OPNET技术

OPNET技术（共8篇）

OPNET技术 篇1

0 引言

自人类社会进入21世纪以来, 网络技术的应用逐步向复杂化和多样化方向发展, 若按照以往的技术经验来进行革新, 势必不会满足当今社会的发展需要。为更好地迎合市场需求, 打造更为便利的网络仿真技术, 增强其应用效率, OPNET网络仿真技术在综合兼顾了图形显示、数字化观察、信息输出等方面, 为时下的网络仿真技术提供了较为全面的技术革新及管理模范, 可以说, OPNET网络仿真技术已经成为当前互联网革新与发展的重要组成部分。

1 OPNET 网络仿真技术的概述及发展、应用现状

1.1 OPNET 网络仿真技术的概述

所谓OPNET, 就是指一个网络仿真技术的软件包, 该项设置能够准确处理各项网络设置, 这一装置可以在多个部分安装特制探头, 通过这一探头, 就能很好的采集网络及信息数据。基于这一工作原理, OPNET网络仿真技术的应用领域也愈加广泛, 先后包括:教育、国防、行政等多个领域。OPNET网络仿真技术可以良好的设计网络安排, 并为其确定合理可行的定量依据, 在建立先进网络模型的同时, 能够更好地提出多个网络模型。OPNET网络仿真技术在基于实际的情况下, 不断仿真模拟网络环境, 为当前社会的信息及网络技术的发展提供了较为可靠的发展模型。一般来说, OPNET网络仿真技术会为人们提供众多的数据仿真模型, 这些模型又有很多的模型库, 主要包括以下几种:数据链接层、网络设计层、实际应用层等。OPNET网络仿真技术是在1986年产生的, 该项技术将网络智能技术加以应用, 具有较大的开放性能, 极大地方便了人们的交流与沟通, 极大地适应了时下较快的工作节奏, 而且这一网络仿真技术比较容易与其他技术相适应, 能够与多种技术相结合。OPNET技术最初是由麻省理工中的博士首先创建的, 并在1998年进入中国及其他地区, 这里所说的OPNET网络仿真技术有三个主要的核心组成部分, 即:OPNET Modeler、IT Guru、SPGuru。除此之外, 该项技术还拥有三层主要的协议模型, 用以保证OPNET网络仿真技术的有序运行。

1.2 OPNET 网络仿真技术的发展、应用现状

时代的不断发展, 使得经济的发展不仅仅局限于时下的发展成就, 科学技术的革新也必将继续进行。从当前国际格局的发展现状来看, 各国竞争日益激烈, 科学技术的发展逐渐成为各国综合国力提升的关键。而在信息技术高速发展的当今社会, 互联网的应用已经成为人们日常生活的重要沟通技术。鉴此, OPNET网络仿真技术就获得了较大的市场需求, 这也为该项技术的发展与创新准备了更为充实的条件及基础。就目前OPNET网络仿真技术的发展状况来看, 该项技术还主要集中在美国地区, 尽管如此, 该项技术也已经不断开阔疆域, 在国际上已经遍布两千多个国家及地区。OPNET网络仿真技术凭借其先进的科技及信息技术管理优势, 在各个国家中的建构都以建立办事处的形式来进行管理和运行。目前, 很多的电子信息运营商都在不同程度上运用了该项技术, 甚至一些中小型企业也开始不断引入这一技术优势和管理体制。可以说, 目前的OPNET网络仿真技术已经取得了较大的发展成就, 也获得了比较理想的发展成果, 该项技术凭借自身仿真模拟的技术优势, 在国际社会上逐渐确立了自身存在的价值因素。但是, 该项技术也是存在很多不足的, 因为OPNET网络仿真技术不是一成不变的, 也不是仅凭该项技术自身就能够完成变革的, 需要与其他信息技术、数据手机等相结合, 在综合的基础上实现该项技术的应用, 而如今的互联网信息技术日新月异, 人们的需求也是不固定的, 是跟随时代不断深入与变化的, 这就使得OPNET网络仿真技术的发展面临困境, 这也就是OPNET网络仿真技术亟需克服的主要因素。

2 OPNET 网络仿真技术的革新措施

2.1 完善 OPNET 网络仿真建模机制, 加大相关投资力度

这里所说的OPNET网络仿真技术拥有较为特别的建模机制, 也就是Modeler, 这一软件的设立方便了网络软件的设立, 一般说来, 该项软件主要包括以下几个部分:进程的建模、节点的建模、网络的建模等。首先, 进程的建模要注意对象的变化, 因为该项技术在建模的过程中就要充分考虑各个模块之间的控制流。而节点模型就是要在设立节点的前提下进行确立, 以此来控制每个节点之间的信息传输。网络建模过程要着重注意各个网络模块的建构, 将各个模块进行连接。完善OPNET网络仿真建模机制, 能够较为有效的保证网络仿真技术的革新。此外, 要着重以实际为基础, 在充分考虑实际情况的基础上来确立OPNET网络仿真技术的基础, 率先明确仿真的对象, 提前设定目标, 明确要解决的问题有哪些。互联网技术的存在就是为了方便人们的日常生活, 随着社会节奏的不断加快, 互联网信息技术的发展也就必须跟随时代步伐, 在充分考虑时代需求的基础上确立该项技术的革新措施。除此之外, 还要注意加大该项技术的投资力度, 强化政府及国家的重视度, 发挥社会、企业等多方面的力量, 共同促进OPNET网络仿真技术的发展, 为该项技术的发展提供必要的资金支持。

2.2 完善 OPNET 网络仿真系统的管理, 推进创新进程

管理, 是当今社会新的代名词, 是随着时代不断推进、产业结构不断调整而逐渐发展的, 在某种程度上说, OPNET网络仿真系统的管理对于该项技术的发展起着至关重要的作用, 决定着该项技术的发展方向, 鉴此, 要合理安排该项技术的管理机制, 责任到人, 建立自上而下的监督管理机制, 实行适度的奖惩机制, 在员工内部形成竞争机制, 这为OPNET网络仿真系统的管理起着极其重要的作用。OPNET网络仿真技术的革新要主要考虑受众的感受, 也就是我们通常所说的市场调研, 因为OPNET网络仿真建模机制的确立必须要迎合广大群众的根本需求。在创新的过程中结合实际需求, 为OPNET网络仿真技术的发展提供科研方向。在创新该项技术的同时, 要注意人才的重要性, 注重培育人才的创新思维, 开展相应的成人技术教育, 在各大高校也可以设立相应的OPNET网络仿真技术课程, 将选修课和必修课相结合, 在综合提升的过程中培养人才的创新动手能力, 鼓励员工勤于实践, 促进OPNET网络仿真技术的发展。

3 结束语

人类社会将逐渐向高端化方向发展, 人们对信息网络的需求也会逐渐向复杂化、便捷化方向发展, OPNET网络仿真技术的应用与发展就要坚持以此为基础, 高度重视社会需求, 细心分析网络性能模式, 建构符合当代信息交流的仿真技术模式, 为国家及社会的发展贡献力量。

2014.5网络安全技术与应用33

摘要：纵观当今社会, 经济的发展已经处于较高的发展水平, 在此基础上, 科学技术领域也获得了新的发展生机。随着各国开放程度的不断加大, 互联网的应用逐渐遍布全球, 成为时下人们生活、工作的重要组成部分, 鉴此, 网络仿真技术应运而生。进一步深化网络仿真技术, 日渐成为当前国际的热点话题, 至此, 提高OPNET技术水准成为当前工作的重中之重。

关键词：OPNET技术,网络仿真,应用研究

参考文献

[1]石怀伟, 王华, 张念军, 赵林胜, 佀同光.OPNET网络仿真技术及其应用分析[J].计算机工程与设计, 2006 (17) .

[2]张文革, 马玉祥.基于OPNET的通信网络仿真优化方法[J].电子科技, 2005 (09) .

[3]洪家平, 柯宗武, 童钰, 陈年生, 董武世.OPNET在网络规划和设计中的应用[J].湖北师范学院学报 (自然科学版) , 2004 (04) .

[4]陈岩, 董淑福, 蒋磊.OPNET网络仿真技术及其应用研究[J].计算机技术与发展, 2009 (02) .

OPNET技术 篇2

摘 要 本文在分析近期数字化电台网（NTDR，Near Term Digital Radio）的基础上，利用OPNET网络仿真平台对NTDR网络进行了建模。在不同网络路由协议情况下对网络性能进行仿真分析，仿真结果与理论基本一致，从而为对战场无线自组网的进一步研究与设计提供了现实基础。

关键词 战场无线自组网 NTDR OPNET 网络仿真

1 引言

在现代战场上，各种军事车辆间、士兵间、士兵与军事车辆之间都需要保持密切的联系，以完成指挥、部署和协调作战。信息化条件作战，战场电磁环境极其复杂。为了满足信息战和数字化战场的需要，具有抗毁性强、自恢复、部署迅速等特点的无线Ad hoc网成为战场通信的首选技术。如今，Ad Hoc网络技术已成为美军战术互联网的核心技术。美军研制了大量的无线自组织网络设备，用于单兵、车载、指挥所等不同的场合，并大量装备部队。

目前对Ad Hoc网络技术的研究逐渐成为一个热点问题，对民用Ad Hoc网络场景建模的研究比较多，但是对结合军事应用的研究却相对较少。尤其是到目前为止在公开发表的文章中没有针对战场无线自组网NTDR网络的研究，一般都只有对该网络系统的概述[1][2][3]。由于构建真实的战场无线网络需要耗费巨大的人力和财力，而且还具有一定的不确定性。因此对战场无线自组网进行建模仿真就显得尤为重要。本文通过分析对战场无线自组网系统NTDR，对各节点仿真实现其主要功能，设计合理的网络模型。为对其进一步的研究打下基础，具有一定的理论意义。

2 战场无线自组网的特点及应用

2.1 战场无线自组网的特点

根据部队的编制体制和参战规模的关系，在战场上通常使用分层次的无线自组网。士兵携带具有通讯和感知能力的移动终端，相互之间以多跳形式通信，并将自身位置以及搜集到的地形、声音、图像等战场信息报告给分队指挥所。分队指挥所对信息进行分析，决策，并向士兵下达作战命令，必要时，通过远距离通信设备与上级指挥中心或其他分队联络。

分级结构易于实现节点的移动性管理和保障通信业务的服务质量。因此，当网络规模较大并需要提供一定的服务质量保障时宜采用分级网络结构。分层结构具有管理方便，网络维护开销小等优点，是军事无线自组网的重要特点和发展的趋势。尽管无物理中心节点，但是具有逻辑上的簇头，簇头可通过簇头选举算法产生，使它在那些不能依赖于预先架设网络设施的场合下，依然能够实现临时的快速组网。

2.2 近期数字化电台（NTDR）网

当前，Ad Hoc网络技术在军事通信上最为重要的应用当属战术互联网[1]。战术互联网是互联的战术无线电台、路由器、计算机硬件和软件的集合，是数字化部队建设的基础设施， 目前唯一进入实用阶段的战术移动自组网络是美陆军在上世纪末期开发的数字无线电系统NTDR[2]（Near Term Digital Radio），已作为陆军战术互连网的主干网络设备进入装备序列。在移动无线环境下支持IP数据业务，以实现旅或旅以下战术作战中心TOC（TOC，Tactical Operation Center）之间的通信。近期数字化电台网的收、发信机通常用在作战指挥车、指挥控制车、战术作战中心和战术指挥所、装备陆军机载指挥控制系统的UH-60直升机的指挥控制平台上[3]。NTDR电台可以自动地组织成一个动态的两层网络。在该网络中，电台分成若干个群，每个群由一个群首和若干成员组成，各个群的群首构成一个骨干网，见图1所示。

在以簇（Cluster）为基础的两层分级网络结构NTDR中，普通节点距群首只有一跳，所有群的群首相互连接构成骨干网络。NTDR结构将相邻群之间的通信限制在只能通过群首完成。NTDR分群方案是专门为了应付战术网络中可能出现的频繁的节点移动和节点失效而特别设计的。每部电台最大运行功率是20W，在225～450MHZ工作频率范围内，电台的通信覆盖范围约为10～20km。由于每部电台都可充当一个信息中继点，因此整个系统的有效通信范围可达数百公里。2003年4月美军第四师在伊拉克战场上检验了战术互连网的战术性能，并给予了很高的评价。

3 仿真设计方案

3.1 仿真软件简介

建模与仿真技术是当前研究、分析、设计、评估与优化通信网络的最有效的工具。在美军众多的战术互联网仿真系统中，OPNET都是主要的仿真平台[4]。

本文选用的建模与仿真工具也是OPNET。它采用三层建模机制[5]，最底层为进程（Process）模型，以状态机来描述协议；其次为节点（Node）模型，由相应的协议模型构成，反映设备特性；最上层为网络模型。三层模型和实际的网络、设备、协议层次完全对应，全面反映了网络的相关特性。OPNET采用离散事件驱动的模拟机理（Discrete event driven），即只有网络状态发生变化时，模拟机才工作。因此，与时间驱动相比，离散事件驱动的模拟机计算效率得到很大提高。OPNET最初是为有线网络的设计和规划开发的仿真软件，通过增加无线模块为WLAN、GSM、卫星和Ad hoc网络仿真提供必须的组件，包括IEEE802.11的MAC协议和主要的Ad hoc路由协议。

3.2 网络模型

根据NTDR的技术特点，建立如图2所示的网络模型。在30km*20km的矩形区域中，各个节点构成了两层结构的战场无线自组网络的网络级仿真模型，网络中的各个节点通过无线信道模型相互通信。本文仿真中配置了Ftp业务。

一个旅战术作战中心和一个机械化营战术作战中心、一个装甲营战术作战中心、一个步兵营战术作战中心构成了NTDR网络模型的骨干网络。旅战术作战中心不仅支持与营战术作战中心之间大量数据与图像传输，而且还要为旅级机载指挥控制系统、作战指挥车和指挥控制车提供高数据率的信息传送。其功能相当于下级节点的服务器；而营战术作战中心作为网络中的第二级骨干，不仅要实现上传下达的功能，还要实现与同级营战术作战中心的数据传输。普通节点分别隶属旅战术作战中心和各营战术作战中心。隶属于同一上级的节点之间能够实现互联互通，否则就必须通过各自的上级进行数据信息交换。

3.3 节点模型

本文中的所有仿真节点都具有相同的节点模型，从实现的功能来分为两类，骨干节点和普通节点。其中，骨干节点作为NTDR网络中的簇头，实现战术作战中心的功能；普通节点具有想同的节点模型，根据实际情况设置各节点以分别实现指挥控制车、作战指挥车和陆军机载指挥控制系统的功能，如图3所示。

在对基于移动网络的系统分析评价时，选择一种与现实情况相符合的移动模型是非常重要的。本文自定义了一个比较符合战场实际移动情况的模型。每个节点在相应的区域内移动，速度服从（0m，10m）之间的均匀分布。陆军机载指挥控制系统在仿真中的高度假设为100米，其余车载平台在平坦的地域，高度为0米。

4 仿真分析

在仿真中，选用不同路由协议 DSR和AODV并分析比较其在分层无线自组网中的性能。在战场环境下，实时数据业务占据相对较大比重，所以端到端时延是网络性能评估的一个重要参数，同时我们还需要重点关注报文平均反应时间、路由平均跳数、吞吐量等参数的变化情况：从4（a）中可以看出，网络中报文的上传、下载的平均时间都在0.03s左右，在数值上选取DSR路由时报文平均反应时间要稍微高于选取AODV时的平均反应时间。平均跳数是指网络中成功交付的数据包所经历的平均跳数，主要用于表示路由协议对多跳数据转发的影响。从4（b）中可以看出，网络中选取DSR时路由平均跳数为1.25，而采选取AODV时路由平均跳数为1。

吞吐量是衡量网络性能的重要参数，体现了网络的数据业务承载能力，在军用系统中，该指标非常重要，因为通信网络的拥塞会导致作战信息的延迟，从而有可能导致作战任务的失败。从4（c）中可以看出，选取AODV协议时网络的吞吐量远大于选取DSR路由协议时的吞吐量，数值上约是8倍的关系。

时延是衡量网络数据传输能力的一个重要指标， 反映了数据在网络中传播的效率。从4（d）中可以看出，选取DSR路由协议时网络时延要明显高于选取AODV路由时。

综上所述，仿真网络在分别选取DSR和AODV路由协议时所选参数在数值上比较稳定，存在一定的差值。对于报文传输业务，时延和吞吐量的性能指标，在比较宽松（即节点较少和载荷较轻或移动性较弱）的环境中，DSR协议优于AODV协议，这与文献[6]的仿真结论是一致的，从而验证了模型的正确性。

5 结束语

NTDR作为美军战术互联网装备的重要组成部分，为陆军战术作战中心、指挥控制平台以及选用的情报共用平台的指挥员提供了一个无线广域网，允许指挥员在战术指挥中心之间以高数据率传送信息，以支持指挥控制数据和图像信息流。本文使用OPNET仿真软件，建立了近期数字无线电台的战场无线自组网的仿真模型，根据装备的现实物理情况进行网络设置和业务配置，得到了一个性能比较稳定的战场无线网络，并对其网络性能进行分析，为对战场无线自组网的进一步研究提供了基础，具有一定的参考价值。（文中所做的研究只是初步的，模型也是有欠缺的，以后工作的方向是完善模型，建立完善的NTDR网络仿真平台。）

参 考 文 献

[1] 郑少仁，王海涛，赵志峰，等.Ad Hoc网络技术[M].北京：人民邮电出版社，2005：215-216

[2] 于宏毅.无线移动自组织网[M].北京：人民邮电出版社，2005：332-335

[3] 单洪.美军战场网络及其通信协议[M].解放军出版社，2007：427-428

[4] 万永乐，张剑.战术互联网建模与仿真.通信技术，2002：50-53

[5] 陈敏.OPNET网络仿真[M].清华大学出版社，2004

OPNET技术 篇3

1 OPNET网络仿真技术

网络仿真技术是一种利用数学建模和统计分析方法对网络行为进行模拟,建立网络设备、网络协议、网络链路的模拟网络模型,从而获得网络优化设计所需的网络性能数据的仿真技术。OPNET是一款功能强大的专业网络仿真软件。

1.1 OPNET功能组成

OPNET网络仿真能够准确的分析复杂网络的性能和行为,探头可以被插入到网络模型中的任意位置,用来采集仿真数据并进行统计分析,仿真结果即可以数字、图形、动画方式显示,也可以被输出到第三方软件。OPNET主要由三个层层嵌套的模块和仿真模型库组成,两者彼此是分离的,方便模型的修改和升级。三个嵌套的模块由内向外分别是:核心网络仿真模块、建库功能模块和移动通信卫星模块。仿真模型库包括标准模型库和特殊模型库两类,为用户提供一系列的仿真模型。

1.2 OPNET仿真显著特点

OPNET支持面向对象的建模方式,提供图形化的编辑界面,方便用户使用。主要特点:(1)提供三层嵌套的仿真建模机制,依次是网络模型、节点模型,进程模型,与实际的网络、设备、协议一一对应,再现了一个完整的计算机网络。(2)利用离散事件驱动和混合建模机制,大幅度提高了计算效率。(3)通过强大的统计收集和分析功能,获得了精确的仿真结果。(4)通过仿真预测网络的性能,为网络的规划设计提供可靠的决策依据,验证网络工程方案,决定多个不同设计方案的取舍。

1.3 OPNET仿真步骤

OPNET仿真包括网络拓扑配置、业务配置、统计量结果收集、运行仿真、调试再仿真、结果发布等六个步骤,具体如图1所示。

2 OPNET在网络技术仿真实验中的运用

在计算机网络技术类课程的教学中,可以充分利用OPNET仿真技术辅助教学,通过仿真深入理解抽象网络协议的工作原理,分析和优化网络的性能,对学生设计的网络方案评价也有据可依。

2.1 网络拓扑结构仿真实验

在讲解计算机网络基础中的环型、星型、总线型等网络拓扑结构时,通常都是介绍概念、工作原理和优缺点等,非常枯燥,难于理解。利用OPNET的网络模型库,借助网络编辑器,通过拖放鼠标从物件托盘中选取网络设备,快速地建立起网络的拓扑结构,还可以进行参数配置。不仅可以快速地组建各种网络,并且能够充分比较各种拓扑结构的特点。

另外,OPNET的网络建模完全符合国际标准化组织(ISO)的开放系统互联标准(OSI),其节点模型的层次关系是:应用层、TCP层、IP层、IP封装层、ARP层、MAC层、物理层。借助于OPNET的仿真网络体系结构,学生们可以直观地了解开放系统互联模型,加深对网络协议层次结构的理解。

2.2 网络协议的仿真实验

对于网络的初学者来说,面对CSMA/CD、TCP、IP、FTP、UDP、RIP、OSPF等大量抽象的网络协议,一般只能机械记忆,很难深入理解。在网络协议仿真中,可以利用OPNET的节点编辑器来学习协议在网络体系结构中的位置,利用进程模型编辑器来学习和研究各种网络协议的工作原理和执行过程。图2显示了典型的进程模型结构。

在OPNET三层嵌套模型中,进程模型是最重要最难实现的部分。进程模型主要由状态和转移线构成。状态分为两类,强迫状态和非强迫状态。每个状态包含的处理使用内嵌的C/C++代码段来表示。状态上的执行代码也分为两部分,上面部分称为进入代码,是进程进入该状念时执行的动作;下面部分称为离开代码,是进程离开状态时执行的动作。转移线描述了进程模型从一个状态向另一个状态转移的过程和条件。可以利用进程模型设计和开发自定义的网络协议。

2.3 网络规划设计仿真实验

网络规划设计是根据原有网络基础、业务需求、经费预算等各方面情况,构建一个既能满足用户需求又能达到技术要求的网络系统。在教学中,在真实的网络环境中进行网络规划、设计、实施等综合技能训练是不现实的,但是使用OPNET仿真测试网络性能,能够直观快速地看到性能参数,如网络负载、网络延时等,对于不符合需求的网络参数可以调整网络配置,再运行仿真,直至达到最佳为止。除此之外,利用OPNET还可以进行网络应用、网络管理方面的仿真实验,通过仿真分析加深学生对网络性能和网络QoS的认识和理解,提高学生对网络故障诊断和流量分析能力等,从而为网络管理提供重要的依据。

3 结论

应用OPNET可以模拟计算机网络技术类课程中的网络协议分析、网络工程规划设计等网络实验,具有面向对象、形象直观等特点,弥补真实环境中无法进行的网络实验缺陷,提高教学质量。同时,网络仿真技术可为优化和扩容现有网络提供定量的分析数据,为新网络的设计进行网络性能预测,定量评估网络设计方案,是一种新兴有效的网络规划和设计技术。

参考文献

[1]陈敏.OPNET网络仿真[M].北京:清华大学出版社,2004.

[2]畅卫功,张爱华.计算机网络实验教学的研究与探讨[J].实验室科学,2009(4):108.

[3]林瑜华,莫家庆.基于OPNET的网络仿真实验教学研究[J].实验科学与技术,2011(8):40.

[4]浦江,焦炳连,华钢.OPNET在网络技术仿真实验中的应用[J].教育信息化,2006(9):69.

[5]史姣丽,文博.OPNET技术在《计算机网络》教学中的应用[[J].九江学院学报,2009(155):119.

OPNET技术 篇4

IEEE802.11是在1997年由大量的局域网以及计算机专家审定通过的标准。IEEE的802.11标准由很多子集构成,它详细定义了WLAN中从物理层到MAC层(媒体访问控制)的通信协议。该系列中的802.11b,802.11a和802.11g都已经崭露头角,尤其是802.11g,它的产品普及率最高,在众多的标准中处于先导地位。IEEE802.11在MAC层(媒体访问控制)定义了两种信道接入技术,不同的信道接入技术对网络的性能有不同的影响,因此在设计研究过程中需要根据网络性能的实际要求来选择不同的信道接入技术。本文既是研究不同的信道接入技术对网络性能的影响。给网络设计提供重要依据。

2 IEE802.11信道接入技术

2.1 分布式访问方式(DCF)

IEEE802.11中的分布式协调机制是一种基于分布式控制的竞争式共享介质方式,采用带冲突避免的载波监听多路访问技术。DCF机制主要采用两种方法进行帧的传输,基本接入机制以及请求发送/清除发送(RTS/CTS)机制【5】。

在分布式协调机制中,站点在开始发送新的数据前必须首先监听介质。如果介质上已有信息正在传输,则此站点将不会发送本地信息。如果两个或者更多的站点同时传输,则有可能导致碰撞,从而造成发送失败。因此为了避免冲突,站点在开始发送之前先监听介质。如图1所示,当一个站点检测到物理信道空闲时间超过一个DCF帧间距(DIFS)之后,站点进入退避状态,每个站点维护一个退避计时器,当退避计时器为0时,站点发出请求发送(RTS)信号。如果在规定时间内没有允许发送(CTS)信号返回,则站点认为发生了冲突从而使竞争窗口加倍,选择新的退避计时器重复上面的操作。

在无线通信系统中,由于发送信号的泄漏,在发送的时候很难进行检测,因为无线信道信号的强度变化范围非常大,所以就无法采用冲突检测的方式。所以,只能是在发送前,先检测一下,也就是载波监听。载波监听是非常重要的技术,载波监听在发现介质空闲时,站点就可以启动介质竞争机制,竞争信道。主要有两种方式,一种是物理(直接)载波监听,还有一种是虚拟(间接)监听,前者是从MAC帧中携带的相关信息来实现的一种逻辑上的预测,即每个帧携带发送站下一个帧将持续时间的信息,其它有关联的各个站点根据这个信息对信道是否占有进行预测。如果某个站点没有监听到持续时间字段,站点只能通过物理层检测;后者通过接收信道的能量强弱来确定。因为物理监听的方式下,无线信道不稳定,信号变化强度大,所以,通常采用虚拟的方式,就是利用帧中持续时间的保留信息,该信息包括将要使用信道的时间和其他控制信息。CSMA/CA是有冲突避免的载波监听型多址接入协议。它是对CSMA的另一种改进方法。它不仅支持全连通的网络拓扑,同时支持部分连通的网络拓扑。

其中CSMA/CA信号流程如图2所示。其工作原理如下:某工作站在发送信息之前,检测信道是否空闲以及空闲时间是否大于IEEE802.11DCF规定的帧间隔时间,如果否,该STA就延迟接入,直到当前的传输结束。之后,也就是一次成功传输完成刚结束,这时碰撞发生率最高,因为所有待发送的STA都延迟等待这一时刻的到来,为进一步减少碰撞,工作站选择随机避退(back off time)再次延迟接入,在检测信道的同时倒数back off time计数器,直到其值为0,这时,如果其它工作站选择的back off time更短,它就赢得了信道占用权,文中所述的STA又检测到信道忙,只好再次延迟接入,否则,若信道空闲,发送信息。

2.3 中心网络控制方式(PCF)

PCF【5】是一种可选优先级的无竞争的介质访问方法,以DCF控制机制为基础,由中心控制器AP控制各个站点的数据帧传送,所有站点都服从中心站点的控制。在PCF协议中,AP通过向相关的移动站发送轮询消息,依次对这些移动站进行轮询。如果AP需要将数据发送至正被轮询的移动站,那么数据可包含在轮询消息中。如果轮询的基站需要将数据发送至AP,则可将数据包含在轮询响应消息中。在适当情况下,确认信息(确认收到了上一个来自AP的数据帧)也可包含在响应消息中。

由于DCF只能提供尽力而为(Best effert)的服务,没有任何QOS保证。为了提供延迟受限的服务,IEEE802.11提供了可选的PCF机制。PCF只能在有中心协调点(一般由接入点担任)的架构式网络中使用。PCF以DCF为基础,在DCF之上实现。图3是PCF和DCF的关系示意图。

点协调机制是优先级高于分布式协调机制的访问方式,提供对无线媒质的无竞争访问。在这种工作模式下,置于访问站点(AP)中的中心控制器(PC)控制来自工作站的帧的传送。工作站均在PC的控制下获得对媒质的有限访问。中心控制器在其发出的查询帧中使用PIFS,因为PIFS小于DIFS,因而中心控制器总是能获得对介质的访问并且在其发送查询帧、接收响应时,把异步通信全部都锁住。PC在每一个无竞争期开始,都对介质进行监测。如果介质在PIFS间隔之后仍然空闲,PC就发送一个包含无竞争期各项参数的信标(Beacon)帧。在含有AP的BSS中,信标帧用于保证相同物理网络中工作站的同步,它包含时间戳(Timestamp),所有工作站都利用时戳来更新计时器,802.11定义其为时间同步功能计时器。工作站接收到信标帧后,更新它们的NAV。该值向所有工作站通知无竞争期的长度,直到无竞争期结束才允许工作站获得对介质的控制权。发送信标帧后,PC等待至少一个SIFS间隔,然后发送下列帧之一:

1.数据帧:这种帧直接从AP的中心控制器发往轮询表中的某个站点,如果PC没有收到接收端返回的确认帧(ACK),会在无竞争期内的PIFS间隔后重发该帧。中心控制器可以向所有的站点发送广播,单播以及多播帧。

2.无竞争轮询帧:PC向某个工作站发送无竞争轮询帧,授权该工作站可以向任何其它目的终端发送数据.如果被轮询的工作站没有数据要发送,它就发送一个空数据帧。如果该站没有收到己发送数据的确认帧,则必须在被PC再次轮询时重发未被确认的帧。

3.数据帧+无竞争轮询帧:PC向某个站点发送数据,而这个站点恰好是轮询列表中即将被轮询到的,那么为了降低系统开销,可以发送这种类型的帧,以便使轮询和数据传输同时进行。

4.无竞争结束帧:这种帧用于确定竞争期的结束。站点可以选择是否被PC轮询,可以在连接请求帧(Association Request)中的特殊信息字段CF一Pollable项中表明是否希望被轮询,某个站点可以通过发包Reassoeiation Request帧来改变自己的可轮询性。Pe维护着一个轮询队列,每个非竞争期PC至少会发送一次CFPoll,从而使队列中的工作站都有可能被PC轮询。对于点协调机制,其Qos支持也具有很大的局限性:由于竞争期站点发送的数据长度不能控制,使得下一个目标信标传输时间的信标发送产生延迟;而在非竞争期被轮询的站点发送的数据大小也不可控,因此站点的传送时间也不易被接入点控制;接入点的轮询调度算法过于简单,同样没有区分业务类型。

3 OPNET平台中的仿真设计实现

3.1 仿真设计

3.1.1 建立基本模型

从OPNET自带的物件拼盘中选择wireless_lan_adv作为基本模型,然后使用可移动的器件wlan_station_adv(mob)作为接入节点,设置15个节点来进行仿真。应用配置物件用来配置不同的业务。在PCF中选择mobile_node_0作为接入点。只需将该节点的PCF Functionality设为Enabled。

3.1.2. 设置网络规模

范围设定为o f f i c e,网络大小设定在100m*100m。

3.1.3 设置业务参数

采用ON-OFF业务,在ON期间产生数据包,每个包的大小和包间隔可以按照某种分布函数来确定,在OFF期间不发送数据包。设置Start time为constant(1.0),ON的平均持续时间为exponential(10),OFF的平均持续时间为exponential(90),包平均到达的间隔为exponential(1.0);每个数据包的大小为exponential(1024)(字节)。

3.1.4. 配置WLAN中的输入接口参数

DCF方式如图5所示,PCF方式如图6所示:

3.1.5 收集统计量并处理图像

在收集统计量时统一对节点mobile_node_3收集统计量,要收集的统计量有throughput(吞吐量)、data dropped(丢包率)、delay(传输时延)、网络负载以及单个节点的发送速率,接收速率等等。

在设置仿真参数时仿真持续时间为1天,随机数为128(seeds)。

最后是运行仿真处理图像。直接采用Optimized仿真核心,这样调试信息就会省略掉,从而提高仿真速度。对仿真得到的曲线取平均值处理,便于后面总结结论研究。

从图8我们可以看出就WLAN LOAD性能参数来讲,PCF站点和DCF站点的负载是差不多的。这是因为两种方式的节点产生的数据包几乎是差不多的。其实这也是期望中的结果,因为PCF相对于DCF的优势在其负载上并不是很明显。

从图7可以看出两种方式的吞吐量是非常相似的,甚至是某些峰值点所出现的时间都很类似,只出现了一点的时间差。这也是我们所期望的,因为,尽管时延不同,但是在目前的负载水平上,其媒介的状态并没有达到“饱和”,换句话说,也就是不管是PCF源节点还是DCF源节点所发送出来的数据包,迟早会到达目的节点的。

稳定、可靠、高效是我们对网络的基本要求。丢包率反应网络的可靠性。从图11中可以看出,DCF方式的平均丢包率要高于PCF方式,但是在延迟方面,DCF方式则较PDF方式有明显的优势,这也与理论分析一致。DCF是基于竞争的,在节点数较少的情况下,延迟较小,吞吐量较大。在丢包率也即可靠性方面PCF较DCF方式有很大提高,这也正是音频、视频等多媒体数据对网络传输安全性能的要求。所以,在以处理音频、视频等多媒体数据为主要对象的网络环境中,PCF较DCF更为可靠。

从图12可以看出,在吞吐量相同的情况下,PCF协议在延迟方面要优于DCF。对于时间敏感的实时性业务,如分组话音和多媒体业务,应使用无争用服务的点协调功能PCF协议。但是大多数情况WLAN的默认配置采用DCF而不是PCF。因为DCF基本上能够满足传送数据业务的服务要求,而PCF采用轮询的方式,增加了开销,所以带宽利用率较DCF低。因此实际应用中,若业务在丢包率许可的范围内,还是应考虑采用DCF协议。

但是PCF的主要缺点是扩展性较差,因此只是一种可选的接入方式,通常与DCF一起使用。DCF是802.11系列标准中最重要的信道接入方式,它使普通的节点和AP都相互竞争来接入无线信道,因此它适用于对时延不敏感的数据业务,如Email和FTP等。PCF必须依赖于固定的基础设施(如AP),而DCF则不需依赖任何固定的基础设施,是唯一能够用于Ad hoc网络的信道接入方式。

4 总结

本文在介绍了WLAN中MAC层的DCF功能和PCF功能的基本原理的基础上,利用了先进的网络仿真工具OPNET架构起仿真模型,并且对二者在网络负载,端到端时延,以及吞吐量等网络性能的统计特性进行了仿真。仿真结果表明,在以处理音频、视频等多媒体数据为主要对象的网络环境中,PCF较DCF更为可靠。采用PCF的站点由于使用无竞争轮询机制在某些性能方面是优于采用DCF功能的站点的,但是PCF功能是基于基础网络的,要实现PCF功能还要在专门的基站或AP上装有软件PC(Point Coordinator)。如果对于大型网络,采用PCF功能还是可以很好的提高整个网络的性能的。这样为用户使用提供了可靠的依据。

参考文献

[1]钟章队.无线局域网[M].北京:科学出版社,2008

[2]王文博,张金文.OPNE Modeler与网络仿真[M].北京:人民邮电出版社,2003.

[3]李馨,叶明.OPNET Modeler网络建模与仿真[M].西安:西安电子科技大学出版社:6～18,2006.

[4]周慧.OPNET网络仿真及其应用研究[C].武汉:武汉科技大学,2009.6

[5]陈敏.OPNET网络仿真[M].北京:清华大学出版社,2004

[6]李楠,岳佳.无线局域网关键技术与应用[J].山西电子技术,2008,(06):59-60

[7]王文波.IEEE802.11DCF协作MAC接入机制研究[C].北京:北京邮电大学,2009.2

[8]及晓梅.关于IEEE802.11协议MAC层DCF机制的研究与改进[C].天津:天津大学,2004:21-22

OPNET技术 篇5

进入21世纪信息时代以来, 随着计算机技术和网络技术不断发展, 物联网、云计算、大数据技术、智慧校园等新兴网络技术的涌出, 网络通信与人们的生活密不可分, 导致网络结构变得复杂化、多样化。在这种情况下, 对网络技术的学习和深入研究, 不再是一件简单的事。如果在技术开发研究过程当中, 都创建一个真实的网络环境进行网络 的设计、网络配置、 性能分析等研究, 需要投入大量的人力物力, 而在真实的网络运行当中收集数据也会存在一定的困难。网络仿真技术不仅仅能解决真实网络当中困难, 更能推动信息科技进步与发展。OPNET是目前网络仿真工具中最为出色的一款仿真软件。针对某职业学校校园网进行网络建模, 对网络性能进行仿真分析, 并对原来校园网扩展方案继续模拟仿真。

2 OPNET 仿真技术

2.1 概述

OPNET最早起源于1986年麻省理工学院 , 由美国的OPNET Technologies Inc.公司出版 , OPNET实质上就是一个网络仿真软件包, 为网络开发技术人员提供了一个网络技术和产品开发仿真平台, 它能够真实地、准确地模拟分析复杂性网络的性能和行为, 在建设网络模型中的任意一个位置都可以提供标准探头, 或者支持用户在构建的网络模型中指定的探头, 从而可以采集网络数据和收集数据统计进行分析。通过仿真可以输出图形化形式展示, 数字浏览方式表示, 或者可以直接第三方软件包中。

2.2 OPNET 模型

OPNET模型通常指的是Network (网络模型 ) 、Node ( 节点模型)、Process (进程模型) 等, 分别是在图形界面的Network Editor、Node Editor、Process Editor工具当中来实现。

2.3 OPNET 特点

(1) OPNET Modeler运用阶层性的模拟方式 , 并提供了三层建模机制, 从下往上: 最底层为进程模型, 其次为节点模型, 最上层为网络模型。

(2) 基于事件出发 , 采用离散事件驱动的模拟机理建模 ,可以大大提高计算效率, 同时采用混合建模机制建模, 可以更精细地模拟仿真结果, 大大提高网络仿真效率。

(3) 仿真平台包含了详尽的模型库 , 包含了交换机、ATM设备、服务器、路由器、ISDN设备、客户机、DSL设备等。

(4) 不仅具有分析复杂网络的性能和行为能力 , 而且具有丰富的收集分析统计能力, 能够为网络开发者提供可靠的定量依据。

2.4 OPNET 仿真流程

使用OPENT进行仿真一般按照以下6个步骤进行: (1)建立网络模型;(2) 配置网络拓扑; (3) 配置业务; (4)收集结果统计量;(5) 运行仿真; (6) 观察分析结果。

3 网络拓扑建模与仿真

以自行设计某职业学校校园局域网为背景, 如图1所示,利用OPNET Modeler14.5为仿真平 台 , 建立网络 仿真模型 ,节点参数设定以实际所用硬件设备为基准, 评价网络 性能 ,并假定校园扩建, 要求在原有的网络基础上进行扩展, 对现有的网络环境进行分析, 考察是否能到达网络扩展后的性能指标, 并分析提出意见。

3.1 拓扑结构

图 1 某职业学校校园局域网拓扑结构

图1中含有网络设备: 由1个路由器、1个核心交换机、多个汇聚交换机、1个服务器和数百个工作站组成, 采用星型网络拓扑 结构。Cisco3300路由器一 台 , 交换机是Cisco的Catalyst4000, 在交换机和工作站之间以及路由器与Internet之间的连接采用千兆以太网光纤线路。网络操作系统采用Windows 2000 Sever, 工作站操作系统采用Windows XP, 更容易地实现网络资源共享。

3.2 仿真建模

该校园网的拓扑是以科技楼四楼的网络信息中心的星型网络结构的中心, 分别在行政办公区、实训中心 、教学区 、宿舍生活区设置一个分网络信息中心。根据网络结构规划主干核心网采用千兆光纤设计, 中心节点分别与各个分中心主干使用光纤线缆连接, 在各个网络节点分别设置各子网服务器的终端。核心网主干网络是整个校园网络数据流动的主动脉, 承担整个校园网络信息流动的总调度功能, 同时还负责与各个子网之间的数据互连和网络系统的管理与安全。

采用OPNET Modeler14.5进行仿真 建模 , 操作系统 为Windows XP, 根据前文OPNET仿真流程进行校园网的仿真建模。在OPENT仿真工具中, 建立一个范围100km*100km的校园网网络模型。采用TCP/IP协议, OPNET环境中建立的网络模型如图2所示, 建立4个各由30个节点构成的星型结构的子网, 将各个子网与核心交换机及中心服务器连接, 并设定校园网中的E-mail电子邮件传递服务、HTTP浏览业务。

3.3 配置标准端对端业务

端对端业务就是客户/服务器模型下的业务, 根据实际网络的需要对网络进行相关业务的配置, 一般配置分为以下4个步骤: 应用定义、业务主询设定、服务器支持的应用设定和客户端业务主询设定。

设置完每一种业务参数后, 在核心交换机与服务器Server之间链路、其中某一个中心节点与核心交换机之间链路上分别点击 右键选择Choose Individual DES Statistics, 在ChooseResults对话框中选择point-to-point设置queuing delay (sec)--> 、queuing delay ( sec) <-- 、throughput ( bit/sec) --> 、throughput (bit/sec) <--, 收集网络仿真结果的统计量 , 然后运行配置仿真界面配置仿真参数。

4 网络拓扑扩展与结果分析

4.1 运行仿真

设置仿真时间为0.5 (hours), 仿真的随机种子为128, 运行仿真, 得到扩展前核心交换机与服务器之间的链路吞吐量和最高延迟时间统计结果, 如图3所示, 扩展前中心节点和核心交换机之间的链路吞吐量和最高延迟时间统计结果, 如图4所示。从图3和图4中分析统计结果图可以得出, 整个校园网络性能稳定良好, 没有发现网络拥塞现象。

图 3 核心交换机和服务器之间链路统计结果

图 4 中心节点和核心交换机之间链路统计量结果图

4.2 网络拓扑扩展优化仿真

假设对原有网络进行扩展, 在中心节点为node_30, 包含30个外围节点的这个中心拓扑结构中新增加30个外围节点 ,其他网络拓扑图结构条件保持不变。修改扩展后, 再次运行仿真, 其他仿真参数保持不变, 不再重新设置, 也就是扩展前后仿真参数保持一致。分别得到扩展后核心交换机与服务器之间的链路吞吐量和最高延迟时间统计结果, 如图5所示,以及扩展后中心节点和核心交换机之间的链路吞吐量和最高延迟时间统计结果, 如图6所示。

图 5 扩展后核心交换机和服务器之间链路统计结果图

图 6 扩展后中心节点和核心交换机之间链路统计结果

4.3 结果分析

扩展前后仿真的统计结果图进行数据对照表如表1所示,通过分析可知, 网络的点对点之间的吞吐量和延迟时间均符合网络实际规律变化。在进行校园网络扩展设计中, 通过选择不同的外围节点个数, 反复比较运行仿真结果, 总结出以下几点结论:

(1) 通过扩展 , 增加外围节点的个数 , 导致服务器、客户端以及节点之间链路延迟时间随之变大; 同样道理, 减少外围节点个数, 也会导致服务器、客户端以及链路上的吞吐量随之变小。

(2) 通过扩展 , 增加外围节点的个数 , 导致服务器、客户端和节点之间链路上的吞吐量随之变大; 同样道理, 减少外围节点个数, 也会导致服务器、客户端与链路之间的吞吐量随之变小。

(3) 假如外围节点个数增加或者减小变化不是很大 , 从仿真结果反映出, 延迟时间的变化范围也不大。

5 结语

OPNET技术 篇6

1 排队模型

1.1 M/M/1排队模型

M/M/1队列是排队论中的一个最简单最基本的队列，其特点是数据包的到达服从泊松分布，服务时间服从负指数分布，队列具有无限大的缓冲存储，服务台个数为1，服务规则为先到先服务(first come first service,简称FCFS)，这是单处理器的典型工作方式。

数据包平均延时：Wq=1/(μC-λ)

数据队列平均时间Lq=ρ/(1-ρ)，其中ρ=λ/μC。

1.2 M/M/S排队模型

顾客到达符合泊松分布，服务时间呈负指数分布，S个服务台并行工作，客户随机选择空闲服务器，服务规则同样为FCFS。

具体以M/M/2模型为例。M/M/2系统表示顾客以到达率λ的泊松过程到达系统，服务台的服务时间服从参数为μ的指数分布，系统中有2个服务台，服务规则是FCFS，顾客一到服务台就开始服务，服务时间与顾客到达相互独立。

2 OPNET网络仿真技术

网络仿真技术是一种通过建立网络设备、链路和协议模型，并模拟网络流量的传输，从而获取网络设计和优化所需要的网络性能数据的仿真技术。目前的网络仿真工具以NS-2和OPNET为主,前者可以直接从网上免费下载，由于是共享工具，可靠性得不到保证，用户需要从头建模，适用于小规模模拟。后者主要用于各大学和大型通信公司。

OPNET具有丰富的技术、协议、设备模型库和适合各个层次的建模工具以及灵活强大的仿真分析工具,特别适合各种网络仿真研究[1],目前它是世界上最先进的网络仿真和应用平台。其主要特点有：1)面向对象的层次化建模。使用无限嵌套的子网来建立复杂的网络拓扑结构;2)采用离散事件驱动的模拟机理，与时间驱动相比，计算效率得到很大提高;3)三层建模机制[2];4)完全开放的模型编程[3]。

OPPNET的离散事件驱动的模拟机理，使得利用其对队列模型进行研究更加方便、直观。

3 仿真模型的实现与分析

以M/M/1与M/M/2模型为研究对象，分别建立相应的仿真模型，并改变有关参数，对仿真结果进行分析,主要观察两个统计变量，即数据包的延迟时间与队列的大小，从而考察系统是否稳定。因大部分文献资料对M/M/1模型的建立均有详细说明[5]，下面主要介绍M/M/2仿真模型的建立。

3.1 节点模型的建立

在节点编辑器中创建发送节点来模拟客户，节点中包含一个数据源进程模块和一个点对点发射机，用来向处理器发送数据。发送节点模型如图1所示。在src节点的属性编辑对话框中，将Packet Size设置为exponential(9000),即包的大小呈均值期望为9000的指数(泊松)分布。打开pt_tx节点的属性编辑对话框，将data rate(bps)的值改为9600。

接收节点用来模拟处理器的行为，包含3个点对点接收机、队列模块和进程模块(如图2所示)。打开queue队列模块的属性编辑对话框，将进程模型改为acb_fifo_ms队列，服务台数量(num_servers)改为2，服务能力(service_rate)保持为9600;并将三个接收机的data rate(bps)的值同时改为9600。

3.2 网络模型的建立

使用项目编辑器创建项目和场景，在对象面板设置中，添加queue_rx和queue_tx这两个节点模型，并添加queue_link链路模型。之后将其拖入工作区，同时使用queue_link链路将3个发送节点分别连接至接收节点。网络拓扑结构如图3所示。

3.3 仿真结果分析

3.3.1 M/M/1系统

在S=1,1/μ为9000b/p,C为9600b/s系统中，当数据包到达的平均间隔时间1/λ取不同值时，得到不同结果。

1)当1/λ=1.0，得到图4。

2)当ρ<1(即1/λ≤15/16)时系统处于不稳定状态。令1/λ=0.9，得到图5。从图中可以看出，数据包的平均到达速率和数据包的平均大小结合起来超过了队列的服务容量，队列不再稳定，趋于无限长，即系统处于不稳定状态。

3.3.2 M/M/2系统

同样的情况，在S=2,1/μ为9000b/p,C为9600b/s系统中，令1/λ=1.0，得到图6。从中可以看出，在2小时后，系统趋于稳定。

当S=2时，令1/λ=0.9，得到图7。可以看出，在M/M/2系统中，1/λ=0.9，系统达到稳定。说明增加服务台个数可以使系统得到稳处于稳定状态。

4 结论

利用OPNET对M/M/S模型进行仿真，得出数据包到达的平均速率、服务台个数、数据包平均大小等参数的改变，可以影响数据包平均延时和队列长度平均时间，也可以使系统不再处于稳定状态。同样，改变其他的仿真参数如服务台的平均服务速率等，也会对系统产生相应的影响。

参考文献

[1]高金玉,贾世杰.OPNET仿真技术在网络规划设计中的应用[J].网络通讯与安全,2007(5):1583-1585.

[2]张铭,窦赫蕾,常春藤.OPNET Modeler与网络仿真[M].北京:人民邮电出版社,2007.

[3]贾小娇,方红雨,李晓辉.基于OPNET的M/M/m队列仿真[J].通信技术,2008(12):183-185.

[4]OPNET Modeler14.5online documentation.

OPNET技术 篇7

射频识别(Radio Frequency Identification,RFID)技术,作为一种非接触式的自动识别技术,可以通过射频信号自动识别目标对象,获取相关数据,不需要人工接触,不需要光学可视,即可完成信息输入和处理,并且操作简单快捷[1]。另外,由于RFID系统可以从技术上防止被仿冒、侵入,还具有极高的安全防护能力。但是,RFID技术在实际制造业中的应用仍然面临着一些问题,如受电磁干扰的影响,标签之间碰撞几率较高,多径干扰较为严重,使RFID系统的整体效果具有很大的不确定性。

对于任何一个通信系统,信道都是不可少的组成部分。在RFID系统中,所有的信息都在信道中传输,信道性能的好坏直接影响着通信质量。因此要想在有限的频谱资源上尽可能提高通信质量,大容量传输有用信息,就必须对RFID系统的信道进行研究。

1 RFID系统简介

1.1 RFID系统的组成

一个最简单的射频识别系统是由读写器、标签和计算机通信网络组成的,如图1所示。

RFID标签:存储着需要被识别物品的相关信息,通常被放置在需要识别的物品上,它所存储的信息通常可被读写器通过非接触方式读/写。

RFID读写器:读写器是可以利用射频技术读/写标签信息的设备。读写器读出的标签信息可以通过计算机以及网络系统进行管理和信息传输。

计算机通信网络:在射频识别系统中,计算机通信网络通常用于对数据进行管理,完成通信传输功能。读写器可以通过标准接口与计算机通信网络相连,以便实现通信和数据传输功能[1]。

1.2 RFID系统的基本原理

RFID系统的工作原理如下:读写器通过发射天线发射一定频率的射频信号,标签进入发射天线工作区域时,标签被激活,将自身的信息代码通过内置天线发出,读写器获取标签信息代码并解码后,将标签信息送至计算机进行处理。由图1可以看出,在射频识别系统工作过程中,始终以能量作为基础,通过一定的时序方式来实现数据交换[2]。

2 OPNET简介

OPNET(Optimized Network Engineering Tools)使用有限状态机对协议和其他过程建模,提供核心库函数,全面支持协议编程。采用基于数据包的通信机制、离散时间驱动机制和面向对象的仿真方法,是系统和网络算法仿真的理想工具。采用OPNET来仿真RFID系统网络,可以直观地模拟标签与读写器的通信过程,准确地建立符合协议标准的模型,同时OPNET提供了丰富的测试和参数统计工具。OPNET采用三层建模机制,最底层为进程(Process)模型,以状态机来描述协议;其次为节点(Node)模型,由相应的协议模块组成,反映设备特性;最上层为网络(Network)模型,分别使用Process编辑器、Node编辑器、Project编辑器进行编辑[3,4]。OPNET建模机制框架如图2所示。

OPNET仿真步骤如图3所示。

3 信道研究

RFID系统是按电磁耦合的原理,利用电磁场或电磁波为传输手段,完成非接触双向通信,以获取相关数据。换言之,标签与读写器之间的数据传输是通过空气介质以无线电波的形式进行的。

3.1 自由空间传播损耗

自由空间中不考虑任何大气的影响,不被障碍物阻挡,所以自由空间传播损耗计算方法为:

$\begin{array}{l}\lambda =\frac{C}{\text{B}\text{a}\text{n}\text{d}\text{w}\text{i}\text{d}\text{t}\text{h}}\\ \text{传}\text{播}\text{损}\text{耗}=\frac{1}{4\text{π}d{}^2}\cdot \frac{\lambda {}^2}{4\text{π}}\end{array}$

式中:d为距离。

在自由空间中由于没有阻挡,电磁波传播只有直射,不存在其他现象。然而在室内环境下,由于墙壁、门窗和其他物体的存在,电磁波传播有直射波与多重反射波、透射波,还有物体棱角边缘的绕射产生的绕射波。这就造成室内电波传播的多样性和复杂性,所以在研究这种情况下的信道时就必须考虑多径、噪声等对通信质量的影响。

3.2 BPSK调制信号经过高斯白噪声信道和瑞利信道

BPSK是用二进制数字信号控制载波的两个相位,通常这两个相位相隔π弧度,例如用相位0和π分别表示二进制“1”和“0”。

BPSK的时域表达式为:

$e{}_0(t)=[{\displaystyle \sum _{n}a}{}_{n}g(t-n{\rm T}{}_{\text{s}})]\cos \omega {}_{\text{c}}t$

式中:g(t)是脉宽为Ts的单个矩形脉冲;an为双极性数字信号,其取值为:

$a{}_n=\{\begin{array}{l}1‚\text{概}\text{率}\text{为}{\rm P}\\ -1‚\text{概}\text{率}\text{为}1-{\rm P}\end{array}$

在一个码元持续时间内观察时,e0(t)为:

$e{}_0(t)=\{\begin{array}{l}\cos \omega {}_{\text{c}}t‚\text{概}\text{率}\text{为}{\rm P}\\ -\cos \omega {}_{\text{c}}t,\text{概}\text{率}\text{为}1-{\rm P}\end{array}$

也就是说发“0”,an取“+1”,e0(t)取0相位;发“1”,an取“-1”,e0(t)取π相位[5]。

3.2.1 BPSK调制信号经过高斯白噪声信道

在通信系统中噪声是一个随机过程,很难通过简单的计算方式预测某个时刻噪声信号的强度,因此从概率论的角度去分析噪声。白噪声存在于整个频谱范围内,所以在任何的信道内都存在高斯白噪声。

对于一维的高斯随机变量x,如果它的均值为μ,方差为σ2,则随机变量x的概率p(x)为:

$p(x)=\frac{\text{e}{}^{-(x-\mu ){}^2/(2\sigma {}^2)}}{\sqrt{2\text{π}}\sigma }$

在了解了信道的特点后对信号通过信道后的误码率进行仿真分析[6]。本文采用Matlab中自带的Simulink模块,对BPSK调制信号经过高斯白噪声信道的性能进行仿真分析[7,8,9],系统组成如图4所示。

对模块参数进行设置,然后进行仿真分析,BPSK调制信号在高斯白噪声信道模型下的仿真图形如图5所示。

将所得的误比特率数组存储在OPNET的modulation curve产生的EMA代码中,并命名为bpskawgn,所得的调制曲线如图6所示。

3.2.2 BPSK调制信号经过瑞利信道

如果一个随机变量r服从瑞利分布,则它的概率密度函数为${\rm P}(r)=\frac{r}{\sigma {}^2}\exp \left(-\frac{r{}^2}{2\sigma {}^2}\right)‚0<r<8$。式中的σ2是决定瑞利分布的参数,称为瑞利分布的包络,瑞利随机变量r的值等于$\sqrt{\text{π}/(2\sigma )}$,方差[10]等于(4-π)σ2/2。采用Matlab中自带的Simulink模块,对BPSK调制信号经过瑞利信道的性能进行仿真分析。系统组成如图7所示。

对模块参数进行设置,然后进行仿真分析,BPSK调制信号在瑞利信道模型下的仿真图形如图8所示。

将所得的误比特率数组存储在OPNET的modulation curve产生的EMA代码中,并命名为bpskrayleigh,所得的调制曲线如图9所示。

4 两种信道下RFID系统性能分析

在基于OPNET建立的RFID软件仿真平台中通过设置调制参数来设置不同的信道模型,具体参数设置如图10所示。

两种不同信道下,每秒识别标签个数的仿真结果比较如图11所示。

两种不同信道下,碰撞次数的仿真结果比较如图12所示。

通过上述两个图的比较可以看出,在瑞利信道下,识别标签所用的时间长,碰撞次数多,所以在研究室内采用复杂的RFID系统时,要考虑不同信道的影响,建立合适的传播模型。掌握了准确的传播模型,就为研究无线电波的传播奠定了坚实的基础,这对提高RFID系统的通信能力具有重要的意义。

5 结 论

本文在基于OPNET建立的RFID仿真平台上比较了高斯白噪声信道和瑞利信道对RFID系统的影响,得出瑞利信道对RFID系统的通信质量影响更大的结论。通过分析比较两种信道下误码率和信噪比的关系,对建立合适的传播模型,提高RFID系统的通信能力具有指导意义。

摘要：在RFID系统数据通信的过程中,所有的信息都在信道中传输,因此通信质量的好坏受信道性能的影响。为了分析信道的性能,在基于OPNET建立RFID软件平台的基础上仿真了瑞利信道和高斯白噪声信道对RFID系统通信质量的影响,并得出了瑞利信道对RFID通信质量的影响更大的结论。

关键词：RFID,OPNET,瑞利信道,高斯白噪声信道

参考文献

[1]周晓光,王晓华,王伟.射频识别(RFID)系统设计、仿真与应用[M].北京:人民邮电出版社,2008.

[2]吕现朋,刘翀,刘禹,等.RFID制造业仿真部署平台设计关键技术[J].系统仿真学报,2010,22(3):601-605.

[3]蒋丽影,张蕊.浅析OPNET建模机制[J].电子科技,2008,21(4):73-75.

[4]孙屹.通信仿真开发手册[M].北京:国防工业出版社,2005.

[5]周晓光,王晓华.射频识别(RFID)技术原理与应用实例[M].北京:人民邮电出版社,2006.

[6]张清泉,行小帅,李竹,等.BFSK信号在高斯和瑞利信道中传输性能仿真分析[J].山西师范大学学报,2010,24(1):64-66.

[7]邓华.Matlab通信仿真及应用实例详解[M].北京:人民邮电出版社,2003.

[8]薛定宇,陈阳泉.基于Matlab/Simulink的系统仿真技术与应用[M].北京:清华大学出版社,2002.

[9]王正林,刘明.精通Matlab 7[M].北京:电子工业出版社,2006.

OPNET技术 篇8

随着我国经济和科技的高速发展, 在各个领域内, 对环境感知及通信的需求也越来越高。其中, 最为典型的无线通信模式就是移动运营商负责维护的移动网络, 如GPRS、3G业务、4G业务等应用最为广泛。另外, WLAN (无线局域网) 在构架小型家庭、公司内部网络中的应用也十分广泛。在个别特殊的生活领域, 例如交通领域, 存在WAVE (车载环境无线接入) 通信模式专门用于维持车—车、车—路之间的通信, 用于提高交通安全和运行效率。各种无线通信模式的原理不尽相同, 但对于无线通信的评价指标类似, 包括通信延时、丢包率等性能参数。本文旨在分析WLAN、3G及WAVE无线通信模式原理及特点, 通过OPENT仿真, 研究其性能参数及优势。

2 无线通信模式介绍

2.1 WLAN通信

W LA N是一类无线通信系统的简称, 具有灵活性、移动性、易扩展性及成本低等特点。Wi-Fi是一个无线网络通信技术的品牌, 其主要采用的通信协议也是IEEE 802.11系列协议标准。IEEE 802.11协议标准主要位于OSI协议的物理层和MAC层。物理层定义了三种无线传输方法, 即跳频扩频、直接序列扩频以及红外传输方法。MAC层主要功能是规范了访问机制、控制数据的传输, 并且定义了MAC帧格式, 采用CSMA/CA (载波侦听多点接入/冲突避免) 机制控制及协调信道的接入。

随着高速无线数据传输业务的需求与发展, I E E E 8 0 2.11标准的2 M b/s速率已经不能满足需要。IEEE工作组又发布了IEEE 802.11b, IEEE802.11a, I EEE 802.11g, 将最大无线传输速率提高到11Mb/s和54Mb/s。各种协议的特性如表1所示。

W L A N常采用的是I E E E 8 0 2.11b协议, 有多种路由协议可供选择, 包括AODV (Ad-hoc ondemand distance vector routing) , DSR (Dynamic S ou r c e Rou t i ng) , T OR A (Te m p o r a l ly O r d e r e d R o u t i n g A l g o r i t h m) 等路由协议, 信道接入协议有DCF (分布式协调功能) 、PCF (点协调功能) 及H C F (混合协调功能) 可供选择。其他各种I E E E802.11系列协议对不同的应用场景也会有不同的适用性。

2.2 3G通信

本文所采用的3G技术为UMTS (通用移动通信系统) 。相对于功能单一WLAN或GSM, GPRS网络, UMTS网络的结构更加复杂, 功能更加丰富, 网络管理需要考虑的因素也更加多元化。UMTS除了把WCDMA作为首选空中接口技术获得不断完善外, 还相继引入了TD-SCDMA和HSDPA技术。U M T S系统结构主要包括无线接入网络和C N (核心网络) 两部分, 无线接入网络部分包括UE (用户设备) 和UTRAN (陆地无线接入网) 。UMTS支持1920kb/s的传输速率, 其关键技术为切换技术, 主要包括软切换和硬切换, 目的是保证移动节点良好的接入到当前的移动通信网络。UMTS系统结构如图1所示。

2.3 WAVE通信

WAV E技术是车路协同系统产生后, 为解决车车通信、车路通信问题而提出的一种高效的无线接入通信机制。WAVE的优势主要体现在消息传输延时、节点移动性、通信频段的抗干扰性和IEEE802.11p对车路协同系统的适用性, 其在网络性能、实现成本及复杂程度方面的综合评价均优于普通的无线通信技术, 其技术参数如表2所示。

WAV E的协议体系主要依托于IEEE 802.11p协议, 其是针对汽车通信的交通应用环境而设计的标准, 主要作用于物理层和数据链路层。物理层处于协议的底层, 且是基于正交频分复用的, 主要负责为设备之间的数据通信提供传输媒介及互联设备, 控制信道的激活或失效服务, 为数据传输提供可靠的环境。数据链路层包括LLC (逻辑链路子层) 和M AC (介质访问控制子层) , 其中I EEE 802.11p的M AC层是整个协议架构中性能优势的集中体现。MAC层为数据传输的信道协调控制方面提供服务, 通过可靠的信道接入协议, 更加高效的进行数据交换。WAVE在交通领域已经得到了大量的应用。

3 性能仿真测试

3.1 OPENT仿真原理

OPN ET Mo d ele r是当前领先的网络技术开发环境, 广泛应用于设计和研究通信网络、设备、协议和应用为开发人员提供了建模、仿真以及分析的集成环境, 大大减轻了编程以及数据分析的工作量。O P N E T采用离散事件驱动的模拟机理, 通过事件驱动器以先进先出的方式对事件和事件时间列表进行维护, 每当有一个事件出现后, 仿真时间推进, 仿真中各个模块之间通过事件中断方式传递事件信息。与时间驱动相比, 这种机制的计算效率更高。构建OPNET仿真模型依次从进程模型、节点模型和网络模型三部分进行。

根据车路协同系统信息交互过程的特殊性, 选取OPNET Modeler模型库中的MANET模型作为W LA N模式和WAV E模式的仿真实验节点模型。车辆信息从WLAN收发信机进出, 依次经过MAC层、数据链路层、IP层、UDP层、路由层、应用层, 完成整个消息的通信流程。OPNET也提供了UMTS系统的仿真模型, 可以根据用户需求配置模型属性。

3.2 仿真结果评估

本文统计收集的无线性能指标为传输延时和丢包率。网络的传输延时定义为一个数据分组从源节点发送到目的节点的时间差, 它包括电 (或光) 信号在物理媒介中的传输延时和数据在网络中的处理延时, 也即指网络中数据传输所用的时间。本文以数据分组发送和到达之间的时间差表示传输延时。丢包率是反映网络质量的重要参数, 它定义了传输期间网络丢失分组的数量, 通常指的是在仿真时间段内丢失的数据分组占传输的数据总量的比例。导致丢包的因素有很多, 比如网络拥堵、接收分组的缓冲区太小、TTL值超过规定值以及无线信号的同频干扰等。本文以丢失分组的数量与发送分组总量的比值来衡量丢包率的大小。

仿真场景建立在一平方公里的范围内, 通过放置50到300个通信节点进行随机通信和随机移动 (将节点假设为车辆) , 采用不同的通信模式进行仿真, 仿真时间为10分钟。三种无线通信模式的仿真结果如2及图3所示。

通过仿真结果可以看出, 3G技术的延时较其他两种方式较大, 而其丢包率较小。WLAN和WAVE模式在传输延时和丢包率方面差别不大。随着通信节点数目的增加, 3G的性能是持续恶化, 而另外两种通信模式会出现一个较好的极值, 这是因为W L A N和WAV E独特的信道接入协议和路由协议决定的。当试图增加通信节点的移动速度时会发现, WAVE通信模式的效果会突出的表现出来, 在延时方面和丢包率方面较WLAN有很大的提高。

4 结束语

本文通过对多种无线通信模式的原理进行分析及仿真测试, 验证了WLAN, UMTS, WAVE三种通信方式的通信性能及其所属的应用领域。WLAN适用于对信息及时性要求比较高的小范围场所, 而且数据量可以很大;UMTS适用于远距离及移动性较强的场合;WAVE适用于快速移动的交通领域。各种无线通信模式在其应用范畴内不断进行改进, 更好地为我们服务。

参考文献

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