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1、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
2、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
3、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 MobiHoc02MAC层过滤、连通性仿真APE TRIDENTCOM05MAC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 TRIDENTCOM0520*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）1231-21-32-3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 WCNC031in-4out衰减器（程
4、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思路：信号衰减仿真距离增大设想或特例拓扑实验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
5、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
6、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di,j为节点i，j之间的距离di,j=dj,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di,jn*n问题描述已知：F1、FN为实验床节点，距离矩阵为U1、UM为用户节点，距离矩
7、阵为求解：选自F1、FN中的M个节点A1、AM，距离矩阵为以上M个节点各自对应的衰减器衰减参量为x1、xM记：在衰减参量x1、xM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
8、方程组的带入方程即可知这就是矛盾方程组的解解），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，xk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x1、xM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
9、量的问题可以提炼为最优化问题设计变量：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emax的绝对值减小，迭代至满足约束条件下emax的绝对值无法减小为止遍历所有 ，找到最小的|emax|对应的 ，设计参量x1、xM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
10、炼为最优化问题设计变量：x1、xM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emax减小，迭代至在满足约束条件下emax无法减小为止遍历所有 ，找到最小的emax对应的 。设计参量x1、xM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eopt
11、。如果eopt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F1F2F3F4有线网络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：应用映射不变，接口映射变
12、化动态拓扑仿真解决方案MN1AppMN2AppMN3AppWNI1WNI2WNI3MN4AppWNI4有线网络PS知道任意时刻应用映射关系和接口映射关系t1时刻：WNI1=MN1WNI，WNI2=MN2WNI，WNI3=MN3WNI，WNI4=MN4WNIt2时刻：WNI1=MN2WNI，WNI2=MN1WNI，WNI3=MN3WNI，WNI4=MN4WNIPacket Scheduler1Packet Scheduler2Packet Scheduler3Packet Scheduler4LAN1LAN2LAN3LAN4任务：MN1App向MN2App发送数据包t1时刻：MN1App-PS1
13、-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
14、状态报告器数据包调度器衰减器控制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/DCD0D6控制电路板控制电路板节点节点PC机机程控可调衰减模块中心频率f0：2.45GHz衰减精度：0.5dB(f0100MHz)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
15、：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