无线局域网隐藏节点问题仿真

《无线网络技术》实验六报告单
班级____ _ _ 姓名_____ ___ 学号___ ___
实验日期__ ___ 评分____ 教师签名_______________
实验名称：无线局域网络隐藏节点问题仿真
实验目的：
完用NS2设计一个观测无线网络隐藏节点问题的实验, 并介绍了实验开发过程。

为计算机网络课程的实验教学提出一种新的思路, 有助于学生实践能力和创新能力的培养。

实验内容：
1 隐藏节点问题概述
无线网络隐藏节点问题如图1所示, 若节点A和节点C同时要传送分组到节点B, 但节点A和C都不在对方的传送范围之内, 所以当节点A传送分组给节点B时, 由于节点C 不在节点A的覆盖范围内, 它不能侦听到A在发送分组(此时它认为信道空闲), 这种情况下, 若C向B发送分组, 则发生碰撞, 像这样因为传输距离而发生误判的问题就称为节点隐藏问题。

图1 无线网络隐藏节点现象
为了解决隐藏节点问题, 802. 11DCF协议采用RTS/CTS机制来减少多个节点同时发送数据造成的冲突。

当发送端要发送分组之前, 先送出一个RTS( Request toSend) 控制分组, 告知在发送端传输范围之内的节点不要有任何的发送分组的动作, 这时如果接受端是空闲的, 则回应一个CTS( Clear toSend)控制分组告诉发送端可以开始发送分组。

此CTS控制分组也通知所有在接受端传输范围内的节点不要有任何的发送动作。

由于隐藏节点问题跟传输距离有关, 所以如何计算传输距离跟相对应的参数就很重要, 因此, 必须有一些传输模型来预测在接收端所收到的分组信号强度,目前比较常用的的Free space、Two rayground和Shad-owing模型。

在常用的网络模拟软件NS2中, 有2个参数是描述无线站点的传输和监听范围的, 分别是Receiving Threshold( RxThresh_) 和Carrier sensing
Threshold( CSThresh_)。

当站点监听( Carrier Sense)到无线信号强度小于CSThresh_时, 就认为当前的信道是空闲的。

另一个参数RxThresh_则被用于判断分组能否被接收端成功接收, 若分组的强度大于RxThresh_则认为分组能被成功接收。

TwoRayGround模型中, 计算CSThresh_和RxThresh_的数学模型如下式所示:
式中: P为信号强度; Pt 为发送功率; Gt 为发送端天线增益; Gr 为接收端天线增益; ht 为发送端天线高度; hr为接收天线高度。

2 构建仿真模型
基于上述的理论分析, 本文仿真实验的主要任务就是观测RTS/CTS机制对隐藏节点问题的影响。

仿真的拓扑如图1所示, 节点A、B、C之间的距离为100m, 节点之间的监听范围为150m, 分组有效传送距离为120m, 仿真环境为500m@500m正方形区域, 节点A和B之间建立一条udp连接, 节点A从0. 0~20s以1MB的速率向B发送分组大小为1000Byte的CBR流, 节点B和C之间也建立一条udp连接, 节点C从10. 0~30s以1MB的速率向B发送分组大小为1000Byte的CBR流。

当设定分组的传送距离为120m时, 利用NS2提供的工具threshold我们可以方便地得到传送功率为0. 281838, 发送频率为9. 14*108,发送端天线益为1, 接收端增益为1, 发送端天线高度为1. 5, 接收端天线高度为1. 5, RxThresh_要设定为
6. 88081*10-9。

同样道理, 也可以利用threshold工具得到CSThresh_的值. 81838*10-9。

实验中无线节点的主要参数如表1所示。

3 仿真结果分析
本文实验的主要目的是观察RTS/CTS机制对无线网络吞吐量的影响。

NS2默认情况下
所有的无线传输都使用了RTS/CTS机制。

可以通过设置RT-SThreshold_的值来决定是否使用RTS/CTS机制, 比如说Mac/802_11set RTSThreshold_3000, 这样就相当于分组小于3000时不使用3000bytes时不使用RTS/CTS机制。

运行OTCL仿真脚本后, 实验过程的数据记录在trace文件中, 以下是部分数据示例。

s1. 108000000_0_AGT) 279 cbr 1000[ 0000] )
[ 0:01: 0320] [ 277] 00
D1. 108000000 _0_RTR IFQ 274 cbr 1020 [ 0000] )
[ 0: 01: 0320] [ 272] 00
s1. 112000000_0_AGT) 281cbr 1000[ 0000] )
[ 0:01: 0320] [ 278] 00
D1. 112000000 _0_RTR IFQ 275 cbr 1020 [ 0000] )
[ 0: 01: 0320] [ 273] 00
r 1. 239434334_1_MAC) 294cbr 1020[ 13a10800] )
[ 0: 01: 0321] [291] 10
每条记录共有21栏, 其中第1栏为事件类型, s为分组的发送, r为分组的接收, D为分组的丢弃, f为分组的转发, 第2栏为事件产生的时间, 第3栏为处理该事件的节点ID, 第4栏为trace名称, 第7栏为分组的ID, 第8栏为分组类型, 第9栏为分组大小。

根据trace文件的数据, 计算网络吞吐量的代码如下所示:
BEGIN{ i=0; sum= 0; init=0; }
{ action= $ 1; time= $2; src= $4; type= $ 7; pktsize=
$8;
if action= =0s0&&src = =0MAC0;
sum= sum+ pktsize;
if action= =0r0&&src = =0MAC0&&type= =0cbr0
{ pktbytesum[ i+1] =pktbytesum[ i] + pktsize;
if ( init = =0)
{ start_time= time; init= 1; }
end_time[ i] = time; i= i+ 1; } }
END{
for( j=1; j< ;i j+ +
{ th= pkt_byte_sum[ j] /( end_time[ j]-start_time)* 8/
1000;
printf(/%. 10f\t%. 10f\n0end_time[ j], th); } }
利用上述代码, 在没有使用RTS/CTS机制时, 可以测得节点AyB和节点CyB之间的吞吐量如图2所示, 从中可以发现, 在0~ 10s时, 由于只有A向B发送CBR流, 所以AyB之间的流量比较稳定。

10s之后, 由于C向B发送CBR流, 发生隐藏节点问题, 网络流量急剧下降, 而20s之后, A停止发送CBR流, 隐藏节点问题消失, CyB之间的吞吐量也比较稳定。

当使用RTS/CTS机制时, 测得节点AyB和节点CyB之间的吞吐量如图3所示, 可以看出, 在10~ 20s发生隐藏节点问题时, 图3情况明显比图2好得多, 但仍然有丢包问题的发生。

以上情况有效地证明了/ RTS/CTS机制能有效降低隐藏节点问题, 但不能完全解决隐藏节点问题0的观点。

图2 没使用RTS/CTS机制的隐藏节点现象
图3使用RTS/CTS机制的隐藏节点现象
实验总结：
通过无线局域网隐藏节点问题的实验，我知道了一是有利于培养学生研究和创新能力, 二是有利于加深对学习内容的理解。

面对以能力培养为中心的教学模式, 开发类似的研究性实验项目, 将在培养学生创新能力和综合素质方面发挥更大的作用。