移動(dòng)自組織網(wǎng)絡(luò)三維動(dòng)態(tài)仿真研究

楊佳

摘要：基于 Qual Net仿真軟件設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了移動(dòng)自組織網(wǎng)絡(luò)三維動(dòng)態(tài)仿真，將機(jī)動(dòng)性目標(biāo)和地形矢量因素加入移動(dòng)自組織網(wǎng)絡(luò)仿真并拓展到三維空間， 給出了三維仿真的動(dòng)態(tài)模型及其滿足的普遍關(guān)系式。加載地理矢量地圖，對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行建模并對(duì)網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，通過(guò)對(duì)仿真結(jié)束產(chǎn)生的柱狀圖進(jìn)行分析來(lái)評(píng)估網(wǎng)絡(luò)性能。

關(guān)鍵詞：移動(dòng)自組織網(wǎng)絡(luò) QualNet 三維動(dòng)態(tài)仿真 建模

中圖分類號(hào)：TP391.9 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2016）07-0048-02

1 引言

移動(dòng)自組織網(wǎng)絡(luò)也稱Mobile Ad Hoc Network（MANET）[1-2]，MANET 具有分布式、自組織等特征，不需要進(jìn)行預(yù)先的網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃就可以實(shí)現(xiàn)無(wú)線移動(dòng)節(jié)點(diǎn)間的互聯(lián)，近年在搶險(xiǎn)救災(zāi)、戰(zhàn)場(chǎng)通信、野外科考等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。但隨著網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的增大、節(jié)點(diǎn)移動(dòng)造成的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇焖僮兓?、?jié)點(diǎn)業(yè)務(wù)多樣復(fù)雜化，網(wǎng)絡(luò)性能評(píng)估預(yù)測(cè)成為新的難題。若采用全實(shí)物搭建網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)評(píng)估、開發(fā)和設(shè)計(jì)，不僅耗費(fèi)大，并且很難進(jìn)行數(shù)據(jù)的收集統(tǒng)計(jì)和分析。因此，網(wǎng)絡(luò)仿真成為網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃和設(shè)計(jì)開發(fā)的手段。

2 QualNet網(wǎng)絡(luò)仿真工具

QualNet是近年來(lái)興起的一種仿真工具，是由美國(guó)SNT公司研制設(shè)計(jì)開發(fā)的網(wǎng)絡(luò)模擬系統(tǒng)，由GloMosim升級(jí)。基于TCP/IP分層次模塊封裝建模，可以對(duì)各種網(wǎng)絡(luò)設(shè)備組成的有線、無(wú)線或混合網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分析仿真。QualNet具有強(qiáng)大的3D可視化效果，節(jié)點(diǎn)協(xié)議模型庫(kù)豐富，支持對(duì)各種專用網(wǎng)絡(luò)的仿真（如傳感網(wǎng)、WiFi、MANET、蜂窩移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)和衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)），并提供半實(shí)物仿真接口。

2.1 QualNet功能介紹

QualNet主要功能有場(chǎng)景設(shè)計(jì)、動(dòng)畫演示、結(jié)果分析、報(bào)文跟蹤等[3-4]。

（1）場(chǎng)景設(shè)計(jì)（Scenario Designer）。場(chǎng)景設(shè)計(jì)是通過(guò)圖形化設(shè)置工具設(shè)定網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)模型的位置、物理鏈路屬性、網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議、各項(xiàng)應(yīng)用業(yè)務(wù)以及傳播地形等特征。

（2）動(dòng)畫演示（Animator）。動(dòng)畫演示是指用戶設(shè)置仿真時(shí)間、速度和動(dòng)態(tài)顯示過(guò)濾器，通過(guò)可視動(dòng)態(tài)窗口觀察網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行時(shí)中不同層的業(yè)務(wù)流以及網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的運(yùn)行情況等動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)。

（3）結(jié)果分析（Analyzer）。結(jié)果分析器是通過(guò)統(tǒng)計(jì)圖表的形式把收集到的網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選顯示展示，便于用戶分層查看某個(gè)場(chǎng)景的結(jié)果并找出場(chǎng)景的問(wèn)題所在。

（4）報(bào)文跟蹤（Packet Tracer）。報(bào)文追蹤是通過(guò)查看數(shù)據(jù)包經(jīng)過(guò)各層協(xié)議棧時(shí)的封裝變化的和在網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點(diǎn)傳遞情況。

2.2 QualNet仿真流程

QualNet的網(wǎng)絡(luò)仿真基本流程如圖1所示。

3 仿真實(shí)例

本文通過(guò)QualNet網(wǎng)絡(luò)仿真系統(tǒng)搭建一個(gè)加載高程地圖信息的具有移動(dòng)性的7節(jié)點(diǎn)AD Hoc無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，設(shè)定一對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。設(shè)置節(jié)點(diǎn)之間的應(yīng)用層業(yè)務(wù)參數(shù)、網(wǎng)絡(luò)層路由協(xié)議、鏈路層協(xié)議和無(wú)線傳播鏈路等參數(shù)，并運(yùn)行仿真。觀察7節(jié)點(diǎn)的位置變化情況，當(dāng)通信節(jié)點(diǎn)間由于地形因素通視鏈路中斷時(shí)的路由變化和業(yè)務(wù)流傳輸?shù)穆窂阶兓闆r，最后查看仿真結(jié)果并驗(yàn)證。

3.1 仿真場(chǎng)景設(shè)定

在QualNet場(chǎng)景編輯器中設(shè)定仿真場(chǎng)景：加載西經(jīng)116.188～166°，北緯35.4494～35.6227°高程矢量地圖。仿真場(chǎng)景中配置7個(gè)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)，組成一個(gè)子網(wǎng)，位置隨機(jī)分布，紅旗為每個(gè)節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)軌跡路線。

3.2 業(yè)務(wù)配置

CBR（Constant Bit Rate）就是靜態(tài)（恒定）比特率，業(yè)務(wù)源流量產(chǎn)生器通過(guò)以一個(gè)固定速率傳輸同樣大小的包來(lái)產(chǎn)生一個(gè)固定速率的業(yè)務(wù)流。

3.3 仿真參數(shù)

仿真場(chǎng)景中設(shè)定的協(xié)議參數(shù)如表1所示。

3.4 動(dòng)態(tài)仿真過(guò)程

QualNet通過(guò)動(dòng)畫模擬的形式給用戶實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行過(guò)程的動(dòng)態(tài)可視化功能，可以設(shè)置節(jié)點(diǎn)位置、各個(gè)層次的過(guò)濾顯示動(dòng)畫演示。動(dòng)畫演示和仿真可同步或加速運(yùn)行，可以實(shí)時(shí)查看每個(gè)節(jié)點(diǎn)或事件在運(yùn)行時(shí)的動(dòng)畫效果。

完成仿真各項(xiàng)設(shè)置后，開始運(yùn)行仿真，獲得如圖2所示的不同網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)的演示圖。在場(chǎng)景中節(jié)點(diǎn)有兩次移動(dòng)，C）圖中19號(hào)節(jié)點(diǎn)在第一次移動(dòng)后關(guān)機(jī)，D）圖中由于紅色區(qū)域的地形地勢(shì)較高且高低起伏而形成遮擋，源和目的節(jié)點(diǎn)不能和兩節(jié)點(diǎn)直線上的中繼節(jié)點(diǎn)搭建有效傳輸鏈路。

3.5 結(jié)果統(tǒng)計(jì)

設(shè)定的仿真時(shí)間結(jié)束后，在分析界面中選擇想要查看的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，QualNet仿真結(jié)果是以直方圖的形式進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和分析包的。本文選取了節(jié)點(diǎn)平均時(shí)延和收到的廣播包數(shù)量和節(jié)點(diǎn)平均時(shí)延和收到的廣播包數(shù)量?jī)蓚€(gè)統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，如圖3所示。

4 結(jié)語(yǔ)

本文詳細(xì)介紹了QualNet的功能、優(yōu)點(diǎn)，對(duì)QualNet的基本仿真流程的兩種情況--對(duì)源碼無(wú)操作和對(duì)源碼有操作給出了仿真流程圖。并通過(guò)QualNet網(wǎng)絡(luò)仿真系統(tǒng)搭建了一個(gè)加載高程地圖信息的具有移動(dòng)性的7節(jié)點(diǎn)移動(dòng)自組織網(wǎng)絡(luò)，對(duì)加載相關(guān)協(xié)議的節(jié)點(diǎn)在由于地形因素對(duì)鏈路狀態(tài)產(chǎn)生影響時(shí)的路由、業(yè)務(wù)流變化情況進(jìn)行了仿真分析。

參考文獻(xiàn)

[1]郭云芳.計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，1991.

[2]郭齊勝，董志明.戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境仿真[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2005.

[3]薛麗敏，趙俊閣，華鳴.網(wǎng)絡(luò)對(duì)抗戰(zhàn)研究[J].艦船電子工程，2007，27（5）：121-124.

[4]謝希仁.計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2003.