IEEE 802.11用于ad hoc网络的性能问题及改进方法

1、IEEE 802.11用于ad hoc网络的性能问题及改良方法摘要本文介绍了根本的802.11DF协议的操作原理。在AdH中，分析了IEEE802.11在特定网络场景下存在的不同性能问题，及其对高层协议的性能影响。根据仿真记录文件,我们分析了仿真结果并且揭露了这些问题存在的根本原因。最后总结了主要的改良方法。关键词无线自组织网络；A协议；802.11DF；公平性；吞吐量无线adh网络是由一组带有无线收发装置的挪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根底设施。每个挪动节点既作为路由器又作为主机。在adh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

2、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A协议。IEEE802.11DF最初是为无线局域网设计的，然而目前大多数adh网络协议，把IEEE802.11作为底层的通信协议。尽管802.11中的DF机制可以在没有根底设施的情况下挪动的接入无线媒体，但是在多跳性方面不能提供支持。所以在adh网络中使用802.11协议会引起一些性能问题。IEEE802.11DF1继承了带冲突检测的载波监听多址接入SA/A协议。在协议中，为了防止冲突，发送者在发送帧之前要先监听信道的忙闲状态，假如信道空闲并且持续空闲DIFSDFIntervalFraeSpa

3、e的时间，那么发送郑假如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，发送者开场以时隙为单位递减退避时间。假如递减到零，就开场发送；假如在递减过程中信道又变忙，节点就停顿递减时间，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，一样的帧用前面的过程被重传。假如再发生冲突，竞争窗口再加倍直到到达最大竞争窗口。在到达固定重传次数之后，该帧被抛弃，竞争窗口被重置为最校成功传输该帧后，竞争窗口也被重置。图1.IEEE802.11协议的操作过程图1描绘了在通信范围内的三个节点AB。在开场，节点A有

4、帧要发送。因为此时介质是空闲的，所以在DIFS之后节点A发送该郑然后接收者B给出确认。假如在以前的交换还在进展的时候，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和选择在同时开场发送，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，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。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一样的半双工无线链路通信，带宽是2b/s。节点的最大传输范围是250。队列缓

5、存为50个包，且队列是优先丢尾PriDrpTail的方式。路由协议是ADV。仿真时间是200秒。图2.仿真拓扑3.1暴露终端问题AdH网络的多跳共享播送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，报文冲突只是部分事件，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一样。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

6、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TS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TS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制无法解决。假如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

7、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有无RTS/TS时的吞吐量比拟图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间隔 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同时不发送。因为节点1和5是互相独立的，他们同时不发送的时间也是不一致的，所以节点3看到介质忙的时候比另外两个发送者要多。这个在介质方面根本的不平衡导致一个严重的不公平性问题，3到4的

8、流占介质容量的百分之十五左右，然而其它两个流占容量的百分之七十五。在这种网络拓扑下，长期不公平性源于一些发送者是互相独立的，意识不到彼此，从而防止了某个发送者接入介质。图3a显示了随着包的大小每个发送者获得的吞吐量。外边两个发送者的吞吐量随着包的增大而增大，然而中间发送者的吞吐量仍然是常量。如今考虑发送者不在通信范围内，而是在触发EiFS的间隔 内，如图2b所示，这种情况因为使用EIFS更糟糕，因为中间的发送节点不仅要等待另外两个发送者同时不发送，而且必须等待它们同时不发送的时间超过EIFS。和前面的情况相比，由于DF中更长的固定的等待时间，不公平性被加剧。第二类短期公平性问题某个节点的帧连续

9、发送，其它节点只能等待。短期不公平现象是由于802.11中的BEB算法在一个节点成功发送之后把竞争窗口重新设为最小，这样总是有利于前一次成功发送的节点短时间内再次竞争信道。短期不公平现象是由于变化过于剧烈而造成的，所以这一问题的解决可以通过减慢的减小速度。比方乘法增加线性减小算法。3.3吞吐量下降如图3b所示，在adh网络中随着跳数的增加吞吐量下降。在第二个和第三个节点发生多个冲突，又引起EIFS问题。所以有很少的分组到达第四个节点，这个节点传送到目的节点的分组就更少了。我们还发如今图2所示的多跳自组织网络中，有RTS-TS比没有时的吞吐量下降,仿真结果如图3所示。这是因为有RTS-TS时，空

10、间复用的概率减校例如没有RTS-TS时，节点1，2的通信可以和节点4，5的通信同时进展。然而有的时候，假如节点4正在向5发送分组，节点2因为监听到4的RTS并设置其NAV，就不能回复节点1的RTS。所以节点1，2的通信就不能同时进展。这就降低了空间复用的概率，从而导致了吞吐量的大幅下降。3.4对传输层的性能影响和分析在图2中的节点1和节点5之间建立一条TP连接，FTP流从1.0s开场，120s完毕。路由协议为ADV。每隔一秒统计一次TP的吞吐量，结果如图4所示。从图中看出TP流的吞吐量很不稳定。在仿真时间内有屡次到达0，这说明，在相应的1s内，成功发送的TP报文数为0。我们根据仿真的记录文件t

11、raefile来分析造成这种不稳定的原因。图4.TP的吞吐量我们从某一个TP吞吐量为零的时间段来分析，发现节点1没有发送新的TP段的原因是发送方没有收到承受方的AK，而AK没有到达的原因是节点4因到达重传次数的最大值而认为到节点3的链路故障，从而触发新的路由发现过程，直到节点5重新发现到节点1的路由。我们再看一下为什么节点4发送了7次RTS都没有收到节点3的TS。其中一部分原因是因为节点4的发送和节点2的发送在节点3处发生冲突，更主要的原因是，尽管节点3收到了RTS但是由于IEEE802.11DF采用虚载波监听方式，在收到RTS之前，节点3已经收到节点2的用于预留信道的TS，设置其网络分配矢量

12、NAV(NetrkAllatinVetr)，在NAV不为零的过程中节点3并不发送TS。此时显示出了RTS/TS的无效性。当节点1成功发送完一个数据帧之后，它将在0，in-1之间按均匀分布随机选择一个退避时间。而节点4由于屡次重试，按照IEEE802.11DF的二进制指数退避机制，它将在0,2*in-1之间选择退避时间，为已经重发的次数。这样，节点在竞争信道的时候更有利，它将比节点4更早的接入信道发送RTS。这就是不公平性问题。节点2收到RTS后回复TS，节点3收到TS又设置NAV，然后，即使节点3收到节点4的RTS也不回复TS。重复前面的过程，直到最后节点4重发次数超出限制。我们从上面的分析看

13、出传输层的不稳定性源于IEEE802.11的A层。由于暴露站问题和冲突使得中间站无法到达它的下一跳。而802.11DF的BEB退避机制使得这一情况更糟糕。有些拓扑情况可能同时出现上面几种问题。一般在信道容量没有超载的时候，不会出现性能问题。但是由于无线带宽的贫乏和应用需求的不断增加，超载现象时常发生。上面这些问题不是孤立存在的。它们是互相联络，互相影响的。暴露站问题会引起吞吐量的下降，传输层的不稳定。公平性和吞吐量是一对矛盾，一方性能的进步往往会引起另一方性能的下降。如何找到它们之间的折中点常常是人们的研究课题。我们可以从几个方面来改良IEEE802.11DF的性能。目前最主要的方法的是改良退

14、避算法。通过改良退避算法，可以使A协议在吞吐量、公平性、稳定性等一个或几个方面得到性能改善。根据改良退避算法的方法不同，主要又分为以下两类：(1)改良更新规那么类因为网络中节点对信道的竞争剧烈程度并不一定变化很快，成功发送报文后将重置为最小值通常会引起新的碰撞和重传，直到因重传而又增大至合理值，这就造成了网络资源的浪费。同样，在发送失败后，将加倍也可能使退避时间不必要的增大而浪费网络资源。所以可以通过改良的更新规那么使更接近于合理值，可降低碰撞概率，进步网络吞吐量。例如：乘性增加线性减小算法ILD3和指数增加指数减小算法EIED4等都属于这一类。图5是这几个退避算法在公平性方面的比拟，IFI为

15、公平指数，该指数值越小公平性越好。图5.典型退避算法的公平性比拟(2)动态调整参数类根据实时监测网络状况获得的信息动态调整某些参数。文献5为了进步基于节点的公平性，每个节点通过监听信道上发送的报文来计算自己实际获得的信道权重，并与事先定好的目的权重比拟。假如发现所获得权重过高，那么将增大，反之减校这样进步了公平性，却损失了部分吞吐量。文献6基于网络吞吐量最大化的目的提出了一种改良算法，每个节点通过监测虚拟发送周期中的空闲时隙数量来实时估计当前网络中的活泼节点数n,并将设置为最正确值pt(n)，假设n变化那么随之调整。采用改良算法后，系统吞吐量接近理论最大值。同时，由于各个节点采用一样的，因此该

16、算法的短期公平性也很好。除了改良退避算法，还可以调整干扰范围和监听范围，802.11A是基于载波监听的。载波监听范围和干扰范围比通信范围要大，在NS2仿真软件中，前者是后者两倍。在多跳情况下，监听范围和干扰范围越大，网络性能下降就越大。干扰范围大会使得隐藏终端问题严重，而监听范围大会加重暴露终端问题。解决暴露终端问题的一些机制也是有用的。可以考虑用多信道协议来解决暴露终端问题，把数据信道和控制信道别离来消除数据和握手信息的干扰，从而彻底解决这一问题。此外还有一些基于效劳质量的机制。虽然802.11DF是adh网络的现行的A层协议，但是仍然存在着许多性能问题。如文中分析的暴露终端问题，公平性问题

17、，吞吐量下降和传输层的不稳定性问题。我们对802.11用于Adh网络存在的问题和原因进展了详细的分析，并指出理解决这些问题的主要方法和潜在方向。意在给这个领域的研究者作进一步的研究作基矗目前的解决方法只是针对其中的某个问题，还没有协议使这几个性能同时到达最优。这也是我们将来的努力方向。1IEEEStd.802.11,“irelessLANediaAessntrl(A)andPhysialLayer(PHY)Speifiatins.2Thenetrkssiulatrns-2.2022.3BHARGHAVANV,DEERSA,SHENKERS,etal.AA:aediaaessprtlfrirelessLANsA.InPreedingsfASIG1944.Lndn,UK,Spteber1994.212-2254SNGN,KAKB,SNGJ,etal.EnhaneentfIEEE802.11distributedrdinatinfuntinithexpnentialinreaseexpnentialdereasebakffalgrithA.InPreeding