無線多跳網(wǎng)絡(luò)的延遲性能分析

1、無線多跳網(wǎng)絡(luò)的延遲性能分析摘 要:多跳無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)具有廣闊的應(yīng)用前景。研究 如何精確地分析、預(yù)知和保證多跳無線通信路線的端到端延 遲性能非常重要。通過引入一個(gè)延遲違約概率的下限,擴(kuò)展鏈 路層等效帶寬模型，并在不同的信道服務(wù)速率和無線信道條 件下進(jìn)行模擬。分析和仿真發(fā)現(xiàn),與信道服務(wù)速率相比，最大 多普勒頻移對多跳延遲性能的影響更大。關(guān)鍵詞:多跳;無線網(wǎng)絡(luò);延遲；等效帶寬;多普勒頻移中圖分類號(hào):TP393文獻(xiàn)標(biāo)志碼:ADelay performance in wireless multihop networksLIN Ying, XU LiSchool of Mathematics and Com

2、puter Science,FujianNormal University, Fuzhou Fujian 350007,China)Abstract: Wireless multihop networks have a wide range of application forecast. It is crucial to develop feasiblemethodologies and techniques for accurately analyzing, predicting and guaranteeing endtoend delay performance over multih

3、op wireless communication paths. Through extending the linklayer equivalent bandwidth model, a lower bound of delaybound violation probability was derived. Analytical results were verified by extensive computer simulations under different traffic load and wireless channel conditions. Multihop delay

4、performance is proved to be much more sensitive to maximum Doppler rate than channel service rate.Key words: multihop; wireless network; delay; equivalent bandwidth; Doppler rate0引言現(xiàn)有的多跳無線網(wǎng)絡(luò)包括mesh網(wǎng)絡(luò)、Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)和傳 感器網(wǎng)絡(luò)。在這些網(wǎng)絡(luò)中，兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的通信是單跳或者多 跳的，每個(gè)節(jié)點(diǎn)既是終端、接入設(shè)備,又是路由器。多跳網(wǎng)絡(luò) 在目標(biāo)入侵檢測、目標(biāo)跟蹤、戰(zhàn)場勘查、搶險(xiǎn)救災(zāi)、生物醫(yī) 療、生態(tài)監(jiān)測等

5、領(lǐng)域都具有廣闊的應(yīng)用前景? 1。在源節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)包經(jīng)過單跳或者多跳路徑到達(dá)目 的節(jié)點(diǎn)，這依賴于每個(gè)節(jié)點(diǎn)的傳輸范圍和源節(jié)點(diǎn)與目的節(jié)點(diǎn) 之間的距離,以及每個(gè)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)包的速率和傳輸路徑上可用 的鏈路帶寬。在無線多跳網(wǎng)絡(luò)中，為了有效地支持延遲敏感的 應(yīng)用，如森林火險(xiǎn)、軍事領(lǐng)域，精確地分析、預(yù)知和保證多跳 無線通信路線的端到端延遲性能的技術(shù)是至關(guān)重要的。通過映射物理層的關(guān)鍵參數(shù)，包括退化分布、多普勒頻移 以及信噪比,到數(shù)據(jù)鏈路層的參數(shù)，如延遲性能和延遲違約概 率，等效帶寬的概念能夠簡單卻精確地刻畫了數(shù)據(jù)鏈路層的 模式2。本文擴(kuò)展了等效帶寬模型，由分析單跳無線連接拓展 到分析多跳延遲性能,引入一個(gè)延遲違

6、約概率的下限,同時(shí)也 對比了在不同條件下,多跳延遲性能不同。1系統(tǒng)模型如圖1所示,多跳無線網(wǎng)絡(luò)中的一個(gè)路徑包含許多節(jié)點(diǎn)。 每個(gè)節(jié)點(diǎn)都可以產(chǎn)生新的包，并且轉(zhuǎn)發(fā)從鄰居節(jié)點(diǎn)獲得的包。圖2中所示的隊(duì)列模型用來刻畫包在每個(gè)單跳無線鏈路 上的傳輸。假定鏈路是一個(gè)帶高斯白噪聲的無線退化信 道,?w?n?ffl酮?r?n分別為在第n個(gè)采樣時(shí)刻的瞬時(shí)噪聲 水平和服務(wù)?T俾省大？才？圖片圖1多跳無線網(wǎng)絡(luò)的示意圖圖片圖2單跳包傳輸?shù)南到y(tǒng)模型在一個(gè)多跳的路徑中，每個(gè)新的包在節(jié)點(diǎn)上接收都是獨(dú) 立的。本文假定包負(fù)載是統(tǒng)一分布在多跳無線網(wǎng)絡(luò)中。記? E酞?為新到達(dá)包和轉(zhuǎn)發(fā)包的聯(lián)合速率。在數(shù)據(jù)鏈路層上，新 的和轉(zhuǎn)發(fā)的包通常是

7、混合在單隊(duì)列中，并公平地以FIFO準(zhǔn)則 被服務(wù)。記?Q?n為第n個(gè)采樣時(shí)隙的即時(shí)隊(duì)列長度。？才?2多跳延遲分析記隨機(jī)變量?D?i是第i跳穩(wěn)定狀態(tài)隊(duì)列的延遲時(shí)間。 對于單跳無線鏈路來說,D?1?C ?過一個(gè)延遲限制?D?:?max?y母怕士梢雜玫刃T ?寬來表示2:?W ?Pr?D?1ND? - ?max?y (r)?e?-0 (r)D? : ?max?(1)其中?E ?(r)?山酮E ?(r)是等效帶寬中恒定信道服務(wù)速率 r的函數(shù)。等效帶寬的概念表明對于恒定信道吞吐量必須至 少為,其中 r 是 =Y (r)?e?-0 (r)D? - ?max?y 慕 狻8?據(jù)文獻(xiàn)4,?Y (r),0 (r)?

8、P喚黿鍪鞘?學(xué)公式的結(jié)果，這 個(gè)模式有直接的物理意義。？E ?(r)?B氡咴稻砘?分布函數(shù)相 似,?E ?(r)?r蠐攵嗥綻掌狄樸泄叵怠？從式(1)中可以得到等效帶寬模型的累計(jì)分布函數(shù)(Cumulative Distribution Function, CDF)?F?D?1?(x)?山透 怕拭芏群?數(shù)(Probability Density Function, PDF)?f?D?1?(x):?F?D?1?(x)=probD?1 x=1-y (r)?e?-0 (r)x?;xN0?(2)?f?D?1? ?(x)=?d?d?xF?D?1?(x)=v(r)0(r)?e ?-0(r)x?+(1-v(r)

9、6(x)?(3)其中,?E ?(x)?是單位沖擊函數(shù)。?e雜?h跳的普通路徑,?r唇詰愫湍康慕詰闃？間的流量 與新產(chǎn)生的和其他轉(zhuǎn)發(fā)的流量在路由的中間節(jié)點(diǎn)混合在一 起。仿照文獻(xiàn)5的推導(dǎo)過程,可以推出一個(gè)多跳無線網(wǎng)絡(luò)的延 遲下限的累計(jì)分布函數(shù)(CDF)。?F?h(x)=probE hi=1D?ix=1-Ehj=1C?h-1?h-j?X(1-y (r)?h-j?Xy (r)?j-1?X1-?e?-0 (r)x?X(Ej-1i=1(0(r)x)?i-1?(i- 1)!+y(r)(x0 -1?j)!)?(5)這個(gè)延遲違約概率的下限模型將在后文進(jìn)行仿真比較。?n ?1期?？ ?卜鐘鋇?:無線多跳網(wǎng)絡(luò)的延遲

10、性能分析? : ?撲慊?應(yīng)用？ ?n ?30卷3仿真與對比3.1仿真參數(shù)記?S?n為在第n個(gè)采樣時(shí)間間隔里，隊(duì)列中是否有包 在傳輸,S?n=1?n硎居邪?在傳輸,?S?n=0?n硎久揮邪?在 傳輸。如果有包在傳輸則記?T?n?為正在傳輸?shù)陌氖Ｓ?傳輸時(shí)間。?E ?(r)?山酮E泉?B(r)這兩個(gè)重要的參數(shù)可以用N 采樣的方法4精確?撲?:?才？?E ?(r)1NENn=1S?n?(6)?E ?(r)y (r)Xp XNENn=1(p XT?n+Q?n)?(7)在仿真中,可以使用式(6)、(7)來獲得多跳延遲性能的分 析結(jié)果。本文中，發(fā)送端可以知道每個(gè)時(shí)間采樣時(shí)的瞬時(shí)信道 增益?g?n。？?設(shè)

11、置?g?n?為瑞利隨機(jī)變量，加性高斯白噪 聲?w?n?y木?值為0和方差為1。相應(yīng)的瑞利退化信道的 服務(wù)速率?r?n?3梢越?似為瑞利退化信道的吞吐量4:?r?nr?awgn?lb? (1+g?n2)?lb? (1+SNR?-?avg?)?(8)其中了?SNR? - ?avg?是平均 SNR,即？?SNR?-?avg?=E?T|g?n|2，r?awgn?是帶相同？?SNR?:?avg?e檔牡燃鄹咚拱自肷？的吞吐量。仿真中，忽略包的傳輸時(shí)間，因此,1跳無線網(wǎng)絡(luò)的延遲性 能可以近似為隊(duì)列延遲，如,?D?1Q?n/r?n。?表1總結(jié)了一些重要的仿真參數(shù)。表格(有表名)表1仿真參數(shù)參數(shù)數(shù)值信道增益?g

12、?n?瑞利分布加性高斯白噪聲?w?n?b ?值為0,方差為1平均信道吞吐量?r?awgn?150Kbps,250Kbps最大多普勒頻移?f?m?10Hz,20Hz新包和轉(zhuǎn)播包的聯(lián)合速率?E酞?70Kbps采樣時(shí)間間隔?T?s?0 ?1/p ?路由跳數(shù)?h?43.2仿真結(jié)果與分析結(jié)果圖36顯示了延遲違約概率在不同的最大多普勒頻移?f?m?山托諾勞掏鋁開?r?awgn?6饔孟碌那魘仆肌 F渲?，分析結(jié)果是式(5)的計(jì)算結(jié)果。圖片圖 3 ?f?m=10,r?awgn?=250?Kbps?時(shí),延遲違約 概率隨?D? - ?max?n 浠？圖片圖 4 ?f?m=20,r?awgn?=250?Kbps?時(shí)

13、,延遲違約 概率隨?D? - ?max?n 浠？圖片圖 5 ?f?m=10,r?awgn?=150?Kbps?時(shí),延遲違約 概率隨?D? - ?max?n 浠？從圖中可以看出仿真結(jié)果與分析結(jié)果很好地相互符合, 說明文中的模型能夠較好地刻畫多跳網(wǎng)絡(luò)中的延遲性能。3.2.1最大多普勒頻移?f?m?從圖36中可以看出，在服務(wù)速率?r?n?相同的情況下, 延遲違約概率?prob工hi=1D?ix?隨著時(shí)延界限?D?max?y腦齟蠖?急劇減小，特別是當(dāng)最大多普勒頻移 較大時(shí)，延遲違約概率減小得更快。當(dāng)?D?max?=0.02,?r?awgn?X 直鷂？150Kbps 和 250Kbps時(shí)，最大多普勒頻移

14、?f?m?T ?10Hz變化到20Hz,延 遲違約概率?prob修hi=1D?ix?T酉陸盜?17.9%增大到下 降 了?18.1%。圖片圖 6 ?f?m=20,r?awgn?=150?Kbps?時(shí),延遲違約 概率隨?D? ?max?n 浠？3.2.2 服務(wù)速率?r?n?從圖36中可以看出,在最大多普勒頻移?f?m?相同的 情況下，延遲違約概率?prob修hi=1D?ix?隨著延遲界 限?D? ?max?y腦齟蠖?減小，當(dāng)服務(wù)速率?r?n?b 跣e?,延遲違約概率緩慢減小。當(dāng)?D? ?max?=0.02, 最大多普勒頻移?f?m?X直鷂?10Hz和?20Hz?時(shí)了?r?awgn?T ?150K

15、bps 變化到 250Kbps,延遲違約概率? A ?probEhi=1D?i?x?T 酉陸盜?4.8%變化到下降 了？?5.1%。4結(jié)語本文在無線多跳網(wǎng)絡(luò)中引入了一個(gè)延遲違約概率的下 界,并且考慮一個(gè)帶加性高斯白噪聲的瑞利信道和最大多普 勒頻移的流動(dòng)包模型。在不同的服務(wù)速率和無線信道條件下 綜合對比了分析結(jié)果和仿真結(jié)果，本文揭示了多跳延遲性能 同最大多普勒頻移和服務(wù)速率之間的關(guān)系。仿真結(jié)果發(fā)現(xiàn), 與信道服務(wù)速率相比，最大多普勒頻移對多跳延遲性能的影 響更大。參考文獻(xiàn):?1 AKYILDIZ I F,SU W L,SANKARASUBRAMANIAM Y,et al.A survey on s

16、ensor networksJ.IEEE Communications Magazine,2002,40(8):102-114.CHANG C S, THOMAS J A. Effective bandwidth in highspeed digital networksJ. IEEE Journal on Selected Areas in Communications,1995,13(6):1091-1100.MARK B L, RAMAMURTHY G. Realtime estimation and dynamic renegotiation of UPC parameters for arbitrary traffic sources in ATM networksJ. IEEE/ACM Transactions on Networking, 1998,6(6): 811-827WU DAPENG, NEGI R. Effective capaci