Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)性能測(cè)試關(guān)鍵技術(shù)研究

本文首先介紹了Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)及其相關(guān)協(xié)議的主要特點(diǎn)，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)特性提出了性能測(cè)試的體系結(jié)構(gòu)。圍繞體系結(jié)構(gòu)中的不同測(cè)試內(nèi)容，提出相關(guān)的測(cè)試方法，并詳細(xì)討論了網(wǎng)絡(luò)性能的評(píng)估手段和測(cè)試環(huán)境的設(shè)計(jì)。

隨著現(xiàn)代通信技術(shù)的進(jìn)步，人們對(duì)移動(dòng)通信需求的不斷增加，移動(dòng)通信系統(tǒng)，如個(gè)人筆記本計(jì)算機(jī)，掌上型PDA設(shè)備等得到了迅速普及。但目前多數(shù)的移動(dòng)通信系統(tǒng)是集中式控制的(有中心的)，網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行要基于預(yù)先架設(shè)好的網(wǎng)絡(luò)設(shè)施。這兩個(gè)特點(diǎn)使得有中心的移動(dòng)通信系統(tǒng)對(duì)有些特殊場(chǎng)合來(lái)說(shuō)并不適用。例如，戰(zhàn)場(chǎng)上部隊(duì)快速展開(kāi)和推進(jìn)、發(fā)生地震或水災(zāi)后的營(yíng)救。這些場(chǎng)合的通信不能依賴(lài)于任何預(yù)先架設(shè)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)施。此時(shí)，需要系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)臨時(shí)快速自動(dòng)組網(wǎng)，結(jié)點(diǎn)要能移動(dòng)。

Ad hoc網(wǎng)絡(luò)是一種有特殊用途的對(duì)等式網(wǎng)絡(luò)。它使用無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)，網(wǎng)絡(luò)中的結(jié)點(diǎn)互相作為其鄰居(在其直接通信范圍內(nèi)的結(jié)點(diǎn))的路由器，通過(guò)結(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)實(shí)現(xiàn)結(jié)點(diǎn)間的通信。它又被稱(chēng)為多跳網(wǎng)絡(luò)(multi-hop network)、無(wú)固定網(wǎng)絡(luò)設(shè)施的網(wǎng)絡(luò)(infrastructure less network)或自組織網(wǎng)絡(luò)(self-organized network)[1]。

由于Ad

12 ALT=圖1：網(wǎng)絡(luò)接入時(shí)延的測(cè)試方法。> hoc網(wǎng)絡(luò)工作在分布式移動(dòng)環(huán)境中，并且網(wǎng)絡(luò)帶寬非常有限，所以要盡量減少通信對(duì)端的交互信息數(shù)量。多跳特性是Ad hoc網(wǎng)絡(luò)的另一個(gè)顯著標(biāo)志。由于結(jié)點(diǎn)的無(wú)線(xiàn)通信距離有限，Ad hoc網(wǎng)絡(luò)中的結(jié)點(diǎn)不一定都在其它所有結(jié)點(diǎn)的直接通信范圍之內(nèi)，而且受電磁干擾，地形干擾或天氣影響，結(jié)點(diǎn)的通信距離也會(huì)有所改變。所以當(dāng)結(jié)點(diǎn)并非直接可達(dá)時(shí)，需要中間結(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)發(fā)才能實(shí)現(xiàn)通信。也就是說(shuō)從源結(jié)點(diǎn)到目的結(jié)點(diǎn)是多跳(multi-hop)連接的。

傳統(tǒng)的基于有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的共享廣播信道接入技術(shù)(ALOHA、CSMA系列)只能在共享的信道上使用。而Ad hoc網(wǎng)絡(luò)具有多跳性，不是共享網(wǎng)絡(luò)。所以Ad hoc網(wǎng)絡(luò)的信道接入?yún)f(xié)議要充分考慮多跳帶來(lái)的隱終端、暴露終端和公平性等問(wèn)題[2,3]。Ad hoc網(wǎng)絡(luò)中結(jié)點(diǎn)是移動(dòng)的。結(jié)點(diǎn)的移動(dòng)性造成網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不斷變化，這對(duì)接入?yún)f(xié)議和路由協(xié)議都提出了新的要求。首先接入?yún)f(xié)議要能夠感知到結(jié)點(diǎn)移動(dòng)造成的鏈路通斷，并把這些信息報(bào)告給路由協(xié)議。路由協(xié)議要根據(jù)鏈路狀態(tài)的變化修改自己的路由表。傳統(tǒng)的基于固定網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議顯然不能直接用于拓?fù)渥兓l繁的 Ad hoc網(wǎng)絡(luò)。所以Ad hoc網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議成了研究的焦點(diǎn)。Ad hoc網(wǎng)絡(luò)中，結(jié)點(diǎn)的移動(dòng)性也會(huì)影響網(wǎng)絡(luò)的性能[4]，這需要相應(yīng)的機(jī)制來(lái)解決。

由于影響Ad Hoc性能的因素很多，并且錯(cuò)綜復(fù)雜，僅僅考慮有限的測(cè)試指標(biāo)并不能夠反映網(wǎng)絡(luò)的真實(shí)性能, 所以Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)性能測(cè)試系統(tǒng)需要對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行全面的分析與理解，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)特性確定測(cè)試內(nèi)容，有針對(duì)性地選擇測(cè)試方法，進(jìn)而構(gòu)建與具體網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用相適應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)測(cè)試環(huán)境。

網(wǎng)絡(luò)性能測(cè)試體系結(jié)構(gòu)

Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)協(xié)議主要包括網(wǎng)絡(luò)接入層協(xié)議(MAC)和路由協(xié)議。不同層次的協(xié)議由于所完成的功能不同，所以具有不同的測(cè)試指針。在網(wǎng)絡(luò)測(cè)試中，要合理評(píng)價(jià)網(wǎng)絡(luò)性能必須充分考慮不同層次的協(xié)議在性能上的差別。同時(shí)，對(duì)于不同的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用來(lái)說(shuō)，各個(gè)層次協(xié)議性能對(duì)網(wǎng)絡(luò)整體性能的影響也不盡相同。

Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)性能測(cè)試按照網(wǎng)絡(luò)功能層次進(jìn)行區(qū)分，主要分為以下三個(gè)方面的內(nèi)容：通信終端物理性能測(cè)試，接入層協(xié)議測(cè)試和路由協(xié)議測(cè)試。

1. 通信終端物理性能測(cè)試

通信終端種類(lèi)很多，包括數(shù)字電臺(tái)、PDA、移動(dòng)筆記本電腦等等。不同的無(wú)線(xiàn)終端由于硬件配置不同，其物理性能也不盡相同。物理性能測(cè)試內(nèi)容主要包括：

12 ALT=圖2：路由重建時(shí)間的計(jì)算方法。>

* 數(shù)據(jù)發(fā)送速率：即終端設(shè)備可支持的最大傳輸帶寬，對(duì)于多信道系統(tǒng)而言，還需要測(cè)試最大可用帶寬。

* 傳播距離：即設(shè)備的通信范圍，主要與終端的發(fā)送功率，接收門(mén)限(信噪比)有關(guān)。多跳網(wǎng)絡(luò)中，傳播距離會(huì)對(duì)網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)潢P(guān)系產(chǎn)生重大的影響，也是MAC層協(xié)議設(shè)計(jì)通常需要考慮的問(wèn)題[2][3]，也是影響網(wǎng)絡(luò)吞吐量的因素之一。

* 差錯(cuò)控制能力：無(wú)線(xiàn)信道通常是不可靠信道，所以需要相應(yīng)的差錯(cuò)控制能力，保證在一定的信道誤碼率下，可以完成正常數(shù)據(jù)通信。

2. 網(wǎng)絡(luò)接入層性能測(cè)試

網(wǎng)絡(luò)接入層(MAC)解決了隱終端和暴露終端的問(wèn)題[2][3]。MAC層協(xié)議的性能會(huì)直接影響網(wǎng)絡(luò)的整體性能。MAC層協(xié)議是Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)協(xié)議的基礎(chǔ)，也是網(wǎng)絡(luò)結(jié)點(diǎn)通信的第一步，只有高效、公平、有序地組織網(wǎng)絡(luò)中的所有通信結(jié)點(diǎn)的鏈路層通信能力，才能保證上層網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)協(xié)議(路由協(xié)議)的正常運(yùn)行。網(wǎng)絡(luò)接入層性能測(cè)試內(nèi)容主要有：

* 接入時(shí)延：結(jié)點(diǎn)從有數(shù)據(jù)需要發(fā)送到數(shù)據(jù)的實(shí)際發(fā)送的時(shí)間間隔。是反映單個(gè)結(jié)點(diǎn)接入效率的重要參數(shù)，但是不能反映網(wǎng)絡(luò)整體性能。

* 網(wǎng)絡(luò)吞吐量：接入?yún)f(xié)議的性能還體現(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)吞吐量上，由于無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)幀的碰撞會(huì)導(dǎo)致所有的發(fā)送方都要退避一段時(shí)間，然后重新發(fā)送數(shù)據(jù)，這就必然對(duì)系統(tǒng)的吞吐量產(chǎn)生影響。

* 優(yōu)先級(jí)：網(wǎng)絡(luò)中的結(jié)點(diǎn)按照優(yōu)先級(jí)排序，優(yōu)先級(jí)高的結(jié)點(diǎn)比優(yōu)先級(jí)低的結(jié)點(diǎn)有更低的平均接入時(shí)延，這一點(diǎn)在同時(shí)承載數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)和話(huà)音業(yè)務(wù)的網(wǎng)絡(luò)中顯得尤為重要。

* 公平性：優(yōu)先級(jí)然保證了優(yōu)先級(jí)高的結(jié)點(diǎn)有更低的接入時(shí)延，但是網(wǎng)絡(luò)接入?yún)f(xié)議還必須同時(shí)保證優(yōu)先級(jí)低的結(jié)點(diǎn)不會(huì)“餓死”，同等優(yōu)先級(jí)的結(jié)點(diǎn)還要有相同或接近的接入時(shí)延參數(shù)。

3. 路由協(xié)議性能測(cè)試

路由協(xié)議的任務(wù)是維護(hù)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，為結(jié)點(diǎn)之間的通信提供及時(shí)準(zhǔn)確的路由信息，保證報(bào)文按照協(xié)議所提供的路徑正確到達(dá)目的結(jié)點(diǎn)。針對(duì)現(xiàn)有Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議的特點(diǎn)，性能測(cè)試主要包括以下幾個(gè)方面：

* 端到端時(shí)延與吞吐量：路由協(xié)議所處理的是源結(jié)點(diǎn)到目的結(jié)點(diǎn)之間的路徑選擇信息，所以源結(jié)點(diǎn)到目的結(jié)點(diǎn)之間(端到端)的行為最直接的測(cè)試內(nèi)容就是時(shí)延和吞吐量。但是，這兩個(gè)參數(shù)都與MAC層協(xié)議的效率直接相關(guān)。