移动AdHoc网络的仿真框架

1、第14卷第8期 统 仿 真 学 报Vol. 14 No. 8 2002 年 8 月 JOURNAL OF SYSTEM SIMULATIONAug. 2002 文章编 号:1004-731X （2002 08-1100-04移动Ad Hoc网络的仿真框架汪李峰1,2,于全2,戴 浩2,孙小东1,2（1解放军理工大学通信工程学院，南京210016; 2中国电子设备系统工程公司研 究所，北京100039摘要:利用OPNET,提出一个通用的仿真框架用来测试不同的 MAC层、网络 层和节点移动性 的移动Ad Hoc网络路由效率。在该层次型整体框架下，可以设计 不同的节点移动模式、媒体接入 方法和路由方

2、案，比较端到端统计量（端到端时延、 吞吐量和效率，以筛选最有效、最合适的解决方案。关键词:移动Ad Hoc网络（MANET ; OPNET ;仿真框架中图分类号：TP391.9文献标识码:ASimulation Framework for Mobile Ad Hoc NetworkWANG Li-feng1,2, YU Quan2, DAI Hao2, SUN Xiao-dong1,2（Institute of Communication Engineering, Science and Technology University of P.L.A., Nanjing 210016, Chin

3、a;2Institute of China Electronic System Engineering Corporation, Beijing 100039, ChinaAbstract :Using OPNET a general framework is developed to test Mobile Ad Hoc Network (MANET routing efficiency for different Medium Access Control (MAC layers, network layers, and nodal mobilities. With this hierar

4、chical integrated framework, it is possible to design different nodal mobility models, media access methods, and routing schemes, to compare end-to-end statistics （end-to-end delay, throughput and efficiency, and to select the most efficient and suitable solution.Keywords :Mobile Ad Hoc Network （MAN

5、ET; OPNET ; simulation framework1引言移动Ad Hoc网络（Mobile Ad Hoc Network,简 称MANET 1是由一组无线用 户w点组成的自治集合 网。它不需要固定基站支持，无中心管理，可临时组织，并且 具有高度移动性，可广泛应用于军事战术通信、应急通信、临时通信、传感器网络，以及其他需要快速布署、动态组网的通信场合。开发MANET路由协议是当前MANET领域的研究热点。在MANET路由协 议的研究与开发过程中，建模与仿真 是评估不同方案对系统性能影响的一个非常重 要的手段。国外已有很多研究机构对提交的路由协议草案进行建模与仿真,以比较它们的性能。

6、但这些仿真都是针对特定路由协议模型进行的，还没有一个包括MANET环境下的网络层、MAC层、无线信道模型以及节点移动性模型的整体框 架。本文利用OPNET仿真平台，提出一种在不同节点移动 性和MAC协议条件下 MANET执行路由的通用仿真框架。对MANET路由性能的评价有多种不同的度量指标，框架给收稿日期：2002-04-08修回日期：2002-05-14作者简介：汪李峰（1976-,男，安徽桐城人，博士，研究方向为移动ad hoc网 络、路由技术和网络仿真技术；于全（1965-,博导，研究方向为通 信系统与网络仿 真技术；戴浩（1945-,博导，研究方向为计算机网络 路由协议、宽带网等。出了

7、从多种度量角度评估不同路由方案的机制。本文组织如下，第二节描述MANET主要的路由方法；第三节描述包括网络模型、节点模型和进程模型在内的层次 型仿真框架；第四节以AODV路由算法为例， 采用基于IEEE802.11无线局域网标准的MANET ,描述基于通用框架 的一个仿真 实现示例,并给出相应的仿真结果和性能分析；最后给出结论。2路由方法目前IETF的MANET工作组已经提出许多协议草案，这些协议都为适应 MANET网络典型的局限性而提出的，包括高功耗、低带宽和高误码率。根据路由 发现的策略，这些 路由协议一般可以分为两大类4:表驱动路由和源按需路由。(1 表驱动路由：也称为主动路由，每个节点

8、需要维护一个或多个路由表来保存全网一致 的路由信息，节点通过周期性广播路由信息分组，交换路由信息，主动发现路由，在给 定链路费用度量的前提下选用最短路由。目前提交的协议草案主要有DSDV ,WRP,CGSR 等。(2源按需路由：节点不必维护去往其它节点的路由，I谕寸-5010bpj!叩!诙4OfT呻VIJ R即口 GFJira 仅在需要时由源节点启动路由发现进程来创建路由。 一旦路 由建立，就由某种 形式的路由维护过程维护，直到沿源节点发出的每条路径上的任一节点不可达，或不 再需要该路由。 提交的草案主要有 AODV , DSR , TORA , ABR等。第14卷第8期汪李峰，等:移动Ad

9、Hoc网络的仿真框架？ 1101?表驱动路由是一种先应式路由方案，而源按需路由是一 种反应式路由方案，两种 方法在路由效率、系统开销等方面各有优缺点，因此又有将两者相结合的混合型路 由方法，如ZRP协议。ZRP协议在区域内采用主动路由，以提高效率；在区域间采用按需路由，以减少开销。它综合了源按需路由 和表驱动路由两者的优点。在实际工 程应用上，往往更多的 是采用混合型的路由方法。在我们的整体仿真框架中，可以研究在不同网络环境下 上述路由方法的应用，通 过多种度量来比较它们的性能。本框架易于定义和测试不同方法下多种链路费 用。3仿真框架本节提出仿真MANET环境的一般性框架。由于对 MANET的

10、不同层次还没 有最终的标准，本框架提供了一种 便利的方法，可在不同层次上测试和比较各种不同 的方案。OPNET是OPNET公司开发的商用仿真平台，支持各 类通信网络和分发系 统的模拟与仿真，通过离散事件仿真来 分析模型化系统的行为和性能2。利用OPNET,我们将MANET建模分为3级。第一级 为网络级,主要是网络拓 扑的描述；第二级是组成该网络拓 扑的各类节点模型的描述。 一个节点模型类似一 个多进程的堆栈。第三级即最后一级是组成节点模型的各个进程的描 述。这些进 程模型被设计成用C代码实现的有限状态机。3.1网络模型网络由N个移动节点组成，依次为0, 1,2, -N随机地分布在X*的矩形 区

11、域中，通过无线链路通信。图1所示为网络模型。ChinaAll rights reserved.Publishing House, http:/ HYPERLINK 1994 2010Academic Journal ElectronicAjau-ttnj-siTjx图1网络模型为简单起见，我们约定网络拓扑只随节点移动而变化。3.2节点模型网络中的每个节点由它的IP地址唯一标识。所有节点 都具有相同的节点模型 其模型如图2所示。节点模型试图 重现OSI协议栈，只是为强调路由实现而将某些 层次合理地省略了，因为开发仿真框架的主要目的是为 MANET路由实现提供试 验床。节点模型由以下进程模块组成：

12、l source模块:产生数据业务流，根据设定的分组大小和到达间隔分布产生分 组。到达间隔时间可以在仿真期间 选择。分组一旦产生，立即发送到下层 (application ; l application模块:为上层引入的分组设置一个随机 的目的地址，根据内 部通信接口(ICI格式向路由层产生一个服务请求，分组与ICI 一起被发送到routing 模块；l routing模块:节点模型的核心，接收来自应用层 的PDU，执行路由算法。各类 不同的路由算法、不同的链 路费用度量都可以在该层次上进行测试和比较；l wireless_mac模块:用来仿真链路层随机接入信道 协议，可以测试CSMA/CD、

13、 ALOHA、FAMA或者TDMA等多种MAC层协议。l wlan_rx + wlan_tx模块:定义物理层模型 桢拟天线 在无线信道上发送和接收 分组，天线一般采用无方向性模式。l sink模块:接收来自application模块处理过的 分组，记录各种端到端统计量，然后废弃该分组。l mobility模块:根据预先定义的移动模式改变当前 节点的位置，来执行节点的移 动。图2移动节点模型进程模型节点模型中每个进程模块是由一个进程模型来实现的 ，每个进程模块可以根据 系统方案的不同而选用不同的进程 模型。每个进程模型都是一个用 C代码实现的 有限状态机（FSM。为了测试和评价不同的节点移动模式

14、、媒体接入方法和 路由设计方案下的系统整体性能，MANET仿真框架主要关注的进程模型有路由进程模型、物理层与链 路层模型，以及节点移动模型。sink mobility sourcewlan_txWlan_rx系 统 仿真 学 报2002 年 8月？ 1102?进行详细的描述第四节将结合具体例子对这几种主要进程模型的实现4实现示例本节具体给出上节提出的MANET通用仿真框架的一 个简单实现，并给出仿真 结果。网络由在1000m 500m区域内的16个无线移动节点组 成。所有节点都是平 等的，随机地分布在该区域中。下面就节点模型中的routing模块、wireless_mac模块、wlan_rx和

15、wlan_tx模块，以及mobility模块选择的相应进 程模型，给出各进程 模型的实现。路由进程模型这里以典型的按需路由协议 AODV （Ad-hoc On-demand Distance Vector为例，描 述路由算法的建模与仿真。 AODV是专门为MANET应用而设计，主要特点是采 用 DSDV算法的逐跳路由方式、序号机制和周期性广播信 标,并结合DSR算法中的按 需路由机制。协议的实现主要 分为路由发现、路由维护两个阶段。路由发现:源节点向邻居广播一个路由请求包（RREQ ,邻节点再向各自的邻居 转发，直到找到目的节点或有足够新”的一条路由的某个中间节点；转发RREQ 时，中间节点记

16、下收到的第一个RREQ包的邻居地址，以建立反向路径；RREQ到达 目的节点或具有足够新路由的中间节点后，目的节点/中间节点向首次收到RREQ 的邻居单播一个路由应答 包（RREP来响应。RREP经由反向路径往回发送，该路径 上的节点都在各自的路由表中建立起前向路由记录，指向发出RREP的节点。路由维护：如果源节点发生移动，可以重新启动路由发 现进程寻找新路由；如果 路径的中间节点发生移动，则由其上游节点向自己的每个活动上游节点广播链路失 败通知（度量为无穷大的RREP以通知它们删除该部分路由。这些 节点依次向上 游节点发送该链路失败通知消息，直到源节点 收到该消息；如果仍需要路由，源节点 会重

17、新启动至目的节 点的路由发现进程。该协议的一个选项是hello消息的使用，节点定期本地 广播hello消息，用来维护 节点的本地连通性。但hello消息不是必需的，节点可以利用多种技术，包括监听数 据包的重 传，来保证下一跳是否仍然可达。 Hello消息可以列出移动 节点可达的其它节点，从而对网络连通性能有更多的了解。本文中路由进程模型根据向IETF提交的AODV第9版草案draft-ietf-manet-aodv-09.txt 5来开发。算法具体实现的 FSM如图3所示。物理层与链路层模型OPNET支持对物理层和MAC层的简单仿真，它提供了一些标准模型，开发者 也可以根据需要进行建模与仿真，

18、ycoqcuiic onui叫I6W5010凤心 力州内* cutrucf卜叩盛再诋HQncTus布;1其叩VII仙即席图3 AODV有限状态机开发所需的物理层和 MAC层模型。我们以跳频方式、BPSK调制信号、简单瑞利衰落信道 为例。物理层由一个 发射机和一个接收机组成，具有电台传 输模型、无线信道模型和接口模型。这些模型是在由OPNET提供的C源码中定义的2。模型中的链路层是采用分布式协调函数（DCF的IEEE802.11协议模型。我们对 OPNET开发的无线局域网模 型Wireless_Lan（802.11进行了一些改进，消除与节点 移动的相关性，从而更增强了该模型的独立性。每个节点都有

19、一个或多个无线网络接口 ，所有接口都具 有相同的类型，通过一条 定义的物理信道相连。当一个网络 接口发送分组时，它将分组传输到适当的物理信 道对象。该对象计算从发送节点到信道上的每个节点的传输时延，并为每个节点安排一个分组接收事件。这个事件通知网络接口，新分组的第一个比特已经到达。这时,被接收的分组功率将 与两个不同的值进行比较：载波侦听门限，接收门限。在它 传送到MAC层之前，如果接收信号的功率低于载波侦听门限,那么分组将被认为是 噪声;如果接收信号的功率高于载 波侦听门限但低于接收门限，那么分组被标为错误 分组;否则，作为正确分组送到MAC层。一旦MAC层接收到一个分组，它将检查接收状态是

20、否 处于 空闲”。如果忙，当 正在处理的分组的接收功率比到达的新分组的功率高出某个阈值（这里设为10DB 时，将丢弃到达的分组，允许接口继续当前的工作；否则,则认为发生冲突。如果 MAC层空闲，当接收的分组从网络接口向 上提交时，它将简单的计算分组的传输时 问,为自己提供一个 分组接收完毕”的事件。当这个事件发生时，MAC层证实分组 无误，进行目的地址过滤，然后提交协议栈。4.3节点移动模型移动进程模型主要负责模拟节点的移动。 目前已提出了多种用户移动性模型， 这里考虑随机waypoint模型6。节点 首先在网络空间中计算一个随机目的点，然 后以随机选择的 恒定速度向该点移动。 到达该点后，节

21、点暂停一个等待时间，第14卷第8期汪李峰，等:移动Ad Hoc网络的仿真框架? 1103?ycsqmuic 如皿网 EjecitouicIddi-30J0pgb:MMAft*cqcrue(bnpj印!吨 hmzg”B71A 叫VJI U即口CP呼图4 waypoint移动性模型FSM4所示。再计算下一个目的点。用有限状态机表示如图节点i的位置记为i i i y x P -=;记所有节点的相对距离为：EE丰-=N iNii PP D;在每个节点发生移动后，计算一次相对距离。当节点i移动到位置ycsqwic lontus gjiscaouicJddi-3010pgb:MM*cqcruGrbnpj!

22、砰!用守VJI 4即博CP叩i P后，相对距离为：EE丰-=N iNii P P D ;在仿真时间Sim_T内,总的相对距离为：EE-=?=ttDD D D Total _则，移动性因子（Mobility Factor可表示为:D Total Factor Mobility _=对所有节点规范化后的Mobility Factor为:ycgqc叫c orn_u町臼8no叩】讪十5010卜叩厚肌口8h01TziL转总心中VII门即用Factor Mobility Factor Mobility _NT Sim D D N T Sim DTotal tx -= x =E 在仿真模型中，节点移动速度在

23、0, Max_Speed之间服从均匀分 布。4.4性能度量与仿真结果VC9QCUJJC pnLU3 EIdCfUMJgI战4-50 JOHone-lesGLAeq,VIIq即臼CP呻 考虑两种节点最大移动速度:20 m/s和100 m/s;两种节 点暂停时间：60 s和120 s, 进行不同的移动性条件下协议性能 的比较。每个节点分组业务流的到达时间问隔 服从指数分布，参数设为1.0 4节点通信距离为200 m。仿真时间设为600 4为了评估MANET不同路由协议的性能，我们需要考 虑不同的定量度量。当然, MANET的特点也要求我们必须考虑多种评价因素。在这个整体仿真框架中，我们 计算以下统

24、计量：I;VG毗胪叫G NHLU町E【的1叫G】漪中5010b叫!那jdW H0n绮gGLABCfVII 唧CPPra -端到端时延（Delay -端到端吞吐量（Throughout -效率（Efficiency -平均跳数 （Average Hops -开销（Overhead对于不同的移动性条件下，仿真结果如图5、6、7、8所示。图5表明节点移动性越大，分组平均的端到端时延越 大。这是由于网络拓扑变 化越大，路由会发生变化或重新发现，从而使分组的转发时间变长。图6表明随着节点移动性的增加，端到端吞吐量下降。 这是由于节点的频繁移 动引起网络拓扑变化，网络需用更多时间来寻找路由、竞争信道。图7

25、表明路由效率随节点移动性的增加而急剧下降，这也符合理论分析和实际 情况,节点频繁移动会产生路由中 断和丢包。图8反映的是在不同的本地连通性支持方案下的效率和归一化开销情况。如第4节所述，可采用多种方案来支持本地连通性。这里 采用四种方案进行比较：不执行任何连通 性管理（None、MAC层的通知（MAC、用 Hello消息（Hello ,以及既使用Hello消息又使用MAC层通知（Hello图5平均时延vs移动性图6吞吐量vs移动性图7效率vs移动性图8效率、开销vs连通性方案+MAC。显然，本地连通性管理的使用减少分组的丢弃(J转第1108页系 统 仿 真 学 报2002年8月I前中3010w

26、aciA 叩VII明晔 ：图4甩100%负荷动态过程曲线Jdd1-5O1Opub邛梯队他匕。四bnpiiptiiS Honl2CLAGqVII哂型cy9 C图5甩100%负荷时的现场动态过程曲线4结论基于仿真的目的，本文对水轮机调节对象关键模型进行了改进，采用分段拟合与解析运算相结合的方法，导出了简单的函数形式，简化了计算过程，使模型可适用于水轮机 的所有工况范围。引 水系统的水击模型中系数是时变的，本文采用新的动态迭代方法，使得求解方法简单 精确度高，即使输入为任意规律也可求解。该方法对于某些不便直接求 解的时变系统也有借鉴意义。系统可靠性分析和融合试验结果都表明该方法效果很好，它具 有通用

27、性。参考文献:1 Jones I J, Billings S A. Mean levers nonlinear analysis and identification J. Intl. J. Control, 1993, 58: 1033-1052.2张德干 ,赵海.A Fusion Approach for Multi-sensor Hetero-geneous Information of Hydroelectricity System A. The 7th International Computer Conference, 2000, 8. 235240. 3张德干,赵海.Fuzzy-

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