基于NS2的MIMO扩展Word文档格式.doc

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2、不保密√。

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年月日

导师签名：

毕业设计（论文）任务书

学生姓名陈龙专业班级信息SY0601

指导教师李方敏工作单位武汉理工大学信息工程学院

设计（论文）题目:

基于NS2的MIMO扩展设计与实现

设计（论文）主要内容：

1.了解MIMO基本概念，基本原理及其发展与应用。

2.学习NS-2及相关的网络知识，通过修改源代码来实现MIMO的扩展。

要求完成的主要任务:

1．根据设计（论文）任务书，在充分调研的基础上撰写并提交开题报告；

2．依据设计（论文）内容的要求，设计MIMO扩展的算法，并通过修改NS-2源代码来实现这一算法与仿真。

3.撰写并提交毕业设计论文（参考文献至少15篇，其中外文资料至少2篇）；

4．提交专业外文翻译材料（原文不少于20000印刷字符）；

5．按照毕业设计相关要求在答辩前必须完成的其它任务。

必读参考文献:

[1]RamonAgiieroCalvo.AddingMultipleInterfaceSupportinNS-2.2007

[2]TheUniversityofSouthernCaliforniapsInformationSciencesInstitute（ISI）.NSNAM[EB/OL].http:

//nsnam.isi.edu/nsnam/index.php/Main_Page,2006

[3]方路平.NS-2网络模拟基础与应用.国防工业出版社，2008

[4]张勇，郭达.无线网状网原理与技术.电子工业出版社，2007

[5]王凡，王甲琛.AdHoc网络中的多信道多接口技术研究.电子科技，2008

指导教师签名系主任签名

院长签名（章）

武汉理工大学本科学生毕业设计

（论文）开题报告

1、目的及意义（含国内外的研究现状分析）

传统的多跳无线网络大多采用单天线进行数据的收发，是典型的SISO（single-inputsingle-output）系统。

这种系统不能同时进行数据收发，其容量无法突破Shannon容量公式的限制。

随着无线通信技术的迅猛发展,在多跳无线网络物理层采用新技术已经成为可能.。

MIMO（multi-inputmulti-output）技术便是一种能够突破Shannon容量限制的有效手段这种技术利用多接口多信道同时进行数据收发，使成倍地提高多跳无线网络系统容量成为可能，并且无需扩展频谱，能够有效节约频谱资源，提高能量利用率。

同时,MIMO技术对多跳无线网络的吞吐量、实时性和拓扑连通性等性能均有显著影响，并可结合物理层特性联合MAC层、网络层进行跨层协议设计，优化网络性能，为系统提供较好的QoS（qualityofservice）。

因此，MIMO技术是提高多跳无线网络系统性能的关键技术之一。

MIMO的研究国内外现状

随着IEEE802.11相关技术及产品的不断普及,研究者开始把他们的注意力移到了多信道多接口方面.需要修改NS2中的协议模型为进行多信道多接口相关的研究工作提供支持.前人已经对这个问题提出了多种方法,比较典型的如TENS[1]、Hyacinth[2]。

TENS主要集中在媒体介入层（MAC）和物理层的修改,通过对信道实现的修改支持多信道,但对多信道的支持是单接口的.Hyacinth对接口的数量进行了限制,并且只能是静态的路由才能使用多接口多信道.通过对以上两种方法的研究发现,并没有一种方法实现了有效灵活的多信道多接口扩展方式,以致以前的路由协议并不能够有效的使用多信道多接口这个新特性.本文的主要目的之一就是提供一种简单有效的扩展方式,使得在模拟的时候能够方便更改设置.首先,每个节点能够灵活定义接口数目,一个接口对应一个信道,在同一个环境中并不是每个节点都需要相同数目的接口;

其次,通过修改已有的路由协议或添加新的路由协议,使其具有多信道多接口能力.当节点具有多信道以后如何合理利用新增信道,本文也作了初步探索。

NS-2是指NetworkSimulatorversion2，NS（NetworkSimulator）是一种针对网络技术的源代码公开的、免费的软件模拟平台，研究人员使用它可以很容易的进行网络技术的开发，NS-2（NetworkSimulator,version2）是一种面向对象的网络仿真器，本质上是一个离散事件模拟器。

NS是用Otcl和C++编写的。

当仿真完成以后，NS将会产生一个或多个基于文本的跟踪文件。

只要在Tcl脚本中加入一些简单的语句，这些文件中就会包含详细的跟踪信息。

这些数据可以用于下一步的分析处理，也可以使用NAM将整个仿真过程展示出来。

由于NS-2是开源的，因此允许用户自己修改其源代码来实现自己的协议，本次毕业设计目的就是通过修改NS-2的源代码来实现多信道多接口技术。

2、基本内容和技术方案

IEEE802.11标准在2.4GHz和5GHz物理层定义了多个不重叠的信道。

然而，今天的大多数AdHoc（无线自组织网络）的无线网络配置在一个单一信道，以确保所有的节点连接。

因此，无线电频谱提供的总带宽是没有充分利用。

为了满足高吞吐量的需求，必须利用一切可用的频谱。

过去的研究通过同步无干扰传输利用多信道，多接口增加网络容量。

在本设计中，我们使用网络仿真器（NS2）实施和评估利用多信道和多接口的接口转换技术。

仿真结果表明本方法很有效的提高了网络吞吐量。

本设计中，我会首先扩展NS2，使其支持MIMO；

然后，编写两个无线脚本来比较AdHoc网络中应用MIMO的优势，从而表明使用接口转换技术在提高网络吞吐量上、降低丢包率、降低延时等方面的有效性。

3、进度安排

第1—2周：

查找资料，确定论文题目。

第3—4周：

查阅相关文献资料，熟悉MIMO的基本原理及NS2的基本使用方法，提出MIMO的实现方案，完成开题报告。

第5—8周：

在导师指导下修改开题报告，确定最终的研究方向和技术路线，并根据自身情况确定任务书。

根据设计的系统框架，明确各模块的具体功能，阅读相关资料，熟悉相关技术。

第9—13周：

实现整个设计并完成论文初稿。

第14—15周：

在导师的指导下，对论文作进一步的修改，并完成外文文献的翻译工作。

第16周：

完成论文终稿，准备答辩PPT。

第17周：

做答辩最后的准备工作并且完成答辩。

4、指导教师意见

指导教师签名：

年月日

目录

摘要 1

Abstract 2

1绪论 3

1.1本课题国内外研究现状 3

1.2本文主要研究工作 3

2多信道多接口与节点模型 4

2.1多信道多接口 4

2.2节点模型 4

3节点模型的修改 7

3.1对ns-lib.tcl的修改 7

3.1.1四个新增的过程 7

3.1.2修改node-config过程 8

3.1.3修改create-wireless-node过程 9

3.2对ns-mobilenode.tcl的修改 10

3.2.1修改add-target过程 10

3.2.2修改add-target-rtagent过程 11

3.2.3修改add-interface过程 12

3.2.4修改初始化复位过程 13

3.3对mobilenode.[cc,h],channel.cc,mac-802_11.cc的修改 14

3.3.1修改mobilenode.[h,cc] 14

3.3.2修改channel.cc 15

3.3.3修改mac-802_11.cc 16

4路由协议的修改 17

4.1对aodv.h的修改 17

4.2对aodv.cc的修改 18

4.2.1修改类AODV的构造函数 18

4.2.2AODV路由发现过程与相应的修改 19

4.2.3sendHello,sendError函数的修改 23

4.2.4路由表更新函数rt_update的修改 25

4.2.5修改command函数 25

4.3对路由表的的修改 26

5仿真实现与结果分析 28

6总结与展望 30

6.1全文工作总结 30

6.2展望 30

参考文献 31

附录 32

致谢 39

摘要

IEEE802.11标准定义了在2.4GHz和5GHz频段内多个不重叠的物理层信道。

然而，现在大多数的无线Ad-Hoc网络是在一个单一的信道下配置的，以确保所有的节点相连接。

因此，无线频段所提供的总带宽并没有被充分利用。

为了满足高吞吐量的需求，必须利用一切可用的频带。

在以往研究的若干建议中，通过多个同步无干扰的传输，利用多信道、多接口来提高网络容量。

在这个项目中，我们运行和评测所使用的网络仿真软件为ns-2。

从单一接口转换到利用多信道多接口的技术。

这包括支持ns-2核心的集成的多信道、多接口（这在当前版本的ns-2下是不可实现的）。

仿真结果证明了在提高网络吞吐量，降低丢包率，降低时延方面的有效性。

关键词：

NS2；

多信道，多接口；

移动节点；

AODV协议

Abstract

TheIEEE802.11standarddefinesmultiplenon-overlappingchannelsatthephysicallayerinthe2.4GHzand5GHzspectrums.However,mostad-hocwirelessnetworkstodayareconfiguredtooperateunderasinglechannelinordertoensureconnectivityofalltheirnodes.Hence,theaggregatebandwidthprovidedbytheradiospectrumsisnotfully-utilized.Inordertomeetthehighthroughputdemand,itisessentialtouseallavailablespectrums.Severalpastresearchproposalshaveexploitedmultiplechannelsandmultipleinterfacestoincreasethenetworkcapacity,byhavingmultiplesimultaneoustransmissionswithoutinterference.

Inthisproject,weimplementandevaluatethetechniqueofmultiplechannelsandmultipleinterfacesusingtheNetworkSimulator（ns-2）.Thisincludesincorporatingthemultiplechannelandmultipleinterfacesupportstothecoreofns-2,whicharenotavailableinthecurrentversionofthesimulator.Thesimulationresultsdemonstratetheeffectivenessoftheapproachinimprovingthenetworkcapacitytoreducetheratioofpacketlossandtimedelay.

KeyWords:

NS2;

Multi-channel,Multi-interface;

Mobilenode;

AODVProtocol

1绪论

1.1本课题国内外研究现状

随着IEEE802.11相关技术及产品的不断普及，研究者开始把他们的注意力移到了多信道多接口方面.需要修改NS2中的协议模型为进行多信道多接口相关的研究工作提供支持。

前人已经对这个问题提出了多种方法,比较典型的如TENS[1]、Hyacinth[2]。

TENS主要集中在媒体介入层（MAC）和物理层的修改，通过对信道实现的修改支持多信道，但对多信道的支持是单接口的。

Hyacinth对接口的数量进行了限制，并且只能是静态的路由才能使用多接口多信道。

通过对以上两种方法的研究发现，并没有一种方法实现了有效灵活的多信道多接口扩展方式，以致以前的路由协议并不能够有效的使用多信道多接口这个新特性[15][16]。

本文的主要目的之一就是提供一种简单有效的扩展方式，使得在模拟的时候能够方便更改设置[3]。

首先，每个节点能够灵活定义接口数目，一个接口对应一个信道。

在同一个环境中并不是每个节点都需要相同数目的接口[5]；

其次,通过修改已有的路由协议或添加新的路由协议，使其具有多信道多接口能力[6][7][8]。

当节点具有多信道以后如何合理利用新增信道，本文也作了初步探索[10]。

1.2本文主要研究工作

本设计中，我会针对NS2的机制对OTCL与C++代码进行修改。

首先，我会修改节点模型使其具有多接口，这部分主要需要修改OTCL代码，但也需要修改少许的C++代码；

其次，为了使路由协议能够适应多信道多接口，路由协议也需要修改，我以AODV协议为例进行了修改，这部分基本上就是C++代码；

最后，我会编写一个简单的无线模拟仿真脚本，对节点的多信道多接口性能进行仿真，分析了吞吐量，丢包率以及实验特性，从而表明使用多信道多接口技术的有效性。

2多信道多接口与节点模型

2.1多信道多接口

IEEE802.11标准定义了在2.4GHz和5GHz频段内多个不重叠的信道。

原始的NS2中的移动节点只有一个接口[9][11]，在包含有多跳的无线Ad-Hoc网络中，如果每个节点只使用一个接口，若数据包的下一跳不在同一信道上，则它可能在某些跳发生延时。

原因是，节点A需要在节点B的接口已经转到相同的信道上时进行等待，这个相同的信道就是之前节点A用来向节点B发送数据包的信道，而采用多信道多接口则可以很好的解决这一问题。

同时，当存在多个接口，多个信道时，我们可以使一个接口传输信道上的数据，而另一个接口在另一个信道上接收数据，吞吐量最高可以几乎翻一番，时延和丢包率都有很好的改善[12][13][14]。

2.2节点模型

要实现多信道多接口必须对节点模型进行修改，本设计的节点模型要求主要有以下四点：

a．信道数可变

b．每个节点的接口数目可以不同

c．每个节点可以连接不同的信道数

d．路由协议能够适应多信道多接口，并保持其向后兼容性

也就是说，扩展多信道多接口必须修改现有的MobileNode模型，如图1所示。

移动节点是由一系列的网络构件构成的，这些构件主要包括：

链路层（LL）：

LL对象负责模拟数据链路层的协议。

连接到LL上的ARP模块（ARP）：

地址解析协议（AddressResolutionProtocol）的主要功能是将IP地址解析为物理地址。

接口队列（InterfaceQueue）：

接口队列是由类PriQueue实现的。

PriQueu是一个优先级队列。

它优先处理路由协议分组，可以对所有队列中的分组进行过滤，删除那些具有特定目的地址的分组。

MAC层：

处理从链路层接受的或将要发往链路层的数据包。

发送时，它增加MAC包头。

或者，从物理层的分类器异步接受数据包。

网络接口（NetworkInterface）：

移动节点访问信道的接口，可以通过这个接口设定无线网络物理层的一些相关特性值。

传播模型：

用来计算每个分组在到达接收节点时的信号能量功率。

图1ns2中原始的mobilenode结构

修改后的节点模型应具有多个链路层，ARP模块，接口队列，MAC，网络接口和信道，这一方案模拟的是多信道多接口AdHoc网络，因此不需要修改任何的IEEE802.11硬件，改后的mobilenode如图2所示。

图2修改后的mobilenode结构

3节点模型的修改

前面我们已经从宏观上分析了如何修改节点模型结构，本章我们将具体实现其修改。

以下所有修改的或者增加的代码均以斜体给出。

3.1对ns-lib.tcl的修改

在节点配置时会调用node-config过程，修改了后的节点模型具备了接口数这个参数，因此node-config过程必须修改。

其次，在仿真脚本中我们会调用一些新增的过程，这些过程也需要在ns-lib.tcl中定义。

3.1.1四个新增的过程

为了使每个节点可以有不同的接口数目，定义过程change-numifs，具体如表3.1所示。

表3.1改变接口数目

----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

Simulatorinstprocchange-numifs{newnumifs}{

$selfinstvarnumifs_

setnumifs_$newnumifs

}

第二个过程add-channel作用是给节点的接口配置信道，具体如表3.2所示。

表3.2接口配置信道过程

Simulatorinstprocadd-channel{indexchch}{

$selfinstvarchan

setchan（$indexch）$ch

第三个过程get-numifs返回接口数，具体如表3.3所示。

表3.3返回接口数

Simulatorinstprocget-numifs{}{

if[infoexistsnumifs_]{

续表3.3

return$numifs_

）eise（

return"

"

}

第四个过程ifNum作为node-config的一个参数，配置接口数，具体如表3.4所示。

表3.4ifNum过程

3.1.2修改node-config过程

node-config用来对节点进行配置，由于加入了新的接口参数chan（$t），所以必须对其初始化，在多接口的情况下其为一数组，具体如表3.5所示。

表3.5node-config过程

Simulatorinstprocnode-configargs{

……

setargs[eval$selfinit-vars$args]

$selfinstvaraddressType_routingAgent_prop