基于QualNet的無線網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺設(shè)計

周婭

摘 要： 針對傳統(tǒng)有線教學(xué)網(wǎng)絡(luò)的局限性，無線網(wǎng)絡(luò)近些年得到了迅速的發(fā)展，然而其通信容易受到外界的電磁干擾且設(shè)備更新快、投資大成為其發(fā)展瓶頸，采用網(wǎng)絡(luò)仿真技術(shù)是研究解決以上問題的有效途徑。采用QualNet軟件模擬教學(xué)平臺，利用QualNet地圖加載和QualNet編譯等功能實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的具體協(xié)議，同時采用Matlab與QualNet仿真平臺聯(lián)合的策略，在仿真平臺實現(xiàn)物理層的仿真。最后通過QualNet平臺針對WiMAX網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和系統(tǒng)輸出結(jié)果進(jìn)行仿真實驗，基于仿真結(jié)果分析了無線網(wǎng)絡(luò)的性能。

關(guān)鍵詞： 無線網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺； QualNet； Matlab； WiMAX

中圖分類號： TN911?34； TM417 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2016）09?0053?04

Abstract： For the limitations of the traditional wired teaching network， the wireless network has rapid developement in recent years， but its communication is easy to be interfered by the external electromagnetic interference， and it has suffered from the development bottleneck due to fast update and large investment of its equipments. The network simulation technology is the efficient approach to solve the above problems. The QualNet software is used to simulate the teaching platform. The functions of QualNet map loading and QualNet compiling are used to implement the specific network protocol. The integrated strategy of Matlab and QualNet simulation platforms is adopted to simulate the physical layer. The WiMAX network protocol and system output results were simulated through the QualNet platform. The performance of the wireless network is analyzed based on simulation results.

Keywords： wireless network teaching platform； QualNet； Matlab； WiMAX

0 引 言

隨著計算機(jī)科學(xué)和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的推廣和普及，通信技術(shù)不斷發(fā)展，電子設(shè)備的更新迭代速度和頻率也極大提高。目前，針對高校無線網(wǎng)絡(luò)的研究在整個通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的研發(fā)中顯得越來越重要[1]。為了方便校園學(xué)習(xí)，讓學(xué)生真正理解和掌握課堂和書本的理論知識，提升綜合技能和動手實踐能力，必須安排足夠的驗證性實驗和一定的綜合性實驗，因此無線網(wǎng)絡(luò)課程是解決課堂教學(xué)與實驗教學(xué)相結(jié)合問題的有效方式。因此，學(xué)校的無線網(wǎng)絡(luò)教學(xué)環(huán)境成為了當(dāng)前研究的重點工作[2]。

無線網(wǎng)絡(luò)處于開放性的傳播空間，在傳播過程中容易受到外界環(huán)境的干擾，特別是電磁干擾。同時，與有限網(wǎng)絡(luò)相比，在驗證無線網(wǎng)絡(luò)時的場地限制也是制約研究的困難。另外，鑒于快速的無線產(chǎn)品的迭代速度，實驗室很難投入更多的資金去更新和購買設(shè)備，因此學(xué)生的動手、實驗機(jī)會將不斷減少[3]。

針對上述問題，使用網(wǎng)絡(luò)仿真技術(shù)是突破目前困難現(xiàn)狀的有效方法。從本質(zhì)上講，網(wǎng)絡(luò)仿真技術(shù)就是通過計算機(jī)技術(shù)構(gòu)造網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，用來模擬實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的仿真行為，通過計算機(jī)推算可以獲取針對性的目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)特性參數(shù)，從而可以完成網(wǎng)絡(luò)性能的研究和分析工作[4]。

1 QualNet技術(shù)

1.1 QualNet結(jié)構(gòu)特性

QualNet的功能就是針對無線移動通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行優(yōu)化計算和處理，與同類型產(chǎn)品在仿真速度、準(zhǔn)確率方面都獲得了極大程度的提升，而且通過對無線射頻和信道技術(shù)的高效建模仿真，確保了軟件非常高的仿真精度。QualNet按照網(wǎng)絡(luò)的七層架構(gòu)采用模塊化設(shè)計，其中物理層是QualNet協(xié)議棧的最下層，包含很多庫，比如無線、高級無線、蜂窩、衛(wèi)星、傳感器網(wǎng)絡(luò)、網(wǎng)絡(luò)安全等庫[5]。

QualNet地理坐標(biāo)系統(tǒng)支持CARTESIAN（直角坐標(biāo)）和LATLONALT（經(jīng)緯度）兩種坐標(biāo)。QualNet支持的地形數(shù)據(jù)格式為：CARTESIAN（直角坐標(biāo)），DTED和USGSDEM三種格式[6]。

1.2 物理層仿真具體處理流程分析

在QualNet中，每個節(jié)點協(xié)議棧的初始化是最底層操作。對于一個無線網(wǎng)絡(luò)來說，一個節(jié)點的MAC層和物理層是共同初始化的，并且，物理層的初始化發(fā)生在MAC層初始化前。這個過程是在節(jié)點初始化函數(shù)PARTITION_InitializeNodes中執(zhí)行的[7]。具體處理步驟如下：

（1） 節(jié)點的初始化函數(shù)，PARTITION_InitializeNodes調(diào)用MAC層初始化函數(shù)MAC_Initialize。

（2） 對于無線MAC協(xié)議，AddNodeToSubnet函數(shù)通過調(diào)用函數(shù)PHY_CreateAPhyForMac初始化接口具體物理層模型[8]。

（3） 函數(shù)PHY_CreateAPhyForMac，從配置文件中讀取和存儲相關(guān)信道參數(shù)，從配置文件中讀取和存儲通用物理層參數(shù)調(diào)用運行在接口中的 PHY 模型初始化函數(shù)。

（4） MAC層協(xié)議通過調(diào)用函數(shù)PHY_StartTransmittingSignal向物理層發(fā)送一個報文。

QualNet對物理信道的仿真是以接收、發(fā)送功率、SINR、BER等幾個主要特性參數(shù)建立抽象信道模型。

2 QualNet與Matlab聯(lián)合仿真

2.1 物理層解決思路

在OFDM仿真流程的基礎(chǔ)上，用Matlab語言很方便編寫出OFDM發(fā)送、信道及接收整個系統(tǒng)仿真流程，并對仿真系統(tǒng)的性能進(jìn)行了分析。其中，正交頻分復(fù)用技術(shù)（OFDM）是一種無線環(huán)境下高速傳輸技術(shù)，OFDM原理框圖如圖1所示。

2.2 QualNet與Matlab聯(lián)合仿真

QualNet是分層實現(xiàn)的，網(wǎng)絡(luò)性能能夠反映出來該協(xié)議的修改對整體網(wǎng)絡(luò)的影響。一般的Matlab用于仿真MAC層以下的層面，如前面提到的調(diào)制、信道、解調(diào)等。 所以將Matlab集成到網(wǎng)絡(luò)仿真器里面時，就要在對應(yīng)的物理層實現(xiàn)的地方進(jìn)行替換。切斷原來的參數(shù)傳遞過程，將QualNet輸入?yún)?shù)遞交給Matlab進(jìn)行計算，計算結(jié)果也要按照QualNet接收的形式給出。必要的時候，可以對QualNet的模型進(jìn)行修改提高M(jìn)atlab模型的利用度。

模擬器可以根據(jù)路徑損耗、陰影、多路徑、頻移參數(shù)生成動態(tài)信道，進(jìn)而產(chǎn)生一個相對精確的物理層模型，連同網(wǎng)絡(luò)層模擬，通過整合能夠使設(shè)計者看到物理層、MAC層、路由層、傳輸層和應(yīng)用層等一個完整的運行效果。例如：當(dāng)一個QualNet節(jié)點探測一個到來的信號時，它首先會判斷這個信號是否大于給定的接收值。如果大于給定的接收值，它會試著接受這個信號。通過信號的強(qiáng)度和信道的噪聲能夠計算出SINR。QualNet當(dāng)前不支持硬件設(shè)備、多普勒效應(yīng)、頻段損耗等。因此，需要整合OFDM模型到QualNet中，大體思路如下：QualNet原始節(jié)點的SINR作為SINRin，導(dǎo)入OFDM模型，加上多徑、多普勒和頻移參數(shù)，一個動態(tài)信道就產(chǎn)生了。然后進(jìn)行OFDM仿真，結(jié)果在接收機(jī)的接收SINR，SINRout被用來計算公式中的loss，此loss值被存在QualNet一個表里。通過把它映射到一個BER值，新的SINR結(jié)果值被用來計算是否包含錯誤，由于數(shù)據(jù)分組長度過短，對于一個短的分組來說計算BER值是不準(zhǔn)確的，在phy/phy_802_11.c文件的Phy802_11CheckRxPacketError（）函數(shù)中，通過系統(tǒng)調(diào)用語句插入了OFDM計算模型。

2.3 編譯

QualNet makefile位于安裝目錄下的main子目錄，編譯環(huán)境集成主要工作是將IEEE 802.11a物理層的編譯和鏈接集成到Qualnet編譯環(huán)境下，具體工作包括源程序文件和選擇性編譯標(biāo)志在makefile中的添加。

安裝了Microsoft Visual Studio 2008 IDE之后，需要進(jìn)行配置，步驟如下：

（1） 配置環(huán)境變量：“我的電腦”右鍵→“屬性” 。

（2） 在彈出的對話框選擇“高級”→“環(huán)境變量”。

（3） 在新對話框中，選擇“Path”→“編輯”。

（4） 彈出如下對話框，在“變量值”中添加“； STUDIO_HOME＼VC＼bin”。

（5） 最后點擊“確定”，即可完成對環(huán)境變量的修改。

（6） 測試環(huán)境變量是否修改成功：“運行”→“cmd”→“nmake?help”。

（7） 在QUALNET_HOME路徑下，新建文件：Makefile。

（8） 打開Microsoft Visual Studio2008、選擇“文件”→“新建”→“從現(xiàn)有文件創(chuàng)建新項目”。

（9） 在彈出的對話框中“要創(chuàng)建什么類型的項目”中選擇“Visual C++”。

（10） 并在接下來的彈出框中輸入如下信息：

項目文件位置：C：＼snt＼qualnet＼5.0；項目名稱：qualnet；文件夾：C：＼snt＼qualnet＼5.0。

3 構(gòu)建基于WiMAX的網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺

本設(shè)計中基于WiMAX技術(shù)的設(shè)計采用固定場景，確保在場景為300 m的覆蓋范圍內(nèi)，8個用戶基站通過中心基站進(jìn)行通信，設(shè)計中采用星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，遠(yuǎn)端用戶基站直接和中心基站相連。

3.1 實驗環(huán)境及要求說明

要求在 Qualnet環(huán)境下，建立基于 WiMAX的網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺，具體要求如下：

地理范圍：400 m×400 m；節(jié)點數(shù)：8個用戶基站，1個基站；節(jié)點類型：靜態(tài)節(jié)點；業(yè)務(wù) 數(shù)量：7×8=56；業(yè)務(wù)類型：CBR；通信方式：8個用戶節(jié)點通過中心基站通信。根據(jù)要求構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)如圖2所示。

3.2 參數(shù)配置

以2號節(jié)點為例，WiMAX采用IEEE 802.16標(biāo)準(zhǔn)。這里配置物理層，MAC層和路由協(xié)議。

（1） 物理層配置。Radio Type設(shè)置為IEEE 802.16，發(fā)射機(jī)功率為20 dBm，對應(yīng)公式X（dBm）=10lg[x（mW）]，即100 mW。Antenna Model設(shè)置為Omnidirectional（全向天線）。

（2）MAC層協(xié)議配置。MACProtocol設(shè)置為802.16。StationType設(shè)置為SubscriberStation（用戶站）。WaitDCDTimeoutInterval默認(rèn)為25 s，DCD消息：BS周期性發(fā)送的一個消息，定義了下行物理信道的特性。UCD：通過BS周期性不間斷的發(fā)送信息，上行物理信道特性本質(zhì)得到準(zhǔn)確的定義和記錄。其中核心消息包括上行突發(fā)序列屬性、配置改變計數(shù)器、微時隙大小、請求退避開始、請求退避結(jié)束、上行信道ID等參數(shù)信息。

（3） 業(yè)務(wù)配置。以10 s為間隔向一個節(jié)點發(fā)送大小為32 B的包，共發(fā)送70個包。

4 仿真分析

4.1 仿真過程

WiMAX的仿真過程，所有用戶站的信息通過基站 1 進(jìn)行傳輸，如圖3所示。

4.2 仿真結(jié)果及網(wǎng)絡(luò)性能分析

4.2.1 丟包率

客戶端發(fā)包數(shù)量如圖4所示。

從而得到丟包率為0%，即在理想信道環(huán)境下，可能不發(fā)生丟包。

4.2.2 吞吐量

客戶端、服務(wù)器端吞吐量如圖7所示。模擬Server節(jié)點2吞吐量大約為7 000 b/s，節(jié)點3吞吐量大約為3 600 b/s，其他節(jié)點吞吐量均為2 000 b/s。

節(jié)點2平均端到端的時延大約為18 s，節(jié)點3平均端到端的時延大約為5 s，其他節(jié)點平均端到端的時延大約為2 s。由分析得知，此WiMAX網(wǎng)絡(luò)時延很高。

4.2.4 誤碼率

由仿真結(jié)果分析數(shù)據(jù)得到WiMAX誤碼率，如圖9所示。

從而得知誤碼率=[13336 030=0.36]%，在8個用戶站的情況下，屬于正常范圍。

5 結(jié) 論

本文從無線網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺的需求出發(fā)，探討網(wǎng)絡(luò)仿真的必要性。QualNet是一種仿真快速而且精確的動態(tài)開發(fā)、仿真系統(tǒng)。然而QualNet網(wǎng)絡(luò)仿真器選擇經(jīng)過高度抽象的簡單模型來提升仿真速度和效率。本文詳細(xì)深入研究QualNet網(wǎng)絡(luò)仿真器物理層模型及存在的缺陷，提出將QualNet和Matlab聯(lián)合仿真解決此問題，從而提高網(wǎng)絡(luò)仿真精度。

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