基于OPNET的分布式WLAN网络性能仿真研究

刘仕兵,胡振中

(华东交通大学电气与电子工程学院,江西南昌330013)

Liu shibing,Hu zhenzhong

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

无线局域网(Wireless Local Area Networks,WLAN)是无线通信技术与计算机技术相结合发展的产物,是利用无线技术实现快速接入以太网的技术。与有线局域网相比,WLAN建网迅速、造价低廉、移动灵活、容易扩展,具有很大的优越性。但是,WLAN也存在着自身的问题,由于无线信道的随机和突变特性,使得WLAN中的误码率(Bit Error Rate)比较高,同时,WLAN中的载波侦听(Carrier Sensing)比较困难,网络延时也比较大,这些问题都严重的影响了无线局域网的性能[1]。

OPNET软件是由美国OPNET Technology公司开发的大型的通信与计算机网络仿真软件包,支持面向对象的建模方式,并提供图形化的编辑界面,便于用户使用。除了能够模拟固定通信模型外,OPNET的无线建模器还可用于建立分组无线网和卫星通信网的模型。同时,OPNET在新网络的设计以及对现有网络的分析方面都有卓越表现,为通信网和分布式系统的模拟提供了全方位的支持,是目前世界上先进的网络仿真开发和应用平台之一,广泛应用于大中型企业智能化网络设计、规划、优化和管理等方面。

1 WLAN的标准

目前的WLAN产品所采用的技术标准主要包括: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开放频段,它在物理层定义了数据传输的信号特征和调制方法,定义了两种无线电(RF)传输方式和一种红外线传输方式。其中RF传输标准包括直接序列扩频技术(Direct Sequence Spread Spectrum,DSSS)和调频扩频技术(Frequency Hopping Spread Spectrum,FHSS)。DSSS使用BPSK或QPSK调制,FHSS使用GFSK调制。为了尽量减少数据的传输碰撞和重试发送,防止各站点无序争用信道,MAC层采用了CSMA/CA(载波侦听多址访问/碰撞避免)协议而不是CSMA/CD(载波侦听多址访问/碰撞检测)协议[2]。

1.2 IEEE 802.11b

IEEE 802.11b标准对IEEE 802.11标准进行了修改和补充,其中最重要的改进就是在IEEE 802.11的基础上增加了两种更高的通信速率:5.5 Mbps和11 Mbps。为了实现这个目标,DSSS被选作该标准的唯一的物理层传输技术,这个决定使得802.11 b可以与1Mbps和2Mbps的802.11 DSSS系统相互操作。

在802.11 b标准中,CCK(Complementary Code Keying)技术取代了原有的11位Barker序列技术,5.5 Mbps使用CCK串来携带4位的数字信息,11Mbps使用CCK串来携带8位的数字信息,这两个速率的传送都使用QPSK作为调制的手段。

为了支持在有噪音的环境下能够获得较好的传输速率,802.11 b采用了动态速率调节技术,来允许用户在不同的环境下自动使用不同的连接速度来补充环境的不利影响。

1.3 IEEE 802.11a

IEEE 802.11a扩充了标准的物理层,它工作在U-NII波段的5GHz频段,物理层速率可达54Mbps,传输层可达25Mbps。IEEE 802.11a选择了具有能有效降低多径衰落影响与有效使用频率的正交频分复用(OFDM)作为调制技术,可提供25Mbps的无线ATM接口和10 Mbps的以太网无线帧结构接口,以及TDD/TDMA的空中接口。

1.4 IEEE 802.11g

IEEE 802.11g是IEEE为了解决802.11 a与802.11 b的互通而提出的一个标准,它是802.11 b的延续,两者同样使用2.4GHz通用频段。在容量方面,802.11 g的速率上限已经由11 Mbps提升至54 Mbps,但由于2.4 GHz频段干扰过多,在传输速率上低于802.11 a。在兼容性方面,802.11 g与802.11 a、802.11 b同时兼容是802.11g的一大亮点,它同时支持802.11 b的CCK和802.11 a的OFDM,802.11g还支持PBCC(Packet Binary Convolutional Coding,分组二进制卷积码)技术。802.11 g中规定的调制方式有两种,一种为Intersil公司提案采用的CCK-OFDM,另一种为TI公司提案采用的PBCC-22(也称CCK-PBCC)调制方式。

2 仿真模型的建立

Modeler建模的机制就是将建模过程分成三个层次:进程模型、节点模型和网络模型。进程模型由状态迁移图、宏定义块、函数块、状态变量和临时变量定义块等几部分组成,进入和退出状态时又相应要执行的函数体;节点模型描述的是节点的行为,它由许多模块组成,模块之间用数据包流(Packet Stream)或统计线(Statistic Wire)连接;网络模型主要描述系统的拓扑结构[3,4]。

2.1 网络模型

在场景中放置6个无线节点,组建一个小型的分布式无线局域网,节点之间通过无线链路通信,无线链路在仿真的过程中动态产生,它存在于任意一组无线发送机和无线接收机之间,通过改变调制类型、传输速率等参数可以改变其物理特性。

2.2 节点模型

为了分析各通信节点MAC层的接入和传输,我们简化了对MAC层之上的各OSI通信层的建模,仅用一个信源模块(Source)和一个信宿模块(Sink)来模拟高层的通信,并且认为网络中各节点均具有相同的节点模型结构,如图1所示。

(1)信源模块(Source):负责产生数据包,并赋给它们随机的或指定的目的地址。

(2)信宿模块(Sink):负责做网络平均时延和信道吞吐量方面的统计工作,并将接收到的包销毁以释放占用的内存。

(3)Wlan-Mac-Intf模块:作为MAC层与应用层的层间接口。

(4)Wireless-Ian-Mmac模块:完成各种MAC多址接入协议下分组的接入和传输。

(5)接收模块(Wlan-Port-Rx0):检测信道的状态,从信道上取得数据帧并传送给Wireless-Lan-Mac模块。

(6)发送模块(Wlan-Port-Tx0):负责将数据帧发送到信道上。

图1 节点模型

2.3 进程模型

进程模型用于具体实现节电模型中各个模块的功能,它通过强大的有限状态机来支持协议的实现[5]。信源和信宿模块的进程模型比较简单,这里我们主要讨论MAC模块的进程模型。它主要实现了无线局域网MAC层的CSMA/CA协议:(1)初始化,进入等待状态。(2)在准备传输时,若信道空闲,则直接传输帧;若信道忙,则进入帧间等待。(3)帧间等待完毕后,需要退避则执行退避;否则可直接传输帧。(4)若退避结束后,仍需等待,则返回等待状态,重新等待;否则直接传送帧。(5)传输帧结束后,有限状态机继续等待响应帧,等待超时或接收到帧后,若没有帧需要传输,则返回到等待状态,继续等待新帧,如此循环工作。

3 仿真实例及仿真结果

将所有场景的仿真时间(Duration)设为300 s,仿真种子数(Seed)设为128,开始时间为0.02 s,On的平均持续时间为40 s,Off的平均持续时间为0 s,包产生间隔时间为0.02 s,包分组大小为512 bytes,仿真参数设置如图2所示。

图2 仿真参数

3.1 物理层配置仿真

3.1.1 802.11b与802.11g的比较

将场景wlan-b中的物理特性(Physical Characteristic)设置为直接序列扩频(Direct Sequence Spread Spectrum),速率设置为11 Mbps;将场景wlan-g中的物理特性设置为扩展物理层速率(802.11 g)(Extended Rate PHY(802.11 g)),速率也设置为11 Mbps。在全局统计量中我们选择丢包率(Data Dropped)、延时(Delay)作为我们的仿真对象,依次可以得到如图3、图4所示仿真结果。

从图3中我们可以分析得知:当网络性能趋于稳定后,802.11b的丢包率约为72 kbit/s,802.11g的丢包率略大于802.11 b,为75 kbit/s。从图4中我们可以分析得知:802.11 b与802.11 g的延时相差不大,802.11 b的延时为0.000 9 s,802.11g的延时为0.000 6 s。

图3 802.11 b与802.11 g丢包率比较

图4 802.11 b与802.11 g延时比较

3.1.2 802.11 a与802.11 g的比较

将场景wlan-a中的物理特性设置为OFDM(802.11 a),速率设置为54 Mbps;将场景2中的物理特性设置为Extended Rate PHY(802.11 g),速率也设置为 54 Mbps。在全局统计量中我们选择丢包率(Data Dropped)、延时(Delay)作为我们的仿真对象。经过分析仿真结果可得出,当网络性能趋于稳定后,802.11 a的丢包率与802.11 g的丢包率相近,均约为75 kbit/s。802.11 a与802.11 g的延时相差不大,802.11 a的延时为0.000 110 s,802.11 g的延时为0.000 125 s。

3.2 速率配置仿真

将场景wlan-DS1,wlan-DS2,wlan-DS3中的物理特性均设置为直接序列扩频,速率依次设置为2 Mbps,5.5 Mbps和11Mbps。在全局统计量中选择丢包率和延时作为仿真对象,依次可以得到如图5和图6所示仿真结果。

图5 wlan-DS1,wlan-DS2,wlan-DS3不同速率的丢包率比较

图6 wlan-DS1,wlan-DS2,wlan-DS3不同速率的延时比较

从图5中我们可以分析得知:在速率为2 Mbps时,无线网络丢包数最小;在速率为5.5 Mbps和11 Mbps时,丢包数增大。从图6中我们可以分析得知:在速率为 2Mbps时,延时最大,约为23 ms;在速率为5.5Mbps和11Mbps时,延时均较小,分别为2 ms和 1 ms。因此,当网络性能稳定后,在网络的其他条件一样时,网络丢包数随速率的增大而增多,而网络延时是随着速率的增大而减小。

3.3 信息包配置仿真

将场景wlan-DS4,wlan-DS5,wlan-DS6中的物理特性均设置为直接序列扩频,速率均设置为11 Mbps,信息包分组大小依次设置为256 bytes,512 bytes和1 024 bytes。在全局统计量中选择丢包率和延时作为仿真对象,依次可以得到如图7和图8所示仿真结果。

图7 wlan-DS4,wlan-DS5,wlan-DS6丢包率比较

图8 wlan-DS4,wlan-DS5,wlan-DS6延时比较

从图7中我们可以分析得知:当信息包分组大小为256 bytes时,无线网络丢包数几乎为0;当信息包分组大小为512 bytes时,无线网络丢包数约为90 kbit◦s-1;当信息包分组大小为1 024 bytes时,无线网络丢包数约为840 kbit◦s-1。从图8中我们可以分析得知:当信息包分组大小为256 bytes时,延时最小;当信息包分组大小为512 bytes时,延时增大;当信息包分组大小为1 024 bytes时,延时最大。

4 结束语

在无线环境中,由于噪声、干扰、多径和移动终端漫游等因素影响,信道状况随着时间变化很大,网络的性能也受到了影响,因此在设计无线局域网时合理的选择标准以及设置相应的网络参数对提高无线局域网的性能是至关重要的。本文利用OPNET Modeler 11.5仿真平台对无线局域网进行了建模,对无线局域网在802.11 b,802.11 a和802.11 g三种不同标准下的网络性能进行了比较,同时,对处于不同的无线数据传输率和信息包分组大小下的无线局域网性能也做了分析比较。如果在组建无线局域网对于传输速率和吞吐量要求不高时,可以选择802.11 b标准,毕竟价格低廉是802.11 b的优势,同时它具有远距离传输能力,在设置参数的时候,可以选择5.5Mbps的传输速率和512 bytes的信息包分组大小,这样丢包率、延时和吞吐量均达到一个较优数值;如果干扰源较多,需要可伸缩性访问,这时可以选择802.11 a标准,因为它工作于5 GHz频段,具有更多的信道,同时在设置参数的时候,可以选择54Mbps的传输速率和512 bytes的信息包分组大小,这样可以获得较小的延时和较高的吞吐量;如果同时要求高速率传输和远距离地域覆盖时,可以选择802.11 g标准,因为工作于2.4GHz频段的OFDM波形技术具备了有效组合能力和极强的穿透能力,同时在设置参数的时候,可以选择54 Mbps的传输速率和256 bytes的信息包分组大小,这样可以获得较小的延时和丢包率。

[1]刘乃安.无线局域网(WLAN)-原理技术与应用[M].西安:西安电子科技大学出版社,2004.

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