[论文解读] On the Effect of Fading on Ad hoc Networking

Seon-Yeong Han, Nael Abu‐Ghazaleh|ArXiv.org|Apr 1, 2005

Mobile Ad Hoc Networks参考文献 19被引用 4

一句话总结

本文研究了无线快衰落对MANET协议性能的负面影响，表明在衰落环境下，IEEE 802.11的RTS/CTS机制会损害吞吐量并增加不公平性。本文提出取消RTS/CTS，并引入一种退避区分机制，以区分由衰落引起的丢包与竞争引起的丢包，显著提升了在易发生衰落环境中的公平性和效率。

ABSTRACT

Most MANET (Mobile Ad hoc NETwork) research assumes idealized propagation models. Experimental results have shown significant divergence from simulation results due to the effect of signal fading in realistic wireless communication channels. In this paper, we characterize the impact of fading on protocol performance. We first study the effect of fading on MAC performance and show that its effect can be dominating. One of our important conclusions is that eliminating RTS/CTS packets results in more effective operation under fading. We also identify an unfairness problem that arises due to backoffs in the presence of fading. Moreover, fading results in several subtle interactions between the MAC and routing layers. We identify several of these problems and make observations about effective approaches for addressing them. For example, the criteria for determining the best path should not only consider the link status but also the link order. In addition, because routing protocols rely on MAC level transmission failure (when the retry limit is exceeded), route failure errors are often generated unnecessarily. Finally, because MAC level broadcasts are unreliable, they are especially vulnerable to fading. We analyze these effects and outline preliminary solutions to them.

研究动机与目标

• 分析信号衰落如何降低移动自组织网络中MAC层的性能。
• 识别出在衰落环境下，RTS/CTS机制由于增加了传输需求而进一步恶化性能。
• 揭示一种新的不公平性问题：由衰落引起的丢包被误判为竞争，从而触发过多退避，使链路较弱的节点处于不利地位。
• 研究在衰落环境下，MAC层与路由层之间的跨层交互，尤其是在广播和路径选择方面的表现。
• 提出初步解决方案，以减轻由衰落引起的效率低下问题，并改善链路质量估计

提出的方法

• 采用具有概率性分组丢失的慢衰落传播模型，以模拟真实信道变化。
• 通过分析和仿真评估在衰落环境下MAC层的性能，重点关注分组投递率、时延和吞吐量。
• 提出取消RTS/CTS，以将握手过程中所需成功传输的分组数从四个减少到两个。
• 识别出退避算法将衰落引起的丢包错误归因于竞争，导致信道访问不公平。
• 提出一种能够区分竞争性丢包与衰落性丢包的退避机制，以恢复公平性。
• 指出路由协议需要考虑链路顺序和ETX等链路质量度量指标，以避免路径不稳定

实验结果

研究问题

• RQ1 快衰落如何影响自组织网络中MAC层性能指标（如投递率、时延和吞吐量）？
• RQ2 在快衰落环境下，RTS/CTS机制在多大程度上降低性能？其在避免碰撞方面的收益是否合理？
• RQ3 当由快衰落引起的丢包被错误分类为竞争性丢包时，MAC退避算法中会引发何种不公平性机制？
• RQ4 快衰落如何影响路由层决策，特别是在路径选择和路由失效检测方面？
• RQ5 可以设计哪些系统性解决方案，以区分由快衰落引起的丢包与由移动性或竞争引起的丢包？

主要发现

• 在快衰落环境下，RTS/CTS机制显著降低性能，因为所有四个分组（RTS、CTS、DATA、ACK）都必须成功传输，从而增加了失败概率。
• 由于商用无线收发器采用激进的载波侦测机制，RTS/CTS在实际中提供的碰撞避免效益微乎其微，因此在快衰落环境下效率低下。
• 由快衰落引起的丢包会触发不必要的退避增加，导致链路较弱的节点即使在无竞争情况下也受到不公平惩罚。
• 这种不公平性问题导致路径质量对跳序高度敏感：若强链路位于弱链路之后，其优势将无法发挥。
• 由快衰落导致的MAC层传输失败常被误认为是链路失效，导致路由协议不必要地丢弃有效路由。
• 广播和多播操作在快衰落环境下变得极易受损，尤其在使用冗余减少技术时