)接下來(lái)推導(dǎo)在802.11b的基本模式的環(huán)境的基礎(chǔ)上推導(dǎo)RTS/CTS模式系統(tǒng)能達(dá)到的最大的吞吐量。下表是推導(dǎo)時(shí)使用的符號(hào)及其含義。2、計(jì)算結(jié)果在基本模式下，數(shù)據(jù)包傳送的周期是要先等待Channel idle和TDIFS，然后傳送數(shù)據(jù)包，再等待一個(gè)TSIFS，由接收端送出ACK，才完成整個(gè)數(shù)據(jù)的傳送過(guò)程。在最理想情況下，如果傳送的數(shù)據(jù)包沒(méi)有發(fā)生碰撞，則：如果是LDATA為2000B，數(shù)據(jù)傳輸速率為11Mbps，且使用long preamble時(shí)，傳送DATA的延遲時(shí)間為：三、傳送ACK的延遲時(shí)間為：四、傳送RTS的延遲時(shí)間為：五、傳送CTS的延遲時(shí)間為：六、最大可達(dá)到的吞吐

10、量為：如果使用short preamble時(shí)：七、八、九、十、最大可達(dá)到的吞吐量：十一、三、仿真驗(yàn)證使用長(zhǎng)導(dǎo)時(shí)的結(jié)果：四、程序代碼# This script is created by NSG2 beta1# <proc getopt argc argv global opt lappend optlist nn for set i 0 $i < $argc incr i set opt($i) lindex $argv $igetopt $argc $argv#opt(0):封包的大小#opt(1):選擇是long preamble還是short preamble#remove

11、useless headersremove-all-packet-headers ;# removes all except commonadd-packet-header IP LL Mac ARP TCP ;# needed headersMac/802_11 set CWMin_ 31Mac/802_11 set CWMax_ 1023Mac/802_11 set SlotTime_ 0.000020 ;# 20usMac/802_11 set SIFS_ 0.000010 ;# 10usMac/802_11 set PreambleLength_ 72 ;# 144 bitMac/80

12、2_11 set ShortPreambleLength_ 72 ;# 72 bitMac/802_11 set PreambleDataRate_ 1.0e6 ;# 1MbpsMac/802_11 set PLCPHeaderLength_ 48 ;# 48 bitsMac/802_11 set PLCPDataRate_ 1.0e6 ;# 1MbpsMac/802_11 set ShortPLCPDataRate_ 2.0e6 ;# 2MbpsMac/802_11 set RTSThreshold_ 1000 ;# bytes Disable RTS/CTSMac/802_11 set S

13、hortRetryLimit_ 7 ;# retransmissionsMac/802_11 set LongRetryLimit_ 4 ;# retransmissionsMac/802_11 set newchipset_ false ;# use new chipset,allowing a more recent packet to be correctly received in # place of the first sensed packetMac/802_11 set dataRate_ 11Mb ;# 802.11 data transmission rateMac/802

14、_11 set basicRate_ 1Mb ;# 802.11 basic transmission rate#Mac/802_11 set aarf_ false ;# 802.11 Auto Rate Fallback#opt(1) 1: short preamble 0:long preamble# if $opt(1) > 0 # ErrorModel80211 shortpreamble 1 ;# toggle 802.11 short preamble on/off# #=# Simulation parameters setup#=set val(chan) Channe

15、l/WirelessChannel ;# channel typeset val(prop) Propagation/TwoRayGround ;# radio-propagation modelset val(netif) Phy/WirelessPhy ;# network interface typeset val(mac) Mac/802_11 ;# MAC typeset val(ifq) Queue/DropTail/PriQueue ;# interface queue typeset val(ll) LL ;# link layer typeset val(ant) Anten

16、na/OmniAntenna ;# antenna modelset val(ifqlen) 10 ;# max packet in ifqset val(nn) 2 ;# number of mobilenodesset val(rp) DSDV ;# routing protocolset val(stop) 100.0 ;# time of simulation end# 產(chǎn)生一個(gè)仿真的對(duì)象set ns_ new Simulator# 定義一個(gè)記錄文件，用來(lái)記錄封包傳送的過(guò)程set tracefd open simple.tr w$ns_ trace-all $tracefd# 打開一個(gè)

17、 NAM trace文件set nf open out.nam w$ns_ namtrace-all-wireless $nf 100 100# set up topography object# 建立一個(gè)拓?fù)鋵?duì)象set topo new Topography# 拓?fù)涞姆秶鸀?100m x 100m$topo load_flatgrid 100 100# Create Godcreate-god $val(nn)set chan_1_ new $val(chan)# 設(shè)置結(jié)點(diǎn)參數(shù) $ns_ node-config -adhocRouting $val(rp) -llType $val(ll)

18、-macType $val(mac) -ifqType $val(ifq) -ifqLen $val(ifqlen) -antType $val(ant) -propType $val(prop) -phyType $val(netif) -channel $chan_1_ -topoInstance $topo -agentTrace ON -routerTrace OFF -macTrace ON -movementTrace OFF for set i 0 $i < $val(nn) incr i set node_($i) $ns_ node $node_($i) random-

19、motion 0 ;# disable random motion set rng new RNG$rng seed 1set rand1 new RandomVariable/Uniformfor set i 0 $i < $val(nn) incr i puts "wireless node $i created ." set x expr 50+$rand1 value*50 set y expr 50+$rand1 value*50 $node_($i) set X_ $x $node_($i) set Y_ $y $node_($i) set Z_ 0.0

20、puts "X_:$x Y_:$y"for set i 0 $i < $val(nn) incr i set udp_($i) new Agent/UDP $udp_($i) set packetSize_ 2000 $ns_ attach-agent $node_($i) $udp_($i) set null_($i) new Agent/LossMonitor $ns_ attach-agent $node_($i) $null_($i)for set i 0 $i < $val(nn) incr i if $i = ($val(nn)-1) $ns_ co

21、nnect $udp_($i) $null_(0) else set j expr $i+1 $ns_ connect $udp_($i) $null_($j) set cbr_($i) new Application/Traffic/CBR $cbr_($i) attach-agent $udp_($i) $cbr_($i) set type_ CBR #使用者所使用的packet size包含了IP header,所以要先扣除20bytes $cbr_($i) set packet_size_ expr $opt(0)-20 $cbr_($i) set rate_ 5Mb $cbr_($i

22、) set random_ falsefor set i 0 $i < $val(nn) incr i $ns_ at 1.1 "$cbr_($i) start" $ns_ at 5.1 "$cbr_($i) stop"# Tell nodes when the simulation endsfor set i 0 $i < $val(nn) incr i $ns_ at 100.0 "$node_($i) reset"$ns_ at 100.0 "stop"$ns_ at 100.01 "puts "NS EXITING." ; $ns_