無(wú)線(xiàn)信道干擾概率對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能影響分析

王浩波，黃 偉，劉存才

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北石家莊050081)

0 引言

無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)易受干擾，從而影響通信效果，抗干擾是必須解決的問(wèn)題。以前研究抗干擾大都處于鏈路層以下，集中在擴(kuò)展頻譜技術(shù)及編碼技術(shù)等的研究上。對(duì)于系統(tǒng)級(jí)和網(wǎng)絡(luò)級(jí)抗干擾研究較少。通過(guò)對(duì)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中信道受干擾程度的研究，提出無(wú)線(xiàn)信道干擾概率思想，并依據(jù)干擾概率得到無(wú)線(xiàn)信道的通斷特性及干擾等級(jí)，進(jìn)而分析干擾概率對(duì)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)可靠度和業(yè)務(wù)傳輸成功率的影響。利用OPNET工具進(jìn)行建模，得到不同干擾概率下的仿真結(jié)果，分析干擾概率對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能的影響，為設(shè)計(jì)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)抗干擾路由協(xié)議和提高無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)抗干擾性能提供理論基礎(chǔ)。

1 無(wú)線(xiàn)信道干擾概率

無(wú)線(xiàn)信道的干擾情況與網(wǎng)絡(luò)中干擾源位置、節(jié)點(diǎn)間的距離、無(wú)線(xiàn)信道的方位參數(shù)、無(wú)線(xiàn)信道頻率、干擾方式及節(jié)點(diǎn)/干擾源的移動(dòng)等有關(guān)。

在圖1所示無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中，設(shè)通信機(jī)A的發(fā)射半徑為T(mén)r，干擾機(jī)的發(fā)射半徑為L(zhǎng)r，干擾機(jī)可以干擾在其發(fā)射范圍內(nèi)的通信機(jī)，即當(dāng)通信機(jī)距離干擾機(jī)的半徑小于Lr時(shí)，該通信機(jī)所在節(jié)點(diǎn)就被干擾。

圖1 通信機(jī)A受到干擾源的干擾

隨著干擾條件的變化，各信道受干擾與否及受干擾程度也在變化，通過(guò)引入“無(wú)線(xiàn)信道干擾概率”來(lái)體現(xiàn)無(wú)線(xiàn)信道的受干擾程度。

無(wú)線(xiàn)信道干擾概率定義為在一定的干擾條件下和規(guī)定時(shí)間內(nèi)無(wú)線(xiàn)信道無(wú)法保持連通的可能性。干擾概率大，說(shuō)明無(wú)線(xiàn)信道容易受到干擾并影響連通性;干擾概率小，說(shuō)明無(wú)線(xiàn)信道受干擾可能性小。

2 干擾概率對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能的影響

選擇系統(tǒng)可靠度和業(yè)務(wù)傳輸成功率2個(gè)性能參數(shù)作為通信網(wǎng)絡(luò)考核指標(biāo)，分析無(wú)線(xiàn)信道干擾概率對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能的影響。

2.1 干擾概率對(duì)系統(tǒng)可靠度的影響

無(wú)線(xiàn)信道的干擾概率能夠決定鏈路的通斷特性，進(jìn)而依據(jù)通斷特性計(jì)算網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)可靠度。

在無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中，假設(shè)共有n條無(wú)線(xiàn)信道，每條無(wú)線(xiàn)信道i(i=1，2，……，n)的干擾概率為 Ri，無(wú)線(xiàn)信道的通斷特性函數(shù)為Xi，令:

式中，r為連續(xù)產(chǎn)生的(0，1)區(qū)間上的服從相應(yīng)干擾概率分布的隨機(jī)數(shù)。當(dāng)Xi=1時(shí)，表示無(wú)線(xiàn)信道i處于連通狀態(tài);當(dāng)Xi=0時(shí)，表示無(wú)線(xiàn)信道i處于失效狀態(tài)。

定義網(wǎng)絡(luò)連通性函數(shù)X為:

設(shè)系統(tǒng)進(jìn)行N次模擬取樣，在每次模擬產(chǎn)生系統(tǒng)樣本(即連通性函數(shù)X)后，統(tǒng)計(jì)節(jié)點(diǎn)對(duì)(或所有節(jié)點(diǎn)對(duì))i，j(i，j=1，2，……)之間的連通情況，當(dāng) i與j之間至少有一條通信路由存在時(shí)，記為成功，成功次數(shù)記為Kij。

令:

即得到端到端可靠度。

將式(2)中的Kij統(tǒng)計(jì)成表示所有節(jié)點(diǎn)的連通成功次數(shù)時(shí)，可計(jì)算得到系統(tǒng)可靠度。

2.2 干擾概率對(duì)業(yè)務(wù)傳輸成功率的影響

無(wú)線(xiàn)信道的干擾概率決定干擾等級(jí)，影響到信道的誤碼率，進(jìn)而影響業(yè)務(wù)的傳輸成功率。

采取端端可靠度模型的業(yè)務(wù)加權(quán)平均來(lái)做為業(yè)務(wù)傳輸成功率的測(cè)度指標(biāo)。給出如下業(yè)務(wù)傳輸成功率計(jì)算模型:

式中，Rs為業(yè)務(wù)傳輸成功率，Wij為節(jié)點(diǎn)i與節(jié)點(diǎn)j之間的業(yè)務(wù)加權(quán)因子，Rij為端端可靠度。

式(3)中的Wij的取值取決于節(jié)點(diǎn)i與j之間的信息流量以及它們之間的通信中斷(故障)對(duì)系統(tǒng)完成任務(wù)的影響程度。

Wij按如下取值:

式中:

Wi/Wj為節(jié)點(diǎn)i/j的權(quán)，表示該節(jié)點(diǎn)在系統(tǒng)中占有的重要程度。

3 仿真實(shí)驗(yàn)

3.1 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

通信網(wǎng)的工作過(guò)程可以認(rèn)為是一個(gè)由發(fā)生在不同時(shí)間的隨機(jī)事件組成的離散隨機(jī)過(guò)程，通過(guò)計(jì)算機(jī)仿真對(duì)網(wǎng)絡(luò)中這些離散事件的發(fā)生、變化、終止過(guò)程進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬，并在仿真過(guò)程中統(tǒng)計(jì)網(wǎng)絡(luò)性能參量，進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)性能評(píng)估。

利用OPNET仿真工具，構(gòu)建由 router，switch，server和lan終端等節(jié)點(diǎn)設(shè)備構(gòu)成的通信網(wǎng)絡(luò)，在10 km×10 km范圍內(nèi)，隨機(jī)分布30個(gè)節(jié)點(diǎn)。

在lan終端節(jié)點(diǎn)的應(yīng)用層配置多端網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)，隨機(jī)選擇server節(jié)點(diǎn)作為目的節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)可產(chǎn)生的業(yè)務(wù)平均長(zhǎng)度為512 B，平均業(yè)務(wù)產(chǎn)生間隔為10 min，流量模型服從泊松分布。為便于仿真結(jié)果統(tǒng)計(jì)，業(yè)務(wù)不進(jìn)行拆包處理，一條業(yè)務(wù)對(duì)應(yīng)一個(gè)數(shù)據(jù)包。

各router及switch節(jié)點(diǎn)間的信道使用無(wú)線(xiàn)信道模型，并增加“干擾概率”屬性，在仿真過(guò)程中依據(jù)干擾概率屬性的取值決定業(yè)務(wù)的發(fā)送情況。

3.2 仿真運(yùn)行

設(shè)置運(yùn)行時(shí)間為1 000 h，仿真運(yùn)行過(guò)程步驟為:

①在初始化階段，基于干擾概率，計(jì)算每條信道在不同時(shí)刻的通斷狀態(tài)，依據(jù)通、斷的變化情況設(shè)置仿真中斷，干擾概率時(shí)間間隔默認(rèn)服從負(fù)指數(shù)分布;同時(shí)，將連通次數(shù)、總業(yè)務(wù)個(gè)數(shù)、成功次數(shù)初始化。

②仿真運(yùn)行開(kāi)始，基于業(yè)務(wù)分布到達(dá)時(shí)刻，驅(qū)動(dòng)仿真運(yùn)行，新業(yè)務(wù)到達(dá)時(shí)，檢查次數(shù)累加1次，總業(yè)務(wù)個(gè)數(shù)累加1次。

③業(yè)務(wù)到達(dá)當(dāng)前某個(gè)節(jié)點(diǎn)后，首先虛化該節(jié)點(diǎn)，以避免在選路過(guò)程產(chǎn)生自環(huán)。如果該節(jié)點(diǎn)是業(yè)務(wù)目的地，連通次數(shù)累加1次;計(jì)算可靠度=連通次數(shù)/檢查次數(shù)，計(jì)算業(yè)務(wù)傳輸成功率=業(yè)務(wù)傳輸成功數(shù)/業(yè)務(wù)總個(gè)數(shù);恢復(fù)所有虛化節(jié)點(diǎn)，等待新業(yè)務(wù)中斷。

④如果該節(jié)點(diǎn)是中間節(jié)點(diǎn)，則依據(jù)路由規(guī)則選擇下一跳節(jié)點(diǎn)。

⑤下一跳節(jié)點(diǎn)是虛化節(jié)點(diǎn)，則不連通次數(shù)增加1次，丟包次數(shù)增加1次;計(jì)算可靠度和業(yè)務(wù)傳輸成功率;恢復(fù)所有虛化節(jié)點(diǎn)，等待新業(yè)務(wù)中斷。

⑥下一跳節(jié)點(diǎn)不是虛化節(jié)點(diǎn)，則對(duì)該業(yè)務(wù)進(jìn)行丟包標(biāo)記處理:如果已經(jīng)對(duì)本業(yè)務(wù)進(jìn)行了丟包標(biāo)記，則不進(jìn)行任何處理;如果不存在丟包標(biāo)記，則根據(jù)信道的干擾概率，決定信道的通斷情況，決定是否丟包，丟包次數(shù)增加1次，對(duì)該業(yè)務(wù)進(jìn)行丟包標(biāo)記;將此下一跳節(jié)點(diǎn)設(shè)為當(dāng)前節(jié)點(diǎn)，轉(zhuǎn)第③步。

⑦到達(dá)設(shè)置的仿真時(shí)間后，結(jié)束仿真。

3.3 仿真結(jié)果分析

仿真結(jié)束后，采集并輸出仿真結(jié)果。干擾概率對(duì)系統(tǒng)可靠度的影響如圖2所示。

圖2 干擾概率對(duì)系統(tǒng)可靠度的影響

干擾概率對(duì)業(yè)務(wù)傳輸成功率的影響如圖3所示。由仿真結(jié)果可以看出，系統(tǒng)可靠度隨著無(wú)線(xiàn)信道干擾概率的增加而快速下降，當(dāng)干擾概率達(dá)到65%時(shí)，系統(tǒng)可靠度為0，意味著網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)均無(wú)路徑可達(dá)。業(yè)務(wù)傳輸成功率隨著干擾概率的增加而快速下降，當(dāng)干擾概率達(dá)到55%時(shí)，業(yè)務(wù)傳輸成功率為0。業(yè)務(wù)傳輸成功率變化趨勢(shì)與系統(tǒng)可靠度相同，但在具體值上有所不同，這主要是因?yàn)闃I(yè)務(wù)的傳輸成功率還受到業(yè)務(wù)分布矩陣和業(yè)務(wù)的重要程度等影響。

圖3 干擾概率對(duì)傳輸成功率的影響

4 結(jié)束語(yǔ)

無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中的無(wú)線(xiàn)信道由于受到干擾，導(dǎo)致已經(jīng)建立的數(shù)據(jù)傳輸路徑經(jīng)常斷裂。在無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中引入無(wú)線(xiàn)信道干擾概率的思想，通過(guò)理論計(jì)算和仿真方法分析干擾概率對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能的影響，得到干擾概率與系統(tǒng)可靠度、業(yè)務(wù)傳輸成功率的關(guān)系，仿真結(jié)論可用于設(shè)計(jì)穩(wěn)定路由，有效地減少由于信道受干擾而引起拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的變化對(duì)于路由操作的影響，提高網(wǎng)絡(luò)的整體性能。此外，干擾概率對(duì)于QoS的研究也有重要意義，并且可以與負(fù)載均衡等問(wèn)題結(jié)合起來(lái)，設(shè)計(jì)適合無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的高效路由協(xié)議。

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