基于程控可调衰减方法的移动自组织网络仿真研究.ppt

基于程控可调衰减方法的移动自组织网络仿真研究 指导老师 李晓明严伟2006年01月11日 提纲 研究背景静态拓扑仿真动态拓扑仿真原型系统仿真有效性实验时间安排 研究背景 为什么要做移动自组织网络的仿真研究移动自组织网络仿真研究的主要问题为什么用程控可调衰减方法来实现移动自组织网络的仿真相关研究选择程控可调衰减方法我们的工作目标我们的工作意义我们的研究问题信号衰减方案的理论依据 移动自组织网络特点 无线多跳网络无线通信介质 时变信道 多跳拓扑 共享抑制 空间重用 拓扑动态变化 模拟 仿真与实景实验 仿真对协议研究的帮助在有线网络研究中就已经被证实 移动自组织网络仿真系统的研发工作很有意义 移动自组织网络仿真研究的主要问题 仿真方法 硬件 软件 静态拓扑仿真动态拓扑仿真可重复性度量 选择仿真方法的基本原则 有效性 依仿真平台需求而定 连通性仿真 单径路由协议 通信互扰仿真 与各层次性能优化有关 可重复性 仿真系统的必然要求 相关研究 MobiEmu MobiHoc02 MAC层过滤 连通性仿真APE TRIDENTCOM05 MAC层过滤 连通性仿真 实验重复性评估 链路变化性指标 虚拟移动性指标 ORBIT TRIDENTCOM05 20 20Grid 链路SNR映射 无线接口切换 开放性访问 大规模 200309 今 4年 相关研究 DSPEnginebased HotNets II03 解出基带信号后 按照目的地址对信号进行仿真处理 射频信号有线传输EWANT WCNC03 1in 4out衰减器 程控不可调 信号衰减及天线放置位置不同仿真距离变化遮蔽 衰减器 MobiHoc01 避免不可控信号干扰 信号衰减变化仿真距离变化 仅设计思想 射频信号有线传输RAMON LCN02 三个基站装有程控可调衰减器 仿真一个移动节点在基站间漫游 思路 信号衰减仿真距离增大 设想或特例拓扑实验 选择程控可调衰减方案 我们的需求 仿真节点连通性和通信互扰可实现动态拓扑仿真优点 无线信道传输信号方法有效性已被验证程序控制调整拓扑已经找到可选器件要求 基于需求 以网络拓扑仿真为目标 我们的工作目标 采用程控可调衰减方法 以任意拓扑仿真为目标 搭建可以仿真移动自组织网络中节点连通性和通信互扰的仿真平台 我们的工作意义 目标创新性 现有的仿真实验床忽略了对节点通信互扰的仿真 我们的实验床采用程控可调衰减方法 以任意拓扑仿真为目标 仿真节点连通性和通信互扰 可以将仿真有效性向前推进一步 方案创新性 文献 WCNC03 MobiHOC01 提出了用可调衰减器进行移动自组织网络仿真的设想 但都没有对这种设想进行进一步的讨论与分析 我们的工作深入分析了基于程控可调衰减方法进行移动自组织网络仿真的具体问题 并提出和设计了详细的软件和硬件系统 我们的研究问题 重点研究问题 静态拓扑仿真 将任意拓扑映射到固定实验床上动态拓扑仿真 如何仿真节点移动不列为研究问题 仿真方法 理论基础 前人经验 实验验证 可重复性度量 拓扑映射可控制 信号衰减方案的理论依据 通过调节衰减器衰减量仿真节点间距离变化无线电波传输的自由空间模型 人为降低发射 接收功率可以仿真节点间距离增大 注 功率以dBm为单位 提纲 研究背景静态拓扑仿真动态拓扑仿真原型系统仿真有效性实验时间安排 静态拓扑仿真 任务 通过调节衰减器的衰减量 使实验床可以仿真用户指定的无线多跳网络 静态拓扑 的信道特征实质 用户定制拓扑 衰减参量 符号定义 距离矩阵 di j为节点i j之间的距离di j dj i若D为n n矩阵 即D描述n个节点组成的拓扑 则将D简记为 di j n n 问题描述 已知 F1 FN为实验床节点 距离矩阵为U1 UM为用户节点 距离矩阵为求解 选自F1 FN中的M个节点A1 AM 距离矩阵为以上M个节点各自对应的衰减器衰减参量为x1 xM记 在衰减参量x1 xM的作用下 转化为求解约束 具有与相近的无线信道特征 同构拓扑 仿真拓扑 理解求解约束 具有与相近的无线信道特征等值映射区间映射 任何同构矩阵都有与之对应的衰减量序列同构矩阵有什么特殊性质 YES如果用户矩阵具有与同构矩阵相同的性质 有解吗 YES求解思路 以最大误差最小化为目标 将用户矩阵转化为具有同构矩阵性质的矩阵 节点连通性和通信互扰相同 的性质 共个关系式 M个衰减参量 的性质 续 必要性 性质推导过程充分性 可以写出一组衰减序列 见前页 带入方程即可知这就是矛盾方程组的解 即 在此衰减序列下 实验节点拓扑矩阵被仿真为给定矩阵 所以给定矩阵是同构拓扑矩阵 对任意的i j组合 xk都相等 匹配有解条件法求解静态拓扑仿真等值映射问题 将转化成具有性质的矩阵 根据和求解衰减参量x1 xM转化产生的最大误差要尽量小 选择合适的M个节点和k 小结 这种解法求得的解 至少有 M 1 条链路误差为0如果最大误差能满足用户需求 也不错但是 能找到以 最大误差最小化 为目标的最优解吗 NO误差链路数增多 可能会减小最大误差目标 求解以 最大误差最小化 为目标的最优解 最优化方法求解静态拓扑仿真等值映射问题 当确定后 求解衰减参量的问题可以提炼为最优化问题设计变量 x1 xM目标函数 性能指标 约束条件 求解思路 1 遍历2 1 证明目标函数是凸函数 2 迭代法求解 收敛性 复杂性 每次迭代设计变量如何调整 最优化方法求解静态拓扑仿真等值映射问题 续 定义误差矩阵迭代法求解 每次迭代调节一个衰减参量 使得误差矩阵中绝对值最大的元素emax的绝对值减小 迭代至满足约束条件下emax的绝对值无法减小为止遍历所有 找到最小的 emax 对应的 设计参量x1 xM已在迭代过程中求出 静态拓扑仿真区间映射问题 最优化方法求解静态拓扑仿真区间映射问题 当确定后 求解衰减参量的问题可以提炼为最优化问题设计变量 x1 xM目标函数和性能指标 约束条件 求解思路与等值映射类似 1 遍历2 1 证明目标函数是凸函数 2 迭代法求解 收敛性 复杂性 每次迭代设计变量如何调整 最优化方法求解静态拓扑仿真区间映射问题 续 定义误差矩阵迭代法求解 每次迭代调节一个衰减参量 使得误差矩阵中最大的元素emax减小 迭代至在满足约束条件下emax无法减小为止遍历所有 找到最小的emax对应的 设计参量x1 xM已在迭代过程中求出 与MAC层过滤技术相结合 以上三种算法都是以最大误差最小化为求解目标 其中两种最优化解法可以求出最小化的最大误差值eopt 如果eopt无法满足用户的误差需求 怎么办 忽略误差较大的长距离链路 与MAC层过滤技术相结合 没有被忽略的链路仿真误差满足用户需求被忽略的链路仿真误差随意 但需要满足 静态拓扑仿真总结 等值映射匹配有解条件法最优化方法区间映射最优化方法与MAC层过滤技术相结合 提纲 研究背景静态拓扑仿真动态拓扑仿真原型系统仿真有效性实验时间安排 动态拓扑仿真 思路 动态拓扑由按一定时间点采样的静态拓扑构成关键问题 节点映射关系变化时如何处理 问题提出 F1 F2 F3 F4 有线网络 t1时刻 U1 F1 U2 F2 U3 F3 U4 F4t2时刻 U1 F2 U2 F1 U3 F3 U4 F4 解决思路 应用映射不变 接口映射变化 动态拓扑仿真解决方案 MN1App MN2App MN3App WNI3 MN4App WNI4 有线网络 PS知道任意时刻应用映射关系和接口映射关系t1时刻 WNI1 MN1WNI WNI2 MN2WNI WNI3 MN3WNI WNI4 MN4WNIt2时刻 WNI1 MN2WNI WNI2 MN1WNI WNI3 MN3WNI WNI4 MN4WNI PacketScheduler1 PacketScheduler2 PacketScheduler3 PacketScheduler4 LAN1 LAN2 LAN3 LAN4 任务 MN1App向MN2App发送数据包t1时刻 MN1App PS1 WNI1 WNI2 PS2 MN2Appt2时刻 MN1App PS1 LAN1 LAN2 PS2 WNI2 WNI1 PS1 LAN1 LAN2 PS2 MN2App 提纲 研究背景静态拓扑仿真动态拓扑仿真原型系统仿真有效性实验时间安排 原型系统 目标 部署4至7个配有程控衰减器的固定位置实验节点支持用户定制节点数不超过固定位置节点数的静态 动态拓扑仿真提供用户配置界面配置实验拓扑 原型系统拓扑结构 交换机 带有线和无线接口的PC机 用户界面 控制台PC机 无线实验环境 仿真实验床软件框架 用户操作界面 命令解释器 规则生成器 规则分发器 节点状态管理 节点信息管理 规则接收器 规则解释器 配置文件生成器 状态报告器 数据包调度器 衰减器控制 控制台 节点PC机 仿真实验床无线接口衰减控制 串口 SMA接口 数据 天线 USB接口 电源 程控可调衰减模块 中心频率f0 2 45GHz衰减精度 0 5dB f0 100MHz 1dB 2 3GHz 平坦度 0 5dB f0 100MHz 1 5dB 2 3GHz 插损 2dB控制bit数 7切换时间 2 s射频端口 SMA双向工作 且衰减量相同 管脚电气定义 外观 底视图 管脚定义 部分指标 仿真有效性实验 仿真方法有效性 衰减参量变化与距离变化的等效性实验测量通信范围 载波侦听范围 调节衰减参量或节点间距离 仿真系统有效性 无线多跳网络信道特征时变信道信道占用公平性 隐藏节点 暴露节点 模糊邻节点通信速率不