1、一种新型多信道、多收发器的无线Mesh网节点结构的NS-2仿真,刘昕 学号：S708060005,一、仿真软件介绍 二、研究目的 三、研究基础 四、仿真实现 五、仿真结果及分析 六、结论,NS-2网络仿真软件,NS-2（Network Simulator Version 2）由伯克利大学为主研制开发,从1989年的一系列实时网络模拟器开始,并且在过去的多年中不断改进。NS-2是一种开源的免费软件,使用者可以自由下载并对其进行改进以符合自己的研究需要。它主要基于Unix平台,也可以安装在Windows下。在Windows下,可以首先安装Cgywin,它是一个虚拟Unix环境,然后在Cgywin下
2、运行NS-2软件。下载地址：http:/www.isi.edu/nsnam/ns/,一、仿真软件介绍,NS现有的仿真元素,目前,NS提供了大量仿真环境的元素,如：仿真器、节点和分组转发、链路和延迟、队列管理与分组调度、代理、时钟、分组头及其格式、错误模型、局域网、地址结构(平面型和层次型)、移动网络、卫星网络、无线传播模型、能量模型等；提供了丰富的数学支持,如：随机数产生、积分等;提供方便的追踪和监视方法等;提供完整的路由支持,如：单播/组播路由、动态/静态路由、层次路由等。,一、仿真软件介绍,二、研究目的,建立一种新型多信道多收发器无线节点结构，在该结构中分别使用3个收发器与2个收发器相比较
3、，通过NS-2仿真来评价网络性能的改进。,三、研究基础,本研究基于HMCP（混合多信道协议 ），HMCP是多信道多收发器环境下最典型的MAC协议。HMCP假定每个节点至少有两个收发器并且把可用的收发器分为两类：固定收发器和可切换收发器,三、研究基础,每个固定收发器停留在一个特定的信道，称为固定信道，它主要用于接收相邻节点的数据包。可切换收发器改变自己的信道指定相邻的固定信道来发送数据包。每个节点所选择的固定信道的信息是通过广播Hello数据包广播给邻节点。当邻节点收到一个Hello数据包，他们便更新自己的邻节点列表，其中包含邻节点选定的固定信道的信息。每个HMCP节点通过邻节点列表定期检查是否
4、有相同的固定信道被选中。如果一个节点的固定信道已被邻节点大于2跳的范围来使用，这个节点以概率p切换他的固定信道给另一个可用的信道，这将有效地利用多信道。,工作原理,三、研究基础,J.S.Pathmasuntharam提出了PCAM（基于主信道分配的MAC协议 ），PCAM一般给每个节点配置3个收发器，这3个收发器分别为：主收发器、次要收发器、广播收发器。每个收发器连接到路由代理（AOVD）。每当节点发送数据包时，AODV根据数据包的属性来决定哪个收发器将处理这个数据包。 虽然一个频段可以容纳多个信道，但使用时每个频段只使用一个信道。PCAM通过在数据包头写入传输信道的信息获得多信道仿真，并且实
5、现了信道切换程序。,三、研究基础,其他结构及特点,1、CALVO结构,2、MW-Node结构,图（a）显示了CALVO结构。不像Hyacinth ，这种结构能够仿真更实际的情况，因为每个节点可以设置不同数量的收发器和信道请求。因为输出的通信数据包由路由代理处理，因此难以适用于不同的路由协议。,图（b）是基于模块的无线节点（MW-Node）的原理图，它解决了CMU结构的单片电路结构。MW-Node能够在添加新的层时清楚地区分接口和信道请求之间的不同，这叫做“无线堆栈接口”。具有许多优点，如更大的灵活性，和在自身的仿真环境下可以安全设置。然而，由于MW-Node修改了原来NS-2的很多部分，使得第
6、一次使用时比较困难。,拟定结构,增加了一个新层，叫做“多收发器抽象层”。这个层，结合多种收发器请求。包含信道基础队列（CBQ） 、邻居列表、信道切换计时器、Hello数据包计时器和固定信道分配模块。提供一个固定信道，包括可用的信道列表和管理相邻固定信道的信息。每个收发器保持一个节点：固定的，可切换，广播的。,四、仿真实现,多收发器抽象层,从路由代理单播数据包发送，根据下一跳的信道信息和分别插入CBQ来分类。CBQ是由一个数据包队列类组成。当一个广播数据包来自上层，如AODV路由请求数据包，Hello数据包等等，每个节点首先检查有否广播收发器。如果有一个广播收发器，仅仅用于广播数据包。然而，没有
7、收发器广播，多收发器抽象层则复制广播数据包并插入这些复制给所有的信道队列。,每个队列堆积的数据包的传输时间是由切换计时器决定。切换计时器包括可用的信道以循环方式保证公平。每个切换收发器能够保持一个固定信道以最大切换时间来传输数据包。切换收发器保持信道切换条件：1、最大切换时间终止。 2、没有数据包在信道队列中传输。,切换收发器的信道切换策略,图3显示了3个收发器使用示例，它使用5个信道和1个固定/ 2个切换收发器。如果大于2个切换收发器，如何利用多信道切换收发器是关键的。基本上我们使用循环方式，在图3中的例子，在5号信道队列中的发送最后一个数据包后，用切换收发器切换策略切换收发器将切换到4号信
8、道,信道切换步骤,在多信道多收发器无线网络中，明确的信道切换步骤是最重要的，因为它应该在信道切换前保证完成当前的数据包传输来防止数据包丢失，并且不应该破坏邻节点在特定的信道的通信。我们详细的说明实施步骤，如图4所示。,正如图4所示，is_MAC_Clear功能是必要的，因为当计时器终止时信道切换计时器并不在乎MAC是否被清除。有了is_MAC_Clear功能，节点证明媒介不忙状态并且为了防止数据包丢失，节点不进行发送或接收。,信道切换后，计时器设置最大切换时间和当前信道队列的数据包将被发送到下一跳节点，直到计时器终止。尽管在最大切换时间终止前还有剩余信道切换时间，信道切换计时器将停止到下一个信
9、道，没有数据包发送到当前信道队列。,五、仿真结果及分析,一系列拓扑结构的评价,FS（1个固定/1个切换） FSS（1个固定、2个切换） FFS（2个固定/1个切换）,一系列拓扑结构的评价,最先评价了FSS（1个固定、2个切换）的性能。测试链长度从1到10不等，而节点距离40m。我们测试单一的FTP吞吐量从0节点到结束节点，所有节点只与它紧相邻的节点通讯。,另一方面，如果有12个可用信道，性能的改善是明显的，因为干扰最小化。仿真结果显示，FSS的性能与FS（1个固定/1个切换）相比在5个信道下提高1.21.8倍和在12个信道下的1.12.15倍。,图5与使用FSS的不同的可用信道的吞吐量相比较。
10、即使每个节点有3个收发器并且只有两个可用信道，事实上性能和用2 个收发器是一样的。如果有5个可用信道，最高的性能可以实现高达5跳，但之后，由于与其他节点使用相同的固定信道而冲突，使得性能退化。,图6表示TCP吞吐量的平均ACK延迟。当测试链的长度超过2跳时延迟迅速增加，因为竞争是在中间节点增加，如TCP-data和TCP-ack同时接收一个固定收发器。即使这样，中间节点的收发器使用策略作为FFS（2个固定/1个切换）模式设置收发器，以解决争议问题，其性能没有得到改善，因为它没有足够的发送能力用作一个切换收发器。,随机拓扑,在本节中，我们评价了用多个TCP 流随机拓扑下的网络性能。我们随机生成1
11、0个拓扑结构，并每个随机拓扑结构运行30次仿真。仿真结果来自所有拓扑个案，平均而得出的一般结论。每个拓扑在500米x 500米区内的50个固定节点，源-目的端口是随机选择。,2个收发器和3个收发器比较，中间节点能够发送的TCP数据和TCP应答同时有效地使用两种切换收发器。而且，延时的每个TCP应答数据包减小了，从而提高吞吐量。,本文提出了一种新的网络仿真器结构，以支持在NS-2中多信道多收发器仿真和把2个收发器用于FS（1个固定/1个切换）和3个收发器使用FSS（1个固定/2个切换）来评价网络性能。与其他现有的方法不同的是，我们的仿真器支持每个节点可以有不同的收发器数量，并可以根据用户的需求容
12、易分配收发器状态，例如：固定的，可切换的，和广播的。,六、结论,我们基于HMCP协议，加入信道基本队列，可切换，Hello数据包计时器和邻居列表来执行。另外我们考虑的信道切换延迟和最大数据传出时间应该对现实的MAC协议仿真是必要的。 仿真结果表明，当每个节点使用3个收发器和每节点用2个收发器相比网络吞吐量大大提高，因为中间节点并行传输TCP数据和TCP 应答数据包无需额外的信道切换延迟。,参考文献,1、MyungIn Ji,Yonggyu Kim,Myunghwan Seo,Joongsoo Ma，“A Novel Multi-channel Multi-radio Wireless Mesh Node Architecture for NS-2”，2009 International Conference on Communications and Mobile Computing 2、刘俊,徐昌彪,隆克平，基于NS的网络仿真探讨，计算机应用研究，2002年 3、刘彪，NS-2模拟器及其教育应用，电脑知识与技术,
