基于OPNET的分布式WLAN網(wǎng)絡性能仿真研究

劉仕兵,胡振中

(華東交通大學電氣與電子工程學院,江西南昌330013)

Liu shibing,Hu zhenzhong

(School of Electrical and Electronic Engineering,East China Jiaotong University,Nanchang 330013,China)

無線局域網(wǎng)(Wireless Local Area Networks,WLAN)是無線通信技術(shù)與計算機技術(shù)相結(jié)合發(fā)展的產(chǎn)物,是利用無線技術(shù)實現(xiàn)快速接入以太網(wǎng)的技術(shù)。與有線局域網(wǎng)相比,WLAN建網(wǎng)迅速、造價低廉、移動靈活、容易擴展,具有很大的優(yōu)越性。但是,WLAN也存在著自身的問題,由于無線信道的隨機和突變特性,使得WLAN中的誤碼率(Bit Error Rate)比較高,同時,WLAN中的載波偵聽(Carrier Sensing)比較困難,網(wǎng)絡延時也比較大,這些問題都嚴重的影響了無線局域網(wǎng)的性能[1]。

OPNET軟件是由美國OPNET Technology公司開發(fā)的大型的通信與計算機網(wǎng)絡仿真軟件包,支持面向?qū)ο蟮慕７绞?并提供圖形化的編輯界面,便于用戶使用。除了能夠模擬固定通信模型外,OPNET的無線建模器還可用于建立分組無線網(wǎng)和衛(wèi)星通信網(wǎng)的模型。同時,OPNET在新網(wǎng)絡的設計以及對現(xiàn)有網(wǎng)絡的分析方面都有卓越表現(xiàn),為通信網(wǎng)和分布式系統(tǒng)的模擬提供了全方位的支持,是目前世界上先進的網(wǎng)絡仿真開發(fā)和應用平臺之一,廣泛應用于大中型企業(yè)智能化網(wǎng)絡設計、規(guī)劃、優(yōu)化和管理等方面。

1 WLAN的標準

目前的WLAN產(chǎn)品所采用的技術(shù)標準主要包括:IEEE 802.11,IEEE 802.11b,IEEE 802.11a和IEEE 802.11g等。

1.1 IEEE 802.11

IEEE 802.11工作于2.4G開放頻段,它在物理層定義了數(shù)據(jù)傳輸?shù)男盘柼卣骱驼{(diào)制方法,定義了兩種無線電(RF)傳輸方式和一種紅外線傳輸方式。其中RF傳輸標準包括直接序列擴頻技術(shù)(Direct Sequence Spread Spectrum,DSSS)和調(diào)頻擴頻技術(shù)(Frequency Hopping Spread Spectrum,FHSS)。DSSS使用BPSK或QPSK調(diào)制,FHSS使用GFSK調(diào)制。為了盡量減少數(shù)據(jù)的傳輸碰撞和重試發(fā)送,防止各站點無序爭用信道,MAC層采用了CSMA/CA(載波偵聽多址訪問/碰撞避免)協(xié)議而不是CSMA/CD(載波偵聽多址訪問/碰撞檢測)協(xié)議[2]。

1.2 IEEE 802.11b

IEEE 802.11b標準對IEEE 802.11標準進行了修改和補充,其中最重要的改進就是在IEEE 802.11的基礎(chǔ)上增加了兩種更高的通信速率:5.5 Mbps和11 Mbps。為了實現(xiàn)這個目標,DSSS被選作該標準的唯一的物理層傳輸技術(shù),這個決定使得802.11 b可以與1Mbps和2Mbps的802.11 DSSS系統(tǒng)相互操作。

在802.11 b標準中,CCK(Complementary Code Keying)技術(shù)取代了原有的11位Barker序列技術(shù),5.5 Mbps使用CCK串來攜帶4位的數(shù)字信息,11Mbps使用CCK串來攜帶8位的數(shù)字信息,這兩個速率的傳送都使用QPSK作為調(diào)制的手段。

為了支持在有噪音的環(huán)境下能夠獲得較好的傳輸速率,802.11 b采用了動態(tài)速率調(diào)節(jié)技術(shù),來允許用戶在不同的環(huán)境下自動使用不同的連接速度來補充環(huán)境的不利影響。

1.3 IEEE 802.11a

IEEE 802.11a擴充了標準的物理層,它工作在U-NII波段的5GHz頻段,物理層速率可達54Mbps,傳輸層可達25Mbps。IEEE 802.11a選擇了具有能有效降低多徑衰落影響與有效使用頻率的正交頻分復用(OFDM)作為調(diào)制技術(shù),可提供25Mbps的無線ATM接口和10 Mbps的以太網(wǎng)無線幀結(jié)構(gòu)接口,以及TDD/TDMA的空中接口。

1.4 IEEE 802.11g

IEEE 802.11g是IEEE為了解決802.11 a與802.11 b的互通而提出的一個標準,它是802.11 b的延續(xù),兩者同樣使用2.4GHz通用頻段。在容量方面,802.11 g的速率上限已經(jīng)由11 Mbps提升至54 Mbps,但由于2.4 GHz頻段干擾過多,在傳輸速率上低于802.11 a。在兼容性方面,802.11 g與802.11 a、802.11 b同時兼容是802.11g的一大亮點,它同時支持802.11 b的CCK和802.11 a的OFDM,802.11g還支持PBCC(Packet Binary Convolutional Coding,分組二進制卷積碼)技術(shù)。802.11 g中規(guī)定的調(diào)制方式有兩種,一種為Intersil公司提案采用的CCK-OFDM,另一種為TI公司提案采用的PBCC-22(也稱CCK-PBCC)調(diào)制方式。

2 仿真模型的建立

Modeler建模的機制就是將建模過程分成三個層次:進程模型、節(jié)點模型和網(wǎng)絡模型。進程模型由狀態(tài)遷移圖、宏定義塊、函數(shù)塊、狀態(tài)變量和臨時變量定義塊等幾部分組成,進入和退出狀態(tài)時又相應要執(zhí)行的函數(shù)體;節(jié)點模型描述的是節(jié)點的行為,它由許多模塊組成,模塊之間用數(shù)據(jù)包流(Packet Stream)或統(tǒng)計線(Statistic Wire)連接;網(wǎng)絡模型主要描述系統(tǒng)的拓撲結(jié)構(gòu)[3,4]。

2.1 網(wǎng)絡模型

在場景中放置6個無線節(jié)點,組建一個小型的分布式無線局域網(wǎng),節(jié)點之間通過無線鏈路通信,無線鏈路在仿真的過程中動態(tài)產(chǎn)生,它存在于任意一組無線發(fā)送機和無線接收機之間,通過改變調(diào)制類型、傳輸速率等參數(shù)可以改變其物理特性。

2.2 節(jié)點模型

為了分析各通信節(jié)點MAC層的接入和傳輸,我們簡化了對MAC層之上的各OSI通信層的建模,僅用一個信源模塊(Source)和一個信宿模塊(Sink)來模擬高層的通信,并且認為網(wǎng)絡中各節(jié)點均具有相同的節(jié)點模型結(jié)構(gòu),如圖1所示。

(1)信源模塊(Source):負責產(chǎn)生數(shù)據(jù)包,并賦給它們隨機的或指定的目的地址。

(2)信宿模塊(Sink):負責做網(wǎng)絡平均時延和信道吞吐量方面的統(tǒng)計工作,并將接收到的包銷毀以釋放占用的內(nèi)存。

(3)Wlan-Mac-Intf模塊:作為MAC層與應用層的層間接口。

(4)Wireless-Ian-Mmac模塊:完成各種MAC多址接入?yún)f(xié)議下分組的接入和傳輸。

(5)接收模塊(Wlan-Port-Rx0):檢測信道的狀態(tài),從信道上取得數(shù)據(jù)幀并傳送給Wireless-Lan-Mac模塊。

(6)發(fā)送模塊(Wlan-Port-Tx0):負責將數(shù)據(jù)幀發(fā)送到信道上。

圖1 節(jié)點模型

2.3 進程模型

進程模型用于具體實現(xiàn)節(jié)電模型中各個模塊的功能,它通過強大的有限狀態(tài)機來支持協(xié)議的實現(xiàn)[5]。信源和信宿模塊的進程模型比較簡單,這里我們主要討論MAC模塊的進程模型。它主要實現(xiàn)了無線局域網(wǎng)MAC層的CSMA/CA協(xié)議:(1)初始化,進入等待狀態(tài)。(2)在準備傳輸時,若信道空閑,則直接傳輸幀;若信道忙,則進入幀間等待。(3)幀間等待完畢后,需要退避則執(zhí)行退避;否則可直接傳輸幀。(4)若退避結(jié)束后,仍需等待,則返回等待狀態(tài),重新等待;否則直接傳送幀。(5)傳輸幀結(jié)束后,有限狀態(tài)機繼續(xù)等待響應幀,等待超時或接收到幀后,若沒有幀需要傳輸,則返回到等待狀態(tài),繼續(xù)等待新幀,如此循環(huán)工作。

3 仿真實例及仿真結(jié)果

將所有場景的仿真時間(Duration)設為300 s,仿真種子數(shù)(Seed)設為128,開始時間為0.02 s,On的平均持續(xù)時間為40 s,Off的平均持續(xù)時間為0 s,包產(chǎn)生間隔時間為0.02 s,包分組大小為512 bytes,仿真參數(shù)設置如圖2所示。

圖2 仿真參數(shù)

3.1 物理層配置仿真

3.1.1 802.11b與802.11g的比較

將場景wlan-b中的物理特性(Physical Characteristic)設置為直接序列擴頻(Direct Sequence Spread Spectrum),速率設置為11 Mbps;將場景wlan-g中的物理特性設置為擴展物理層速率(802.11 g)(Extended Rate PHY(802.11 g)),速率也設置為11 Mbps。在全局統(tǒng)計量中我們選擇丟包率(Data Dropped)、延時(Delay)作為我們的仿真對象,依次可以得到如圖3、圖4所示仿真結(jié)果。

從圖3中我們可以分析得知:當網(wǎng)絡性能趨于穩(wěn)定后,802.11b的丟包率約為72 kbit/s,802.11g的丟包率略大于802.11 b,為75 kbit/s。從圖4中我們可以分析得知:802.11 b與802.11 g的延時相差不大,802.11 b的延時為0.000 9 s,802.11g的延時為0.000 6 s。

圖3 802.11 b與802.11 g丟包率比較

圖4 802.11 b與802.11 g延時比較

3.1.2 802.11 a與802.11 g的比較

將場景wlan-a中的物理特性設置為OFDM(802.11 a),速率設置為54 Mbps;將場景2中的物理特性設置為Extended Rate PHY(802.11 g),速率也設置為 54 Mbps。在全局統(tǒng)計量中我們選擇丟包率(Data Dropped)、延時(Delay)作為我們的仿真對象。經(jīng)過分析仿真結(jié)果可得出,當網(wǎng)絡性能趨于穩(wěn)定后,802.11 a的丟包率與802.11 g的丟包率相近,均約為75 kbit/s。802.11 a與802.11 g的延時相差不大,802.11 a的延時為0.000 110 s,802.11 g的延時為0.000 125 s。

3.2 速率配置仿真

將場景wlan-DS1,wlan-DS2,wlan-DS3中的物理特性均設置為直接序列擴頻,速率依次設置為2 Mbps,5.5 Mbps和11Mbps。在全局統(tǒng)計量中選擇丟包率和延時作為仿真對象,依次可以得到如圖5和圖6所示仿真結(jié)果。

圖5 wlan-DS1,wlan-DS2,wlan-DS3不同速率的丟包率比較

圖6 wlan-DS1,wlan-DS2,wlan-DS3不同速率的延時比較

從圖5中我們可以分析得知:在速率為2 Mbps時,無線網(wǎng)絡丟包數(shù)最小;在速率為5.5 Mbps和11 Mbps時,丟包數(shù)增大。從圖6中我們可以分析得知:在速率為 2Mbps時,延時最大,約為23 ms;在速率為5.5Mbps和11Mbps時,延時均較小,分別為2 ms和 1 ms。因此,當網(wǎng)絡性能穩(wěn)定后,在網(wǎng)絡的其他條件一樣時,網(wǎng)絡丟包數(shù)隨速率的增大而增多,而網(wǎng)絡延時是隨著速率的增大而減小。

3.3 信息包配置仿真

將場景wlan-DS4,wlan-DS5,wlan-DS6中的物理特性均設置為直接序列擴頻,速率均設置為11 Mbps,信息包分組大小依次設置為256 bytes,512 bytes和1 024 bytes。在全局統(tǒng)計量中選擇丟包率和延時作為仿真對象,依次可以得到如圖7和圖8所示仿真結(jié)果。

圖7 wlan-DS4,wlan-DS5,wlan-DS6丟包率比較

圖8 wlan-DS4,wlan-DS5,wlan-DS6延時比較

從圖7中我們可以分析得知:當信息包分組大小為256 bytes時,無線網(wǎng)絡丟包數(shù)幾乎為0;當信息包分組大小為512 bytes時,無線網(wǎng)絡丟包數(shù)約為90 kbit?s-1;當信息包分組大小為1 024 bytes時,無線網(wǎng)絡丟包數(shù)約為840 kbit?s-1。從圖8中我們可以分析得知:當信息包分組大小為256 bytes時,延時最小;當信息包分組大小為512 bytes時,延時增大;當信息包分組大小為1 024 bytes時,延時最大。

4 結(jié)束語

在無線環(huán)境中,由于噪聲、干擾、多徑和移動終端漫游等因素影響,信道狀況隨著時間變化很大,網(wǎng)絡的性能也受到了影響,因此在設計無線局域網(wǎng)時合理的選擇標準以及設置相應的網(wǎng)絡參數(shù)對提高無線局域網(wǎng)的性能是至關(guān)重要的。本文利用OPNET Modeler 11.5仿真平臺對無線局域網(wǎng)進行了建模,對無線局域網(wǎng)在802.11 b,802.11 a和802.11 g三種不同標準下的網(wǎng)絡性能進行了比較,同時,對處于不同的無線數(shù)據(jù)傳輸率和信息包分組大小下的無線局域網(wǎng)性能也做了分析比較。如果在組建無線局域網(wǎng)對于傳輸速率和吞吐量要求不高時,可以選擇802.11 b標準,畢竟價格低廉是802.11 b的優(yōu)勢,同時它具有遠距離傳輸能力,在設置參數(shù)的時候,可以選擇5.5Mbps的傳輸速率和512 bytes的信息包分組大小,這樣丟包率、延時和吞吐量均達到一個較優(yōu)數(shù)值;如果干擾源較多,需要可伸縮性訪問,這時可以選擇802.11 a標準,因為它工作于5 GHz頻段,具有更多的信道,同時在設置參數(shù)的時候,可以選擇54Mbps的傳輸速率和512 bytes的信息包分組大小,這樣可以獲得較小的延時和較高的吞吐量;如果同時要求高速率傳輸和遠距離地域覆蓋時,可以選擇802.11 g標準,因為工作于2.4GHz頻段的OFDM波形技術(shù)具備了有效組合能力和極強的穿透能力,同時在設置參數(shù)的時候,可以選擇54 Mbps的傳輸速率和256 bytes的信息包分組大小,這樣可以獲得較小的延時和丟包率。

[1]劉乃安.無線局域網(wǎng)(WLAN)-原理技術(shù)與應用[M].西安:西安電子科技大學出版社,2004.

[2]謝希仁.計算機網(wǎng)[M].5版.北京:電子工業(yè)出版社,2008.

[3]王曉峰,孫繼銀.基于OPNET的網(wǎng)絡仿真應用技術(shù)[J].兵工自動化,2009(4):64-65.

[4]陳敏,韋崗.IEEE802.11無線局域網(wǎng)OPNET建模與性能測試[J].計算機工程,2004,30(21):14-16.

[5]司麗娜,胡玉清.基于OPNET的自相似網(wǎng)絡仿真與性能分析[J].計算機工程與設計,2009(15):50-51.

[6]魏鴻毅,慕曉冬,夏薇.基于OPNET的無線通信網(wǎng)絡性能研究[J].微計算機信息,2008(18):115-116.

[7]陳巖,董淑福,蔣磊.OPNET網(wǎng)絡仿真技術(shù)及其應用研究[J].計算機技術(shù)與發(fā)展,2009(2):199-201.

[8]曾珞亞,馮燕.基于OPNET的網(wǎng)絡仿真設計[J].軟件導刊,2009(1):125-128.