基于程控可调衰减方法的移动自组织网络仿真研究57482

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,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*20 Grid、链路SNR映射、无线接口切换,开放性访问、大规模,（200309-今，4年）,1,2,3,1-2,1-3,2-3,相关研究,DSP Engine based,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,我们的工作目标,采用,程控可调衰减方法,，以,任意拓扑仿真,为目标，搭建可以仿真移动自组织网络中,节点连通性和通信互扰,的仿真平台,我们的工作意义,目标创新性：现有的仿真实验床忽略了对节点通信互扰的仿真，我们的实验床采用程控可调衰减方法、以任意拓扑仿真为目标，仿真节点连通性和通信互扰，可以将仿真有效性向前推进一步。,方案创新性：文献WCNC03MobiHOC01提出了用可调衰减器进行移动自组织网络仿真的设想，但都没有对这种设想进行进一步的讨论与分析。我们的工作深入分析了基于程控可调衰减方法进行移动自组织网络仿真的具体问题，并提出和设计了详细的软件和硬件系统。,我们的研究问题,重点研究问题：,静态拓扑仿真：将任意拓扑映射到固定实验床上,动态拓扑仿真：如何仿真节点移动,不列为研究问题：,仿真方法（理论基础、前人经验、实验验证）,可重复性度量（拓扑映射可控制）,信号衰减方案的理论依据,通过调节衰减器衰减量仿真节点间距离变化,无线电波传输的自由空间模型,人为降低发射/接收功率可以仿真节点间距离增大（注：功率以dBm为单位）,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,静态拓扑仿真,任务：通过调节衰减器的衰减量，使实验床可以仿真用户指定的无线多跳网络（静态拓扑）的信道特征,实质：用户定制拓扑衰减参量,符号定义距离矩阵,d,i,j,为节点i，j之间的距离,d,i,j,=d,j,i,若D为n*n矩阵，即D描述n个节点组成的拓扑，则将D简记为d,i,j,n*n,问题描述,已知：,F,1,、F,N,为实验床节点，距离矩阵为,U,1,、U,M,为用户节点，距离矩阵为,求解：,选自F,1,、F,N,中的M个节点A,1,、A,M,，距离矩阵为,以上M个节点各自对应的衰减器衰减参量为,x,1,、x,M,记：,在衰减参量,x,1,、x,M,的作用下，转化为,求解约束：,具有与 相近的无线信道特征,同构拓扑（仿真拓扑）,理解求解约束,具有与 相近的无线信道特征,等值映射,区间映射,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,节点连通性和通信互扰相同,的性质,共 个关系式，M个衰减参量,的性质（续）,必要性：,性质推导过程,充分性：,可以写出一组衰减序列（见前页，,带入方程即可知这就是矛盾方程组的解,），即：在此衰减序列下，实验节点拓扑矩阵被仿真为给定矩阵。所以给定矩阵是同构拓扑矩阵。,对任意的i,j组合，,x,k,都相等,匹配有解条件法求解静态拓扑仿真等值映射问题,将 转化成具有 性质的矩阵 ，根据 和 求解衰减参量x,1,、x,M,转化产生的最大误差要尽量小（选择合适的M个节点和k）,小结：,这种解法求得的解，至少有(M-1)条链路误差为0,如果最大误差能满足用户需求，也不错,但是：,能找到以“最大误差最小化”为目标的最优解吗？NO,误差链路数增多，可能会减小最大误差,目标：,求解以“最大误差最小化”为目标的最优解,最优化方法求解静态拓扑仿真等值映射问题,当 确定后，求解衰减参量的问题可以提炼为最优化问题,设计变量：x,1,、x,M,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)证明目标函数是凸函数？,(2)迭代法求解（收敛性、复杂性、每次迭代设计变量如何调整）,最优化方法求解静态拓扑仿真等值映射问题（续）,定义误差矩阵,迭代法求解，每次迭代调节一个衰减参量，使得误差矩阵中绝对值最大的元素e,max,的绝对值减小，迭代至满足约束条件下e,max,的绝对值无法减小为止,遍历所有 ，找到最小的|e,max,|对应的 ，设计参量x,1,、x,M,已在迭代过程中求出,静态拓扑仿真区间映射问题,最优化方法求解静态拓扑仿真区间映射问题,当 确定后，求解衰减参量的问题可以提炼为最优化问题,设计变量：x,1,、x,M,目标函数和性能指标：,约束条件：,最大误差最小化,衰减器有可调范围和精度限制,求解思路与等值映射类似：,1、遍历,2、(1)证明目标函数是凸函数？,(2)迭代法求解（收敛性、复杂性、每次迭代设计变量如何调整？）,最优化方法求解静态拓扑仿真区间映射问题,（续）,定义误差矩阵,迭代法求解，每次迭代调节一个衰减参量，使得误差矩阵中最大的元素e,max,减小，迭代至在满足约束条件下e,max,无法减小为止,遍历所有 ，找到最小的e,max,对应的 。设计参量x,1,、x,M,已在迭代过程中求出,与MAC层过滤技术相结合,以上三种算法都是以最大误差最小化为求解目标，其中两种最优化解法可以求出最小化的最大误差值e,opt,。,如果e,opt,无法满足用户的误差需求，怎么办？忽略误差较大的长距离链路，与MAC层过滤技术相结合。,没有被忽略的链路仿真误差满足用户需求,被忽略的链路仿真误差随意，但需要满足：,静态拓扑仿真总结,等值映射,匹配有解条件法,最优化方法,区间映射,最优化方法,与MAC层过滤技术相结合,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,动态拓扑仿真,思路：动态拓扑由按一定时间点采样的静态拓扑构成,关键问题：节点映射关系变化时如何处理,问题提出,F1,F2,F3,F4,有线网络,t,1,时刻：U1=F1，U2=F2，U3=F3，U4=F4,t,2,时刻：U1=F2，U2=F1，U3=F3，U4=F4,解决思路：应用映射不变，接口映射变化,动态拓扑仿真解决方案,MN1App,MN2App,MN3App,WNI1,WNI2,WNI3,MN4App,WNI4,有线网络,PS知道任意时刻应用映射关系和接口映射关系,t,1,时刻：WNI1=MN1WNI，WNI2=MN2WNI，WNI3=MN3WNI，WNI4=MN4WNI,t,2,时刻：WNI1=MN2WNI，WNI2=MN1WNI，WNI3=MN3WNI，WNI4=MN4WNI,Packet Scheduler1,Packet Scheduler2,Packet Scheduler3,Packet Scheduler4,LAN1,LAN2,LAN3,LAN4,任务：MN1App向MN2App发送数据包,t,1,时刻：MN1App-PS1-WNI1-WNI2-PS2-MN2App,t,2,时刻：MN1App-PS1-LAN1-LAN2-PS2-WNI2-WNI1,-PS1-LAN1-LAN2-PS2-MN2App,提纲,研究背景,静态拓扑仿真,动态拓扑仿真,原型系统,仿真有效性实验,时间安排,原型系统：目标,部署4至7个配有程控衰减器的固定位置实验节点,支持用户定制节点数不超过固定位置节点数的静态/动态拓扑仿真,提供用户配置界面配置实验拓扑,原型系统拓扑结构,交换机,带有线和无线接口的PC机,用户界面/控制台,PC机,无线实验环境,仿真实验床软件框架,用户操作界面,命令解释器,规则生成器,规则分发器,节点状态,管理,节点信息,管理,规则接收器,规则解释器,配置文件生成器,状态报告器,数据包调度器,衰减器控制,控制台,节点PC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,仿真实验床无线接口衰减控制,串口,SMA接口,数据,天线,USB接口,电源,无线网卡,衰减器,CPU,衰减器,控制,电压变换,DC/DC,D,0,D,6,控制电路板,节点PC机,程控可调衰减模块,中心频率f,0,：2.45GHz,衰减精度：,0.5dB(f,0,100MHz),1dB(2-3GHz),平坦度：,0.5dB(f0100MHz),1.5dB(2-3GHz),插损：2dB,控制bit数：7,切换时间：2s,射频端口：SMA,双向工作，且衰减量相同,管脚电气定义,外观,底视图,管脚定义,部分指标,仿真有效性实验,仿真方法有效性：衰减参量变化与距离变化的等效性实验,测量通信范围、载波侦听范围（调节衰减参量或节点间距离）,仿真系统有效性：无线多跳网络信道特征,时变信道,信道占用公平性：隐藏节点/暴露节点、模糊邻节点,通信速率不恒定（Grey Zone现象）,多跳网络空间重用,时间安排,2004年1月-2005年6月 移动自组织网络研究现状调研,2005年7月 确定移动自组织网络仿真方法,2005年8月-2005年12月 静态拓扑仿真等值映射算法设计,2005年11月-2005年12月 动态拓扑仿真解决方案设计,2005年12月-2006年1月 静态拓扑仿真区间映射算法设计,2006年1月-2006年4月 原型系统实现,2006年2月-2006年6月 论文撰写及答辩,9,、静夜四无邻，荒居旧业贫。,10月-24,10月-24,Thursday,October 3,2024,10,、雨中黄叶树，灯下白头人。,12: