基于程控可调衰减方法的移动自组织网络仿真

基于程控可调衰减方法的

移动自组织网络仿真研究博士研究生：赵慧周指导老师：李晓明严伟2006年01月11日程序控制、自动与“固定”相对“连续”可调至“任意值”研究内容实现方法提纲研究背景静态拓扑仿真动态拓扑仿真原型系统仿真有效性实验时间安排研究问题研究背景为什么要做移动自组织网络的仿真研究移动自组织网络仿真研究的主要问题为什么用程控可调衰减方法来实现移动自组织网络的仿真相关研究选择程控可调衰减方法我们的工作目标我们的工作意义我们的研究问题信号衰减方案的理论依据移动自组织网络特点无线多跳网络无线通信介质（时变信道）多跳拓扑（共享抑制、空间重用）拓扑动态变化模拟、仿真与实景实验模拟仿真实景实验关注协议运行过程协议运行结果一般定义虚拟网络上运行伪代码半真实网络上运行真实代码真实网络上运行真实代码用途评估评估、调试评估、调试可重复是是否扩展性好较好差真实性差较好好成本低中高仿真对协议研究的帮助在有线网络研究中就已经被证实与节点数量无关：例1、广播包与单播包传输速率不同例2、节点间近->远与远->近两种情形，可通信的临界距离值不同例：动态场景在实景实验中不可重复移动自组织网络仿真系统的研发工作很有意义移动自组织网络仿真研究的主要问题仿真方法（硬件、软件）静态拓扑仿真动态拓扑仿真可重复性度量选择仿真方法的基本原则有效性（依仿真平台需求而定）连通性仿真（单径路由协议）通信互扰仿真（与各层次性能优化有关）可重复性（仿真系统的必然要求）连通干扰相关研究MobiEmu[MobiHoc02]MAC层过滤、连通性仿真APE[TRIDENTCOM05]MAC层过滤、连通性仿真、实验重复性评估（链路变化性指标、虚拟移动性指标）ORBIT[TRIDENTCOM05]20*20Grid、链路SNR映射、无线接口切换开放性访问、大规模（200309-今，4年）1231-21-32-3相关研究DSPEnginebased[HotNets-II03]解出基带信号后，按照目的地址对信号进行仿真处理，射频信号有线传输EWANT[WCNC03]1in-4out衰减器（程控不可调）、信号衰减及天线放置位置不同仿真距离变化遮蔽+衰减器[MobiHoc01]避免不可控信号干扰、信号衰减变化仿真距离变化（仅设计思想）、射频信号有线传输RAMON[LCN02]三个基站装有程控可调衰减器，仿真一个移动节点在基站间漫游思路：信号衰减仿真距离增大设想或特例拓扑实验选择程控可调衰减方案我们的需求：仿真节点连通性和通信互扰可实现动态拓扑仿真优点：无线信道传输信号方法有效性已被验证程序控制调整拓扑已经找到可选器件要求（基于需求）：以网络拓扑仿真为目标我们的的工作作目标标采用程控可可调衰衰减方方法，以任意拓拓扑仿仿真为目标标，搭搭建可可以仿仿真移移动自自组织织网络络中节点连连通性性和通通信互互扰的仿真真平台台我们的的工作作意义义目标创创新性性：现现有的的仿真真实验验床忽忽略了了对节节点通通信互互扰的的仿真真，我我们的的实验验床采采用程程控可可调衰衰减方方法、、以任任意拓拓扑仿仿真为为目标标，仿仿真节节点连连通性性和通通信互互扰，，可以以将仿仿真有有效性性向前前推进进一步步。方案创创新性性：文文献[WCNC03][MobiHOC01]提出出了用用可调调衰减减器进进行移移动自自组织织网络络仿真真的设设想，，但都都没有有对这这种设设想进进行进进一步步的讨讨论与与分析析。我我们的的工作作深入入分析析了基基于程程控可可调衰衰减方方法进进行移移动自自组织织网络络仿真真的具具体问问题，，并提提出和和设计计了详详细的的软件件和硬硬件系系统。。我们的研究问问题重点研究问题题：静态拓扑仿真真：将任意拓拓扑映射到固固定实验床上上动态拓扑仿真真：如何仿真真节点移动不列为研究问问题：仿真方法（理理论基础、前前人经验、实实验验证）可重复性度量量（拓扑映射射可控制）信号衰减方案案的理论依据据通过调节衰减减器衰减量仿仿真节点间距距离变化无线电波传输输的自由空间间模型人为为降降低低发发射射/接接收收功功率率可可以以仿仿真真节节点点间间距距离离增增大大（（注注：：功功率率以以dBm为为单单位位））提纲纲研究究背背景景静态态拓拓扑扑仿仿真真动态态拓拓扑扑仿仿真真原型型系系统统仿真真有有效效性性实实验验时间间安安排排静态态拓拓扑扑仿仿真真任务务：：通通过过调调节节衰衰减减器器的的衰衰减减量量，，使使实实验验床床可可以以仿仿真真用用户户指指定定的的无无线线多多跳跳网网络络（（静静态态拓拓扑扑））的的信信道道特特征征实质质：：用用户户定定制制拓拓扑扑→→衰衰减减参参量量符号号定定义义————距距离离矩矩阵阵di,j为节节点点i，，j之之间间的的距距离离di,j=dj,i若D为为n*n矩矩阵阵，，即即D描描述述n个个节节点点组组成成的的拓拓扑扑，，则则将将D简简记记为为[di,j]n*n问题题描描述述已知知：：F1、……、、FN为实实验验床床节节点点，，距距离离矩矩阵阵为为U1、……、、UM为用用户户节节点点，，距距离离矩矩阵阵为为求解解：：选自自F1、……、、FN中的的M个个节节点点A1、……、、AM，距距离离矩矩阵阵为为以上上M个个节节点点各各自自对对应应的的衰衰减减器器衰衰减减参参量量为为x1、…………、、xM记：：在衰衰减减参参量量x1、…………、、xM的作作用用下下，，转转化化为为求解解约约束束：：具有有与与相相近近的的无无线线信信道道特特征征同构构拓拓扑扑（（仿仿真真拓拓扑扑））理解解求求解解约约束束具有有与与相相近近的的无无线线信信道道特特征征等值值映映射射区间间映映射射任何同构矩阵都有与之对应的衰减量序列同构矩阵有什么特殊性质？YES如果用户矩阵具有与同构矩阵相同的性质，有解吗？YES求解思路：以最大误差最小化为目标，将用户矩阵转化为具有同构矩阵性质的矩阵节点点连连通通性性和和通通信信互互扰扰相相同同的性性质质共个个关关系系式式，，M个个衰衰减减参参量量的性性质质（（续续））必要要性性：：性质质推推导导过过程程充分分性性：：可以以写写出出一一组组衰衰减减序序列列（（见见前前页页，，带入入方方程程即即可可知知这这就就是是矛矛盾盾方方程程组组的的解解），，即即：：在在此此衰衰减减序序列列下下，，实实验验节节点点拓拓扑扑矩矩阵阵被被仿仿真真为为给给定定矩矩阵阵。。所所以以给给定定矩矩阵阵是是同同构构拓拓扑扑矩矩阵阵。。对任意的i,j组合合，xk都相等匹配有解条条件法求解解静态拓扑扑仿真等值值映射问题题将转转化化成具有性性质的矩矩阵——，，根据和和求求解衰减参参量x1、……、xM转化产生的的最大误差差要尽量小小（选择合合适的M个个节点和k）小结：这种解法求求得的解，，至少有(M-1)条链路误误差为0如果最大误误差能满足足用户需求求，也不错错但是：能找到以““最大误差差最小化””为目标的的最优解吗吗？NO误差链路数数增多，可可能会减小小最大误差差目标：求解以“最最大误差最最小化”为为目标的最最优解最优化方法法求解静态态拓扑仿真真等值映射射问题当确确定后，，求解衰减减参量的问问题可以提提炼为最优优化问题设计变量：：x1、……、xM目标函数：：性能指标：：约束条件：：衰减器有可调范围和精度限制最大误差最小化求解思路：：1、遍历2、(1)证明目标标函数是凸凸函数？(2)迭代代法求解（（收敛性、、复杂性、、每次迭代代设计变量量如何调整整）最优化方法法求解静态态拓扑仿真真等值映射射问题（续续）定义误差矩矩阵迭代法求解解，每次迭迭代调节一一个衰减参参量，使得得误差矩阵阵中绝对值值最大的元元素emax的绝对值减减小，迭代代至满足约约束条件下下emax的绝对值无无法减小为为止遍历所有，，找到到最小的|emax|对应的，，设计计参量x1、……、xM已在迭代过过程中求出出静态拓扑仿仿真区间映映射问题最优化方法法求解静态态拓扑仿真真区间映射射问题当确确定后，，求解衰减减参量的问问题可以提提炼为最优优化问题设计变量：：x1、……、xM目标函数和和性能指标标：约束条件：：最大误差最小化衰减器有可调范围和精度限制求解思路与与等值映射射类似：1、遍历2、(1)证明目标标函数是凸凸函数？？？(2)迭代代法求解（（收敛性、、复杂性、、每次迭代代设计变量量如何调整整？）最优化方法法求解静态态拓扑仿真真区间映射射问题（续）定义误差矩矩阵迭代法求解解，每次迭迭代调节一一个衰减参参量，使得得误差矩阵阵中最大的的元素emax减小，迭代代至在满足足约束条件件下emax无法减小为为止遍历所有，，找到到最小的emax对应的。。设计计参量x1、……、xM已在迭代过过程中求出出与MAC层层过滤技术术相结合以上三种算算法都是以以最大误差差最小化为为求解目标标，其中两两种最优化化解法可以以求出最小小化的最大大误差值eopt。如果eopt无法满足用用户的误差差需求，怎怎么办？———忽略误误差较大的的长距离链链路，与MAC层过过滤技术相相结合。没有被被忽略略的链链路仿仿真误误差满满足用用户需需求被忽略略的链链路仿仿真误误差随随意，，但需需要满满足：：静态拓拓扑仿仿真总总结等值映映射匹配有有解条条件法法最优化化方法法区间映映射最优化化方法法与MAC层层过滤滤技术术相结结合提纲研究背背景静态拓拓扑仿仿真动态拓拓扑仿仿真原型系系统仿真有有效性性实验验时间安安排动态拓拓扑仿仿真思路：：动态态拓扑扑由按按一定定时间间点采采样的的静态态拓扑扑构成成关键问问题：：节点点映射射关系系变化化时如如何处处理问题提提出F1F2F3F4有线网网络t1时刻：U1=F1，，U2=F2，U3=F3，，U4=F4t2时刻：U1=F2，，U2=F1，U3=F3，，U4=F4解决思路：：应用映射射不变，接接口映射变变化动态拓扑仿仿真解决方方案MN1AppMN2AppMN3AppWNI1WNI2WNI3MN4AppWNI4有线网络PS知道任任意时刻应应用映射关关系和接口口映射关系系t1时刻：WNI1=MN1WNI，WNI2=MN2WNI，WNI3=MN3WNI，WNI4=MN4WNIt2时刻：WNI1=MN2WNI，WNI2=MN1WNI，WNI3=MN3WNI，WNI4=MN4WNIPacketScheduler1PacketScheduler2PacketScheduler3PacketScheduler4LAN1LAN2LAN3LAN4任务：MN1App向MN2App发发送数据包包t1时刻：MN1App->PS1->WNI1->WNI2->PS2->MN2Appt2时刻：MN1App->PS1->LAN1->LAN2->PS2->WNI2->WNI1->PS1->LAN1->LAN2->PS2->MN2App提纲研究背景静态拓扑仿仿真动态拓扑仿仿真原型系统仿真有效性性实验时间安排原型系统：：目标部署4至7个配有程程控衰减器器的固定位位置实验节节点支持用户定定制节点数数不超过固固定位置节节点数的静静态/动态态拓扑仿真真提供用户配配置界面配配置实验拓拓扑原型系统拓拓扑结构交换机带有线和无无线接口的的PC机用户界面/控制台PC机无线实验环环境仿真实验床床软件框架架用户操作界界面命令解释器器规则生成器器规则分发器器节点状态管理节点信息管理规则接收器器规则解释器器配置文件生生成器状态态报报告告器器数据据包包调调度度器器衰减减器器控控制制控制制台台节点点PC机机静态拓扑映射算法控制程控衰减器应用及接口映射关系NetFilter框架仿真真实实验验床床无无线线接接口口衰衰减减控控制制串口口SMA接接口口数据据天线线USB接口口电源无线网卡衰减器CPU衰减器控制电压变换DC/DCD0~D6控制电路板节点PC机程控可可调衰衰减模模块中心频频率f0：2.45GHz衰减精精度：：0.5dB(f0±100MHz)1dB(2-3GHz)平坦度：±0.5dB(f0±±100MHz)±1.5dB(2-3GHz)插损：2dB控制bit数数：7切换时间：2µs射频端口：SMA双向工作，且且衰减量相同同管脚电气定义义外观底视图管脚定义部分指标仿真有效性实实验仿真方法有效效性：衰减参参量变化与距距离变化的等等效性实验测量通信范围围、载波侦听听范围（调节节衰减参量或或节点间距离离）仿真系统有效效性：无线多多跳网络信道道特征时变信道信道占用公平平性：隐藏节节点/暴露节节点、模糊邻邻节点通信速率不恒恒定（GreyZone现象）多跳网络空间间重用时间安排2004年1月-2005年6月移移动自组织织网络研究现现状调研2005年7月确定移移动自组织网网络仿真方法法2005年8月-2005年12月月静态拓扑扑仿真等值映映射算法设计计2005年11月-2005年12月动态拓拓扑仿真解决决方案设计2005年12月-2006年1月月静态拓扑扑仿真区间映映射算法设计计2006年1月-2006年4月原原型系统实实现2006年2月-2006年6月论论文撰写及及答辩9、静夜四四无邻，，荒居旧旧业贫。。。12月-2212月-22Friday,December23,202210、雨中黄黄叶树，，灯下白白头人。。。05:41:1805:41:1805:4112/23/20225:41:18AM11、以我独沈久久，愧君相见见频。。12月-2205:41:1805:41Dec-2223-Dec-2212、故人江海别别，几度隔山山川。。05:41:1805:41:1805:41Friday,December23,202213、乍见翻疑疑梦，相悲悲各问年。。。12月-2212月-2205:41:1805:41:18December23,202214、他乡生白白发，旧国国见青山。。。23十二二月20225:41:18上上午05:41:1812月-2215、比比不不了了得得就就不不比比，，得得不不到到的的就就不不要要。。。。。。十二二月月225:41上上午午12月月-2205:41December23,202216、行行动动出出成成果果，，工工作作出出财财富富。。。。2022/12/235:41:1805:41:1823December202217、做做前前，，能能够够环环视视四四周周；；做做时时，，你你只只能能或或者者最最好好沿沿着着以以脚脚为为起起点点的的射射线线向向前前。。。。5:41:18上上午午5:41上上午午05:41:1812月月-229、没有失败败，只有暂暂时停止成成功！。12月-2212月-22Friday,December23,202210、很多事情情努力了未未必有结果果，但是不不努力却什什么改变也也没有。。。05:41:1805:41:1805:4112/23/20225:41:18AM11、成成功功就就是是日日复复一一日日那那一一点点点点小小小小努努力力的的积积累累。。。。12月月-2205:41:1805:41Dec-2223-Dec-2212、世世间间成成事事，，不不求求其其绝绝对对圆圆满满，，留留一一份份不不足足，，可可得得无无限限完完美美。。。。05:41:1805:41:1805:41Friday,December23,202213、不知知香积积寺，，数里里入云云峰。。。12月月-2212月月-2205:41:1805:41:18December23,202214、意志志坚强强的人人能把把世界界放在在手中中像泥泥块一一样任任意揉揉捏。。23十十二二月20225:41:18上上午05:41:1812月月-2215、楚塞三湘湘接，荆门门九派通。。。。十二月225:41上上午12月-2205:41December23,202216、少年十五五二十时，，步行夺得