馬元飛 王順利

摘 要： 在802.11 WLAN（Wireless Local Network）中，當(dāng)一些無線節(jié)點(diǎn)的傳輸速率明顯低于其他節(jié)點(diǎn)與AP（Access Point）間的傳輸速率時(shí)，將會(huì)使區(qū)域內(nèi)所有節(jié)點(diǎn)的傳輸性能降低，這種現(xiàn)象稱為效果異常（Performance Anomaly），Hyogon K等人在文獻(xiàn)[6-7]中提出用改變封包容量和競(jìng)爭(zhēng)窗口大小的方式來解決這個(gè)問題。文章通過在NS2網(wǎng)絡(luò)仿真環(huán)境下，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)拓?fù)?，編寫性能分析腳本，對(duì)效果異?，F(xiàn)象進(jìn)行仿真并驗(yàn)證了上述兩種方案能夠有效緩解該現(xiàn)象并保持系統(tǒng)傳輸性能穩(wěn)定。

關(guān)鍵詞： 802.11； 效果異常； 無線局域網(wǎng)； NS2

中圖分類號(hào)：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1006-8228（2013）02-04-03

802.11 performance anomaly study based on NS2

Ma Yuanfei， Wang Shunli

（Computer Department of Jining Normal College， Ulanqab， Neimenggu 012000， China）

Abstract： In 802.11 WLAN， it is found that when a certain number of wireless node communicate with AP used lower transmission rate than other nodes， the transmission performance of all nodes will be decreased in wireless coverage range. This phenomenon is known as the effect of performance anomaly. In order to solve this problem， respectively proposed some solutions are proposed in literature[6-7] through modifying the transmission packet size and contention window size. A network topology is presented， performance analysis script is written， and the effect of performance anomaly is simulated in this paper. Two solutions using NS2 are proposed. Simulation results verify that the above methods alleviate the effect of performance anomaly and also maintain system performance.

Key words： 802.11； performance anomaly； WLAN； NS2

0 引言

無線局域網(wǎng)普遍采用802.1[1]協(xié)議族，其中802.11 a/b/g的使用最為普遍，它們分別使用不同的編碼方式并支持多種傳輸速率。低傳輸速率對(duì)于信號(hào)的抗干擾性較強(qiáng)，高傳輸速率對(duì)于信號(hào)的抗干擾能力較弱。由于實(shí)際應(yīng)用環(huán)境千差萬別，需要在干擾性與傳輸速率間進(jìn)行適當(dāng)權(quán)衡。802.11采用過鏈路調(diào)適（Link Adaptation）方法解決這個(gè)問題，其中常用的做法是利用SNR（Signal-to-Noise Ratio）來判斷網(wǎng)絡(luò)狀況：當(dāng)信號(hào)不良時(shí)，選擇低速傳輸，當(dāng)信號(hào)良好時(shí)選擇高速傳輸。

在無線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，距離與信號(hào)強(qiáng)度成反比，因此遠(yuǎn)距離節(jié)點(diǎn)為了改善信號(hào)質(zhì)量，會(huì)采用較低的傳輸速率來保護(hù)信號(hào)，這樣就會(huì)造成在一個(gè)無線局域網(wǎng)中，多種傳輸速率節(jié)點(diǎn)并存的現(xiàn)象，這種網(wǎng)絡(luò)環(huán)境稱為多重傳輸速度。圖1是一個(gè)802.11b無線網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D，A和B要傳送數(shù)據(jù)到遠(yuǎn)程服務(wù)器，A會(huì)隨著時(shí)間慢慢向外移動(dòng)，傳輸速度會(huì)逐漸從11Mbps調(diào)整為1Mbps。假設(shè)A、B的封包大小不變，則占用信道的時(shí)間與傳輸速率成反比。因此，A的傳輸速率降低時(shí)，很明顯其占用信道的時(shí)間會(huì)變長(zhǎng)，但B占用信道的時(shí)間長(zhǎng)度并未改變，從而導(dǎo)致在相同時(shí)間長(zhǎng)度T中，A和B可以傳送的封包總數(shù)會(huì)降低，這樣除了影響系統(tǒng)的整體效果外，B因?yàn)锳傳輸速度的降低，自己的傳輸效果也會(huì)與A相同，這種現(xiàn)象就稱為效果異常[2]。

圖1 效果異常圖例說明

1 效果異常仿真拓?fù)?/p>

為了仿真效果異?，F(xiàn)象，我們按照?qǐng)D1的無線網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，省略掉其中?duì)于效果異常現(xiàn)象無關(guān)的因素，比如：A、B節(jié)點(diǎn)與服務(wù)器之間的交互過程；用CBR（Constant Bit Rate）簡(jiǎn)化應(yīng)用層數(shù)據(jù)傳輸模式；通過設(shè)置A、B、C節(jié)點(diǎn)之間的間距為隨機(jī)來保證實(shí)驗(yàn)的有效性及結(jié)果數(shù)據(jù)的真實(shí)性；按照上面三點(diǎn)假設(shè)并結(jié)合實(shí)際情況，得到圖2所示的實(shí)驗(yàn)拓?fù)洹?/p>

該無線拓?fù)渚唧w場(chǎng)景（如圖2所示）描述如下：節(jié)點(diǎn)C為固定節(jié)點(diǎn)模擬AP；B、C為移動(dòng)節(jié)點(diǎn)，各自以2Mbps的速率傳送CBR到C；封包大小固定為1000Byte；整個(gè)模擬過程持續(xù)約45s，在0～15s時(shí)間范圍內(nèi)，節(jié)點(diǎn)A、B傳輸速率固定為11Mbps，在15～30s時(shí)間范圍內(nèi)A的速率調(diào)整為1Mbps，并緩慢向外移動(dòng)，30s后A與C的間距超過有效距離，此時(shí)只有B傳送數(shù)據(jù)。

圖2 NS2中仿真無線場(chǎng)景圖

2 效果異常NS2仿真腳本

在NS2[3-4]中，上述場(chǎng)景配置腳本按照如下步驟編寫：①配置無線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境參數(shù)；②設(shè)定節(jié)點(diǎn)位置及移動(dòng)參數(shù)；③配置高層協(xié)議內(nèi)容。每步關(guān)鍵配置代碼與說明如下。

⑴ 無線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境參數(shù)設(shè)置

Channel/WirelessChannel ；# 設(shè)定物理信道類型

Propagation/TwoRayGround ；# 設(shè)定無線傳輸模式

Phy/WirelessPhy ；# 網(wǎng)絡(luò)接口類型

Mac/802_11 ；# MAC層類型

Queue/DropTail/PriQueue ；# 接口隊(duì)列模型

LL ；# 邏輯鏈路層模型

Antenna/OmniAntenna ；# 天線模型

set val（ifqlen） 50 ；# 接口隊(duì)列長(zhǎng)度

set val（rp） DSDV ；# 無線路由協(xié)議

⑵ 節(jié)點(diǎn)位置及移動(dòng)參數(shù)設(shè)置

#設(shè)定節(jié)點(diǎn)B的X坐標(biāo)

$11m_node_（0） set X_[expr 100+[$RVdistance value]]

# 設(shè)定節(jié)點(diǎn)B的Y坐標(biāo)

$11m_node_（0） set Y_[expr 100+[$RVdistance value]]

$11m_node_（0） set Z_0.0 ；# 設(shè)定節(jié)點(diǎn)B的Z坐標(biāo)

⑶ 節(jié)點(diǎn)高層協(xié)議設(shè)置

#設(shè)定節(jié)點(diǎn)A高層通過CBR產(chǎn)生數(shù)據(jù)流

set 11m_cbr_（0） [new Application/Traffic/CBR]

#節(jié)點(diǎn)傳輸層協(xié)議為UDP

$11m_cbr_（0） attach-agent $11m_udp

$11m_cbr_（0） set type_ CBR

#高層數(shù)據(jù)封包大小

$11m_cbr_（0） set packet_size_ 1000：

#高層數(shù)據(jù)傳輸速率

$11m_cbr_（0） set rate_ 2Mb；

3 效果異常性能分析腳本

為了觀測(cè)效果異?，F(xiàn)象以及驗(yàn)證解決方案的有效性，需要編寫性能分析腳本來測(cè)量仿真實(shí)驗(yàn)中吞吐量[5]的變化情況。NS2在模擬過程中會(huì)產(chǎn)生仿真過程記錄文件，里面詳細(xì)記錄了封包的類型、大小、源節(jié)點(diǎn)、目的節(jié)點(diǎn)、時(shí)間等參數(shù)，性能分析腳本只需逐項(xiàng)讀入該記錄并進(jìn)行計(jì)算即可完成吞吐量的測(cè)算，腳本部分代碼及簡(jiǎn)要說明如下。

性能分析腳本：

if （$x[2]-$clock<=$granularity）

{ #計(jì)算單位時(shí)間內(nèi)累積的封包的大小，

$sum=$sum+$x[4]；

#計(jì)算累計(jì)的總封包大小

$sum_total=$sum_total+$x[4]；

}

else

{ #計(jì)算吞吐量，將字節(jié)轉(zhuǎn)化為位

$throughput=$sum*8.0/$granularity；

#記錄最大吞吐量

if （$throughput > $maxrate）

$maxrate=$throughput；

#輸出結(jié)果：時(shí)間 吞吐量（bps）

print STDOUT "$x[2]： $throughput bps＼n"；

#設(shè)置下次要計(jì)算吞吐量的時(shí)間

$clock=$clock+$granularity；

#計(jì)算全部累計(jì)封包大小

$sum_total=$sum_total+$x[4]；

……

}

4 效果異常仿真模擬

在NS2中模擬執(zhí)行第二部分所述網(wǎng)絡(luò)配置腳本并對(duì)產(chǎn)生的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行性能分析，得到結(jié)果如圖3所示。從圖3中可以發(fā)現(xiàn)，在0～15s時(shí)間內(nèi)，A、B節(jié)點(diǎn)的速率均為11Mbps，傳輸數(shù)據(jù)量分別約為2Mbps左右，在15～30s這段時(shí)間內(nèi)，節(jié)點(diǎn)A的速率降至1Mbps，但是節(jié)點(diǎn)B仍保持11Mbps速率不變，但是其效果已降至750Kbps左右，與A接近，而系統(tǒng)整體的效果從4Mbps降至1.5Mbps，此現(xiàn)象即為效果異常。30s之后，由于節(jié)點(diǎn)A移動(dòng)出通信范圍，節(jié)點(diǎn)B又恢復(fù)正常傳輸速率。

圖3 效果異常仿真結(jié)果

5 效果異常解決方案及效果驗(yàn)證

針對(duì)效果異常，文獻(xiàn)[6]中提出通過改變封包大小的方式來提升系統(tǒng)性能，避免效果異常。其中傳輸速度快的節(jié)點(diǎn)使用較長(zhǎng)的幀，傳輸速度慢的節(jié)點(diǎn)使用較短的幀，降低慢速節(jié)點(diǎn)的信道使用權(quán)，以此提高系統(tǒng)性能。

文獻(xiàn)[7]提出通過改變競(jìng)爭(zhēng)窗口的大小，讓傳輸速度快的節(jié)點(diǎn)較容易得到信道使用權(quán)，增加傳輸速度較慢節(jié)點(diǎn)信道使用權(quán)的獲取難度，以此保證系統(tǒng)性能。具體做法如下：CW=CWmin*11/（data_rate），CWmin為初始競(jìng)爭(zhēng)窗口大?。∟S2中默認(rèn)為32），速率與競(jìng)爭(zhēng)窗口大小成反比。

為了驗(yàn)證上述兩種方案的有效性，需要對(duì)無線場(chǎng)景配置腳本進(jìn)行相應(yīng)更改并模擬執(zhí)行，然后對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行性能分析，根據(jù)吞吐量的變化情況分析方案能否抑制效果異常并維持系統(tǒng)性能。

為了模擬封包大小的改變，我們?cè)谀Ｐ驮性O(shè)定的基礎(chǔ)上，將節(jié)點(diǎn)A速率為1Mbps時(shí)的CBR封包大小改為256Bytes，這樣與原來11Mbps時(shí)封包為1000Bytes相比，幀長(zhǎng)明顯降低，信道占用率隨之下降。模擬結(jié)果如圖4所示。從圖4中可以看到，高速節(jié)點(diǎn)B（11Mbps）的曲線相對(duì)低速節(jié)點(diǎn)（1Mbps）的曲線明顯拉開，整體吞吐量提升很多，傳輸效果異常問題得到緩解。

圖4 封包大小對(duì)效果異常的影響

為了模擬競(jìng)爭(zhēng)窗口的大小變化，將11Mbps時(shí)A節(jié)點(diǎn)的競(jìng)爭(zhēng)窗口大小設(shè)置為32，將1Mbps時(shí)的A窗口大小設(shè)置為352，并假設(shè)所有節(jié)點(diǎn)的封包大小相同，均為1000Bytes。模擬結(jié)果如圖5所示。從圖5中可以看到，B節(jié)點(diǎn)速率在A節(jié)點(diǎn)吞吐量降低時(shí)，基本維持不變，A、B吞吐量差距明顯，B節(jié)點(diǎn)并未出現(xiàn)效果異常，系統(tǒng)整體性能基本保持穩(wěn)定。

圖5 競(jìng)爭(zhēng)窗口大小對(duì)效果異常的影響

6 結(jié)束語

本文通過在NS2網(wǎng)絡(luò)仿真環(huán)境下，搭建無線實(shí)驗(yàn)拓?fù)?、配置?shí)驗(yàn)?zāi)_本、編寫性能分析代碼，在虛擬環(huán)境下再現(xiàn)了效果異?，F(xiàn)象；并根據(jù)文獻(xiàn)中描述的解決方案，更改配置腳本，收集并分析結(jié)果數(shù)據(jù)，證明了通過改變封包容量及競(jìng)爭(zhēng)窗口大小可以有效緩解效果異常，保持802.11無線系統(tǒng)傳輸性能。

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