CN101917737B - 无线自组网络仿真构架 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种无线自组网络仿真构架，依层次化对无线Mesh网络各个节点之间的信息交互以及同一节点的诸层之间数据与原语的传递进行设计。通过设计仿真构架的驱动机制，保证在仿真过程中顺序性与同时性的统一。本发明实现了对无线Mesh网络的模拟及运行信息的统计，其仿真统计功能为评估仿真性能、改进仿真对象的结构提供了确实可信的依据。

Description

无线自组网络仿真构架

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，尤其涉及一种无线自组网络仿真构架。

背景技术

无线自组网络也称为无线Mesh网络。作为一种多跳网络，它是一种与传统无线网络完全不同的新型无线网络技术。在无线自组网络中，任何无线设备节点都可以同时作为终端和路由器，即，网络中的每个节点不但可以接收信号还可以转发信号。每个节点都可以与一个或者多个对等节点进行直接通信。无线自组网络融合了WLAN网络与Ad hoc网络的特点，是一种可以解决“最后一公里”瓶颈问题的新型网络结构。

无线自组网络主要具有五个优势：支持快速部署且易于安装，支持非视距传输，网络健壮性强，网络结构灵活，网络带宽高。另外，无线Mesh网络的信道质量和信道利用效率较高，因此该类型网络的容量较大。

无线自组网络作为新一代宽带无线接入网络备受关注，是无线通信领域的热点研究方向之一。IEEE 802.16标准作为无线城域网范围的固定宽带无线接入标准，也增加了Mesh模式作为对MAC层协议的扩展。虽然目前很多厂商都推出了Mesh产品乃至系列解决方案，但是在无线自组网络的推广道路上，还存在一些重要的技术问题尚待解决，特别是该网络构架中的媒体接入控制层(MAC层)较为简单，不能很好的在复杂通信环境下确保无线通信的可靠性与有效性。

在IEEE 802.16协议的Mesh模式基础上，研究者需要考察现有模块的功能与交互效果，验证配套软件的可用性，模拟多个节点在实际环境中的运行情况，提供实际网络规划设计部署指导。因此，目前急需一种无线自组网络仿真构架以满足以上的诸多需求。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种无线自组网络仿真构架，用于模拟无线自组网节点的在网通信过程。本发明以IEEE 802.16系列标准为协议基础，以Mesh模式的MAC层为仿真的主要对象，以模块化方式构建。其特征在于，

包括网络节点间交互机制设计以及网络节点内部交互机制设计；

其中，网络节点间交互机制设计包括：在每个运行时隙内，轮询所有网络节点的功能模块，并完成数据的发送与接收；

网络节点内部交互机制设计包括对网络层、物理层、射频层、MAC层、无线空间进行模拟；

其中所述网络层的主要操作包括对数据进行封装成IP包、添加接口消息、去除接口消息、去除IP头；

所述物理层的作用主要包括对上下行数据进行封装与解封装，添加层间交互的接口消息；

所述射频层与无线空间进行数据交互；

所述MAC层对仿真构架进行自检验。

在所述无线空间中为每一个网络节点设置一个专属缓冲单元，用于暂存与该网络节点有关的收发数据，此外，所有网络节点还共享一个公共的空间缓冲单元。

所述专属缓冲单元所处的状态或者为空、或者为满、或者为空间数据碰撞。

所有网络节点对数据的处理过程处于同一时隙，对所述公共的空间缓冲单元的访问与占用不分先后。

所有网络节点对数据的处理过程处于同一时隙，对所述专属缓冲单元的访问与占用不分先后。

若两个或者两个以上网络节点在同一时隙内访问或占用同一专属缓冲单元，则判定为发生碰撞。

所述仿真构架包括仿真统计模块设计，在网络节点接收轮询处放置统计探针，通过判断控制消息的发送与到达时间，识别发送控制消息的类别，对控制数据进行分类统计与汇总。

使用周期轮询机制驱动仿真构架，包括以下步骤：

步骤1：在仿真过程开始时进行相应初始化；

步骤2：仿真时钟按固定步长推进；

步骤3：处理该时间内发生的事件；

步骤4：更新统计数据；

步骤5：根据仿真条件判断是否继续仿真，如果继续则返回步骤2，否则执行下一步；

步骤6：统计数据，仿真结束。

根据实际情况和仿真操作者的意图，本仿真构架可以模拟一定节点数量规模下的无线自组仿真网络的运行情况。本仿真构架主要针对基于IEEE 802.16Mesh模式的MAC层，即为MAC层提供分层次的运行环境支持(单一节点内部的运行环境，和节点与节点间交互的运行环境)。在此基础上，达到验证算法与流程的性能，并提出更具有针对性的改进方法的目的。

作为一种无线自组网络仿真构架，能够模拟多个网络节点在实际网络环境中的运行情况。本无线自组网络仿真构架具有的功能有：验证各功能模块运行机制的合理性，考察各模块之间的交互情况，评估相关算法的性能，验证设备配套软件的有效性等。以上功能使本仿真构架在以下情况中发挥作用：在无线自组网的实际预部署时期，进行设计规划；在已有无线自组网的进一步扩展过程中，发挥指导性作用。

附图说明

下面结合附图对本发明作详细说明：

图1是仿真构架运行示意；

图2是仿真构架时序设计；

图3仿真构架网络层模拟；

图4是仿真构架物理层模拟；

图5是仿真构架射频层模拟；

图6是仿真构架MAC层模拟；

图7是仿真构架周期驱动流程；

图8是仿真构架节点拓扑结构示意；

图9是同时发送数据无碰撞的情况；

图10是同时发送数据产生碰撞的情况。

具体实施方式

本发明实施例的结构分为两个层次展开。第一层次构架设计主要用于协调仿真构架中各个网络节点之间的信息交互原则；第二层次构架设计主要针对同一网络节点中诸层之间的数据与原语传递，其中，第二层次构架设计还包含对模拟网络层、模拟MAC层、模拟物理层与模拟射频层的设计。仿真构架的驱动机制设计是仿真构架运行的基础，由此引出的顺序性与同时性的一致关系问题是仿真构架合理性的保证。仿真统计功能是仿真构架实现的另一项重要功能，它为评估仿真性能、改进仿真对象的结构提供了确实可信的依据。

一、第一层次构架设计

仿真构架的时钟采用固定步长递增方式，每个步长代表一个时隙(每个时隙对应的实际时间长度不一定相等，如控制时隙(slot)与数据微时隙(minislot)的长度不相等)。

下面以带有网络调度消息的帧为例，进行各时隙与仿真时钟对应关系的分析。如图1所示，带有网络调度消息的帧中，控制子帧部分为DSCH控制消息所占用的时隙。时钟程序更新后，对应的时间是此DSCH控制消息所在时隙的开始时刻；此时执行每个在网节点发送数据的操作，如果某节点在此时隙没有消息发送则选择跳过。发送数据过程完成之后，暂存数据，此处模拟消息已经发送到仿真无线空间中的状态。此时仿真构架运行到时隙的中间时刻，在之后的这段时间内每个节点进行自身的内部处理，如MAC层与上下层数据交互、队列中的数据处理等操作。在本时隙的结束时刻，将无线空间中的数据通过各节点的接收模块接收到节点内部，如果某节点没有在发送节点的覆盖范围内则不接收。最后在两个时隙的更替时刻，各个节点进行时钟更新。进入到下一个时隙后按相同过程进行循环。

在本实施例中，数据的发送和接收情况是针对MAC层角度来设计的，仿真构架中数据的发送接收行为与真实情况一致。

二、第二层次构架设计

仿真构架中对各层的处理如下：由于仿真构架主要的应用目标是MAC层协议，因此在构架设计过程中MAC层协议与其它层的交互要保持与协议中的规范的一致性。

对于MAC层以下的物理层及射频层部分，要保证与MAC层的接口与规范的一致性，这样可以省略物理层以及射频层对数据的处理，采用模拟的方式实现对MAC层数据的透明传输。在MAC层之上，要保证MAC层与网络层的接口按照实际规范，而网络层及之上层对数据的处理可以相应简化，只需能够检验MAC层的透明传输功能。

在仿真构架中，为了保持功能划分清晰与结构相对简易的平衡。将仿真构架中的无线自组网节点分为以下部分：网络层部分(MAC层之上部分的统称)、MAC层部分、物理层部分与射频层部分。以此保证MAC层所在运行节点的内部环境与真实情况基本一致。

在每个时隙中，对各层的处理会轮询多次，各层运行的先后顺序对运行结果不会产生影响。如图2所示，按网络层、MAC层、物理层、射频层的顺序依次内部运行，每层的内部运行再按各层内部的处理时序。这样，从第一仿真构架层次到第二仿真构架层次，从节点与节点之间的交互功能，到节点内部的各部分功能块都确定了处理时序，仿真构架的运行次序因此将保持良好的条理性。

根据节点内部的处理时序，可以相对容易地确定节点内部程序的流程图。实际节点中，这部分处理会在一个时隙内运行多次，其运行的次数与时隙的时间长度、每层所处理数据的复杂程序及CPU的处理速度有关。在仿真构架中可以调整该循环处理次数。

在仿真中，网络层、物理层和射频层是辅助MAC层正常运行的重要部分。在这三层的设计中，与MAC层交互的接口部分的设计必须符合规范，其它功能(如网络层的路由功能、物理层的基带处理，射频层的收发机定时开启关闭等)可以省略，只要保证以下要求：射频层对物理层保持数据透明传输，物理层对MAC层保持数据传输透明，网络层对MAC层的数据的发送接收符合实际情况。

1)模拟网络层

如图3所示，仿真构架中DataToUpper和DataToMac是网络层内部的两个缓冲区，网络层的主要操作包括对数据进行封装成IP包、添加接口消息、去除接口消息、去除IP头等。图3中标示出了仿真构架中此部分的数据处理所对应的流程模块，从上层接收数据并添加IP头到送到DataToMac缓冲区，数据在网络层内部缓冲区与MAC层接口之间进行交互，之后数据由DataToUpper发送到网络层。相应缓冲区设置如下：有数据则处理并执行功能，无则等待。这种设置有效的保证了数据与上层的实时交互。

仿真构架中的网络层可以实现单一数据发送或数据持续发送两种数据发送模式。执行仿真的操作者既可以手动输入欲发送的数据，也可以从某一数据源统一批量输入数据。在批量输入数据，且数据量较大时，MAC层内部缓冲区可能出现处理速度不匹配导致数据局部拥塞的情况。针对这种情况，网络层可以通过对输入MAC层数据相关信息的计算，及时确定MAC层数据的状态并提示。这种设置便于仿真操作者决定下一步的仿真策略。

2)模拟物理层

数据按发送时间的先后顺序进入物理层进行处理，处理完成之后发送给上层(MAC层)或者下层(射频层)。物理层的作用主要包括：对上下行数据根据对应格式进行封装与解封装，添加层间交互的接口消息等。模拟物理层的基本数据处理流程如图4所示。

3)模拟射频层

射频层负责与模拟空间环境进行交互。需要说明的是，在数据与控制信息下行方向的射频层中，存在一个等待发送队列。队列中的数据按照收发节点预先调度成功的时隙依时间先后进行排队，以至进一步向模拟无线空间发送。相关流程如图5所示。

4)模拟MAC层

仿真构架需要在对MAC层工程开始仿真之前进行自检验，将模拟MAC层添加到实际MAC层工程的相应位置，即可以实现以上功能。仿真构架的正确性得以验证之后，再将模拟MAC层替换为实际MAC层。在满足数据传输的基础上，仿真构架的模拟MAC层模块功能设计应尽可能简单。

模拟MAC层模块只保留MAC层在上下两层之间的传递数据的功能。从物理层取到数据后去除、添加相应接口消息送到网络层；从网络层取到数据后判断数据的类型，如果是数据，就去除、添加相应接口消息，把数据送到物理层，如图6所示。

三、仿真构架的驱动机制设计

无线自组网络仿真构架的驱动机制为周期轮询的驱动机制。即，时钟按固定步长向前推进，每执行一步就检查在当前时刻是否有事件发生。如果有则处理此仿真事件，如果没有则继续下一时刻的仿真，如此循环处理。该流程如图7所示，处理过程如下：

(1)初始化：初始仿真时钟、系统状态、统计变量等；

(2)时钟按步长增加；

(3)处理该时间内发生的事件；

(4)更新统计数据；

(5)根据仿真条件判断是否继续仿真，如果继续则返回(2)，否则执行下一步；

(6)统计数据，仿真结束。

从宏观角度分析仿真构架，同一网络中各个节点的地位是平等的(只是由于节点内部传递的数据不同导致他们的角色不尽相同)，对各个节点的处理不应存在差异性的先后顺序。为了对各个节点进行同时处理，同时兼顾简化设计的考虑，仿真构架应用单一仿真顺序解决思想，在这一顺序中虽然对各个节点的处理顺序不能保证绝对同时进行，但最终效果却可以保持它们具有相同地位。

在单一仿真顺序中，为了保证各个节点的平等，做以下处理：在一个仿真顺序中依次处理所有节点，处理完毕后进行时钟更新，保证所有节点对此数据的处理过程处于同一时隙；同时必须保证对所有公共资源(如各节点对应的专属缓冲单元)的访问与占用不分先后。

四、仿真构架的空间资源分配与协调方法

本实施例设计了多个缓冲单元。仿真空间模拟了实际环境中的通信空间。在此空间中，每一个节点均拥有一个专属缓冲单元，用于暂存与该节点有关的收发数据。仿真通信空间中的每个节点专属缓冲单元均处于若干状态之一(空、满、或者空间数据碰撞)，此外所有节点还共享一个公共的空间缓冲单元。

下面以图8、图9、图10为例，解释仿真构架中的空间资源分配协调方法。图中以节点为中心的圆为该节点发送数据时的有效覆盖范围。

设四个节点的拓扑关系如图8所示。节点间同时发送数据而不发生碰撞的情况，如图9。设在某一时隙中，节点A、D都要发送控制消息的广播。程序先轮询到节点A，节点A把控制消息发送到空间公共缓冲单元，根据节点间的拓扑关系再把空间公共缓冲单元中的控制消息发给节点B在空间中对应的专属缓冲单元；轮询到节点D时，节点D把控制消息发送到公共缓冲单元，根据节点间的拓扑关系再把公共缓冲单元中的控制消息发给节点C在空间中对应的专属缓冲单元。到了各节点的接收阶段，判断如果没有消息碰撞，则把控制消息从B节点的空间专属缓冲单元和C节点的空间专属缓冲单元传输到对应的节点B设备和C设备之内。最终节点A和节点D各自发送的控制消息分别发送到了节点B和节点C。

节点间同时发送数据而发生碰撞的情况，如图10。此图节点的拓扑也与图8所示节点拓扑结构相同。设在某一时隙中，节点A、C都要发送控制消息的广播。程序先轮询到节点A，节点A把控制消息发送到空间公共缓冲单元，根据节点间的拓扑关系再把空间公共缓冲单元中的控制消息发给节点B在空间中对应的专属缓冲单元；轮询到节点C时，节点C把控制消息发送到空间公共缓冲单元，根据节点间的拓扑关系再把公共缓冲单元中的控制消息发给节点B对应的空间专属缓冲单元和节点D对应的空间专属缓冲单元。到了各节点的接收阶段，判断B对应的空间专属缓冲单元中消息发生碰撞，丢弃此消息，再判断D的空间专属缓冲单元中的消息没有发生碰撞，则把控制消息从D的缓冲单元中的数据接收到对应的节点D设备之中。最终节点A和节点C各自发送的控制消息，在节点B处发生了碰撞，而节点D可以正确接收节点C发送的控制消息。

五、仿真统计模块设计

无线Mesh网络仿真过程中产生的多种数据不仅是观察网络整体运行效果的重要指标，更为调整相应算法的流程与实现提供了重要事实依据。本无线自组网络仿真构架具有跟踪与统计网络控制消息的功能。仿真统计模块的主要功能是：通过判断控制消息的发送与到达时间，识别发送控制消息的类别，对控制数据进行分类统计与汇总。其具体实现如下所述：

1)控制信息类别的判断标准与实现

由于不同类别的控制信息只能在特定的时隙进行发送，信息的发送与接收过程的持续时长不会超过一个时隙，因此，仿真统计模块对射频端接收到信息的时刻进行判断，以达到判断控制信息类别的目的。NENT消息只能在每个复帧的0号帧的0号时隙发送；NCFG消息只能在每个复帧的0号帧的1、2、3号时隙发送；DSCH消息只能在每个复帧的除0号帧之外的其他帧的0、1、2、3号时隙发送。仿真统计模块只在指定时隙开启对应控制消息的统计功能。

2)控制信息到达的判断标准与实现

本发明实施例中的控制信息是以广播形式发送的，在每个时隙中，如果选择探测各节点发送轮询中的控制信息情况，将无法跟踪其传播去向，进而也无法判断控制信息发送是否成功。因此，仿真统计模块在节点接收轮询处放置统计探针，进而进行对应接收节点的控制信息的分类与记录。

3)控制消息正确性的判断标准与实现

在控制信息的传播中，存在如下可能：在同一个时隙中，同一接收节点接收到来自两个或两个以上发送节点广播的控制信息，即，信息在接收节点处发生碰撞。碰撞的控制信息间相互干扰，导致它们都不能被成功接收。仿真统计模块在各接收节点的专属缓冲单元处添加了相应参数，以记录空间的存储状态。在一个时隙中，节点每接收到一次控制信息，存储状态就更新一次。在时隙的末尾进行判断，如果存储状态表明此时隙中有多个控制信息到达，则所有达到的控制信息都被判别为无效，清空存储空间，复位存储状态，等待下一个时隙的再次判断。将每个节点控制信息的尝试到达次数与其中的成功到达次数进行记录，形成统计结果。

Claims (1)

1.一种无线自组网络仿真系统的设计方法，其特征在于，包括网络节点间交互机制设计以及网络节点内部交互机制设计；

其中，网络节点间交互机制设计包括：在每个运行时隙内，轮询所有网络节点的功能模块，并完成数据的发送与接收；

网络节点内部交互机制设计包括对网络层、物理层、射频层、MAC层、无线空间进行模拟；

其中所述网络层的主要操作包括对数据进行封装成IP包、添加接口消息、去除接口消息、去除IP头；

所述物理层的作用主要包括对上下行数据进行封装与解封装，添加层间交互的接口消息；

所述射频层与无线空间进行数据交互；

所述MAC层对仿真系统进行自检验；

所述无线空间中为每一个网络节点设置一个专属缓冲单元，用于暂存与该网络节点有关的收发数据，此外，所有网络节点还共享一个公共的空间缓冲单元；专属缓冲单元所处的状态或者为空、或者为满、或者为空间数据碰撞；

所有网络节点对数据的处理过程处于同一时隙，对所述公共的空间缓冲单元的访问与占用不分先后，对所述专属缓冲单元的访问与占用不分先后；若两个或者两个以上网络节点在同一时隙内访问或占用同一专属缓冲单元，则判定为发生碰撞；

所述方法包括仿真统计模块设计，在网络节点接收轮询处放置统计探针，通过判断控制消息的发送与到达时间，识别发送控制消息的类别，对控制数据进行分类统计与汇总。

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