無(wú)線多跳網(wǎng)絡(luò)跨層協(xié)議研究

無(wú)線多跳網(wǎng)絡(luò)跨層協(xié)議研究

1跨層協(xié)議設(shè)計(jì)無(wú)線跳躍網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)沒(méi)有固定基礎(chǔ)設(shè)施的自組織網(wǎng)絡(luò)。其特點(diǎn)是沒(méi)有網(wǎng)絡(luò)中心、多跳道、網(wǎng)絡(luò)自組、動(dòng)態(tài)拓?fù)涞?。其中任何無(wú)線設(shè)備節(jié)點(diǎn)都可以同時(shí)作為接入點(diǎn)(AP)和路由器,網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)都可以發(fā)送和接收信號(hào),每個(gè)節(jié)點(diǎn)都可以與一個(gè)或者多個(gè)對(duì)等節(jié)點(diǎn)進(jìn)行直接通信。與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)相比,這種網(wǎng)絡(luò)具有一些顯著的優(yōu)勢(shì),例如結(jié)構(gòu)靈活;易于快速部署和安裝;容易實(shí)現(xiàn)非視距傳輸,這一特征大大擴(kuò)展了無(wú)線寬帶的應(yīng)用領(lǐng)域和覆蓋范圍。然而,由于無(wú)線信道的鏈路共享、衰落和干擾等特點(diǎn),在無(wú)線多跳網(wǎng)絡(luò)中的各協(xié)議層之間存在著相互影響。這對(duì)傳統(tǒng)的OSI分層體系架構(gòu)提出了挑戰(zhàn),于是,跨層協(xié)議設(shè)計(jì)成為目前無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的熱門(mén)研究領(lǐng)域?？鐚釉O(shè)計(jì)的主要思想是將分散在網(wǎng)絡(luò)各個(gè)子層的特性參數(shù)協(xié)調(diào)融合,以提升整體網(wǎng)絡(luò)的性能。近年來(lái),出現(xiàn)了一些改善無(wú)線多跳網(wǎng)絡(luò)性能的跨層協(xié)議設(shè)計(jì)方案,有基于跨層設(shè)計(jì)的服務(wù)質(zhì)量框架,有對(duì)MAC性能的改進(jìn),還有對(duì)TCP傳輸性能的改進(jìn)等。本文主要在介紹跨層設(shè)計(jì)的基本思想和一些有代表性的方案的基礎(chǔ)上,分析其優(yōu)劣,并通過(guò)仿真驗(yàn)證跨層設(shè)計(jì)必須合理設(shè)計(jì)、謹(jǐn)慎實(shí)施,否則網(wǎng)絡(luò)的性能不升反降。本文的結(jié)構(gòu)如下:論文第2部分分析無(wú)線多跳網(wǎng)絡(luò)的特征及對(duì)不同協(xié)議層的影響,說(shuō)明在無(wú)線多跳網(wǎng)絡(luò)中跨層協(xié)議設(shè)計(jì)的必要性;第3部分給出跨層協(xié)議設(shè)計(jì)的基本思想,并通過(guò)實(shí)際案例分析它們從哪些方面改善了無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的性能;第4部分分析跨層設(shè)計(jì)可能帶來(lái)的問(wèn)題,并在第5部分針對(duì)速率自適應(yīng)MAC協(xié)議和網(wǎng)絡(luò)層路由協(xié)議之間的相互影響給出了仿真實(shí)例,進(jìn)一步論證跨層協(xié)議設(shè)計(jì)要考慮協(xié)議層之間的相互影響,合理設(shè)計(jì),才能改善網(wǎng)絡(luò)的性能;第6部分是論文的總結(jié)。2無(wú)線多通道網(wǎng)絡(luò)的特性以及影響不同協(xié)議層的因素本節(jié)首先介紹無(wú)線多跳網(wǎng)絡(luò)不同于有線網(wǎng)絡(luò)的基本特征,同時(shí)討論這些特征對(duì)不同協(xié)議層的影響。2.1鏈路質(zhì)量變化無(wú)線多跳網(wǎng)絡(luò)中一條鏈路的概念和有線網(wǎng)絡(luò)中的鏈路有本質(zhì)上的不同。在有線網(wǎng)絡(luò)中,鏈路的連通性是一個(gè)二元判定問(wèn)題,即僅當(dāng)兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間用某種媒質(zhì)連接起來(lái)時(shí),它們之間存在一條鏈路;而在無(wú)線多跳網(wǎng)絡(luò)中,從理論上講某個(gè)節(jié)點(diǎn)可以和任何結(jié)點(diǎn)通信,其速率取決于接收機(jī)側(cè)的信號(hào)與干擾及噪聲比(SINR),即“鏈路”存在于任何節(jié)點(diǎn)對(duì)之間,鏈路的SINR會(huì)隨著傳輸距離、信號(hào)傳播的環(huán)境以及節(jié)點(diǎn)之間的傳輸干擾,在時(shí)間上和空間上隨機(jī)變化,因此無(wú)線鏈路上的數(shù)據(jù)速率和差錯(cuò)速率會(huì)隨著時(shí)間大幅波動(dòng)。由于鏈路質(zhì)量的變化,很難預(yù)測(cè)分組差錯(cuò)率(丟包率),從而影響不同層的性能。MAC層會(huì)認(rèn)為分組的丟失是由于沖突引起的,進(jìn)而增加退避時(shí)間,盡管這時(shí)信道可能很空閑,這就導(dǎo)致分組的延時(shí)增加。鏈路質(zhì)量的變化還可能會(huì)導(dǎo)致路由更新的丟失,進(jìn)而網(wǎng)絡(luò)層會(huì)察覺(jué)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞倪B續(xù)變化,這會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)生大量的路由更新消息,從而增加路由開(kāi)銷。而傳輸層的協(xié)議會(huì)認(rèn)為分組的丟失是擁塞引起的,從而導(dǎo)致吞吐量的降低。2.2媒質(zhì)控制問(wèn)題無(wú)線信道本質(zhì)上是一個(gè)廣播媒質(zhì),競(jìng)爭(zhēng)節(jié)點(diǎn)之間通過(guò)MAC協(xié)議實(shí)現(xiàn)對(duì)先到的共享,有線LAN同樣也存在媒質(zhì)控制問(wèn)題,他們都采用隨機(jī)接入MAC協(xié)議,其中有線LAN采用CSMA/CD,無(wú)線LAN采用CSMA/CA,但無(wú)線網(wǎng)絡(luò)媒質(zhì)接入還存在隱藏終端和暴露終端問(wèn)題。端到端延時(shí)和吞吐量極大程度上依賴于MAC協(xié)議,這樣要滿足某種應(yīng)用的QoS就要依賴于MAC協(xié)議的性能。2.3增加傳輸功率通過(guò)有效地增加傳輸功率,節(jié)點(diǎn)可以和任何只有單跳距離的節(jié)點(diǎn)可靠通信,換句話說(shuō),通過(guò)簡(jiǎn)單地增加傳輸功率就可以改善無(wú)線鏈路的質(zhì)量,同樣,只要有足夠的功率,理論上無(wú)線鏈路可以支持任何數(shù)據(jù)速率。在這種情形下,網(wǎng)絡(luò)層察覺(jué)到的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湟蕾囉诠?jié)點(diǎn)的功率,而隨著傳輸功率的增加,受到該傳輸影響(干擾)的節(jié)點(diǎn)數(shù)也會(huì)增加,從而影響了MAC層的性能。2.4無(wú)線歸網(wǎng)不同的移動(dòng)性影響網(wǎng)絡(luò)性能無(wú)線多跳網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)是可以移動(dòng)的,他們可以是手持終端,也可能是運(yùn)動(dòng)著的交通工具上的某個(gè)終端,或者是傳感設(shè)備。移動(dòng)性會(huì)影響協(xié)議棧的各層。在物理層,移動(dòng)性決定了鏈路特性變化的快慢;在MAC層,移動(dòng)性決定了信道狀態(tài)和干擾測(cè)量的時(shí)效性;移動(dòng)性還會(huì)引起網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞淖兓?從而影響路由協(xié)議的性能?？傊?和有線網(wǎng)絡(luò)相比,無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的狀態(tài)是高度變化的,而網(wǎng)絡(luò)的性能(時(shí)延和吞吐量)很大程度上取決于網(wǎng)絡(luò)的狀態(tài)。無(wú)線網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)的變化會(huì)對(duì)多個(gè)協(xié)議層產(chǎn)生影響,因此,為了滿足應(yīng)用的需求,有必要在不同層之間進(jìn)行協(xié)作,采用跨層的協(xié)議設(shè)計(jì),以適應(yīng)鏈路狀態(tài)、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜凸β始?jí)別等網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)的變化。3mac協(xié)議是跨層網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)方案,其協(xié)議采用分層的OSI體系架構(gòu)是互聯(lián)網(wǎng)獲得成功的主要原因,分層便于理解,更便于開(kāi)發(fā)和部署整個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。在分層的架構(gòu)中,各種高層應(yīng)用共享同樣的底層傳送功能,從而降低了應(yīng)用的開(kāi)發(fā)成本,同時(shí)網(wǎng)絡(luò)的效用得到增強(qiáng)。分層思想簡(jiǎn)化了網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì),使得現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議更具健壯性和擴(kuò)展性。當(dāng)然,分層架構(gòu)也有它不理想和不靈活的一面,這是因?yàn)閷又g不允許共享信息,所以每一層只了解有限的網(wǎng)絡(luò)信息,層之間的接口是靜態(tài)的,并且不依賴于特定的網(wǎng)絡(luò)約束條件和應(yīng)用。通過(guò)前面的分析,可以知道無(wú)線網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)應(yīng)考慮網(wǎng)絡(luò)跨層間的相互作用,因此各層必須協(xié)作以適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)的變化?？鐚釉O(shè)計(jì)就是在各層之間交換狀態(tài)信息,以適應(yīng)并優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)的性能,其具體架構(gòu)見(jiàn)圖1。信息的共享使得每一層了解整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的特征和系統(tǒng)的限制,從而可以更好地協(xié)作,聯(lián)合優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)的性能。這樣,協(xié)議的開(kāi)發(fā)不再是是獨(dú)立的,而應(yīng)該在綜合的、等級(jí)的框架下完成,要充分利用協(xié)議之間相互依賴性。在跨層的架構(gòu)下,為了滿足應(yīng)用的QoS,MAC層可以根據(jù)物理層的鏈路質(zhì)量進(jìn)行調(diào)度,此時(shí),它需要從底層獲得鏈路的特征信息,還需要從應(yīng)用層獲得具體應(yīng)用的性能參數(shù)。同樣,為了滿足性能需求,一個(gè)自適應(yīng)的跨層路由協(xié)議可能要基于物理鏈路的信息來(lái)選路,也可能要基于MAC層的調(diào)度策略來(lái)選路。例如,參考文獻(xiàn)就是為了保證應(yīng)用的帶寬和比特差錯(cuò)率,提出了一種物理層和MAC層的聯(lián)合優(yōu)化方案,它優(yōu)化的目標(biāo)是總的傳送功率。參考文獻(xiàn)研究的是無(wú)線多跳網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議和MAC協(xié)議的相互影響,它通過(guò)實(shí)驗(yàn)分析了不同路由協(xié)議、節(jié)點(diǎn)移動(dòng)速度和MAC協(xié)議組合在一起,對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能的影響。參考文獻(xiàn)是一個(gè)簡(jiǎn)單的跨層設(shè)計(jì)方案,它選擇Adhoc按需距離矢量(AODV)路由協(xié)議,傳送實(shí)時(shí)視頻業(yè)務(wù),AODV產(chǎn)生的路由信息可以和應(yīng)用層共享。當(dāng)發(fā)送方在發(fā)送分組之前,首先檢測(cè)路由信息,如果路徑改變,則調(diào)整其編碼方式以適應(yīng)鏈路的變化。參考文獻(xiàn)選擇移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的擁塞信息分別通知給網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層和應(yīng)用層。移動(dòng)節(jié)點(diǎn)可以通過(guò)兩個(gè)參數(shù)測(cè)量其擁塞等級(jí),一個(gè)是傳輸隊(duì)列長(zhǎng)度,另一個(gè)無(wú)線媒質(zhì)的資源占用率。在網(wǎng)絡(luò)層,擁塞信息可以作為選路的依據(jù),或者節(jié)點(diǎn)可以根據(jù)擁塞信息改變發(fā)送路由信息的時(shí)間間隔;在傳輸層,節(jié)點(diǎn)可以根據(jù)擁塞信息設(shè)置分組頭部的顯式擁塞通知(ECN)比特;而在其它高層協(xié)議中,例如,如果獲知路徑中的某些鏈路擁塞,發(fā)送方會(huì)在發(fā)送前壓縮數(shù)據(jù)。參考文獻(xiàn)的結(jié)果證明該方案可以優(yōu)化分組的路徑,降低端到端的延時(shí),提高網(wǎng)絡(luò)的吞吐量。這里值得注意的是,不管采用何種聯(lián)合優(yōu)化,有一條基本的原則必須遵從,即為了適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)的變化,首先要考慮在層內(nèi)適配,如果本層適配不見(jiàn)成效,再通知高層。這是因?yàn)榈蛯拥淖兓瘯r(shí)限大大低于高層的變化時(shí)限。例如,一條鏈路的SINR的變化可能要比一個(gè)節(jié)點(diǎn)位置的變化要快得多,當(dāng)鏈路的質(zhì)量下降時(shí),物理層的協(xié)議必須首先要適應(yīng)這種變化,比如提高發(fā)送功率或者改變編碼方式,如果SINR的變化是由于某個(gè)隨機(jī)波動(dòng)引起,并且很快就會(huì)恢復(fù),那么這種方法是可以暫時(shí)解決問(wèn)題的;可如果很長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)鏈路的SINR都沒(méi)有得到改善,那么物理層就會(huì)意識(shí)到,這種鏈路性能的下降是可能由于拓?fù)涞淖兓鸬?其它節(jié)點(diǎn)可能移走了),于是它將鏈路變化信息通知網(wǎng)絡(luò)層,然后網(wǎng)絡(luò)層再利用這個(gè)信息重新計(jì)算路徑。4負(fù)面效應(yīng)的設(shè)計(jì)跨層協(xié)議設(shè)計(jì)會(huì)帶來(lái)網(wǎng)絡(luò)性能的改善(如前所述),同樣它也會(huì)產(chǎn)生一些負(fù)面效應(yīng)。如果設(shè)計(jì)不合理,它甚至?xí)?dǎo)致網(wǎng)絡(luò)性能的急劇下降。下面將分析它可能帶來(lái)的問(wèn)題和缺陷。4.1分層協(xié)議設(shè)計(jì)跨層協(xié)議設(shè)計(jì)的目的是為了更好地適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)的狀態(tài),從而優(yōu)化應(yīng)用的性能。因此,協(xié)議的行為高度地依賴于所支持的應(yīng)用。如果兩個(gè)應(yīng)用的需求,或者是兩個(gè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)案例的環(huán)境大不相同,那么他們各自都需要設(shè)計(jì)不同的協(xié)議組,也就是說(shuō),要針對(duì)不同的應(yīng)用和不同的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境設(shè)計(jì)不同的跨層方案。例如兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)N1和N2。假設(shè)N1中的節(jié)點(diǎn)是靠電池工作的,而N2中的節(jié)點(diǎn)的能源來(lái)自太陽(yáng)能(無(wú)止境)。于是,在N1中,要優(yōu)化的一個(gè)目標(biāo)就是節(jié)約能量,而在N2中卻不需要考慮這一點(diǎn)。盡管N1的協(xié)議集在N2中也會(huì)運(yùn)轉(zhuǎn)得很好,但這時(shí)N2的性能沒(méi)有得到最優(yōu)化,甚至比使用分層協(xié)議還要差。因此,針對(duì)每種應(yīng)用和網(wǎng)絡(luò)臨時(shí)開(kāi)發(fā)協(xié)議集將導(dǎo)致開(kāi)發(fā)成本提高和開(kāi)發(fā)周期的延長(zhǎng)。4.2測(cè)試系統(tǒng)的長(zhǎng)久性大部分流行的跨層共享信息的建議,其目標(biāo)都是優(yōu)化性能,然而這種性能的改善都是一種短期行為。這是因?yàn)槊恳粚拥募夹g(shù)都在快速地變化(例如,MAC卡的功能,物理鏈路的技術(shù)),于是層間共享的信息以及所采取的動(dòng)作也要跟著變化。這就和協(xié)議設(shè)計(jì)的基本宗旨,即協(xié)議的長(zhǎng)久性,背道而馳。如果在考慮性能的同時(shí),兼顧協(xié)議的使用壽命和成本,那么還是分層架構(gòu)好。4.3跨層協(xié)議棧中協(xié)議的設(shè)計(jì)難度在分層架構(gòu)中,層與層之間的相互影響有限并且可控,這樣可以簡(jiǎn)化在任何層次上的協(xié)議的設(shè)計(jì)或者修改。而跨層的設(shè)計(jì)會(huì)導(dǎo)致不同層之間相互依賴,因此在設(shè)計(jì)一個(gè)新協(xié)議時(shí)必須要理解和考慮不同層之間的相互影響,并需要仔細(xì)研究層間相依圖(dependencygraph)。即使考慮到這些,由于會(huì)出現(xiàn)多個(gè)適配環(huán)路,有時(shí)也會(huì)導(dǎo)致意想不到的后果。因此跨層協(xié)議棧中某個(gè)協(xié)議的設(shè)計(jì)比分層協(xié)議棧中協(xié)議的設(shè)計(jì)更具挑戰(zhàn)性。在論文后半部分將通過(guò)仿真論證這一點(diǎn)。4.4無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的跨層設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)前面已經(jīng)提到,跨層協(xié)議設(shè)計(jì)會(huì)導(dǎo)致多個(gè)適配環(huán)路,這些環(huán)路相互之間復(fù)雜的交互會(huì)破壞系統(tǒng)的穩(wěn)定性。盡管無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的跨層設(shè)計(jì)提供了很多改善性能的機(jī)會(huì),但同時(shí)它也有一些顯著的缺陷,這些缺陷會(huì)阻礙無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展,因此要謹(jǐn)慎使用。無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的一些典型特征,比如傳輸功率控制和信道狀態(tài)估計(jì),這些必須進(jìn)行跨層設(shè)計(jì)的情況,在實(shí)現(xiàn)時(shí)必須謹(jǐn)慎,即層之間交換的信息要盡量少。5基于ns2仿真及驗(yàn)證為了更具體地說(shuō)明跨層協(xié)議設(shè)計(jì)的優(yōu)劣,將給出仿真的實(shí)例。這里的例子來(lái)自于一些文獻(xiàn)中提出的方案,并不是要證明這些方案好或是不好,而是想說(shuō)明,這些跨層方案和其它現(xiàn)有協(xié)議的相互影響,以及可能產(chǎn)生的負(fù)面效果,即降低網(wǎng)絡(luò)的性能。這里將采用NS2仿真軟件,驗(yàn)證速率自適應(yīng)MAC協(xié)議和傳統(tǒng)最小跳路由協(xié)議協(xié)同工作時(shí),無(wú)線多跳網(wǎng)絡(luò)的吞吐量是否得到改善;同時(shí)也針對(duì)速率自適應(yīng)MAC協(xié)議,提出一種簡(jiǎn)單的跨層選路參數(shù),并驗(yàn)證其效果。5.1接收信號(hào)強(qiáng)度目前廣泛使用的IEEE802.11x媒質(zhì)接入標(biāo)準(zhǔn)支持多種物理層比特率,例如802.11b可以支持的物理速率有1,2,5.5或11Mbps,而802.11a/g可以支持6,9,12,18,24,36,48或54Mbps的物理速率。這種物理層比特率自動(dòng)適配功能允許用戶在可能的情況下選擇質(zhì)量高、距離短的鏈路。圖2描述了一個(gè)802.11b設(shè)備和它的相鄰節(jié)點(diǎn)距離不同時(shí)的速率變化。如果某個(gè)節(jié)點(diǎn)使用11Mbps的速率,那么只有最內(nèi)圈上的節(jié)點(diǎn)能夠以足夠的SNR正確地接收。可如果它使用1Mbps的速率,那么傳輸范圍就會(huì)大大增加。這里設(shè)置了一系列接收信號(hào)強(qiáng)度的門(mén)限值。對(duì)于多跳網(wǎng)絡(luò)而言,兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的路徑就存在多種選擇,可以是短距離、高速的多跳鏈路,也可以是長(zhǎng)距離、低速的單跳鏈路。IEEE802.11標(biāo)準(zhǔn)并沒(méi)有規(guī)定如何根據(jù)變化的信道條件選擇傳輸速率,為此提出了多種速率自適應(yīng)MAC協(xié)議,例如自動(dòng)速率后退(ARF)協(xié)議和接收方自適應(yīng)速率(RBAR)協(xié)議。在參考文獻(xiàn)中,發(fā)送方在連續(xù)成功傳輸多次之后,就提高數(shù)據(jù)速率,而當(dāng)遇到傳輸失敗,就降低速率。在參考文獻(xiàn)中,接收方根據(jù)根據(jù)收到的分組的SNR,選擇MAC幀的數(shù)據(jù)速率。這需要在MAC層創(chuàng)建一個(gè)表記錄SNR和相應(yīng)數(shù)據(jù)速率的關(guān)系,當(dāng)有數(shù)據(jù)要輸出時(shí),設(shè)備驅(qū)動(dòng)器查找該表,確定每個(gè)輸出幀的速率。這種方法可以快速地對(duì)信道的變化做出反應(yīng),但需要對(duì)現(xiàn)有的物理層和MAC層的協(xié)議做修改。在后面的仿真中就用到這種方案。5.2速度適應(yīng)mac和最小跳轉(zhuǎn)路徑5.2.1多速率無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸模型大部分現(xiàn)有的路由協(xié)議是基于跳數(shù)來(lái)選擇最優(yōu)路徑的,這種參數(shù)適合于單一速率無(wú)線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境,因?yàn)槊看蝹鬏斦加孟嗤瑪?shù)量的資源。然而在多速率網(wǎng)絡(luò)中,采用基于跳數(shù)的選路技術(shù),則吞吐量會(huì)下降。多速率MAC本身是設(shè)計(jì)用來(lái)處理由于移動(dòng)性和干擾所帶來(lái)的連接的變化,它提供多種鏈路速率,以適應(yīng)鏈路質(zhì)量的波動(dòng)。在802.11b中,當(dāng)兩個(gè)節(jié)點(diǎn)背向移動(dòng)時(shí),自動(dòng)速率協(xié)議就會(huì)在最終斷開(kāi)之前,平滑地將鏈路速率從11Mbps降到1Mbps。而在多速率無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中,最小跳路由協(xié)議試圖選出的是低速率的鏈路,路徑通常是在處于連接邊緣的兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間建立。這是因?yàn)樽疃搪窂桨钌俚闹虚g節(jié)點(diǎn),而在相同的距離下,中間節(jié)點(diǎn)少就意味著鏈路長(zhǎng)。既然在無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中距離是決定信道質(zhì)量的重要因素,長(zhǎng)的鏈路必然質(zhì)量低,進(jìn)而工作速率低。因此只要有機(jī)會(huì),為了使跳數(shù)最小化,最短路徑選擇協(xié)議就會(huì)選擇盡可能長(zhǎng)的鏈路,而這些鏈路的工作速率一定是最低的。除了低的鏈路速率會(huì)導(dǎo)致路徑效率低下以外,這種選路方法還會(huì)降低網(wǎng)絡(luò)中其它流的性能。這是由于無(wú)線媒質(zhì)是共享的,以一個(gè)低的鏈路速率傳送分組需要占用很多的媒質(zhì)時(shí)間,該傳送信號(hào)干擾范圍內(nèi)的所有節(jié)點(diǎn)必須延期傳送自己的信息,從而降低了整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的吞吐量。下面將選擇兩種情形來(lái)比較驗(yàn)證以上的分析。方案1選擇單速率的802.11bMAC,以最高的速率發(fā)送數(shù)據(jù)(11Mbps),即當(dāng)信道質(zhì)量不夠好時(shí)不發(fā)送數(shù)據(jù),這時(shí)不再有長(zhǎng)的跳,從而迫使最小跳路由協(xié)議使用大量的高速率的短跳鏈路。方案2選擇速率自適應(yīng)802.11bMAC,這時(shí)最小跳路由協(xié)議會(huì)選擇盡可能長(zhǎng)的跳,而每跳鏈路的速率會(huì)很低。5.2.2基于跳數(shù)的dsdv協(xié)議這里采用NS2.26進(jìn)行仿真測(cè)試,主要分析兩種情形下網(wǎng)絡(luò)的吞吐量。在開(kāi)始分析結(jié)果之前,首先簡(jiǎn)單地說(shuō)明一下仿真的參數(shù)。NS2是一個(gè)開(kāi)放源碼的網(wǎng)絡(luò)仿真軟件,它包含802.11MAC層的實(shí)現(xiàn),但是NS2的無(wú)線接口模型還是基于老的WaveLANⅡ網(wǎng)卡,它不支持2Mbps以上的速率。這里針對(duì)參考文獻(xiàn)中提供的部分代碼做了修改,增加了標(biāo)準(zhǔn)802.11b中定義的對(duì)多速率的支持,并修改了接口模型的參數(shù)。其中無(wú)線信道采用two-rayground模型,路由協(xié)議都采用基于跳數(shù)的DSDV協(xié)議。在方案1中,數(shù)據(jù)速率固定為11Mbps,即當(dāng)收發(fā)距離在100m之內(nèi)數(shù)據(jù)分組的速率為11Mbps,超出該范圍則數(shù)據(jù)通信中斷。在方案2中,收發(fā)距離在0~99m范圍時(shí),數(shù)據(jù)速率為11Mbps;收發(fā)距離在100~199m范圍時(shí),數(shù)據(jù)速率為5.5Mbps;收發(fā)距離在200~250m范圍時(shí),數(shù)據(jù)速率為1Mbps;收發(fā)距離大于250m,數(shù)據(jù)通信中斷。本文選擇了兩種不同網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真。圖3是一種線形拓?fù)?13個(gè)節(jié)點(diǎn)在1000m×200m的范圍內(nèi)均勻地排成一行,節(jié)點(diǎn)間的距離為80m。在相距720m的節(jié)點(diǎn)3和節(jié)點(diǎn)12之間存在一個(gè)TCP連接。按照速率自適應(yīng)MAC方案,直接相鄰的節(jié)點(diǎn)間的鏈路速率可以達(dá)到11Mbps,而相隔兩跳的節(jié)點(diǎn)間的鏈路速率只能是1Mbps。于是,按照最小跳數(shù)選路,方案1(單速率)會(huì)選擇每跳速率為11Mbps的路徑3-4-5-6-7-8-9-10-11-12,而方案2(速率自適應(yīng))會(huì)選擇每跳速率為1Mbps的路徑3-6-9-12。圖4是仿真得到的兩種方案的吞吐量對(duì)比,結(jié)果表明速率自適應(yīng)MAC和最小跳路由協(xié)同工作,不但沒(méi)有改善網(wǎng)絡(luò)的性能,反而不如單速率MAC,這和前面的分析相吻合。第二種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涫?0個(gè)節(jié)點(diǎn)隨機(jī)分布在1000m×200m的范圍內(nèi),選擇這樣的結(jié)構(gòu)是為了確保方案1的100m傳輸距離限制。在不同的遠(yuǎn)端節(jié)點(diǎn)之間同時(shí)存在3個(gè)TCP連接,路由協(xié)議仍然采用基于跳數(shù)的DSDV。運(yùn)行的結(jié)果見(jiàn)圖5。方案1的總吞吐量再次超過(guò)了方案2。5.3最小跳路由協(xié)議實(shí)際上,速率自適應(yīng)MAC設(shè)計(jì)是一個(gè)很好的跨層設(shè)計(jì)方案,這里問(wèn)題出在使用了最小跳路由協(xié)議。如果路由參數(shù)選擇恰當(dāng),網(wǎng)絡(luò)的吞吐量會(huì)得到改善。下面設(shè)計(jì)了一種簡(jiǎn)單的、可以感知底層速率的跨層選路參數(shù),并通過(guò)仿真來(lái)證明這一點(diǎn)。5.3.1限制sdv的限制條件這里設(shè)計(jì)了一個(gè)簡(jiǎn)單的、可以感知底層速率的選路參數(shù)Cij,用它來(lái)替代DSDV中的最小跳數(shù),目的并不是要提出一種新的路由算法,而是用它來(lái)說(shuō)明合理的設(shè)計(jì)跨層協(xié)議方案會(huì)改善網(wǎng)絡(luò)的性能。定義節(jié)點(diǎn)i和節(jié)點(diǎn)j之間的鏈路lij的代價(jià)參數(shù)Cij為:其中Rij是該鏈路上可用的速率,Lpkt是分組的長(zhǎng)度,于是某條路徑的代價(jià)值可定義為:上面的等式(2)定義