多信道无线信道建模方案

2008年7月

July 2008

计 算 机 工 程Computer Engineering 第34 第13期

Vol 卷.34 No.13 ·网络与通信·

文章编号：1000—3428(2008)13—0081—03

文献标识码：A

中图分类号：TN915

多信道无线信道建模方案

王月丽，李红艳

(西安电子科技大学综合业务网国家重点实验室信息科学研究所，西安 710071)

摘 要：分析OPNET 仿真环境中现有的无线信道建模方案，针对其在多信道仿真中的问题，提出一种新的无线信道建模方案，以弥补原有方案在节点进行信道切换时无法实时侦听信道状态的缺陷，保证动态多信道环境中物理载波侦听的实时性。通过对无线自组织网络多信道MAC 层协议的仿真及仿真数据的分析，验证了新方案适用于多信道网络的场景仿真。 关键词：多信道；自组织网络；MAC 层协议

Radio Modeling Scheme for Multi-channel Wireless Networks

WANG Yue-li, LI Hong-yan

(State Key Lab of Integrated Service Networks and Institute of Information Science, Xidian University, Xi’an 710071)

【Abstract 】The radio model in OPNET is not suitable for multi-channel scenarios. It can not give physical carrier-sensing state correctly while channel is switching. The problems which forbid multi-channel simulations in OPNET are analyzed. A new radio model which supports the transceivers of a node to switch between multiple channels is also proposed. And the radio model with the multi-channel MAC protocol simulations in wireless Ad Hoc network scenarios is certified.

【Key words 】multi-channel; Ad Hoc network; MAC protocol

OPNET 软件提供的无线信道模型，充分考虑了无线信道易受噪声、干扰、多径等因素影响的特点，因此能够十分精确地模拟实际无线环境。然而，该模型只考虑了收发信机处于固定信道时的无线信道特点，不适用于收发信机在多个信道间动态切换的无线网络仿真场景。本文分析了基于现有的OPNET 无线信道模型的多信道MAC 层协议[1-4]仿真中的问题。在此基础上，提出了一种更为精确、高效的适用于多信道仿真的无线信道建模方案。

1 OPNET 无线信道建模简介

1.1 IEEE80

2.11WLAN 节点模型

图1给出了OPNET 中WLAN 节点模型的构造图。

source sink

wlan _mac_intf

wireless _lan_mac

wlan_port _rx0wlan_port_tx0

name

wlan _port_rx0bkgnoise model channel modulation noise figure ecc threshold ragain model power model inoise model snr model ber model error model ecc model

(...)dpsk 1.00.0NONE

wlan _power dra_bkgnoise dra_inoise dra_snr wlan _ber wlan_error wlan _ecc

name

channel

modulation

rxgroup model

txdel model

closure model

chanmatch model tagain model

propdel model (...)dpsk wlan _port_tx0wlan _rxgroup wlan _txdel wlan _chanmatch

wlan _propdel NONE NONE

图1 WLAN 节点模型内部构造图

该模型由6个进程构成，进程间通过包流(实线)或状态线(虚线)相连。包流负责包在进程间的传递，状态线负责传递进程的状态变化信息。源(source)进程模拟高层数据包到达的过程，池(sink)进程模拟数据包上传的过程。MAC 层接口

(wlan_mac_intf)负责将源的数据包传给MAC 层(wireless_lan_ mac)，同时将来自MAC 层的数据包传送给池。MAC 层负责将包传送给无线发信机(wlan_port_tx0)，并对无线收信机(wlan_port_ rx0)收到的包进行处理。IEEE 802.11WLAN 协议的具体实现过程是通过MAC 层和物理层完成的。图1右方上下2个属性列表分别属于发信机和收信机。表中各无线链路模型分别通过相应的管道阶段函数调用来实现，以计算噪声、干扰、多径等无线链路参数。 1.2 无线收发信机管道建模

假设时刻节点开始发包，管道阶段函数调用情况如下：

1t (1)时刻：调用发送节点发信机的管道阶段函数，依次是接收主询(查找并滤除外网节点和发送节点的收信机)、传输时延(计算包在无线信道中的传输时间)、信道匹配(检查接收节点的收信机信道是否与发送节点的发信机信道相匹配)和传播时延(计算包的传播时间)。

1t (2)t 1t +?时刻(开始收包时刻，为传播时延)：

t ?计算接收功率；

if(接收功率大于接收功率门限)

{触发高门限中断，告知MAC 层收信机开始收包； 将收信机结束收包时刻更新为当前包的结束接收时刻； if(收信机空闲) {当前包为有效包； if(收信机正在接收噪声包)

对有效包计算干扰噪声、背景噪声和信噪比； else 对有效包计算背景噪声和信噪比； } 基金项目：国家自然科学基金资助项目(60572145)

作者简介：王月丽(1984－)，女，硕士研究生，主研方向：无线通信网络理论与技术；李红艳，教授

收稿日期：2007-07-27 E-mail ：ylwang@https://www.360docs.net/doc/0e2073361.html,

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else 当前包为噪声包，计算噪声包的背景噪声，然后对正在

接收的有效包依次计算干扰噪声、信噪比及自上一次计算误码率时刻起(若是第一次计算误码率，则从开始发包时刻起计算)至当前时刻的误码率，最后分配误码数； }

else if(收信机处于忙状态)

当前包为噪声包，计算噪声包的背景噪声，并对有效包依次

计算干扰噪声、信噪比及自上一次计算误码率时刻起(若是第1次计算误码率，则从开始发包时刻起计算)至当前时刻的误码率，然后分配误码数；

else 当前包为噪声包，计算噪声包的背景噪声；

(3)时刻(为传输时延)：

1t t T +?+T 结束收包时刻： if(当前包为有效包)

计算自上一次计算误码率时刻起(若是第1次计算误码率，则从开始发包时刻起计算)至当前时刻的误码率，分配误码数，并进行错误纠正；

用低门限中断告知MAC 层收信机结束收包；

2 现有无线信道模型的问题

OPNET 现有的无线信道模型只考虑了收发信机处于固定信道的场景特点，在节点动态切换信道的多信道MAC 层协议仿真中，该方案存在着许多问题。下面仅就单网卡节点模型进行分析，物理层选用IEEE 802.11a 技术。MAC 层协议使用8个互不干扰的信道(1个控制信道和7个数据信道)。每对收、发节点通过控制信道交换控制信息，再随机选取一个空闲的数据信道传输数据。协议的其他内容与原来的IEEE 802.11 MAC 层协议相同。分析时未考虑信道切换时延。 2.1 问题分析

2.1.1 数据信道出现的问题

后发通信抑制先发通信：如图2所示，节点A ,B ,C ,D 均处于彼此的正常通信范围内。时刻，D 在信道1向C 发送数据包。时刻，A 向B 发完CTS 后从信道0切入信道1，B 收完CTS 后也立刻切到信道1。由于时刻A ,B 的收信机已被D 滤除，因此A ,B 听不到D 发的数据包。B 认为时段内信道空闲，并在时刻向A 发送数据。1t 2t 1t 23[,t t t +?]t 3t 3t +?时刻C 检测到碰撞，C ,D 的传输失败。A 与B 的传输则不受影响。

图2 现有方案的问题

管道阶段滞留(图2)：时刻，C 听到碰撞后立刻切到信道0。t 时刻，D 发完数据包后听到信道忙，也切回信道0。但C ,D 的收信机仍停留在信道1的管道阶段，因此C ,D 认为信道0处于忙状态。t 时刻(C ,D 在信道1的结束收包时刻)，C ,D 才认为信道0空闲。

3t +?t t +?45在当前信道接收其他信道的包(图2)：若C 在33(,)t t t +?之间的某一时刻切换信道，C 的收信机将从t 时刻起一直处于信道1的管道阶段，直至结束收包时刻。于是，t 33t +?t +?t 时刻，C 认为信道0变忙。t 时刻，C 才认为信道0空闲。该问题同样存在于控制信道。

52.1.2 控制信道出现的问题

RTS 与CTS 的碰撞(图2)：时刻，D 结束退避，向C 发送RTS 帧。t 6t 6+?t 时刻，C 开始收包。t 时刻，A 发完ACK 并转入信道0。77t +?时刻，B 收完ACK ，也转入信道0。由于A ,B 的收信机在时刻就被D 的发信机滤除，因此A ,B 切完信道后听不到D 发的RTS 帧并认为信道空闲。t 时刻A 开始发RTS 。6t 99t t +?时刻B 也开始发RTS 。时刻，C 结束帧间等待，开始发CTS 。经过不同的传播时延后，A ,B ,C ,D 均

检测到信道冲突(为了实现固定信道场景下物理载波侦听的实时性，OPNET 用一对收发信机模型模拟一部全向天线，仿真时收、发信机可同时工作)。

10t RTS 超时重传(图2)：假设时刻，D 向A 发RTS ，且A 、B 、C 均无数据发送。若A 在之间的某一时刻切到信道0，6t 66(,)t t t +?6t t +?时刻(开始收包时刻)A 将听不到D 发的RTS 。D 只好重传RTS 。

2.1.3 信噪比的变化

如图2所示，由于34(,t t t t )+?+?时间段内D 发的包产生的噪声未被A 的收信机捕获，该时间段上A 认为B 发的包只受到背景噪声的影响，因此信噪比提高了。由于数据帧比控制帧更易受噪声的影响，该问题在数据信道表现得尤为明显。2.2 仿真验证

为了说明2.1节的问题，这里提出一种协议模型：每个节点在传输成功或失败后只等待一个DIFS 间隔，然后继续下一次传输，发完数据帧后的超时等待时间设为SIFS+ACK_ Length (如图3所示，Length 表示传输时延)。协议的其他内容与IEEE 802.11协议相同，物理层选用IEEE 802.11a 技术，数据传输速率取54 Mb/s ，数据包长为1 024 B 。

场景1

场景2

图3 协议模型

节点1~节点4依序排成一行，每个节

点只能听到一跳范围内的邻节点。节点1

与节点2在信道2进行通信。节点3与节点4在信道1完成RTS/CTS 交互，然后切到信道2进行数据传输。节点1与节点3的高层发包率大于MAC 层的处理速率。

场景1中，节点1发第1个包的时间比节点3早?t (?t ∈(SIFS , DATA _Length ))。场景2中?t

△t △t

△t

△t

△t △t △t △t △t

仿真结果见表1(2个场景的仿真数据用斜杠隔开，例如“6/3”表示场景1和场景2下的包速分别为6 000 packet/s 和3 000 packet/s)。

在场景1中，来自节点1和节点3的数据帧在节点2处发生碰撞，因此节点2的数据帧接收速率为0。节点3与节点4正常通信。在场景2中，节点4从节点3收到的数据帧受到节点1发的数据帧干扰，无法正常解码，因此节点4的数据帧接收速率亦为0。可以看出，在OPNET 原有的无线信道建模方案下，信道接入时刻的微小差别，对仿真结果产生了极大影响。

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表1 仿真数据

节点 控制帧发送速率 控制帧接收速率数据帧发送速率 数据帧接收速率节点1 3/3 3/3 3/3 0/0 节点2 3/3 3/3 0/0 0/0 节点3 3/3 6/3 3/3 0/0 节点4

6/3 3/3 0/0 3/0

3 多信道无线信道建模方案

这里提出一种新的无线信道建模方案，以实现多信道

MAC 层协议仿真中物理载波侦听的实时性。

3.1 方案简介

本方案假设节点可在多个互不干扰的信道间进行动态切换。t 1时刻有节点在信道[j ]( j 为信道号)开始发包，管道阶段函数的调用情况如下：

(1)t 1时刻：依次调用与发信机有关的管道阶段函数。进行信道匹配检查时，因为收信机随后可能会切换信道，为了保证每部收信机都能及时调用管道阶段函数对到达的包进行处理，不再滤除与发信机信道不匹配的收信机。

(2) t 1+?t 时刻(开始收包时刻，?t 为传播时延)：

计算接收功率(计算时假设收发信机的信道完全重合)； if(接收功率大于接收功率门限)

{更新收信机在信道[j ]上的结束收包时刻为当前包的结束接收时刻；

if (收信机此时处于信道[j ])

触发高门限中断，告知MAC 层收信机开始收包； if (信道[j ]空闲)

{ 当前包在信道[j ]上为有效包；

if (有噪声包在信道[j ]上传输)

当前包计算干扰噪声、背景噪声和信噪比； else 包计算背景噪声和信噪比； }

else 当前包在信道[j ]上为坏包(无法正常接收的有效包)，计算坏包的背景噪声，并对信道[j ]上正在传输的有效包分别计算当前时刻的干扰噪声、信噪比和自上一次计算误码率时刻起(若是第1次计算误码率，则从开始发包时刻起计算)至当前时刻的误码率，并分配误码数； }

else if (信道[j ]当前时刻处于忙状态)

当前包在信道[j ]上为噪声包，计算噪声包的背景噪声，并对收信机在信道[j ]上正在接收的有效包分别计算当前时刻的干扰噪声、信噪比和自上一次计算误码率时刻起(若是第1次计算误码率，则从开始发包时刻起计算)至当前时刻的误码率，并分配误码数；

else 当前包在信道[j ]上为噪声包，计算噪声包背景噪声；

(3)时刻(结束收包时刻)：

1t t T +?+if (当前包为有效包或坏包)

{ 计算自上一次计算误码率时刻起(若是第1次计算误码率，则从开始发包时刻起计算)至当前时刻的误码率，分配误码数，并进行错误纠正；

if (收信机当前时刻处于信道[j ])

触发低门限中断，告知MAC 层收信机已经结束收包； else 丢掉该包；}

3.2 仿真验证

仿真场景布置：将节点排成一行，源与目的节点分别位于两端，中间为转发节点。各节点发送功率为5 mW ，相邻节点间距120 m 。所有节点均采用单网卡多信道MAC 层协议节点模型[1,3]，物理层选用IEEE 802.11a 技术，数据传输速率为54 Mb/s ，数据包长为1 024 B 。源节点高层缓冲始终处于饱和状态。依次对节点数为4,5,6,8,10,…,40的20个场景分别在2种方案下进行仿真。仿真时间为1 min 。

图4(a)中的4条曲线分别为2种方案下信道切换时延取

200 μs 和80 μs 时，不同节点数的场景中目的节点的吞吐量。

可以看出，在链式场景中，信道切换时延相同时，采用新方

(a)目的节点吞吐量

0100200300400500

节点数量

切回控制信道次数

(b)切回次数

20406080100

120140160rts_200 μs_original

cts_200 μs_original cts _200 μs_new cts_80 μs_original rts_80 μs_new cts_80 μs_new

节点数量

40

发包次数

(c)接收到的错误控制包

图4 2种方案下的仿真结果比较

仿真时规定，节点进入数据信道时若听到信道忙，就立刻切回控制信道。图4(b)中，每段线段的最高点和最低点分别表示新方案下切换时延取80 μs 和200 μs 时，节点切入数据信道后立刻切回控制信道的次数。可以看出，节点切回控制信道的次数随场景中跳数的增加和信道切换时延的下降而增加。采用原方案时，节点切入数据信道时总认为信道空闲，因此该时刻几乎从不切回控制信道。若此时该数据信道上的剩余传输时间小于一个SIFS 间隔，则2次传输可互不影响。因此，采用原方案时，数据信道传输成功的概率较之新方案反而增大了。图4(c)中的曲线分别表示2种方案下切换时延不同时，节点发完RTS 帧后听到碰撞的次数及发送CTS 期间在其载波侦听范围内又有节点开始发包的次数。使用原方案时，节点从数据信道切回控制信道后，无论信道忙闲与否，均认为信道空闲，并开始DIFS 等待与退避。采用新方案后，节点切回控制信道时可立刻获悉信道状态。若节点此时有包要发且信道忙，则等信道空闲后，才开始DIFS 等待与退避。因此，采用新方案后，控制信道上的冲突减少了。由图4(c)可以看出，信道切换时延相同时，节点发完RTS 帧后听到碰撞的次数及发送CTS 期间在其载波侦听范围内又有节点开始发包的次数，采用新方案的场景下均有所减少。

（下转第109页）

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