小尺度衰落产生的原因详解

1、小尺度衰落产生原因可伸缩的移动模型透视和无线Ad-Hoc网络中的路由协议性能(MobilityModelPerspectivesforScalabilityandRoutingProtocolPerformancesinWirelessAd-HocNetwork)关键字：Ad-hoc网络可伸缩性移动路由协议1、介绍网络的发展刺激了经济的规模。那是因为根据互联网用户或主机的数目，网络用户的花费随着网络规模的增大而减小。Adhoc无线网络的可伸缩性引起了许多改变，如移动adhoc网络(MANET包括许多能够自由任意并且涉及到动态的编队拓扑中的移动节点。从而MANE苞成了一个自主移动系统。并且MAN

2、ET勺一些其他特征如动态拓扑、宽带约束、资源约束和受限的物理安全。从而以上所需的特性可以实现其独特的可伸缩性。另一个设计可伸缩的adhoc网络的主要问题在于那些流动的可移动节点。事实上那些节点的迅速复位和移动也是其中的一个难点所在。不同的流动模型如随机的航路点等问题已经被提出来。再说流动性模型在路由器发送方案的选择上起着主要的影响，从而影响其性能表现。同时在一些如在场部署和应急响应操作的应用中，adhoc网络同样能扩充到成百上千的节点。从而拥要有广泛的流动性同时还缺乏有力的指导，纯adhoc网络连入大型的伸缩节点是其设计中所面临的一个紧急挑战。移动自组网在是实际中是多跳的。因此自组网络的可伸缩

3、性底层的路由协议直接相关。比如说一个移动自组网络可以通过减少路由协议的开销来实现更好的伸缩性。所以在这篇论文里面我们调查一下移动自组网的可伸缩性。自从MANE的路由协议在移动自组网的设计中起着关键作用，我们看到了那些在可伸缩条件下的协议表现的问题。也是因为流动性模型对可伸缩性有着巨大影响，我们扩展了MANE在不同的流动模型中的路由协议的表现分析。全文的组织如下：在第二部分，我们分析了各种不同的MANE珞由协议和他们的对应的性能指标。在第三部分，我们描述了不同的流动性模型。在第四部分，纳秒环境下的仿真和结果讨论。第五部分描述了相关工作的一些细节。第六部分，提交论文。2、MANE珞由协议移动自组网

4、路由协议被分为主动的和反应式的路由协议。主动路由协议尝试着维持最新的彼此节点间的拓扑信息。反之，在反应式路由协议中，路由只有在需要的时候才被源节点创建。我们这部分所讨论的协议是DSDV-一种主动式的协议和DSR、AODV-反应式的路由协议。2.1 DSDVDSDV是一种基于古典贝尔曼福特路由机制的表驱动是算法。DSDV中的主要思想是用距离队列数目来实现无网间协调的自由循环。DSDV的主要组成如下：1 、一个以单调递增序列为数目依据的老化机理，他所鲜明表示的路线和过去常常被用来避免路由循环并且没有无穷计算问题。2 、充分利用路由更新，每次更新间隔周期性发送，或发送拓扑变化的增量更新。3 、对于路

5、线很可能是不稳定的路由更新有延迟。对于效率低下的DSDV勺原因之一是它限制了节点可以连接到的网络号的定期更新的要求，自增长的开销为O(n2)的影响，因此该协议影响其可扩展性。2.2 DSRDSR路由的特点是源路由。这是发送者所知道的点对点的路由到目的地。DS潴由强调积极利用路由缓存中存储的完整路径目标。源路由提出了无环路的路由像许多优点，避免了需要多达最新路由的中间节点的信息，还允许通过偷听数据包的缓存路由信息的节点。的DS刖议由两个主要机制，路由发现和路由维护。当一个节点要发送数据包到目的地，它使用一个路由发现过程，动态确定由充斥RREM组网络的路由。每个节点重播它，除非它是目的地或有到目的

6、地的路线。这样一个节点回复回用一个RRE骑据包的源。路由维护是通过执行“路线错误”的数据包和确认使用。DS潴由算法的目的是为网络中的移动节点以温和的速度移动所造成的包延迟。它运行在网络中，其中有一个相对较小的直径，移动节点可以是混杂接收模式。因此，由于上述假设，因为源路由，路由的可扩展性是其路由规定的挑战。有必要在这两个地方的路线进行答复和数据包造成更大的开销全程控制。同时积极利用路线缓存带有的惩罚。缺乏基本的DS刖议的有效机制，以清除陈旧的路线，这不仅浪费网络带宽，而且造成缓存污染。对于显示性能的研究，陈旧的缓存可以大大损害性能，尤其是在高流动性和/或高负荷方面。2.3 AODVAODV协议

7、时基于DS潴由那些通过类似的路由发现过程来发现“所需”路由的条件的。然而，AODV保持着一个传统的路由表-每个目的地的进入。不依靠源路由，AODV&赖于路由表来传播一个RRE照来到源头，随后路由数据包到目的地。AOD则、议通过使用序列号的方法来维持每一个目的地的路由信息的更新，以防止路由循环。如果在指定的时间内没有使用的话，路由条目会被会删除。链路故障是传播无限度量的RREP言息到源节点，在那路由将会再次被发现。AODV协议的一个可选功能是用hello消息来维持相邻节点间的链接。AODV的纯分布式按需方法是醉倒限度的减少路由表的信息，但是多路由的结果导致其提高。AODV协议需要使用对称

8、链接，然而当对称链接不可用的时候DSR可以使用非对称链接。当传输多样化增加的时候，AODV可用的，这种情况DSR是无法应对的。2.4协议的性能指标分析一个协议的性能表现分析的目标是来衡量如路由服务的效率和带宽方面的成本、能源消耗、CPUW期索引。他还关注应用程序的应用性能指标和他们之间的关系如流动模式、通信效率和提供负载因素。因此，这种研究通常是协议的仿真。在这里，我们的目标是评估路由协议的性能并以Broch为指标进行性能的详细分析。1、封包传输率之间-由应用层传送到最终目的地的起源包的数量比例。2、路由开销-路由的目标，每传输的数据包传输的数据包数。3、 最优路径-包到达其目的地的跳点数和当

9、数据包是起源时物理层的存在时的最短路径的长度。3、流动模型根据已知的移动模型模拟节点的移动。移动模型的基础直接影响自组网络的路由协议的性能。在下面的章节中我们描述两个已经使用的移动模型即随机路径点移动模型和随机行走反射移动模型。3.1 、随机路径点移动模型由于随机路径点移动模型被普遍用于调查组织，我们使用随机路径点移动模型来测试。在这个模型中，一个移动节点在模拟区域内以随机速度从它当前位置随机的移动到另一个位置，简单的记为Vmin,Vmax。Vmin是指模拟的最小速度，Vma/旨最大速度。随机路径点包括选择新位置、新速度的暂停时间。因此一个移动节点到达新节点之后在离开之前要停顿一段时间。流动性

10、模型中最重要的参数是速度。随机路径点移动模型有一个在（0,VmaX之间均匀分布的速度，假设的平均速度为Vmax/2。假定这个平均节点速度会在模拟过程中不变。这是并非如此的，在伊和刘的论文中平均速度将会不断降低，并最终达到零。简单的解决方案建议是建立一个积极的最低速度。因此，我们已经使用了稳态随机路径点移动模型。3.2 、反映流动性的随机游动模型反映流动性的随机游动模型是随机访问移动模型的实例。该模型所描述的导出了稳态分布，并在一个工具中实施，它的输出是直接的NS-2模拟器可用的形式。移动模型与随机漫步反射类似随机航点，但在过渡即时行程，挑选一个节点的方向，行程时间和数字的速度。在给定给定数字的

11、速度旅行期间特定方向移动的节点。如果在旅途中，节点打域边界，它是反映到域。该模型的稳定状态的版本是这样的节点上的立场是一致的领域分布，节点速度为在过渡即时旅行相同的分布。4、模拟环境NS-2的模拟器版本2.29已被用于如DSDAOD用口DS刖议的可扩展的性能分析。基本的MAO议是由IEEE802.11定义。连续比特率（CBR的流量来源的使用。所采用的移动模型的稳态随机路点和随机行走在一个长方形的反射场迁移率模型。该区域为1500X300米的配置，交通生成脚本调用cbrgen.tcl被用来产生速率为4.0kbps的CBR勺10来源情况。中节点的数目为仿真环境200个节点。至少有5个方案的稳态随机

12、路点，5个随机游动的情况与反射为0,10,20,30个不同的暂停时间的文件档案，40秒被用于测试如DSDVAODV和DS嘴由协议。4.1、 模拟结果DSDVAOD卡口DS阿扩展仿真结果在一段暂停时间范围(0,10,20,30,40)秒的速度范围1,19航点的稳态和随机0速度范围，20移动模型与随机反射走见图1所示。JOOOC - asm，艮帆，300CID 2D 露 如 SOPaLU» TVm i'«fr|Fig1(a)NumberofroutingoverheadpacketsonRandomwaypointmobilitymodeL4.1.1 数据包路由开销AO

13、DV和DS幅按需协议并且他们的流动性随开支下降而下降OOCV- RWMt tAO6 对前行 gsn - rwwrFig1(b)NumberofroutingoverheadpacketsonRandomwalkwithreflectionmobilitymodel由于DSD潞由协议是一个开销随流动率改变的路由协议。我们还观察到，DS潴由消耗更少的数据包路由的开销相比，AODV协议，因为使用DS嘴由攻击路由缓存。但在高流动率（0秒）暂停时间的路由开销的数目高，因为在DSR路由缓存被陈腐的机会相当局。4.1.2 封包传输率从下面图它是清楚地看到，AODVJ、议在分组优于中模型的运送比其他协议的所有

14、条款。-RAPjl-w Ihw-RWDSR-Rft'Fig1(b)PacketdeliveryratioonRandomwaypointmobilitymodel.Fig1(b)PacketdeliveryratioonRandomwalkwithreflectionmobilitymodel.DSR路由性能高流动率穷人，因为链路故障可能发生非常频繁。也正因为小直径的假设DS谭不是扩展。DSDVffi对着在分组投递率方面效果不佳，因为它使用一个表维护路由信息，它只有一条路线，因此每个目的地的每个数据包的MA宏是无法传递动力的途径下降，因为没有备用路由。4.1.3 平均端到端延迟从下面图

15、很清楚，在随机移动模型的所有航点路由协议相比，少用反射随机行走包延迟。Fig1(c)PathOptimality(Packetdelay)onRandomwaypointmobilitymodelFig1(c)PathOptimality(PacketdelayjonRandomwalkwittireflectionmobilitymodel在DS嘴由具有较高的封包延迟两种模式。这是因为使用DS嘴由选择的多路路线为路线长度的主要标准，而最不喜欢拥挤的AODV路由。因此，AODV勺展品更短的延迟。从上面的图很清楚，DSD#用路径是接近最佳路线。在不同的暂停时间DSDV1续执行没有任何关于流动性的

16、最优路由显着巨变。5、相关工作航点的随机移动模型分析中发现的J尹的作品。在本文中，他们证明，节点的移动速度是模型的重要参数。实验证明，他们也瞬时速度降低平均结始终在一段时间内，将最终达到了一个模拟1000秒即长期为零。因此，性能分析可能不准确。为了克服这一点，他们提出了一个稍作修改的随机路径点移动模型通过设置一个最小正数，并考虑到初始模拟预热时间。我们曾在这些假设我们的分析以获得稳定的性能措施。在关于完善模拟纸SP的Chaudhri有导出一些随机访问移动模型稳态分布和实施了一个为NS-2工具完美的采样。与反射随机游动是一种随机访问模型，它用来实现稳态措施的具体实例。因此，我们已经采用这种模式也

17、为我们的绩效指标。V诺莫夫在他们的论文提出了关于在大型DSRf口AODV勺AdHoc网络性能具有不同的节点，不同的行动和通讯车型数量的结果。他们只用随机路径点移动模型。他们的结论是，这两个协议的流量来源证明人数少就数量和密度的节点可扩展性好。但在高流动率DSR路由似乎并没有有效地传递数据包。郭某调查特设网络所具有的可扩展性的问题，源于其多跳的性质。他们的结论是，在一个网络中心分组流量线性相关的网络半径。6、总结本文根据目前的模拟可扩展性，在不同的移动模型移动无线路由协议的三个条件的实证结果。我们说，DSDV表现以及数据包和路由开销路径远最优关注，但该数据包传送率是很低的。AODV、议比DSR路

18、由生成的，它的数据包投递率减少路由开销比DSDV子，但它的最优路径是在两个模型中最穷的。AOD"、议产生的数据包的路由开销相对其他协议最多。对AODV的显着特点是最高的数据包投递率。AODV勺最优路径航点是随机的随机比较少走路的反映。总括而言，在某些路由协议的可扩展性展览条件和他们的表现各不相同，是由基础移动模型的影响。摘要：本文先对小尺度衰落的有关概念进行了解释和梳理，然后就小尺度衰落的产生原因提出了作者自己的看法，并试图通过实验论证自己的观点。关键词：小尺度衰落，多径时延扩展，多普勒扩展1、引言从上世纪60至70年代，贝尔实验室的研究人员提出了蜂窝的概念起，人们开始研究移动通信的

19、信道，移动通信要克服的一大困难就是小尺度衰落，因此，小尺度衰落历来是无线电波传播研究的重要环节。小尺度衰落指的是信号在小尺度区间(距离或时间的微小变化)的传播过程中，信号的幅度、相位和场强瞬时值的快速变化。前人对小尺度衰落进行了很多研究，建立了多种模型，如Ricean衰落、Reyleigh衰落和Nakagami衰落。说到小尺度衰落的产生原因，很多人都会想到两个词：多径和多普勒。但是与之相关的一些概念由于表述方式相近，导致人们对这些概念产生了误解，进而也影响到大家对小尺度衰落产生原因的理解。本文将根据作者的体会，对小尺度衰落的生成原因进行阐述。接下来的一节会说明与多径和多普勒有关的概念，第三节解

20、释小尺度衰落与多径以及多普勒的关系，文章的最后一节将通过实验论证作者的观点。2、多径和多普勒多径(multipath)，是指在无线信道中，由于反射或者折射，在发射机和接收机之间不会只有单一视距传输路径，会形成的多种不同的传输路径。不难理解，若信号从发射机到接收机有多条传输路径，通过每条路的传播时间以及传播距离就会不同，这可导致各多径分量上，信号到达接收机的时间也不一样。这些路径中肯定存在一条最短路径，则信号通过其它路径到达接收机的时间，肯定会比通过最短路径到达接收机的时间延长，这种时间的延长称为多径时延(multipathtimedelay)。在各径的时延中，有一部分时延并不大，使得接收机不能

21、把它们跟最早到达的信号解析出来，这些时延信号相加，造成接收信号在时间上宽度扩展，这种现象叫多径时延扩展(delayspread)。多普勒效应(Dopplereffect)是指，当电波传输收发双方有相对运动时，其传输频率随瞬时相对距离的缩短和增长而相应增高和降低的现象。多普勒频移(Dopplershift)说的也就是上述现象，是同一种现象更具体地定义，因为它把多普勒效应的本质一一频率偏移直接描述了出来。把多普勒频移应用到实际的移动通信中，通常，基站相对地面静止，而移动台相对地面运动。通过推导1,多普勒频移fd为：vfd=cosQ(1)%其中，v是移动台相对地面的运动速度，九是无线电波(信号)波长

22、，日是移动台运动方向和信号入射方向之间的夹角。由公式(1),我们可以看出，多普勒频移fd与收发双方相对运动速度、信号波长和信号入射方向与相对运动方向之间的夹角有关。当具有相对运动的收发双方之间的信号传输是通过多条路径时，每个分量到达接收机的角度日会各不相同，进而导致每个分量产生的多普勒频移fd也不一样，这些信号相加，从频域角度来看，跟发送信号相比，接受信号的频谱展宽了，这个频域上扩展的宽度就叫多普勒扩展。3、小尺度衰落的产生原因有了对上述概念的梳理，现在回到问题“小尺度衰落是否由多径和多普勒联合引起？”上来。首先，这个表述是不准确的，因为正如上文所提到的，与多径和多普勒有关的概念十分繁多，我们

23、不能确定问题所涉及的是哪两个，我也就不在此片面的回答“是"或“否”。下面将讨论我对小尺度产生原因的一些看法。3.1基于多径时延扩展的小尺度衰落信号经过多径传播后，入射电波从不同的方向传播到达，具有不同的传播时延，接收机所收到的信号都由许多平面波组成，他们具有随机分布的幅度、相位和入射角度。设s(t)是发射机发送的信号，则信号经过多径传播后被接收机接收到的信号y(t)可表示为：ny(t)=£ws(t-。)(2)i1其中，n是多径数，a和分别是通过信号第i条路径到达的幅度和时间。若令发送信号s(t)=ejt,那么：nny(t)=£ais(tTi)=Zaiej鹰e

24、9;=H(E)ej#(3)i1i1n其中Hg)=£aie印。i1实际接收的信号是由这些多径成分被接收机天线相加合并而成的，所以各多径分量之间会互相影响，这种影响根据各分量的相位状态，可能是积极地，也可能是消极的。相位状态与传播路程有很大关系。依据我们所学过的物理知识，如果两个多径分量路程之差为波长的整数倍(n九)，那么这两个分量会产生最大的积极影响；如果路程之差为半波长加波长的整数倍(1+nX),分量会产生最大的消极影响。路径长度的随机性会导致相位变化的随机性，进而导致各分量之间互相影响积极与否的随机性，最终会导致实际接收信号的强度在经过短距或短时传播后产生多达几十dB的剧烈变化，即

25、小尺度衰落。通过对信号带宽Bs与信道相干带宽Be的比较，以及时延扩展Ts与符号周期o丁的比较，基于时延扩展的小尺度衰落可分为频率选择性衰落和平坦衰落。频率选择性衰落的条件是：BsBeTs：二二.即信号带宽大于信道相干带宽，信号的符号周期小于时延扩展。此时，从频域上看，接收信号R(f)的宽度与信道传输函数H(f)相等，比发送信号S(f)的带宽要窄，所以出现了频率选择。也就是说，信号进入信道环境后，接收信号的频率范围和信道环境的频率有很大关系。相反地，平坦衰落也称非频率选择性衰落，它的条件是：Bs。二BeTs二.即信号带宽远小于信道的相干带宽，信号的符号周期远大于时延扩展。发送的信号s(f)与信道

26、的传输函数H(f)经过频域的相乘之后，留下来带宽小的东西，也就是信号的东西，因此接收到的信号R(f)的幅度虽然有所变化，但频谱却和原来发射信号的频谱类似。3.2基于多普勒扩展的小尺度衰落当多径特性遇到多普勒效应，根据公式(1),入射角度的不同导致各多径分量的多普勒频移也不同。令第i个分量的多普勒频移为fi,则角频率町=2nfi,类比公式(3),接收信号就变成了：ny(t)=e媵£ae,战书®=H(co,t)ejM(4)i4n其中H(以t)=£aieGj%信道的传输函数不再是时谐的，而变成了时变的。i4这种信道的时变特性，增大了各分量之间互相影响积极与否的随机性，带

27、来了小尺度衰落的另一种考察机制。根据发送的基带信号与信道变化快慢程度，信道可分为快衰落信道和慢衰落信道。数学上，是通过对信号的符号周期Ts与相干时间Tc作比较，以及信号带宽Bs与多普勒扩展Bd作比较进行区分的。快衰落又叫时间选择性衰落，它的条件是：TsTcBs,二Bd即信号的符号持续周期大于相干时间，信号带宽小于多普勒扩展。此时，信道冲激响应在符号周期内快速变化，从而导致信号失真。从频域来看，信号失真会随着多普勒扩展对发送信号带宽影响的增加而增加。慢衰落又叫非时间选择性衰落，它的条件是：Ts：二TcBsBd即符号周期远小于相干时间，信号带宽远大于多普勒扩展。信道冲激响应的变化比发送的基带信号的

28、变化要慢很多。在这种情况下，在一个或多个符号周期时间间隔内，我们可以假设信道是静态的。4、实验我们先看看基于多径时延的小尺度衰落。由于多径信道的特性受收发双方的相对距离的影响，因此信道的传输函数也与收发双方的距离有关，下图描述的是信道传输函数的幅值与收发双方距离的关系，为了方便，只设了两条路径，其中信号频率f=1GHz,发送信号的基站高度G=10m,接收信号的移动台高度hr=2m。E信道传情的物|H|与距离d的关系1I士-EO-I-m£iii0102030405060700D9010U距寓源图1根据条件，易得信号波长?=c/f=0.17m,考虑到路径数设得比较少，上图的|H|基本上可

29、以算作是波长量级的巨大变化。若对此信道发送一个宽带信号，则接收信号强度关于距离d的变化将与上图的变化趋于一致。这也说明了在没有多普勒的情况下，小尺度衰落是可以产生的。再假定时延扩展仃三分别为5代和0.5Ns的两种情况，每种情况都是分为六V条路径传输:情况1的HOD情况2的H()图2情况1的接收信骂输出信号的输出信号从图2中可以看出信号在第一种信道传输时产生了频率选择性衰落，频谱和幅度都发生了较大变化；在第二种信道传输时产生了平坦衰落,的幅度有所变化，但频谱形状和输入信号差别不大。再来看看基于多普勒扩展的小尺度衰落。b.多径，Bd-0.01Hz融而*胆空邮100204060时间府d多径，Bd=0.5Hz4ns151/时20轨单径产OUHZ020406C时间稀少工多径，1Hz.2口2O.电0.4-0.4202-40/s司时2n图3从图3a中可以看出，当只有多普勒效应而不存在多径的时候，接收信号的包络几乎不发生改变。由图3b、图3c和图3d,多普勒扩展越大，信号在时域上的衰落就越快，导致信号的失真越严重。5、小结总之，作者认为产生小尺度衰落的根本原因只是多径因素。多径特性造成的多径时延扩展会引起时间色散，导致信号在频率上的衰落特性（平坦衰落或频率选择性衰落）；多径传播与多普勒频移相