基于ＮＳ２的ＩＥＥＥ ８０２．１６ Ｍｅｓｈ模式的功能模型與仿真

摘 要：IEEE 802.16定義了無(wú)線城域網(wǎng)物理層（PHY）和媒質(zhì)接入控制層（MAC）標(biāo)準(zhǔn)，其MAC支持點(diǎn)到多點(diǎn)和Mesh兩種模式。為了滿足Mesh模式網(wǎng)絡(luò)研究中可擴(kuò)展仿真平臺(tái)的需要，根據(jù)IEEE 802.16—2004標(biāo)準(zhǔn)提出了基于NS2的Mesh模式功能仿真模型。該模型將Mesh模式的物理層和媒質(zhì)接入控制層的必要功能分成相對(duì)獨(dú)立的幾個(gè)功能模塊，每個(gè)模塊都可以在NS2仿真中用面向?qū)ο蟮腃++類實(shí)現(xiàn)其功能，具有很好的可擴(kuò)展性。基于該模型，擴(kuò)展了NS2，實(shí)現(xiàn)了Mesh模式的協(xié)調(diào)分布式調(diào)度功能和算法。通過(guò)建立仿真環(huán)境，對(duì)協(xié)調(diào)分布式調(diào)度三次握手時(shí)間和TCP數(shù)據(jù)流的吞吐量性能進(jìn)行了仿真。根據(jù)仿真結(jié)果，分析了其性能改進(jìn)的措施。

關(guān)鍵詞：IEEE 802.16 Mesh模式； NS2； 功能模型； 協(xié)調(diào)分布式調(diào)度

中圖分類號(hào)：TP393.1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1001-3695(2008)08-2505-04

Functional model and simulation of IEEE 802.16 Mesh mode based on NS2

YOU LEI， WANG Yi-fan， ZHANG Yong， MAO An-feng， CAI Jie， SONG Jun-de

(School of Electronic Engineering， Beijing University of Posts Telecommunications， Beijing 100876， China)

Abstract: IEEE 802.16 standard has specified the physical (PHY) layer and medium access control (MAC) layer of wireless metropolitan area networks. The MAC layer supports point-to-multipoint (PMP) and Mesh mode. To meet the need for a scalable simulation platform in the study of Mesh mode networks， this paper proposed the functional simulation model of Mesh mode based on the IEEE 802.16—2004 standard and NS2. In this model， it divided the operation of MAC and PHY layer of Mesh mode into several independent function modules， so that every module could be implemented using a object-oriented C++ class in NS2， and thus had scalability. Furthermore， implemented the coordinated distributed scheduling and mini-slot allocation algorithm of Mesh mode in NS2 based on this model. It designed some simulation scenarios to analyze the performance of the three-way handshaking time and throughput of the TCP flow. It proposed several suggestions to improve the performance based on the results of simulation.

Key words:IEEE 802.16 Mesh mode; NS2; functional model; coordinated distributed scheduling

IEEE 802.16是IEEE為無(wú)線寬帶城域網(wǎng)制定的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。它定義了物理（PHY）層和媒質(zhì)接入控制（MAC）層規(guī)范。PHY層支持單載波、OFDM和OFDMA調(diào)制方式，其工作頻段為2~11 GHz和10~66 GHz。MAC層基于TDMA，定義了點(diǎn)到點(diǎn)（PMP）和Mesh兩種網(wǎng)絡(luò)模式^[1]。在PMP模式下，通信僅發(fā)生在用戶站與基站之間。而在Mesh模式下，通信還可以在用戶站之間發(fā)生。與基站沒(méi)有直接通信的用戶站需要在相鄰節(jié)點(diǎn)的輔助下通過(guò)多跳中繼的方式建立通信鏈路。使用Mesh方式可以獲得更高的吞吐量、更大的覆蓋范圍^[2~4]。同時(shí)，相對(duì)基站而言，具有Mesh組網(wǎng)能力的用戶站成本較低，從而降低了網(wǎng)絡(luò)建設(shè)成本。

網(wǎng)絡(luò)仿真是在設(shè)備和系統(tǒng)開(kāi)發(fā)前期對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能分析和優(yōu)化的有效方法。NS2（network simulator 2）^[5]是學(xué)術(shù)界和工業(yè)界應(yīng)用最廣泛的網(wǎng)絡(luò)仿真工具。為了研究PMP模式的性能和開(kāi)發(fā)相關(guān)的技術(shù)，多個(gè)基于IEEE 802.16 PMP模式的仿真模塊已經(jīng)在NS2上實(shí)現(xiàn)^[6，7]。目前，基于PMP模式的系統(tǒng)已經(jīng)開(kāi)發(fā)出來(lái)并開(kāi)始商用。但是Mesh模式還缺少開(kāi)放的、較為系統(tǒng)的仿真環(huán)境，標(biāo)準(zhǔn)中很多關(guān)于調(diào)度算法的開(kāi)放性問(wèn)題沒(méi)有得到深入研究。在文獻(xiàn)[8]中，微軟公司的研究人員開(kāi)發(fā)了基于802.16 Mesh的簡(jiǎn)單仿真平臺(tái)驗(yàn)證分布式控制子幀調(diào)度性能，但該仿真平臺(tái)屬于公司內(nèi)部研究使用。為了分析Mesh網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的性能和驗(yàn)證提出的算法的有效性，亟待一個(gè)開(kāi)放源代碼的可擴(kuò)展的802.16 Mesh仿真平臺(tái)。為此，本文首先根據(jù)IEEE 802.16—2004標(biāo)準(zhǔn)和NS2面向?qū)ο蟮姆抡嫠枷耄岢隽薓esh模式仿真的功能模型。該模型對(duì)標(biāo)準(zhǔn)中的不影響性能的部分協(xié)議進(jìn)行了簡(jiǎn)化，將其MAC層和PHY層的必要功能分成幾個(gè)獨(dú)立的功能仿真模塊，便于在NS2仿真中用一個(gè)C++類實(shí)現(xiàn)，簡(jiǎn)化了仿真設(shè)計(jì)，具有可擴(kuò)展性。筆者基于該模型，擴(kuò)展了NS2，實(shí)現(xiàn)了Mesh模式的協(xié)調(diào)分布式調(diào)度，并進(jìn)行了仿真分析。

1 Mesh 模式的調(diào)度機(jī)制和幀結(jié)構(gòu)

IEEE 802.16 Mesh模式采用基于OFDM的時(shí)分復(fù)用（TDMA）的方式共享信道。對(duì)于時(shí)隙分配，Mesh模式有三種幀調(diào)度方法，即協(xié)調(diào)分布式、非協(xié)調(diào)分布式和集中式調(diào)度^[1]。

分布式調(diào)度用三次握手的機(jī)制來(lái)協(xié)商幀時(shí)隙的調(diào)度。每個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送自己的帶寬請(qǐng)求和當(dāng)前的時(shí)隙調(diào)度信息到它的一跳鄰居；鄰居節(jié)點(diǎn)根據(jù)本地調(diào)度情況授予帶寬；源節(jié)點(diǎn)會(huì)將接收到的帶寬授予消息重發(fā)給目的節(jié)點(diǎn)以確認(rèn)協(xié)商成功；隨后源節(jié)點(diǎn)就可以根據(jù)授予的帶寬發(fā)送數(shù)據(jù)。協(xié)調(diào)和非協(xié)調(diào)的分布式調(diào)度方式的區(qū)別是其控制消息的發(fā)送是否會(huì)產(chǎn)生沖突。協(xié)調(diào)分布式調(diào)度控制消息以一種無(wú)沖突的方式發(fā)送，而非協(xié)調(diào)方式可能產(chǎn)生沖突。

集中式調(diào)度方式與PMP模式相似，網(wǎng)絡(luò)中所有流量的調(diào)度由Mesh基站（MBS）統(tǒng)一調(diào)度。每個(gè)Mesh用戶節(jié)點(diǎn)（MSS）向MBS發(fā)送自己的帶寬請(qǐng)求，同時(shí)也中繼其子節(jié)點(diǎn)的帶寬請(qǐng)求。MBS根據(jù)請(qǐng)求信息產(chǎn)生帶寬授予消息，發(fā)送給相鄰的MSS。MSS也需要將接收到的授予信息轉(zhuǎn)發(fā)給它的子節(jié)點(diǎn)。所有節(jié)點(diǎn)根據(jù)接收到的帶寬授予消息來(lái)獨(dú)立計(jì)算全局調(diào)度表，確定授予本節(jié)點(diǎn)的發(fā)送時(shí)隙范圍。

Mesh模式的幀結(jié)構(gòu)如圖1所示。每個(gè)幀被分成兩個(gè)子幀，第一個(gè)是控制子幀，用于發(fā)送控制消息；第二個(gè)是數(shù)據(jù)子幀，用來(lái)發(fā)送數(shù)據(jù)包。控制子幀分為兩類：第一類是調(diào)度子幀，用來(lái)發(fā)送集中式調(diào)度消息（MSH-CSCH）和集中式調(diào)度配置消息（MSH-CSCF）、分布式調(diào)度消息（MSH-DSCH）；第二類是網(wǎng)絡(luò)控制子幀，用來(lái)發(fā)送網(wǎng)絡(luò)接入消息（MSH-NENT）和網(wǎng)絡(luò)配置消息（MSH-NCFG）。MSH-NENT用于節(jié)點(diǎn)的入網(wǎng)和測(cè)距（ranging）；MSH-NCFG中包含了拓?fù)湫畔ⅰ⒕W(wǎng)絡(luò)控制信息和網(wǎng)絡(luò)管理消息。網(wǎng)絡(luò)控制子幀周期性出現(xiàn)，其周期是可配置參數(shù)。每個(gè)控制子幀由MSH-CTRL-LEN個(gè)發(fā)送機(jī)會(huì)（transmit opportunity）組成，每個(gè)發(fā)送機(jī)會(huì)大小為七個(gè)OFDM符號(hào)。對(duì)于網(wǎng)絡(luò)控制子幀，第一個(gè)發(fā)送機(jī)會(huì)分配給MSH-NENT消息，其余是MSH-NCFG消息。對(duì)于調(diào)度控制子幀，前MSH-CTRL-LEN—MSH-DSCH-NUM個(gè)發(fā)送機(jī)會(huì)分配給MSH-CSCH和MSH-NCFG，剩下的分配給MSH-DSCH。

數(shù)據(jù)子幀是由256個(gè)微時(shí)隙（minislot）組成。IEEE 802.16—2004標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于微時(shí)隙分配算法和保留方式?jīng)]有作具體的規(guī)定，目前是一個(gè)開(kāi)放性的研究課題。具體算法依賴于不同的應(yīng)用、網(wǎng)絡(luò)的信道狀況和流量要求。2 基于NS2的Mesh模式的功能模型

NS2使用分層結(jié)構(gòu)和面向?qū)ο蟮腃++語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的協(xié)議棧。每層均被抽象成一個(gè)C++類。各層不同的協(xié)議或算法都要繼承對(duì)應(yīng)的抽象類，覆蓋相應(yīng)的成員函數(shù)或變量，從而實(shí)現(xiàn)不同的功能。筆者根據(jù)NS2這種分層和模塊化的設(shè)計(jì)思想，將IEEE 802.16—2004標(biāo)準(zhǔn)中Mesh模式的MAC層分為五個(gè)獨(dú)立的功能仿真模塊。這些模塊的實(shí)現(xiàn)保證了MAC層控制報(bào)文正確處理和數(shù)據(jù)有效調(diào)度。PHY層也是一個(gè)獨(dú)立的模塊，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的OFDM調(diào)制解調(diào)和收發(fā)功能。各模塊及其相互關(guān)系如圖2所示。

1)邏輯連接管理

邏輯連接管理主要作用包括通過(guò)MSH-NCFG建立和維護(hù)本節(jié)點(diǎn)的邏輯連接（包括分布式調(diào)度和集中式調(diào)度連接）及其隊(duì)列；將從上層接收的協(xié)議數(shù)據(jù)單元（PDU）轉(zhuǎn)換成MAC服務(wù)數(shù)據(jù)單元（MSDU），并且根據(jù)數(shù)據(jù)報(bào)文的目的地址將MSDU放在相應(yīng)邏輯連接的隊(duì)列中等待調(diào)度。

與PMP模式不同，Mesh模式不是面向連接的，所以這里的邏輯連接并不表示一個(gè)面向連接的數(shù)據(jù)流，而表示一個(gè)邏輯鏈路。在集中式調(diào)度中，邏輯鏈路是本節(jié)點(diǎn)與其父節(jié)點(diǎn)之間的無(wú)線鏈路；在分布式調(diào)度中，則是表示本節(jié)點(diǎn)與其所有一跳鄰居之間建立的無(wú)線鏈路。入網(wǎng)過(guò)程中，節(jié)點(diǎn)和鄰居會(huì)為它們之間的鏈路協(xié)商一個(gè)8 bit的link ID，作為邏輯連接的連接標(biāo)志（CID）的一部分。

2) MAC管理

MAC管理模塊執(zhí)行MAC主要的管理和控制功能，主要作用有：MSH-NENT、MSH-NCFG、MSH-CSCH、MSH-CSCF和MSH-DSCH等管理消息的接收、處理和發(fā)送控制；數(shù)據(jù)子幀調(diào)度和控制子幀調(diào)度的控制。

3) 控制子幀調(diào)度

控制子幀主要用來(lái)確定五種控制管理消息的發(fā)送機(jī)會(huì)在控制子幀中的位置。IEEE 802.16標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)于Mesh模式控制子幀的調(diào)度算法明確規(guī)定三種不同的調(diào)度算法。MSH-NENT使用盡力而為的調(diào)度；MSH-NCFG和MSH-DSCH使用分布式選舉調(diào)度；集中式調(diào)度的MSH-CSCH和MSH-CSCF消息使用基于樹(shù)型路由的調(diào)度。對(duì)這三種算法的具體描述可以參考文獻(xiàn)[1]。控制子幀調(diào)度模塊就是通過(guò)這三種調(diào)度算法，計(jì)算控制管理消息發(fā)送機(jī)會(huì)位置，為幀發(fā)送定時(shí)控制（見(jiàn)5）中）提供消息發(fā)送的幀號(hào)和幀內(nèi)發(fā)送機(jī)會(huì)號(hào)。計(jì)算方法可以參照文獻(xiàn)[9]。

4) 數(shù)據(jù)子幀調(diào)度

數(shù)據(jù)子幀調(diào)度實(shí)際上就是數(shù)據(jù)子幀中256個(gè)微時(shí)隙的分配。256個(gè)微時(shí)隙中前MSH-CSCH-DATA-FRACION(可配置參數(shù))個(gè)是用于集中式調(diào)度，由BS統(tǒng)一分配；256-MSH-CSCH-DATA-FRACION個(gè)是用于分布式調(diào)度，通過(guò)本地協(xié)商的方式分配。無(wú)論是集中式調(diào)度還是分布式調(diào)度的分配，IEEE 802.16標(biāo)準(zhǔn)中都沒(méi)有明確的規(guī)定，可以根據(jù)不同的應(yīng)用要求設(shè)計(jì)不同性能的調(diào)度算法（本文實(shí)現(xiàn)的為時(shí)隙分配算法見(jiàn)第3章描述）。本模塊包含minislot管理功能，用于記錄網(wǎng)絡(luò)中微時(shí)隙資源的使用、空閑、請(qǐng)求和授予情況。

5) 幀發(fā)送定時(shí)控制

控制子幀調(diào)度的結(jié)果是為控制消息確定一個(gè)幀號(hào)和幀內(nèi)發(fā)送機(jī)會(huì)號(hào)；數(shù)據(jù)調(diào)度的結(jié)果是確定本節(jié)點(diǎn)在數(shù)據(jù)子幀內(nèi)分配的微時(shí)隙范圍和起始微時(shí)隙的位置。幀發(fā)送定時(shí)控制模塊根據(jù)這些調(diào)度結(jié)果確定本節(jié)點(diǎn)需要在當(dāng)前幀中的哪些位置發(fā)送數(shù)據(jù)或發(fā)送占用的時(shí)隙范圍，利用NS2中定時(shí)器（timer）超時(shí)，發(fā)送報(bào)文。

TDMA網(wǎng)絡(luò)傳輸是建立在嚴(yán)格的網(wǎng)絡(luò)同步基礎(chǔ)上的，IEEE 802.16 Mesh網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)是根據(jù)接收到的MSH-NCFG報(bào)文進(jìn)行同步的。每個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送的MSH-NCFG消息中都包含自己的發(fā)送機(jī)會(huì)號(hào)，接收到的MSH-NCFG消息的節(jié)點(diǎn)會(huì)根據(jù)其中的發(fā)送機(jī)會(huì)號(hào)計(jì)算出本幀的開(kāi)始時(shí)間，從而與網(wǎng)絡(luò)中其他節(jié)點(diǎn)同步。

6) OFDM PHY層

物理層實(shí)現(xiàn)報(bào)文的調(diào)制、解調(diào)、發(fā)送和接收功能。Mesh模式采用基于OFDM的物理層。OFDM將一組數(shù)據(jù)比特轉(zhuǎn)換成恒定長(zhǎng)度的OFDM符號(hào)，由多個(gè)正交的載波攜帶。每個(gè)OFDM符號(hào)攜帶的數(shù)據(jù)比特?cái)?shù)取決于數(shù)字調(diào)制方式、編碼方式以及占的帶寬。標(biāo)準(zhǔn)支持多種調(diào)制方式和編碼方式，它們的選擇依賴于具體的信道狀況。可以通過(guò)測(cè)距過(guò)程獲得當(dāng)前信道的狀態(tài)，從而選擇不同的編碼調(diào)制方式。

3 協(xié)調(diào)分布式調(diào)度的NS2擴(kuò)展

上述Mesh模式功能仿真模型將必要的MAC層和PHY層功能分成相對(duì)獨(dú)立的幾個(gè)功能模塊，可以用C++類實(shí)現(xiàn)各自的功能，具有很好的可擴(kuò)展性。仿真功能的擴(kuò)展和算法改變時(shí)，只要繼承相應(yīng)的類和重新實(shí)現(xiàn)其成員函數(shù)功能即可，減少了算法驗(yàn)證仿真的工作量。基于這個(gè)仿真模型，筆者在NS2中實(shí)現(xiàn)了Mesh模式的協(xié)調(diào)分布式調(diào)度機(jī)制和微時(shí)隙分配算法。

所設(shè)計(jì)的Mesh模式協(xié)調(diào)分布式調(diào)度模塊主要C++類的繼承和關(guān)聯(lián)關(guān)系、類的主要成員變量和功能函數(shù)如圖3所示。其中，Mac802_16Mesh類和OFDMPhy類實(shí)現(xiàn)Mesh功能模型中的MAC層和PHY層。它們分別繼承NS2中已有的Mac類和WirelessPhy類。類ConnectionManager、MacManager和MeshFrameTiming對(duì)應(yīng)功能模型中的MAC層的邏輯連接管理、MAC管理和幀定時(shí)控制，將它們用于在Mac802_16Mesh類中定義成員對(duì)象。而Data_schduler類和Control_scheduler類對(duì)應(yīng)功能模型中的數(shù)據(jù)子幀調(diào)度和控制子幀調(diào)度功能，用于在MacManager類中定義成員對(duì)象。下面按照協(xié)調(diào)分布式調(diào)度報(bào)文處理流程闡述C＋＋類實(shí)現(xiàn)的功能和仿真設(shè)計(jì)思路：

a）Mac802_16Mesh的sendDown()函數(shù)接收上層報(bào)文，根據(jù)目的地址從connectionManager類中查找對(duì)應(yīng)的link ID和CID。如果找到，加上MPDU包頭，通過(guò)enqueue()放到對(duì)應(yīng)的邏輯鏈路的發(fā)送隊(duì)列中緩沖，等待數(shù)據(jù)子幀調(diào)度模塊的調(diào)度。如果沒(méi)有找到，則丟棄。

b）協(xié)調(diào)分布式調(diào)度要通過(guò)節(jié)點(diǎn)之間調(diào)度控制消息的三次握手來(lái)實(shí)現(xiàn)。控制子幀的無(wú)沖突發(fā)送由Control_scheduler類完成。其中，MeshElection()根據(jù)兩跳鄰居的調(diào)度信息（即XmtHoldoffExp和NextXmtMx兩個(gè)參數(shù)^[1]，在MSH-NCFG中廣播）分布式地競(jìng)爭(zhēng)自己MSH-NCFG和MSH-DSCH的發(fā)送機(jī)會(huì)。競(jìng)爭(zhēng)結(jié)果記錄在MeshFrameTiming類中，函數(shù)send_ncfg() 和send_dsch()完成timer到時(shí)發(fā)送報(bào)文。

c）MacManager負(fù)責(zé)MAC層管理消息的處理。Process()負(fù)責(zé)接收屬于MAC層的控制和調(diào)度消息，根據(jù)消息的類型調(diào)用不同的處理函數(shù)。為了便于報(bào)文的收發(fā)和處理，使用結(jié)構(gòu)體來(lái)表示不同MAC層消息的格式。消息的具體格式可以參考文獻(xiàn)[1]的6.3.2.3節(jié)。NeighborDB類是記錄一跳和兩跳鄰居信息的鏈表，相當(dāng)于標(biāo)準(zhǔn)中的物理鄰居列表。成員指針nbs_保存一個(gè)鄰居的信息，主要包括節(jié)點(diǎn)ID、MAC地址和控制調(diào)度等信息。

d）Data_scheduler通過(guò)DS_Request()、 DS_Grant()、 DS_ACK()三個(gè)過(guò)程來(lái)發(fā)送三次握手調(diào)度的交互信息。DS_MinislotAllocation()是目的節(jié)點(diǎn)根據(jù)MinislotManager類中的DS_Minislot_table表和當(dāng)前鄰居的請(qǐng)求信息分配微時(shí)隙的。本文目前實(shí)現(xiàn)的協(xié)調(diào)分布式調(diào)度中，采用盡力而為的分配算法，即目的節(jié)點(diǎn)根據(jù)本地微時(shí)隙使用情況，盡量滿足源節(jié)點(diǎn)的請(qǐng)求。如果因?yàn)檎?qǐng)求數(shù)太多，不能滿足所有請(qǐng)求，則進(jìn)行平均分配。節(jié)點(diǎn)可以根據(jù)授予的微時(shí)隙在數(shù)據(jù)子幀發(fā)送時(shí)（MeshFrameTiming中的send_data()）調(diào)度發(fā)送相應(yīng)的邏輯連接隊(duì)列中的報(bào)文。

e）OFDMphy類實(shí)現(xiàn)Mesh的OFDM物理層收發(fā)報(bào)文的功能。物理層可以處于不同的狀態(tài)。當(dāng)處于發(fā)送狀態(tài)（OFDM_send），所有從信道接收的報(bào)文都要丟棄；當(dāng)處于接收狀態(tài)（OFDM_recv），不可以發(fā)送任何報(bào)文。物理層支持多種數(shù)字調(diào)制方式，不同的調(diào)制方式具有不同的發(fā)送速率。函數(shù)getTrxTime()用來(lái)根據(jù)不同的調(diào)制方式計(jì)算一定長(zhǎng)度報(bào)文的發(fā)送時(shí)間。

計(jì)時(shí)器在NS2這樣的基于事件驅(qū)動(dòng)的仿真中有重要作用。它確定事件的發(fā)生時(shí)間，并進(jìn)行相應(yīng)的處理。本模塊使用的timer類有兩種：一種是直接繼承NS2中的timerHandler，用于Mesh frame類中的發(fā)送定時(shí)，這類計(jì)時(shí)器超時(shí)調(diào)用MeshFrameTiming類中的發(fā)送函數(shù)發(fā)送數(shù)據(jù)或控制報(bào)文；另一種是繼承NS2handler的MeshTimer類，它用來(lái)派生標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的入網(wǎng)控制的計(jì)時(shí)器（T23、T24和T25）和計(jì)算報(bào)文接收時(shí)間的Mesh_RxTimer。T23、T24和T25到時(shí)調(diào)用MacManager類的expire()函數(shù)根據(jù)計(jì)時(shí)器類型進(jìn)行相應(yīng)的處理，而Mesh_RxTimer超時(shí)調(diào)用Mac802_16Mesh中的receive()函數(shù)進(jìn)行報(bào)文接收處理。

由于篇幅的關(guān)系，在這里只說(shuō)明仿真設(shè)計(jì)的思想，函數(shù)的具體實(shí)現(xiàn)不再贅述。

4仿真及性能分析

本章通過(guò)所實(shí)現(xiàn)的NS2擴(kuò)展模塊，分析Mesh模式協(xié)調(diào)分布式調(diào)度和所實(shí)現(xiàn)的微時(shí)隙分配算法的性能。仿真參數(shù)如表1所示。表1中的EXP值用來(lái)表示XmtHoldoffExp。文獻(xiàn)[1]中規(guī)定，一個(gè)節(jié)點(diǎn)在得到一次發(fā)送機(jī)會(huì)后，必須等待2XmtHoldoffExp+4個(gè)發(fā)送機(jī)會(huì)后才能再次競(jìng)爭(zhēng)發(fā)送機(jī)會(huì)。這個(gè)值是個(gè)可設(shè)置參數(shù)，它決定節(jié)點(diǎn)信道競(jìng)爭(zhēng)時(shí)間，是協(xié)調(diào)分布式調(diào)度的一個(gè)重要參數(shù)。

表1 仿真參數(shù)

仿真參數(shù)值拓?fù)浞秶?00 m×200 mEXP (XmtHoldoffExponent)0，1，2， 3，4仿真時(shí)間100 sMSH-CTRL-LEN16MSH-DSCH-NUM16節(jié)點(diǎn)傳輸距離250 m調(diào)制編碼QPSK-1/2帶寬7.68 Mbps4.1 節(jié)點(diǎn)間三次握手時(shí)間

協(xié)調(diào)分布式調(diào)度三次握手時(shí)間反映了節(jié)點(diǎn)之間一次資源請(qǐng)求和授予協(xié)商過(guò)程占用的時(shí)間，是協(xié)調(diào)分布式調(diào)度性能的重要指標(biāo)。本文設(shè)置四個(gè)場(chǎng)景，其節(jié)點(diǎn)數(shù)分別為10、30、60、120。每個(gè)場(chǎng)景進(jìn)行五次仿真，每次設(shè)置節(jié)點(diǎn)的EXP值（即XmtHoldoffExp值）分別為0、1、2、3、4。三次握手時(shí)間（縱坐標(biāo)以發(fā)送機(jī)會(huì)（TxOpp）個(gè)數(shù)為單位）的仿真結(jié)果如圖4所示。

仿真結(jié)果表明，EXP值相同情況下，相鄰節(jié)點(diǎn)越多，三次握手平均時(shí)間越長(zhǎng)。這是由于相鄰節(jié)點(diǎn)越多，控制報(bào)文的發(fā)送競(jìng)爭(zhēng)越大，導(dǎo)致發(fā)送平均時(shí)間變長(zhǎng)。對(duì)于相鄰節(jié)點(diǎn)數(shù)為較低時(shí)（如10、30），三次握手平均時(shí)間隨著EXP增加而增加。但是相鄰節(jié)點(diǎn)數(shù)較大時(shí)（如60、120），隨著EXP增加，三次握手平均時(shí)間先降低后增加。這是由于相鄰節(jié)點(diǎn)越多，控制報(bào)文的發(fā)送競(jìng)爭(zhēng)越大，但是EXP的增加緩解了競(jìng)爭(zhēng)程度。這就使得控制報(bào)文平均發(fā)送時(shí)間相對(duì)減少，從而三次握手時(shí)間也縮短。

4.2 微時(shí)隙分配算法的性能

在第3章的DS_MinislotAllocation()函數(shù)中實(shí)現(xiàn)了盡力而為的微時(shí)隙分配算法。設(shè)置如下場(chǎng)景驗(yàn)證其性能：網(wǎng)絡(luò)中有10個(gè)節(jié)點(diǎn)，都在各自通信范圍內(nèi)。其中節(jié)點(diǎn)0的EXP為0，節(jié)點(diǎn)1~3的EXP為1，節(jié)點(diǎn)4~6的EXP為2，節(jié)點(diǎn)7~9的EXP為3。SS1-9分別與SS0建立TCP連接。各個(gè)節(jié)點(diǎn)的平均吞吐量如圖5所示。

仿真結(jié)果表明，隨著EXP增大，TCP連接的平均吞吐量下降。相同EXP的節(jié)點(diǎn)，TCP平均吞吐量基本相同。這是因?yàn)門CP流總是試圖占用最大帶寬，因而每次請(qǐng)求帶寬比較大。節(jié)點(diǎn)0不能滿足所有帶寬請(qǐng)求，根據(jù)本文設(shè)計(jì)的算法，節(jié)點(diǎn)會(huì)給當(dāng)前所有請(qǐng)求平均分配帶寬。但是，節(jié)點(diǎn)EXP值越大，一定時(shí)間內(nèi)申請(qǐng)次數(shù)越少，因而申請(qǐng)到的資源比EXP值小的節(jié)點(diǎn)少，TCP吞吐量較低。

4.3 性能改進(jìn)分析

從以上仿真和分析中可以看出，EXP值對(duì)于協(xié)調(diào)分布式調(diào)度的性能有很大影響。在網(wǎng)絡(luò)的鄰居（兩跳內(nèi)）節(jié)點(diǎn)數(shù)較少情況下，可以設(shè)置較小的EXP值（0，1）；鄰居（兩跳內(nèi)）節(jié)點(diǎn)數(shù)較多情況下通過(guò)增加EXP值減少競(jìng)爭(zhēng)，從而減少三次握手時(shí)間。如果是移動(dòng)節(jié)點(diǎn)場(chǎng)景，可以根據(jù)周圍節(jié)點(diǎn)數(shù)變化，自適應(yīng)地改變EXP值。

對(duì)于數(shù)據(jù)調(diào)度，需要找出EXP值和請(qǐng)求信息發(fā)送間隔的關(guān)系。在微時(shí)隙分配時(shí)，根據(jù)發(fā)送間隔加權(quán)分配，發(fā)送間隔越大，分配的微時(shí)隙越少，從而保證資源分配的公平性。

后續(xù)工作就是基于開(kāi)發(fā)的Mesh仿真平臺(tái)，研究鄰居節(jié)點(diǎn)數(shù)與EXP值設(shè)置和不同EXP值的節(jié)點(diǎn)微時(shí)隙分配權(quán)重大小選取。進(jìn)一步根據(jù)不同的應(yīng)用擴(kuò)展Mesh平臺(tái)功能，研究基于優(yōu)先級(jí)和QoS的調(diào)度機(jī)制。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文根據(jù)IEEE 802.16—2004標(biāo)準(zhǔn)和NS2面向?qū)ο蟮姆抡嫠枷耄ㄟ^(guò)將Mesh模式的物理層和媒質(zhì)接入控制層功能分成幾個(gè)獨(dú)立的功能模塊構(gòu)建了IEEE 802.16 Mesh模式功能仿真模型。此模型具有很好的可擴(kuò)展性。基于此模型擴(kuò)展了NS2，實(shí)現(xiàn)了協(xié)調(diào)分布式調(diào)度，并進(jìn)行了仿真和性能分析。分析結(jié)果表明，EXP值對(duì)于協(xié)調(diào)分布式調(diào)度性能有很大影響。可以根據(jù)不同的應(yīng)用場(chǎng)合設(shè)置不同的EXP值，并根據(jù)不同的EXP設(shè)置計(jì)算不同的微時(shí)隙分配權(quán)重，從而增強(qiáng)性能、增加調(diào)度的公平性。

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