多種無(wú)線通信方式的OPNET仿真測(cè)試

張書僑

（北京東方波泰無(wú)線電頻譜技術(shù)研究所，北京 100037）

多種無(wú)線通信方式的OPNET仿真測(cè)試

張書僑

（北京東方波泰無(wú)線電頻譜技術(shù)研究所，北京 100037）

在無(wú)線通信領(lǐng)域中存在多種無(wú)線通信方式，包括WLAN，3G，WAVE等模式，本文通過OPNET對(duì)它們進(jìn)行仿真測(cè)試。

WLAN；3G；WAVE；OPNET

1 引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)和科技的高速發(fā)展，在各個(gè)領(lǐng)域內(nèi)，對(duì)環(huán)境感知及通信的需求也越來(lái)越高。其中，最為典型的無(wú)線通信模式就是移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商負(fù)責(zé)維護(hù)的移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)，如GPRS、3G業(yè)務(wù)、4G業(yè)務(wù)等應(yīng)用最為廣泛。另外，WLAN（無(wú)線局域網(wǎng)）在構(gòu)架小型家庭、公司內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用也十分廣泛。在個(gè)別特殊的生活領(lǐng)域，例如交通領(lǐng)域，存在WAVE（車載環(huán)境無(wú)線接入）通信模式專門用于維持車—車、車—路之間的通信，用于提高交通安全和運(yùn)行效率。各種無(wú)線通信模式的原理不盡相同，但對(duì)于無(wú)線通信的評(píng)價(jià)指標(biāo)類似，包括通信延時(shí)、丟包率等性能參數(shù)。本文旨在分析WLAN、3G及WAVE無(wú)線通信模式原理及特點(diǎn)，通過OPENT仿真，研究其性能參數(shù)及優(yōu)勢(shì)。

2 無(wú)線通信模式介紹

2.1 WLAN通信

WLAN是一類無(wú)線通信系統(tǒng)的簡(jiǎn)稱，具有靈活性、移動(dòng)性、易擴(kuò)展性及成本低等特點(diǎn)。Wi-Fi是一個(gè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的品牌，其主要采用的通信協(xié)議也是IEEE 802.11系列協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。IEEE 802.11協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)主要位于OSI協(xié)議的物理層和MAC層。物理層定義了三種無(wú)線傳輸方法，即跳頻擴(kuò)頻、直接序列擴(kuò)頻以及紅外傳輸方法。MAC層主要功能是規(guī)范了訪問機(jī)制、控制數(shù)據(jù)的傳輸，并且定義了MAC幀格式，采用CSMA/CA（載波偵聽多點(diǎn)接入/沖突避免）機(jī)制控制及協(xié)調(diào)信道的接入。

隨著高速無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務(wù)的需求與發(fā)展，IEEE 802.11標(biāo)準(zhǔn)的2Mb/s速率已經(jīng)不能滿足需要。IEEE工作組又發(fā)布了IEEE 802.11b，IEEE802.11a，IEEE 802.11g，將最大無(wú)線傳輸速率提高到11Mb/s和54Mb/s。各種協(xié)議的特性如表1所示。

表1 IEEE 802.11系列性能參數(shù)

WLAN常采用的是IEEE 802.11b協(xié)議，有多種路由協(xié)議可供選擇，包括AODV（Ad-hoc on-demand distance vector routing），DSR（DynamicSource Routing），TORA（Temporally OrderedRouting Algorithm）等路由協(xié)議，信道接入?yún)f(xié)議有DCF（分布式協(xié)調(diào)功能）、PCF（點(diǎn)協(xié)調(diào)功能）及HCF（混合協(xié)調(diào)功能）可供選擇。其他各種IEEE802.11系列協(xié)議對(duì)不同的應(yīng)用場(chǎng)景也會(huì)有不同的適用性。

2.2 3G通信

本文所采用的3G技術(shù)為UMTS（通用移動(dòng)通信系統(tǒng)）。相對(duì)于功能單一WLAN或GSM，GPRS網(wǎng)絡(luò)，UMTS網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，功能更加豐富，網(wǎng)絡(luò)管理需要考慮的因素也更加多元化。UMTS除了把WCDMA作為首選空中接口技術(shù)獲得不斷完善外，還相繼引入了TD-SCDMA和HSDPA技術(shù)。UMTS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要包括無(wú)線接入網(wǎng)絡(luò)和CN（核心網(wǎng)絡(luò)）兩部分，無(wú)線接入網(wǎng)絡(luò)部分包括UE（用戶設(shè)備）和UTRAN（陸地?zé)o線接入網(wǎng)）。UMTS支持1920kb/s的傳輸速率，其關(guān)鍵技術(shù)為切換技術(shù)，主要包括軟切換和硬切換，目的是保證移動(dòng)節(jié)點(diǎn)良好的接入到當(dāng)前的移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)。UMTS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 UMTS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.3 WAVE通信

WAVE技術(shù)是車路協(xié)同系統(tǒng)產(chǎn)生后，為解決車車通信、車路通信問題而提出的一種高效的無(wú)線接入通信機(jī)制。WAVE的優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在消息傳輸延時(shí)、節(jié)點(diǎn)移動(dòng)性、通信頻段的抗干擾性和IEEE802.11p對(duì)車路協(xié)同系統(tǒng)的適用性，其在網(wǎng)絡(luò)性能、實(shí)現(xiàn)成本及復(fù)雜程度方面的綜合評(píng)價(jià)均優(yōu)于普通的無(wú)線通信技術(shù)，其技術(shù)參數(shù)如表2所示。

WAVE的協(xié)議體系主要依托于IEEE 802.11p協(xié)議，其是針對(duì)汽車通信的交通應(yīng)用環(huán)境而設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)，主要作用于物理層和數(shù)據(jù)鏈路層。物理層處于協(xié)議的底層，且是基于正交頻分復(fù)用的，主要負(fù)責(zé)為設(shè)備之間的數(shù)據(jù)通信提供傳輸媒介及互聯(lián)設(shè)備，控制信道的激活或失效服務(wù)，為數(shù)據(jù)傳輸提供可靠的環(huán)境。數(shù)據(jù)鏈路層包括LLC（邏輯鏈路子層）和MAC（介質(zhì)訪問控制子層），其中IEEE 802.11p的MAC層是整個(gè)協(xié)議架構(gòu)中性能優(yōu)勢(shì)的集中體現(xiàn)。MAC層為數(shù)據(jù)傳輸?shù)男诺绤f(xié)調(diào)控制方面提供服務(wù)，通過可靠的信道接入?yún)f(xié)議，更加高效的進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。WAVE在交通領(lǐng)域已經(jīng)得到了大量的應(yīng)用。

3 性能仿真測(cè)試

3.1 OPENT仿真原理

OPNET Modeler是當(dāng)前領(lǐng)先的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)開發(fā)環(huán)境，廣泛應(yīng)用于設(shè)計(jì)和研究通信網(wǎng)絡(luò)、設(shè)備、協(xié)議和應(yīng)用為開發(fā)人員提供了建模、仿真以及分析的集成環(huán)境，大大減輕了編程以及數(shù)據(jù)分析的工作量。OPNET采用離散事件驅(qū)動(dòng)的模擬機(jī)理，通過事件驅(qū)動(dòng)器以先進(jìn)先出的方式對(duì)事件和事件時(shí)間列表進(jìn)行維護(hù)，每當(dāng)有一個(gè)事件出現(xiàn)后，仿真時(shí)間推進(jìn)，仿真中各個(gè)模塊之間通過事件中斷方式傳遞事件信息。與時(shí)間驅(qū)動(dòng)相比，這種機(jī)制的計(jì)算效率更高。構(gòu)建OPNET仿真模型依次從進(jìn)程模型、節(jié)點(diǎn)模型和網(wǎng)絡(luò)模型三部分進(jìn)行。

根據(jù)車路協(xié)同系統(tǒng)信息交互過程的特殊性，選取OPNET Modeler模型庫(kù)中的MANET模型作為WLAN模式和WAVE模式的仿真實(shí)驗(yàn)節(jié)點(diǎn)模型。車輛信息從WLAN收發(fā)信機(jī)進(jìn)出，依次經(jīng)過MAC層、數(shù)據(jù)鏈路層、IP層、UDP層、路由層、應(yīng)用層，完成整個(gè)消息的通信流程。OPNET也提供了UMTS系統(tǒng)的仿真模型，可以根據(jù)用戶需求配置模型屬性。

3.2 仿真結(jié)果評(píng)估

本文統(tǒng)計(jì)收集的無(wú)線性能指標(biāo)為傳輸延時(shí)和丟包率。網(wǎng)絡(luò)的傳輸延時(shí)定義為一個(gè)數(shù)據(jù)分組從源節(jié)點(diǎn)發(fā)送到目的節(jié)點(diǎn)的時(shí)間差，它包括電（或光）信號(hào)在物理媒介中的傳輸延時(shí)和數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)中的處理延時(shí)，也即指網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)傳輸所用的時(shí)間。本文以數(shù)據(jù)分組發(fā)送和到達(dá)之間的時(shí)間差表示傳輸延時(shí)。丟包率是反映網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量的重要參數(shù)，它定義了傳輸期間網(wǎng)絡(luò)丟失分組的數(shù)量，通常指的是在仿真時(shí)間段內(nèi)丟失的數(shù)據(jù)分組占傳輸?shù)臄?shù)據(jù)總量的比例。導(dǎo)致丟包的因素有很多，比如網(wǎng)絡(luò)擁堵、接收分組的緩沖區(qū)太小、TTL值超過規(guī)定值以及無(wú)線信號(hào)的同頻干擾等。本文以丟失分組的數(shù)量與發(fā)送分組總量的比值來(lái)衡量丟包率的大小。

仿真場(chǎng)景建立在一平方公里的范圍內(nèi)，通過放置50到300個(gè)通信節(jié)點(diǎn)進(jìn)行隨機(jī)通信和隨機(jī)移動(dòng)（將節(jié)點(diǎn)假設(shè)為車輛），采用不同的通信模式進(jìn)行仿真，仿真時(shí)間為10分鐘。三種無(wú)線通信模式的仿真結(jié)果如2及圖3所示。

通過仿真結(jié)果可以看出，3G技術(shù)的延時(shí)較其他兩種方式較大，而其丟包率較小。WLAN和WAVE模式在傳輸延時(shí)和丟包率方面差別不大。隨著通信節(jié)點(diǎn)數(shù)目的增加，3G的性能是持續(xù)惡化，而另外兩種通信模式會(huì)出現(xiàn)一個(gè)較好的極值，這是因?yàn)閃LAN和WAVE獨(dú)特的信道接入?yún)f(xié)議和路由協(xié)議決定的。當(dāng)試圖增加通信節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)速度時(shí)會(huì)發(fā)現(xiàn)，WAVE通信模式的效果會(huì)突出的表現(xiàn)出來(lái)，在延時(shí)方面和丟包率方面較WLAN有很大的提高。

圖2 傳輸延時(shí)仿真結(jié)果

圖3 丟包率仿真結(jié)果

4 結(jié)束語(yǔ)

本文通過對(duì)多種無(wú)線通信模式的原理進(jìn)行分析及仿真測(cè)試，驗(yàn)證了WLAN，UMTS，WAVE三種通信方式的通信性能及其所屬的應(yīng)用領(lǐng)域。WLAN適用于對(duì)信息及時(shí)性要求比較高的小范圍場(chǎng)所，而且數(shù)據(jù)量可以很大；UMTS適用于遠(yuǎn)距離及移動(dòng)性較強(qiáng)的場(chǎng)合；WAVE適用于快速移動(dòng)的交通領(lǐng)域。各種無(wú)線通信模式在其應(yīng)用范疇內(nèi)不斷進(jìn)行改進(jìn)，更好地為我們服務(wù)。

[1] 劉乃安．無(wú)線局域網(wǎng)：WLAN原理技術(shù)與應(yīng)用．西安：西安電子科技大學(xué)出版社.

[2] Heikkikaaranen．3G技術(shù)與UMTS網(wǎng)絡(luò)．北京：人民郵電出版社.

OPNET Simulation Test for Multiple Wireless Communication Modes

Zhang Shuqiao
(Beijing OET Spectrum Institute, Beijing, 100037)

There are a variety of wireless communicationsmodesin the field of wireless communicationswhichinclude WLAN, 3G and WAVE pattern, and this article make simulation testfor them in OPNET.

WLAN; 3G; WAVE; OPNET

10.3969/j.issn.1672-7274.2014.10.017

TN924

A

1672-7274（2014）10-0063-03

張書僑，男，1987年生，碩士，主要從事無(wú)線電監(jiān)測(cè)工作。