《無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)》若干關(guān)鍵技術(shù)研究與仿真實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)

李　敏，宋　瑋

（廣東工業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院，廣州510006）

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《無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)》若干關(guān)鍵技術(shù)研究與仿真實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)

李敏，宋瑋

（廣東工業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院，廣州510006）

摘要：針對《無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)》課程理論教學(xué)過程中內(nèi)容生澀，網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和網(wǎng)絡(luò)算法眾多，學(xué)生容易出現(xiàn)理解困難的現(xiàn)象，提出對《無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)》若干關(guān)鍵技術(shù)的總結(jié)，并使用NS2仿真環(huán)境輔助課堂教學(xué)，以可視化方式將理論教學(xué)與仿真實(shí)驗(yàn)對應(yīng)起來，極大地激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，增強(qiáng)對理論知識的理解，鍛煉實(shí)踐能力，獲得良好的教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞：無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)；NS2；關(guān)鍵知識點(diǎn)；仿真實(shí)驗(yàn)

0　引言

網(wǎng)絡(luò)技術(shù)結(jié)合了計(jì)算機(jī)、通信、微電子等技術(shù)，是IT領(lǐng)域最重要的分支之一，進(jìn)入21世紀(jì)后，網(wǎng)絡(luò)技術(shù)逐漸呈現(xiàn)出兩大發(fā)展趨勢：高速和無線。因此，除了傳統(tǒng)的《計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)》課程之外，國內(nèi)各大高校不約而同地增加開設(shè)了《無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)》課程?！稛o線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)》課程涉及多領(lǐng)域的前沿技術(shù)，同時(shí)具有較強(qiáng)的應(yīng)用性，因此對于該門課程的教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法有較大的研究空間。通過三年該課程的課堂教學(xué)經(jīng)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，如果課堂主要講授過于理論和抽象的專業(yè)知識，學(xué)生們將很難全程集中精力，導(dǎo)致對知識點(diǎn)掌握不夠，理解不深；如果能用最簡潔，最直觀的方式向?qū)W生們表達(dá)和傳授，會(huì)達(dá)到事半功倍的效果。然而，無線網(wǎng)絡(luò)類型的多元化，使得在實(shí)驗(yàn)室中構(gòu)建實(shí)際的無線網(wǎng)絡(luò)性能測試系統(tǒng)，經(jīng)費(fèi)投入太大，并且對設(shè)備、環(huán)境的要求也很高。

1　《無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)》課程分析

該文旨在針對理論教學(xué)過程中內(nèi)容生澀，學(xué)生無法觀測到某個(gè)現(xiàn)象對無線網(wǎng)絡(luò)性能的影響，從而一知半解，慢慢失去學(xué)習(xí)興趣的問題，提出通過深入研究《無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)》中若干關(guān)鍵無線網(wǎng)絡(luò)理論和基本概念的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)研究無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，從網(wǎng)絡(luò)協(xié)議模塊的組成、體系結(jié)構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)層、網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用層以及對等層面結(jié)構(gòu)等方面，并對各種主流的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，包括無線局域網(wǎng)、無線個(gè)域網(wǎng)、無線城域網(wǎng)、無線廣域網(wǎng)、移動(dòng)Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與無線Mesh網(wǎng)絡(luò)展開進(jìn)一步的研究。以可視化方式將實(shí)驗(yàn)內(nèi)容貫穿于理論教學(xué)之中，提高學(xué)生對無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和各類無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的理解，掌握各種無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的基本原理和功能，掌握用網(wǎng)絡(luò)仿真技術(shù)來驗(yàn)證和開發(fā)無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的手段，增強(qiáng)學(xué)生分析解決問題的實(shí)踐能力，以期獲得理想的教學(xué)效果。

2　《無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)》課程關(guān)鍵技術(shù)

通過近幾年對《無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)》課程的教學(xué)摸索，提出針對課程若干關(guān)鍵技術(shù)的總結(jié)，并通過網(wǎng)絡(luò)仿真對提出的若干關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行分析和驗(yàn)證，主要旨在激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)《無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)》課程的興趣，如何讓學(xué)生更好地掌握《無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)》課程學(xué)習(xí)中的重要概念、基本理論和具體的學(xué)習(xí)方法。

（1）樹立以學(xué)生為主體，正確引導(dǎo)，消除學(xué)生的部分消極情緒，加強(qiáng)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣。在《無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)》是網(wǎng)絡(luò)工程專業(yè)學(xué)生的專業(yè)課，在此之前學(xué)生已經(jīng)學(xué)習(xí)過《計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)》或《通信原理》，具備了一定的網(wǎng)絡(luò)知識，所以在教學(xué)過程中，可以以學(xué)生為主體，使學(xué)生主動(dòng)參與教學(xué)，解除學(xué)生對老師的依賴性，提高學(xué)生的創(chuàng)造性、積極思考能力和自主學(xué)習(xí)能力的培養(yǎng)。在課堂上，對教學(xué)環(huán)節(jié)精心設(shè)置，側(cè)重學(xué)生實(shí)踐動(dòng)手能力的激發(fā)，對每個(gè)教學(xué)專題進(jìn)行不固定分組討論模式，給學(xué)生創(chuàng)造團(tuán)隊(duì)內(nèi)合作和團(tuán)隊(duì)外競爭雙重學(xué)習(xí)氣氛，再輔以打分和淘汰環(huán)節(jié)，增強(qiáng)學(xué)生的參與度和熱情。

（2）在分析和討論《無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)》中若干關(guān)鍵技術(shù)時(shí)，通過學(xué)生熟悉的案例進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，同時(shí)布置相應(yīng)仿真任務(wù)加以推動(dòng)?！稛o線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)》各個(gè)實(shí)驗(yàn)分組之間的仿真數(shù)據(jù)不同，仿真動(dòng)畫不同，并通過引導(dǎo)學(xué)生修改參考源碼，改變網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞姆绞剑^察體會(huì)不一樣的運(yùn)行結(jié)果，幫助學(xué)生更深入地了解和感受關(guān)鍵技術(shù)的原理和特點(diǎn)。在介紹每種無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)時(shí)，內(nèi)容編排上循序漸進(jìn)，先闡述基本概念和原理，接著介紹生活中的應(yīng)用實(shí)例，然后進(jìn)行實(shí)驗(yàn)仿真，讓學(xué)生實(shí)際操作練習(xí)。

（3）《無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)》課程若干關(guān)鍵技術(shù)與與對應(yīng)仿真實(shí)驗(yàn)總結(jié)如下：在掌握一定的無線傳輸基本理論的基礎(chǔ)上，理解各種無線網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架和協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，清楚無線網(wǎng)絡(luò)的存在問題和解決方案，了解無線網(wǎng)絡(luò)的具體應(yīng)用。具體內(nèi)容包括：無線傳輸技術(shù)基礎(chǔ)、無線局域網(wǎng)、無線個(gè)域網(wǎng)、無線城域網(wǎng)、無線廣域網(wǎng)，無線自組織網(wǎng)絡(luò)，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。如下表1是《無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)》關(guān)鍵技術(shù)與仿真實(shí)驗(yàn)總結(jié)對應(yīng)表。

表1　《無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)》關(guān)鍵技術(shù)與仿真實(shí)驗(yàn)對應(yīng)表

3　《無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)》課程仿真實(shí)驗(yàn)

該課程采用NS2對《無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)》課程中的若干關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行仿真。

（1）三種網(wǎng)絡(luò)仿真平臺(tái)OPNET MATLAB和NS2之間的比較：

OPNET主要針對網(wǎng)絡(luò)服務(wù)提供商，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備制造商和企業(yè)，是非開源的商業(yè)軟件，主要用于大型復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的仿真需求；OPNET內(nèi)部的協(xié)議實(shí)現(xiàn)版本比較全面和標(biāo)準(zhǔn)，想要完全理解其工作原理，例如：狀態(tài)機(jī)跳轉(zhuǎn)關(guān)系、進(jìn)程間調(diào)用關(guān)系、無線階段配置等需要花費(fèi)較長的時(shí)間，此外，在OPNET內(nèi)部定義了大量的庫函數(shù)，這些庫函數(shù)只提供接口，看不到函數(shù)實(shí)現(xiàn)，也需要學(xué)生花費(fèi)較長的時(shí)間學(xué)習(xí)之后，方才能夠運(yùn)用。

MATLAB主要用于數(shù)值計(jì)算和圖形處理的科學(xué)計(jì)算，由五個(gè)部分組成，功能強(qiáng)大，配備了各種工具箱，但由于采用矩陣運(yùn)算，數(shù)據(jù)量大，所以效率相對較低，并且MATLAB不能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制和端口操作；

NS2是由加州大學(xué)伯克利分校開發(fā)的針對網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，源代碼公開的，免費(fèi)軟件模擬平臺(tái)。NS2包括了大量工具模塊，這些模塊幾乎設(shè)施到了網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的所有方面，是目前學(xué)術(shù)界廣泛使用的一種網(wǎng)絡(luò)模擬軟件，它能對網(wǎng)絡(luò)仿真過程進(jìn)行詳細(xì)的跟蹤，并且具有仿真動(dòng)畫工具NAM，能對仿真過程進(jìn)行回放，使得學(xué)生對于所模擬的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議或網(wǎng)絡(luò)技術(shù)有直觀的了解。

（2）采用NS2進(jìn)行無線網(wǎng)絡(luò)仿真的具體流程圖如圖1所示：

圖1　NS2無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)仿真流程圖

在這個(gè)流程中，最重要的是進(jìn)行Tcl/OTcl仿真腳本的編寫，這個(gè)對于已經(jīng)系統(tǒng)學(xué)過編程語言的網(wǎng)絡(luò)專業(yè)學(xué)生并不難。經(jīng)過幾年的教學(xué)實(shí)踐，采用分組分方案的方法效果甚好，具體操作如下：指定8位學(xué)生（按與無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)相關(guān)科目成績績點(diǎn)選出前8位）為實(shí)驗(yàn)小組組長，其他學(xué)生自行組合到各小組進(jìn)行實(shí)驗(yàn)仿真，每個(gè)小組的仿真內(nèi)容和數(shù)據(jù)各不相同，這種組內(nèi)互相監(jiān)督，組間差異化的分組仿真實(shí)驗(yàn)策略，有利于學(xué)生之間的相互協(xié)作，同時(shí)又有效避免了同一題目容易出現(xiàn)互相抄襲的現(xiàn)象。

4　結(jié)語

由于無線網(wǎng)絡(luò)類型的多元化，采用NS2進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，不需要設(shè)備和經(jīng)費(fèi)的投入，利用普通微機(jī)平臺(tái)，就可實(shí)現(xiàn)《無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)》課程中若干關(guān)鍵技術(shù)的仿真模擬和實(shí)現(xiàn)，通過NS2提供的動(dòng)畫演示，使學(xué)生們直觀形象地掌握了各種無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的原理和功能，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和動(dòng)手能力，很好地改善了學(xué)習(xí)效果。

參考文獻(xiàn)：

[1]汪濤.無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)導(dǎo)論（第二版）[M].北京:清華大學(xué)出版社,2012.

[2]William Stallings. Wireless Communications and Networks（Second Edition）[M].北京:電子工業(yè)出版社,2006.

[3]Steve Rackley著.無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)原理與應(yīng)用[M].吳怡等譯.北京:電子工業(yè)出版社,2012.

[4]李勇，周麗芬.基于NS2平臺(tái)的AODV路由協(xié)議仿真研究[J].現(xiàn)代計(jì)算機(jī),2013（3）:52-54.

[5]李大勇. NS2仿真軟件在無線網(wǎng)絡(luò)教學(xué)中的應(yīng)用[J].微計(jì)算機(jī)信息,2010（19）:173-175.

[6]許華杰，胡小明，莫春蘭.《無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)》課程教學(xué)改革與實(shí)踐[J].中國科技信息,2012（16）:187.

宋瑋（1978-），女，湖南常德人，講師，研究生博士學(xué)位，研究方向?yàn)榉植际綑C(jī)制設(shè)計(jì)和算法博弈論

Research and Simulation of Key Technologies of Wireless Network Technology

LI Min，SONG Wei
（School of Computers，Guangdong University of Technology，Guangzhou 510006）

Abstract：In the process of teaching Wireless Network Technology course, it usually occurs some problems such as obscure theories, extensive network protocols and algorithms, puts forward the summary of some key technologies of Wireless Network Technology, uses NS2 simulation environment to support classroom teaching, sets up a corresponding relationship between theoretical knowledge and simulation experiment. Practice shows that this method greatly stimulated the students' interest in learning, enhances the understanding of theoretical knowledge, exercises practical ability and obtains a good teaching effect.

Keywords：Wireless Network Technology; NS2; Key Technologies; Simulation Experiment

收稿日期：2016-01-07修稿日期：2016-03-12

作者簡介：李敏（1978-），女，湖北荊州人，講師，碩士，研究方向?yàn)樾畔@取與控制、信號處理

文章編號：1007-1423（2016）10-0049-03

DOI：10.3969/j.issn.1007-1423.2016.10.011