劉仕兵,胡振中

(華東交通大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院,江西南昌330013)

Liu shibing,Hu zhenzhong

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

無線局域網(wǎng)(Wireless Local Area Networks,WLAN)是無線通信技術(shù)與計算機(jī)技術(shù)相結(jié)合發(fā)展的產(chǎn)物,是利用無線技術(shù)實現(xiàn)快速接入以太網(wǎng)的技術(shù)。與有線局域網(wǎng)相比,WLAN建網(wǎng)迅速、造價低廉、移動靈活、容易擴(kuò)展,具有很大的優(yōu)越性。但是,WLAN也存在著自身的問題,由于無線信道的隨機(jī)和突變特性,使得WLAN中的誤碼率(Bit Error Rate)比較高,同時,WLAN中的載波偵聽(Carrier Sensing)比較困難,網(wǎng)絡(luò)延時也比較大,這些問題都嚴(yán)重的影響了無線局域網(wǎng)的性能[1]。

OPNET軟件是由美國OPNET Technology公司開發(fā)的大型的通信與計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)仿真軟件包,支持面向?qū)ο蟮慕７绞?并提供圖形化的編輯界面,便于用戶使用。除了能夠模擬固定通信模型外,OPNET的無線建模器還可用于建立分組無線網(wǎng)和衛(wèi)星通信網(wǎng)的模型。同時,OPNET在新網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計以及對現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的分析方面都有卓越表現(xiàn),為通信網(wǎng)和分布式系統(tǒng)的模擬提供了全方位的支持,是目前世界上先進(jìn)的網(wǎng)絡(luò)仿真開發(fā)和應(yīng)用平臺之一,廣泛應(yīng)用于大中型企業(yè)智能化網(wǎng)絡(luò)設(shè)計、規(guī)劃、優(yōu)化和管理等方面。

1 WLAN的標(biāo)準(zhǔn)

目前的WLAN產(chǎn)品所采用的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)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開放頻段,它在物理層定義了數(shù)據(jù)傳輸?shù)男盘柼卣骱驼{(diào)制方法,定義了兩種無線電(RF)傳輸方式和一種紅外線傳輸方式。其中RF傳輸標(biāo)準(zhǔn)包括直接序列擴(kuò)頻技術(shù)(Direct Sequence Spread Spectrum,DSSS)和調(diào)頻擴(kuò)頻技術(shù)(Frequency Hopping Spread Spectrum,FHSS)。DSSS使用BPSK或QPSK調(diào)制,FHSS使用GFSK調(diào)制。為了盡量減少數(shù)據(jù)的傳輸碰撞和重試發(fā)送,防止各站點無序爭用信道,MAC層采用了CSMA/CA(載波偵聽多址訪問/碰撞避免)協(xié)議而不是CSMA/CD(載波偵聽多址訪問/碰撞檢測)協(xié)議[2]。

1.2 IEEE 802.11b

IEEE 802.11b標(biāo)準(zhǔn)對IEEE 802.11標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了修改和補(bǔ)充,其中最重要的改進(jìn)就是在IEEE 802.11的基礎(chǔ)上增加了兩種更高的通信速率:5.5 Mbps和11 Mbps。為了實現(xiàn)這個目標(biāo),DSSS被選作該標(biāo)準(zhǔn)的唯一的物理層傳輸技術(shù),這個決定使得802.11 b可以與1Mbps和2Mbps的802.11 DSSS系統(tǒng)相互操作。

在802.11 b標(biāo)準(zhǔn)中,CCK(Complementary Code Keying)技術(shù)取代了原有的11位Barker序列技術(shù),5.5 Mbps使用CCK串來攜帶4位的數(shù)字信息,11Mbps使用CCK串來攜帶8位的數(shù)字信息,這兩個速率的傳送都使用QPSK作為調(diào)制的手段。

為了支持在有噪音的環(huán)境下能夠獲得較好的傳輸速率,802.11 b采用了動態(tài)速率調(diào)節(jié)技術(shù),來允許用戶在不同的環(huán)境下自動使用不同的連接速度來補(bǔ)充環(huán)境的不利影響。

1.3 IEEE 802.11a

IEEE 802.11a擴(kuò)充了標(biāo)準(zhǔn)的物理層,它工作在U-NII波段的5GHz頻段,物理層速率可達(dá)54Mbps,傳輸層可達(dá)25Mbps。IEEE 802.11a選擇了具有能有效降低多徑衰落影響與有效使用頻率的正交頻分復(fù)用(OFDM)作為調(diào)制技術(shù),可提供25Mbps的無線ATM接口和10 Mbps的以太網(wǎng)無線幀結(jié)構(gòu)接口,以及TDD/TDMA的空中接口。

1.4 IEEE 802.11g

IEEE 802.11g是IEEE為了解決802.11 a與802.11 b的互通而提出的一個標(biāo)準(zhǔn),它是802.11 b的延續(xù),兩者同樣使用2.4GHz通用頻段。在容量方面,802.11 g的速率上限已經(jīng)由11 Mbps提升至54 Mbps,但由于2.4 GHz頻段干擾過多,在傳輸速率上低于802.11 a。在兼容性方面,802.11 g與802.11 a、802.11 b同時兼容是802.11g的一大亮點,它同時支持802.11 b的CCK和802.11 a的OFDM,802.11g還支持PBCC(Packet Binary Convolutional Coding,分組二進(jìn)制卷積碼)技術(shù)。802.11 g中規(guī)定的調(diào)制方式有兩種,一種為Intersil公司提案采用的CCK-OFDM,另一種為TI公司提案采用的PBCC-22(也稱CCK-PBCC)調(diào)制方式。

2 仿真模型的建立

Modeler建模的機(jī)制就是將建模過程分成三個層次:進(jìn)程模型、節(jié)點模型和網(wǎng)絡(luò)模型。進(jìn)程模型由狀態(tài)遷移圖、宏定義塊、函數(shù)塊、狀態(tài)變量和臨時變量定義塊等幾部分組成,進(jìn)入和退出狀態(tài)時又相應(yīng)要執(zhí)行的函數(shù)體;節(jié)點模型描述的是節(jié)點的行為,它由許多模塊組成,模塊之間用數(shù)據(jù)包流(Packet Stream)或統(tǒng)計線(Statistic Wire)連接;網(wǎng)絡(luò)模型主要描述系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[3,4]。

2.1 網(wǎng)絡(luò)模型

在場景中放置6個無線節(jié)點,組建一個小型的分布式無線局域網(wǎng),節(jié)點之間通過無線鏈路通信,無線鏈路在仿真的過程中動態(tài)產(chǎn)生,它存在于任意一組無線發(fā)送機(jī)和無線接收機(jī)之間,通過改變調(diào)制類型、傳輸速率等參數(shù)可以改變其物理特性。

2.2 節(jié)點模型

為了分析各通信節(jié)點MAC層的接入和傳輸,我們簡化了對MAC層之上的各OSI通信層的建模,僅用一個信源模塊(Source)和一個信宿模塊(Sink)來模擬高層的通信,并且認(rèn)為網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點均具有相同的節(jié)點模型結(jié)構(gòu),如圖1所示。

(1)信源模塊(Source):負(fù)責(zé)產(chǎn)生數(shù)據(jù)包,并賦給它們隨機(jī)的或指定的目的地址。

(2)信宿模塊(Sink):負(fù)責(zé)做網(wǎng)絡(luò)平均時延和信道吞吐量方面的統(tǒng)計工作,并將接收到的包銷毀以釋放占用的內(nèi)存。

(3)Wlan-Mac-Intf模塊:作為MAC層與應(yīng)用層的層間接口。

(4)Wireless-Ian-Mmac模塊:完成各種MAC多址接入?yún)f(xié)議下分組的接入和傳輸。

(5)接收模塊(Wlan-Port-Rx0):檢測信道的狀態(tài),從信道上取得數(shù)據(jù)幀并傳送給Wireless-Lan-Mac模塊。

(6)發(fā)送模塊(Wlan-Port-Tx0):負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)幀發(fā)送到信道上。

圖1 節(jié)點模型

2.3 進(jìn)程模型

進(jìn)程模型用于具體實現(xiàn)節(jié)電模型中各個模塊的功能,它通過強(qiáng)大的有限狀態(tài)機(jī)來支持協(xié)議的實現(xiàn)[5]。信源和信宿模塊的進(jìn)程模型比較簡單,這里我們主要討論MAC模塊的進(jìn)程模型。它主要實現(xiàn)了無線局域網(wǎng)MAC層的CSMA/CA協(xié)議:(1)初始化,進(jìn)入等待狀態(tài)。(2)在準(zhǔn)備傳輸時,若信道空閑,則直接傳輸幀;若信道忙,則進(jìn)入幀間等待。(3)幀間等待完畢后,需要退避則執(zhí)行退避;否則可直接傳輸幀。(4)若退避結(jié)束后,仍需等待,則返回等待狀態(tài),重新等待;否則直接傳送幀。(5)傳輸幀結(jié)束后,有限狀態(tài)機(jī)繼續(xù)等待響應(yīng)幀,等待超時或接收到幀后,若沒有幀需要傳輸,則返回到等待狀態(tài),繼續(xù)等待新幀,如此循環(huán)工作。

3 仿真實例及仿真結(jié)果

將所有場景的仿真時間(Duration)設(shè)為300 s,仿真種子數(shù)(Seed)設(shè)為128,開始時間為0.02 s,On的平均持續(xù)時間為40 s,Off的平均持續(xù)時間為0 s,包產(chǎn)生間隔時間為0.02 s,包分組大小為512 bytes,仿真參數(shù)設(shè)置如圖2所示。

圖2 仿真參數(shù)

3.1 物理層配置仿真

3.1.1 802.11b與802.11g的比較

將場景wlan-b中的物理特性(Physical Characteristic)設(shè)置為直接序列擴(kuò)頻(Direct Sequence Spread Spectrum),速率設(shè)置為11 Mbps;將場景wlan-g中的物理特性設(shè)置為擴(kuò)展物理層速率(802.11 g)(Extended Rate PHY(802.11 g)),速率也設(shè)置為11 Mbps。在全局統(tǒng)計量中我們選擇丟包率(Data Dropped)、延時(Delay)作為我們的仿真對象,依次可以得到如圖3、圖4所示仿真結(jié)果。

從圖3中我們可以分析得知:當(dāng)網(wǎng)絡(luò)性能趨于穩(wěn)定后,802.11b的丟包率約為72 kbit/s,802.11g的丟包率略大于802.11 b,為75 kbit/s。從圖4中我們可以分析得知:802.11 b與802.11 g的延時相差不大,802.11 b的延時為0.000 9 s,802.11g的延時為0.000 6 s。

圖3 802.11 b與802.11 g丟包率比較

圖4 802.11 b與802.11 g延時比較

3.1.2 802.11 a與802.11 g的比較

將場景wlan-a中的物理特性設(shè)置為OFDM(802.11 a),速率設(shè)置為54 Mbps;將場景2中的物理特性設(shè)置為Extended Rate PHY(802.11 g),速率也設(shè)置為 54 Mbps。在全局統(tǒng)計量中我們選擇丟包率(Data Dropped)、延時(Delay)作為我們的仿真對象。經(jīng)過分析仿真結(jié)果可得出,當(dāng)網(wǎng)絡(luò)性能趨于穩(wěn)定后,802.11 a的丟包率與802.11 g的丟包率相近,均約為75 kbit/s。802.11 a與802.11 g的延時相差不大,802.11 a的延時為0.000 110 s,802.11 g的延時為0.000 125 s。

3.2 速率配置仿真

將場景wlan-DS1,wlan-DS2,wlan-DS3中的物理特性均設(shè)置為直接序列擴(kuò)頻,速率依次設(shè)置為2 Mbps,5.5 Mbps和11Mbps。在全局統(tǒng)計量中選擇丟包率和延時作為仿真對象,依次可以得到如圖5和圖6所示仿真結(jié)果。

圖5 wlan-DS1,wlan-DS2,wlan-DS3不同速率的丟包率比較

圖6 wlan-DS1,wlan-DS2,wlan-DS3不同速率的延時比較

從圖5中我們可以分析得知:在速率為2 Mbps時,無線網(wǎng)絡(luò)丟包數(shù)最小;在速率為5.5 Mbps和11 Mbps時,丟包數(shù)增大。從圖6中我們可以分析得知:在速率為 2Mbps時,延時最大,約為23 ms;在速率為5.5Mbps和11Mbps時,延時均較小,分別為2 ms和 1 ms。因此,當(dāng)網(wǎng)絡(luò)性能穩(wěn)定后,在網(wǎng)絡(luò)的其他條件一樣時,網(wǎng)絡(luò)丟包數(shù)隨速率的增大而增多,而網(wǎng)絡(luò)延時是隨著速率的增大而減小。

3.3 信息包配置仿真

將場景wlan-DS4,wlan-DS5,wlan-DS6中的物理特性均設(shè)置為直接序列擴(kuò)頻,速率均設(shè)置為11 Mbps,信息包分組大小依次設(shè)置為256 bytes,512 bytes和1 024 bytes。在全局統(tǒng)計量中選擇丟包率和延時作為仿真對象,依次可以得到如圖7和圖8所示仿真結(jié)果。

圖7 wlan-DS4,wlan-DS5,wlan-DS6丟包率比較

圖8 wlan-DS4,wlan-DS5,wlan-DS6延時比較

從圖7中我們可以分析得知:當(dāng)信息包分組大小為256 bytes時,無線網(wǎng)絡(luò)丟包數(shù)幾乎為0;當(dāng)信息包分組大小為512 bytes時,無線網(wǎng)絡(luò)丟包數(shù)約為90 kbit?s-1;當(dāng)信息包分組大小為1 024 bytes時,無線網(wǎng)絡(luò)丟包數(shù)約為840 kbit?s-1。從圖8中我們可以分析得知:當(dāng)信息包分組大小為256 bytes時,延時最小;當(dāng)信息包分組大小為512 bytes時,延時增大;當(dāng)信息包分組大小為1 024 bytes時,延時最大。

4 結(jié)束語

在無線環(huán)境中,由于噪聲、干擾、多徑和移動終端漫游等因素影響,信道狀況隨著時間變化很大,網(wǎng)絡(luò)的性能也受到了影響,因此在設(shè)計無線局域網(wǎng)時合理的選擇標(biāo)準(zhǔn)以及設(shè)置相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)對提高無線局域網(wǎng)的性能是至關(guān)重要的。本文利用OPNET Modeler 11.5仿真平臺對無線局域網(wǎng)進(jìn)行了建模,對無線局域網(wǎng)在802.11 b,802.11 a和802.11 g三種不同標(biāo)準(zhǔn)下的網(wǎng)絡(luò)性能進(jìn)行了比較,同時,對處于不同的無線數(shù)據(jù)傳輸率和信息包分組大小下的無線局域網(wǎng)性能也做了分析比較。如果在組建無線局域網(wǎng)對于傳輸速率和吞吐量要求不高時,可以選擇802.11 b標(biāo)準(zhǔn),畢竟價格低廉是802.11 b的優(yōu)勢,同時它具有遠(yuǎn)距離傳輸能力,在設(shè)置參數(shù)的時候,可以選擇5.5Mbps的傳輸速率和512 bytes的信息包分組大小,這樣丟包率、延時和吞吐量均達(dá)到一個較優(yōu)數(shù)值;如果干擾源較多,需要可伸縮性訪問,這時可以選擇802.11 a標(biāo)準(zhǔn),因為它工作于5 GHz頻段,具有更多的信道,同時在設(shè)置參數(shù)的時候,可以選擇54Mbps的傳輸速率和512 bytes的信息包分組大小,這樣可以獲得較小的延時和較高的吞吐量;如果同時要求高速率傳輸和遠(yuǎn)距離地域覆蓋時,可以選擇802.11 g標(biāo)準(zhǔn),因為工作于2.4GHz頻段的OFDM波形技術(shù)具備了有效組合能力和極強(qiáng)的穿透能力,同時在設(shè)置參數(shù)的時候,可以選擇54 Mbps的傳輸速率和256 bytes的信息包分組大小,這樣可以獲得較小的延時和丟包率。

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