网络的性能问题及改进方法201338884831911.doc

网络的性能问题及改进方法 无线ad hoc 网络是由一组带有无线收发装置的移动节点组成的一个多跳的自治系统。它不需要依赖事先构建的通信基础设施。每个移动节点既作为路由器又作为主机。在ad hoc 网络协议栈中，信道接入协议运行在物理层之上，是所有报文在无线信道上发送和接收的直接控制者，它的性能好坏直接关系着信道的利用率和整个网络的性能。目前没有专门为无线自组织网络设计的MAC协议。 IEEE802.11DCF最初是为无线局域网设计的，然而目前大多数ad hoc网络协议，把IEEE802.11作为底层的通信协议。尽管802.11中的DCF机制可以在没有基础设施的情况下移动的接入无线媒体，但是在多跳性方面不能提供支持。所以在ad hoc 网络中使用802.11协议会引起一些性能问题。 2 IEEE 802.11 DCF协议的操作原理 IEEE 802.11DCF[1]继承了带冲突检测的载波监听多址接入（CSMA/CA）协议。在协议中，为了避免冲突，发送者在发送帧之前要先监听信道的忙闲状态，如果信道空闲并且持续空闲DIFS（DCF Interval Frame Space）的时间，则发送帧。如果在这段时间内信道变忙，发送者就执行退避算法，计算一个随机的退避窗口。一直等到信道空闲，并持续空闲DIFS的时间后，发送者开始以时隙为单位递减退避时间。如果递减到零，就开始发送；如果在递减过程中信道又变忙，节点就停止递减时间，等待信道空闲并持续DIFS的时间后继续递减。当有冲突发生的时候，发送者的竞争窗口就加倍，相同的帧用前面的过程被重传。如果再发生冲突，竞争窗口再加倍直到达到最大竞争窗口。在达到固定重传次数之后，该帧被抛弃，竞争窗口被重置为最小。成功传输该帧后，竞争窗口也被重置。 图 1. IEEE 802.11协议的操作过程 图1描述了在通信范围内的三个节点A B C。在开始，节点A有帧要发送。因为此时介质是空闲的，所以在DIFS之后节点A发送该帧。然后接收者B给出确认。如果在以前的交换还在进行的时候，节点A又有新的帧要发送，A必须执行退避算法，在例子中退避2个时隙。同时C也要发送帧到B，介质被检测到空闲，只要DIFS之后就可以发送。碰巧，A和C选择在同时开始发送，因此在节点B处发生冲突。因为没有确认发出，两个发送者以两倍的竞争窗口重传。此时，C赢得竞争，它的发送阻止了A的2个时隙的退避递减。在数据确认交换完成以后，A重启2个剩余时隙的退避过程。 3 主要的性能问题及仿真分析 文中的仿真是基于NS-2网络仿真器[2]。仿真器中所有节点通过使用相同的半双工无线链路通信，带宽是2Mb/s。节点的最大传输范围是250m 。队列缓存为50个包，且队列是优先丢尾（PriDropTail）的方式。路由协议是AODV。仿真时间是200秒。 图2. 仿真拓扑 3.1暴露终端问题 Ad Hoc网络的多跳共享广播信道的直接影响就是报文的冲突和节点的地理位置有关。在这个网络中，报文冲突只是局部事件，不是所有节点都能感知到。一个节点正确收到了一个报文，而该报文可能在另一个节点处发生冲突。也可能报文在接收节点处发生冲突，而发送节点根本不知道。就是说发送节点和接收节点感知到的信道状况不一定相同。这就容易引起暴露终端问题。 一个节点在发送者的覆盖范围之内，但是在接收者的覆盖范围之外，该节点就叫做暴露终端。暴露终端分为暴露发送终端和暴露接收终端。暴露终端因听到发送节点的发送而延迟发送。但是因为它在接收节点的通信范围之外，它的发送实际上并不会造成冲突。这就引入不必要的延迟，造成信道利用率的下降，能量的浪费。 在图2a中，在2向1发送数据时，3只听到RTS,知道自己是暴露终端，认为可以向4发送数据。3向4发送RTS，在单信道条件下，来自4的CTS会与2的发送的数据报文在3处发生冲突，即3收不到4的CTS这就是暴露发送终端问题。显然暴露终端问题在单信道条件下使用握手机制无法解决。如果4要向暴露终端3发送数据，来自4的RTS会与2发送的数据报文在3处冲突，3收不到来自4的RTS。这是暴露接收终端问题。分析可知，这个问题使用单信道也是不可能解决的。 3.2 不公平性 第一类 长期公平性问题 有些数据流长期占用信道，从而捕获信道。而另一些流几乎不能接入信道，造成“饿死”现象。 （a）长期公平性问题 (b)吞吐量随着跳数的变化 （c）有无RTS/CTS时的吞吐量比较 图 3 仿真结果 在图2b中先考虑发送者之间的链路是通信链路，发送者1和5是完全独立的，异步工作的。这种情况在低吞吐量时，或者当1和5之间有障碍物时都会发生。而且接收者和它们相应的发送者的距离足够近，发送者不发生冲突。 当节点3要发送的时候，它必须等节点1和5