IEEE 802.11用于ad hoc網(wǎng)絡(luò)的性能問題及改進(jìn)方法

1、IEEE 802.11用于ad hoc網(wǎng)絡(luò)的性能問題及改良方法摘要本文介紹了根本的802.11DF協(xié)議的操作原理。在AdH中，分析了IEEE802.11在特定網(wǎng)絡(luò)場景下存在的不同性能問題，及其對(duì)高層協(xié)議的性能影響。根據(jù)仿真記錄文件,我們分析了仿真結(jié)果并且揭露了這些問題存在的根本原因。最后總結(jié)了主要的改良方法。關(guān)鍵詞無線自組織網(wǎng)絡(luò)；A協(xié)議；802.11DF；公平性；吞吐量無線adh網(wǎng)絡(luò)是由一組帶有無線收發(fā)裝置的挪動(dòng)節(jié)點(diǎn)組成的一個(gè)多跳的自治系統(tǒng)。它不需要依賴事先構(gòu)建的通信根底設(shè)施。每個(gè)挪動(dòng)節(jié)點(diǎn)既作為路由器又作為主機(jī)。在adh網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧中，信道接入?yún)f(xié)議運(yùn)行在物理層之上，是所有報(bào)文在無線信道上發(fā)送和接

2、收的直接控制者，它的性能好壞直接關(guān)系著信道的利用率和整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的性能。目前沒有專門為無線自組織網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的A協(xié)議。IEEE802.11DF最初是為無線局域網(wǎng)設(shè)計(jì)的，然而目前大多數(shù)adh網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，把IEEE802.11作為底層的通信協(xié)議。盡管802.11中的DF機(jī)制可以在沒有根底設(shè)施的情況下挪動(dòng)的接入無線媒體，但是在多跳性方面不能提供支持。所以在adh網(wǎng)絡(luò)中使用802.11協(xié)議會(huì)引起一些性能問題。IEEE802.11DF1繼承了帶沖突檢測的載波監(jiān)聽多址接入SA/A協(xié)議。在協(xié)議中，為了防止沖突，發(fā)送者在發(fā)送幀之前要先監(jiān)聽信道的忙閑狀態(tài)，假如信道空閑并且持續(xù)空閑DIFSDFIntervalFraeSpa

3、e的時(shí)間，那么發(fā)送鄭假如在這段時(shí)間內(nèi)信道變忙，發(fā)送者就執(zhí)行退避算法，計(jì)算一個(gè)隨機(jī)的退避窗口。一直等到信道空閑，并持續(xù)空閑DIFS的時(shí)間后，發(fā)送者開場以時(shí)隙為單位遞減退避時(shí)間。假如遞減到零，就開場發(fā)送；假如在遞減過程中信道又變忙，節(jié)點(diǎn)就停頓遞減時(shí)間，等待信道空閑并持續(xù)DIFS的時(shí)間后繼續(xù)遞減。當(dāng)有沖突發(fā)生的時(shí)候，發(fā)送者的競爭窗口就加倍，一樣的幀用前面的過程被重傳。假如再發(fā)生沖突，競爭窗口再加倍直到到達(dá)最大競爭窗口。在到達(dá)固定重傳次數(shù)之后，該幀被拋棄，競爭窗口被重置為最校成功傳輸該幀后，競爭窗口也被重置。圖1.IEEE802.11協(xié)議的操作過程圖1描繪了在通信范圍內(nèi)的三個(gè)節(jié)點(diǎn)AB。在開場，節(jié)點(diǎn)A有

4、幀要發(fā)送。因?yàn)榇藭r(shí)介質(zhì)是空閑的，所以在DIFS之后節(jié)點(diǎn)A發(fā)送該鄭然后接收者B給出確認(rèn)。假如在以前的交換還在進(jìn)展的時(shí)候，節(jié)點(diǎn)A又有新的幀要發(fā)送，A必須執(zhí)行退避算法，在例子中退避2個(gè)時(shí)隙。同時(shí)也要發(fā)送幀到B，介質(zhì)被檢測到空閑，只要DIFS之后就可以發(fā)送。碰巧，A和選擇在同時(shí)開場發(fā)送，因此在節(jié)點(diǎn)B處發(fā)生沖突。因?yàn)闆]有確認(rèn)發(fā)出，兩個(gè)發(fā)送者以兩倍的競爭窗口重傳。此時(shí)，贏得競爭，它的發(fā)送阻止了A的2個(gè)時(shí)隙的退避遞減。在數(shù)據(jù)確認(rèn)交換完成以后，A重啟2個(gè)剩余時(shí)隙的退避過程。文中的仿真是基于NS-2網(wǎng)絡(luò)仿真器2。仿真器中所有節(jié)點(diǎn)通過使用一樣的半雙工無線鏈路通信，帶寬是2b/s。節(jié)點(diǎn)的最大傳輸范圍是250。隊(duì)列緩

5、存為50個(gè)包，且隊(duì)列是優(yōu)先丟尾PriDrpTail的方式。路由協(xié)議是ADV。仿真時(shí)間是200秒。圖2.仿真拓?fù)?.1暴露終端問題AdH網(wǎng)絡(luò)的多跳共享播送信道的直接影響就是報(bào)文的沖突和節(jié)點(diǎn)的地理位置有關(guān)。在這個(gè)網(wǎng)絡(luò)中，報(bào)文沖突只是部分事件，不是所有節(jié)點(diǎn)都能感知到。一個(gè)節(jié)點(diǎn)正確收到了一個(gè)報(bào)文，而該報(bào)文可能在另一個(gè)節(jié)點(diǎn)處發(fā)生沖突。也可能報(bào)文在接收節(jié)點(diǎn)處發(fā)生沖突，而發(fā)送節(jié)點(diǎn)根本不知道。就是說發(fā)送節(jié)點(diǎn)和接收節(jié)點(diǎn)感知到的信道狀況不一定一樣。這就容易引起暴露終端問題。一個(gè)節(jié)點(diǎn)在發(fā)送者的覆蓋范圍之內(nèi)，但是在接收者的覆蓋范圍之外，該節(jié)點(diǎn)就叫做暴露終端。暴露終端分為暴露發(fā)送終端和暴露接收終端。暴露終端因聽到發(fā)送節(jié)

6、點(diǎn)的發(fā)送而延遲發(fā)送。但是因?yàn)樗诮邮展?jié)點(diǎn)的通信范圍之外，它的發(fā)送實(shí)際上并不會(huì)造成沖突。這就引入不必要的延遲，造成信道利用率的下降，能量的浪費(fèi)。在圖2a中，在2向1發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，3只聽到RTS,知道自己是暴露終端，認(rèn)為可以向4發(fā)送數(shù)據(jù)。3向4發(fā)送RTS，在單信道條件下，來自4的TS會(huì)與2的發(fā)送的數(shù)據(jù)報(bào)文在3處發(fā)生沖突，即3收不到4的TS這就是暴露發(fā)送終端問題。顯然暴露終端問題在單信道條件下使用握制無法解決。假如4要向暴露終端3發(fā)送數(shù)據(jù)，來自4的RTS會(huì)與2發(fā)送的數(shù)據(jù)報(bào)文在3處沖突，3收不到來自4的RTS。這是暴露接收終端問題。分析可知，這個(gè)問題使用單信道也是不可能解決的。3.2不公平性第一類長期公

7、平性問題有些數(shù)據(jù)流長期占用信道，從而捕獲信道。而另一些流幾乎不能接入信道，造成“餓死現(xiàn)象。a長期公平性問題(b)吞吐量隨著跳數(shù)的變化有無RTS/TS時(shí)的吞吐量比擬圖3仿真結(jié)果在圖2b中先考慮發(fā)送者之間的鏈路是通信鏈路，發(fā)送者1和5是完全獨(dú)立的，異步工作的。這種情況在低吞吐量時(shí)，或者當(dāng)1和5之間有障礙物時(shí)都會(huì)發(fā)生。而且接收者和它們相應(yīng)的發(fā)送者的間隔 足夠近，發(fā)送者不發(fā)生沖突。當(dāng)節(jié)點(diǎn)3要發(fā)送的時(shí)候，它必須等節(jié)點(diǎn)1和5同時(shí)不發(fā)送。因?yàn)楣?jié)點(diǎn)1和5是互相獨(dú)立的，他們同時(shí)不發(fā)送的時(shí)間也是不一致的，所以節(jié)點(diǎn)3看到介質(zhì)忙的時(shí)候比另外兩個(gè)發(fā)送者要多。這個(gè)在介質(zhì)方面根本的不平衡導(dǎo)致一個(gè)嚴(yán)重的不公平性問題，3到4的

8、流占介質(zhì)容量的百分之十五左右，然而其它兩個(gè)流占容量的百分之七十五。在這種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湎?，長期不公平性源于一些發(fā)送者是互相獨(dú)立的，意識(shí)不到彼此，從而防止了某個(gè)發(fā)送者接入介質(zhì)。圖3a顯示了隨著包的大小每個(gè)發(fā)送者獲得的吞吐量。外邊兩個(gè)發(fā)送者的吞吐量隨著包的增大而增大，然而中間發(fā)送者的吞吐量仍然是常量。如今考慮發(fā)送者不在通信范圍內(nèi)，而是在觸發(fā)EiFS的間隔 內(nèi)，如圖2b所示，這種情況因?yàn)槭褂肊IFS更糟糕，因?yàn)橹虚g的發(fā)送節(jié)點(diǎn)不僅要等待另外兩個(gè)發(fā)送者同時(shí)不發(fā)送，而且必須等待它們同時(shí)不發(fā)送的時(shí)間超過EIFS。和前面的情況相比，由于DF中更長的固定的等待時(shí)間，不公平性被加劇。第二類短期公平性問題某個(gè)節(jié)點(diǎn)的幀連續(xù)

9、發(fā)送，其它節(jié)點(diǎn)只能等待。短期不公平現(xiàn)象是由于802.11中的BEB算法在一個(gè)節(jié)點(diǎn)成功發(fā)送之后把競爭窗口重新設(shè)為最小，這樣總是有利于前一次成功發(fā)送的節(jié)點(diǎn)短時(shí)間內(nèi)再次競爭信道。短期不公平現(xiàn)象是由于變化過于劇烈而造成的，所以這一問題的解決可以通過減慢的減小速度。比方乘法增加線性減小算法。3.3吞吐量下降如圖3b所示，在adh網(wǎng)絡(luò)中隨著跳數(shù)的增加吞吐量下降。在第二個(gè)和第三個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)生多個(gè)沖突，又引起EIFS問題。所以有很少的分組到達(dá)第四個(gè)節(jié)點(diǎn)，這個(gè)節(jié)點(diǎn)傳送到目的節(jié)點(diǎn)的分組就更少了。我們還發(fā)如今圖2所示的多跳自組織網(wǎng)絡(luò)中，有RTS-TS比沒有時(shí)的吞吐量下降,仿真結(jié)果如圖3所示。這是因?yàn)橛蠷TS-TS時(shí)，空

10、間復(fù)用的概率減校例如沒有RTS-TS時(shí)，節(jié)點(diǎn)1，2的通信可以和節(jié)點(diǎn)4，5的通信同時(shí)進(jìn)展。然而有的時(shí)候，假如節(jié)點(diǎn)4正在向5發(fā)送分組，節(jié)點(diǎn)2因?yàn)楸O(jiān)聽到4的RTS并設(shè)置其NAV，就不能回復(fù)節(jié)點(diǎn)1的RTS。所以節(jié)點(diǎn)1，2的通信就不能同時(shí)進(jìn)展。這就降低了空間復(fù)用的概率，從而導(dǎo)致了吞吐量的大幅下降。3.4對(duì)傳輸層的性能影響和分析在圖2中的節(jié)點(diǎn)1和節(jié)點(diǎn)5之間建立一條TP連接，F(xiàn)TP流從1.0s開場，120s完畢。路由協(xié)議為ADV。每隔一秒統(tǒng)計(jì)一次TP的吞吐量，結(jié)果如圖4所示。從圖中看出TP流的吞吐量很不穩(wěn)定。在仿真時(shí)間內(nèi)有屢次到達(dá)0，這說明，在相應(yīng)的1s內(nèi)，成功發(fā)送的TP報(bào)文數(shù)為0。我們根據(jù)仿真的記錄文件t

11、raefile來分析造成這種不穩(wěn)定的原因。圖4.TP的吞吐量我們從某一個(gè)TP吞吐量為零的時(shí)間段來分析，發(fā)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)1沒有發(fā)送新的TP段的原因是發(fā)送方?jīng)]有收到承受方的AK，而AK沒有到達(dá)的原因是節(jié)點(diǎn)4因到達(dá)重傳次數(shù)的最大值而認(rèn)為到節(jié)點(diǎn)3的鏈路故障，從而觸發(fā)新的路由發(fā)現(xiàn)過程，直到節(jié)點(diǎn)5重新發(fā)現(xiàn)到節(jié)點(diǎn)1的路由。我們再看一下為什么節(jié)點(diǎn)4發(fā)送了7次RTS都沒有收到節(jié)點(diǎn)3的TS。其中一部分原因是因?yàn)楣?jié)點(diǎn)4的發(fā)送和節(jié)點(diǎn)2的發(fā)送在節(jié)點(diǎn)3處發(fā)生沖突，更主要的原因是，盡管節(jié)點(diǎn)3收到了RTS但是由于IEEE802.11DF采用虛載波監(jiān)聽方式，在收到RTS之前，節(jié)點(diǎn)3已經(jīng)收到節(jié)點(diǎn)2的用于預(yù)留信道的TS，設(shè)置其網(wǎng)絡(luò)分配矢量

12、NAV(NetrkAllatinVetr)，在NAV不為零的過程中節(jié)點(diǎn)3并不發(fā)送TS。此時(shí)顯示出了RTS/TS的無效性。當(dāng)節(jié)點(diǎn)1成功發(fā)送完一個(gè)數(shù)據(jù)幀之后，它將在0，in-1之間按均勻分布隨機(jī)選擇一個(gè)退避時(shí)間。而節(jié)點(diǎn)4由于屢次重試，按照IEEE802.11DF的二進(jìn)制指數(shù)退避機(jī)制，它將在0,2*in-1之間選擇退避時(shí)間，為已經(jīng)重發(fā)的次數(shù)。這樣，節(jié)點(diǎn)在競爭信道的時(shí)候更有利，它將比節(jié)點(diǎn)4更早的接入信道發(fā)送RTS。這就是不公平性問題。節(jié)點(diǎn)2收到RTS后回復(fù)TS，節(jié)點(diǎn)3收到TS又設(shè)置NAV，然后，即使節(jié)點(diǎn)3收到節(jié)點(diǎn)4的RTS也不回復(fù)TS。重復(fù)前面的過程，直到最后節(jié)點(diǎn)4重發(fā)次數(shù)超出限制。我們從上面的分析看

13、出傳輸層的不穩(wěn)定性源于IEEE802.11的A層。由于暴露站問題和沖突使得中間站無法到達(dá)它的下一跳。而802.11DF的BEB退避機(jī)制使得這一情況更糟糕。有些拓?fù)淝闆r可能同時(shí)出現(xiàn)上面幾種問題。一般在信道容量沒有超載的時(shí)候，不會(huì)出現(xiàn)性能問題。但是由于無線帶寬的貧乏和應(yīng)用需求的不斷增加，超載現(xiàn)象時(shí)常發(fā)生。上面這些問題不是孤立存在的。它們是互相聯(lián)絡(luò)，互相影響的。暴露站問題會(huì)引起吞吐量的下降，傳輸層的不穩(wěn)定。公平性和吞吐量是一對(duì)矛盾，一方性能的進(jìn)步往往會(huì)引起另一方性能的下降。如何找到它們之間的折中點(diǎn)常常是人們的研究課題。我們可以從幾個(gè)方面來改良IEEE802.11DF的性能。目前最主要的方法的是改良退

14、避算法。通過改良退避算法，可以使A協(xié)議在吞吐量、公平性、穩(wěn)定性等一個(gè)或幾個(gè)方面得到性能改善。根據(jù)改良退避算法的方法不同，主要又分為以下兩類：(1)改良更新規(guī)那么類因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)對(duì)信道的競爭劇烈程度并不一定變化很快，成功發(fā)送報(bào)文后將重置為最小值通常會(huì)引起新的碰撞和重傳，直到因重傳而又增大至合理值，這就造成了網(wǎng)絡(luò)資源的浪費(fèi)。同樣，在發(fā)送失敗后，將加倍也可能使退避時(shí)間不必要的增大而浪費(fèi)網(wǎng)絡(luò)資源。所以可以通過改良的更新規(guī)那么使更接近于合理值，可降低碰撞概率，進(jìn)步網(wǎng)絡(luò)吞吐量。例如：乘性增加線性減小算法ILD3和指數(shù)增加指數(shù)減小算法EIED4等都屬于這一類。圖5是這幾個(gè)退避算法在公平性方面的比擬，IFI為

15、公平指數(shù)，該指數(shù)值越小公平性越好。圖5.典型退避算法的公平性比擬(2)動(dòng)態(tài)調(diào)整參數(shù)類根據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)狀況獲得的信息動(dòng)態(tài)調(diào)整某些參數(shù)。文獻(xiàn)5為了進(jìn)步基于節(jié)點(diǎn)的公平性，每個(gè)節(jié)點(diǎn)通過監(jiān)聽信道上發(fā)送的報(bào)文來計(jì)算自己實(shí)際獲得的信道權(quán)重，并與事先定好的目的權(quán)重比擬。假如發(fā)現(xiàn)所獲得權(quán)重過高，那么將增大，反之減校這樣進(jìn)步了公平性，卻損失了部分吞吐量。文獻(xiàn)6基于網(wǎng)絡(luò)吞吐量最大化的目的提出了一種改良算法，每個(gè)節(jié)點(diǎn)通過監(jiān)測虛擬發(fā)送周期中的空閑時(shí)隙數(shù)量來實(shí)時(shí)估計(jì)當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)中的活潑節(jié)點(diǎn)數(shù)n,并將設(shè)置為最正確值pt(n)，假設(shè)n變化那么隨之調(diào)整。采用改良算法后，系統(tǒng)吞吐量接近理論最大值。同時(shí)，由于各個(gè)節(jié)點(diǎn)采用一樣的，因此該

16、算法的短期公平性也很好。除了改良退避算法，還可以調(diào)整干擾范圍和監(jiān)聽范圍，802.11A是基于載波監(jiān)聽的。載波監(jiān)聽范圍和干擾范圍比通信范圍要大，在NS2仿真軟件中，前者是后者兩倍。在多跳情況下，監(jiān)聽范圍和干擾范圍越大，網(wǎng)絡(luò)性能下降就越大。干擾范圍大會(huì)使得隱藏終端問題嚴(yán)重，而監(jiān)聽范圍大會(huì)加重暴露終端問題。解決暴露終端問題的一些機(jī)制也是有用的?？梢钥紤]用多信道協(xié)議來解決暴露終端問題，把數(shù)據(jù)信道和控制信道別離來消除數(shù)據(jù)和握手信息的干擾，從而徹底解決這一問題。此外還有一些基于效勞質(zhì)量的機(jī)制。雖然802.11DF是adh網(wǎng)絡(luò)的現(xiàn)行的A層協(xié)議，但是仍然存在著許多性能問題。如文中分析的暴露終端問題，公平性問題

17、，吞吐量下降和傳輸層的不穩(wěn)定性問題。我們對(duì)802.11用于Adh網(wǎng)絡(luò)存在的問題和原因進(jìn)展了詳細(xì)的分析，并指出理解決這些問題的主要方法和潛在方向。意在給這個(gè)領(lǐng)域的研究者作進(jìn)一步的研究作基矗目前的解決方法只是針對(duì)其中的某個(gè)問題，還沒有協(xié)議使這幾個(gè)性能同時(shí)到達(dá)最優(yōu)。這也是我們將來的努力方向。1IEEEStd.802.11,“irelessLANediaAessntrl(A)andPhysialLayer(PHY)Speifiatins.2Thenetrkssiulatrns-2.2022.3BHARGHAVANV,DEERSA,SHENKERS,etal.AA:aediaaessprtlfrirelessLANsA.InPreedingsfASIG1944.Lndn,UK,Spteber1994.212-2254SNGN,KAKB,SNGJ,etal.EnhaneentfIEEE802.11distributedrdinatinfuntinithexpnentialinreaseexpnentialdereasebakffalgrithA.InPreeding