周婭

摘 要： 針對(duì)傳統(tǒng)有線教學(xué)網(wǎng)絡(luò)的局限性，無(wú)線網(wǎng)絡(luò)近些年得到了迅速的發(fā)展，然而其通信容易受到外界的電磁干擾且設(shè)備更新快、投資大成為其發(fā)展瓶頸，采用網(wǎng)絡(luò)仿真技術(shù)是研究解決以上問(wèn)題的有效途徑。采用QualNet軟件模擬教學(xué)平臺(tái)，利用QualNet地圖加載和QualNet編譯等功能實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的具體協(xié)議，同時(shí)采用Matlab與QualNet仿真平臺(tái)聯(lián)合的策略，在仿真平臺(tái)實(shí)現(xiàn)物理層的仿真。最后通過(guò)QualNet平臺(tái)針對(duì)WiMAX網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和系統(tǒng)輸出結(jié)果進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，基于仿真結(jié)果分析了無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的性能。

關(guān)鍵詞： 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)； QualNet； Matlab； WiMAX

中圖分類(lèi)號(hào)： TN911?34； TM417 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2016）09?0053?04

Abstract： For the limitations of the traditional wired teaching network， the wireless network has rapid developement in recent years， but its communication is easy to be interfered by the external electromagnetic interference， and it has suffered from the development bottleneck due to fast update and large investment of its equipments. The network simulation technology is the efficient approach to solve the above problems. The QualNet software is used to simulate the teaching platform. The functions of QualNet map loading and QualNet compiling are used to implement the specific network protocol. The integrated strategy of Matlab and QualNet simulation platforms is adopted to simulate the physical layer. The WiMAX network protocol and system output results were simulated through the QualNet platform. The performance of the wireless network is analyzed based on simulation results.

Keywords： wireless network teaching platform； QualNet； Matlab； WiMAX

0 引 言

隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的推廣和普及，通信技術(shù)不斷發(fā)展，電子設(shè)備的更新迭代速度和頻率也極大提高。目前，針對(duì)高校無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的研究在整個(gè)通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的研發(fā)中顯得越來(lái)越重要[1]。為了方便校園學(xué)習(xí)，讓學(xué)生真正理解和掌握課堂和書(shū)本的理論知識(shí)，提升綜合技能和動(dòng)手實(shí)踐能力，必須安排足夠的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)和一定的綜合性實(shí)驗(yàn)，因此無(wú)線網(wǎng)絡(luò)課程是解決課堂教學(xué)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)相結(jié)合問(wèn)題的有效方式。因此，學(xué)校的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)教學(xué)環(huán)境成為了當(dāng)前研究的重點(diǎn)工作[2]。

無(wú)線網(wǎng)絡(luò)處于開(kāi)放性的傳播空間，在傳播過(guò)程中容易受到外界環(huán)境的干擾，特別是電磁干擾。同時(shí)，與有限網(wǎng)絡(luò)相比，在驗(yàn)證無(wú)線網(wǎng)絡(luò)時(shí)的場(chǎng)地限制也是制約研究的困難。另外，鑒于快速的無(wú)線產(chǎn)品的迭代速度，實(shí)驗(yàn)室很難投入更多的資金去更新和購(gòu)買(mǎi)設(shè)備，因此學(xué)生的動(dòng)手、實(shí)驗(yàn)機(jī)會(huì)將不斷減少[3]。

針對(duì)上述問(wèn)題，使用網(wǎng)絡(luò)仿真技術(shù)是突破目前困難現(xiàn)狀的有效方法。從本質(zhì)上講，網(wǎng)絡(luò)仿真技術(shù)就是通過(guò)計(jì)算機(jī)技術(shù)構(gòu)造網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，用?lái)模擬實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的仿真行為，通過(guò)計(jì)算機(jī)推算可以獲取針對(duì)性的目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)特性參數(shù)，從而可以完成網(wǎng)絡(luò)性能的研究和分析工作[4]。

1 QualNet技術(shù)

1.1 QualNet結(jié)構(gòu)特性

QualNet的功能就是針對(duì)無(wú)線移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算和處理，與同類(lèi)型產(chǎn)品在仿真速度、準(zhǔn)確率方面都獲得了極大程度的提升，而且通過(guò)對(duì)無(wú)線射頻和信道技術(shù)的高效建模仿真，確保了軟件非常高的仿真精度。QualNet按照網(wǎng)絡(luò)的七層架構(gòu)采用模塊化設(shè)計(jì)，其中物理層是QualNet協(xié)議棧的最下層，包含很多庫(kù)，比如無(wú)線、高級(jí)無(wú)線、蜂窩、衛(wèi)星、傳感器網(wǎng)絡(luò)、網(wǎng)絡(luò)安全等庫(kù)[5]。

QualNet地理坐標(biāo)系統(tǒng)支持CARTESIAN（直角坐標(biāo)）和LATLONALT（經(jīng)緯度）兩種坐標(biāo)。QualNet支持的地形數(shù)據(jù)格式為：CARTESIAN（直角坐標(biāo)），DTED和USGSDEM三種格式[6]。

1.2 物理層仿真具體處理流程分析

在QualNet中，每個(gè)節(jié)點(diǎn)協(xié)議棧的初始化是最底層操作。對(duì)于一個(gè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)來(lái)說(shuō)，一個(gè)節(jié)點(diǎn)的MAC層和物理層是共同初始化的，并且，物理層的初始化發(fā)生在MAC層初始化前。這個(gè)過(guò)程是在節(jié)點(diǎn)初始化函數(shù)PARTITION_InitializeNodes中執(zhí)行的[7]。具體處理步驟如下：

（1） 節(jié)點(diǎn)的初始化函數(shù)，PARTITION_InitializeNodes調(diào)用MAC層初始化函數(shù)MAC_Initialize。

（2） 對(duì)于無(wú)線MAC協(xié)議，AddNodeToSubnet函數(shù)通過(guò)調(diào)用函數(shù)PHY_CreateAPhyForMac初始化接口具體物理層模型[8]。

（3） 函數(shù)PHY_CreateAPhyForMac，從配置文件中讀取和存儲(chǔ)相關(guān)信道參數(shù)，從配置文件中讀取和存儲(chǔ)通用物理層參數(shù)調(diào)用運(yùn)行在接口中的 PHY 模型初始化函數(shù)。

（4） MAC層協(xié)議通過(guò)調(diào)用函數(shù)PHY_StartTransmittingSignal向物理層發(fā)送一個(gè)報(bào)文。

QualNet對(duì)物理信道的仿真是以接收、發(fā)送功率、SINR、BER等幾個(gè)主要特性參數(shù)建立抽象信道模型。

2 QualNet與Matlab聯(lián)合仿真

2.1 物理層解決思路

在OFDM仿真流程的基礎(chǔ)上，用Matlab語(yǔ)言很方便編寫(xiě)出OFDM發(fā)送、信道及接收整個(gè)系統(tǒng)仿真流程，并對(duì)仿真系統(tǒng)的性能進(jìn)行了分析。其中，正交頻分復(fù)用技術(shù)（OFDM）是一種無(wú)線環(huán)境下高速傳輸技術(shù)，OFDM原理框圖如圖1所示。

2.2 QualNet與Matlab聯(lián)合仿真

QualNet是分層實(shí)現(xiàn)的，網(wǎng)絡(luò)性能能夠反映出來(lái)該協(xié)議的修改對(duì)整體網(wǎng)絡(luò)的影響。一般的Matlab用于仿真MAC層以下的層面，如前面提到的調(diào)制、信道、解調(diào)等。 所以將Matlab集成到網(wǎng)絡(luò)仿真器里面時(shí)，就要在對(duì)應(yīng)的物理層實(shí)現(xiàn)的地方進(jìn)行替換。切斷原來(lái)的參數(shù)傳遞過(guò)程，將QualNet輸入?yún)?shù)遞交給Matlab進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果也要按照QualNet接收的形式給出。必要的時(shí)候，可以對(duì)QualNet的模型進(jìn)行修改提高M(jìn)atlab模型的利用度。

模擬器可以根據(jù)路徑損耗、陰影、多路徑、頻移參數(shù)生成動(dòng)態(tài)信道，進(jìn)而產(chǎn)生一個(gè)相對(duì)精確的物理層模型，連同網(wǎng)絡(luò)層模擬，通過(guò)整合能夠使設(shè)計(jì)者看到物理層、MAC層、路由層、傳輸層和應(yīng)用層等一個(gè)完整的運(yùn)行效果。例如：當(dāng)一個(gè)QualNet節(jié)點(diǎn)探測(cè)一個(gè)到來(lái)的信號(hào)時(shí)，它首先會(huì)判斷這個(gè)信號(hào)是否大于給定的接收值。如果大于給定的接收值，它會(huì)試著接受這個(gè)信號(hào)。通過(guò)信號(hào)的強(qiáng)度和信道的噪聲能夠計(jì)算出SINR。QualNet當(dāng)前不支持硬件設(shè)備、多普勒效應(yīng)、頻段損耗等。因此，需要整合OFDM模型到QualNet中，大體思路如下：QualNet原始節(jié)點(diǎn)的SINR作為SINRin，導(dǎo)入OFDM模型，加上多徑、多普勒和頻移參數(shù)，一個(gè)動(dòng)態(tài)信道就產(chǎn)生了。然后進(jìn)行OFDM仿真，結(jié)果在接收機(jī)的接收SINR，SINRout被用來(lái)計(jì)算公式中的loss，此loss值被存在QualNet一個(gè)表里。通過(guò)把它映射到一個(gè)BER值，新的SINR結(jié)果值被用來(lái)計(jì)算是否包含錯(cuò)誤，由于數(shù)據(jù)分組長(zhǎng)度過(guò)短，對(duì)于一個(gè)短的分組來(lái)說(shuō)計(jì)算BER值是不準(zhǔn)確的，在phy/phy_802_11.c文件的Phy802_11CheckRxPacketError（）函數(shù)中，通過(guò)系統(tǒng)調(diào)用語(yǔ)句插入了OFDM計(jì)算模型。

2.3 編譯

QualNet makefile位于安裝目錄下的main子目錄，編譯環(huán)境集成主要工作是將IEEE 802.11a物理層的編譯和鏈接集成到Qualnet編譯環(huán)境下，具體工作包括源程序文件和選擇性編譯標(biāo)志在makefile中的添加。

安裝了Microsoft Visual Studio 2008 IDE之后，需要進(jìn)行配置，步驟如下：

（1） 配置環(huán)境變量：“我的電腦”右鍵→“屬性” 。

（2） 在彈出的對(duì)話(huà)框選擇“高級(jí)”→“環(huán)境變量”。

（3） 在新對(duì)話(huà)框中，選擇“Path”→“編輯”。

（4） 彈出如下對(duì)話(huà)框，在“變量值”中添加“； STUDIO_HOME＼VC＼bin”。

（5） 最后點(diǎn)擊“確定”，即可完成對(duì)環(huán)境變量的修改。

（6） 測(cè)試環(huán)境變量是否修改成功：“運(yùn)行”→“cmd”→“nmake?help”。

（7） 在QUALNET_HOME路徑下，新建文件：Makefile。

（8） 打開(kāi)Microsoft Visual Studio2008、選擇“文件”→“新建”→“從現(xiàn)有文件創(chuàng)建新項(xiàng)目”。

（9） 在彈出的對(duì)話(huà)框中“要?jiǎng)?chuàng)建什么類(lèi)型的項(xiàng)目”中選擇“Visual C++”。

（10） 并在接下來(lái)的彈出框中輸入如下信息：

項(xiàng)目文件位置：C：＼snt＼qualnet＼5.0；項(xiàng)目名稱(chēng)：qualnet；文件夾：C：＼snt＼qualnet＼5.0。

3 構(gòu)建基于WiMAX的網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)

本設(shè)計(jì)中基于WiMAX技術(shù)的設(shè)計(jì)采用固定場(chǎng)景，確保在場(chǎng)景為300 m的覆蓋范圍內(nèi)，8個(gè)用戶(hù)基站通過(guò)中心基站進(jìn)行通信，設(shè)計(jì)中采用星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，遠(yuǎn)端用戶(hù)基站直接和中心基站相連。

3.1 實(shí)驗(yàn)環(huán)境及要求說(shuō)明

要求在 Qualnet環(huán)境下，建立基于 WiMAX的網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)，具體要求如下：

地理范圍：400 m×400 m；節(jié)點(diǎn)數(shù)：8個(gè)用戶(hù)基站，1個(gè)基站；節(jié)點(diǎn)類(lèi)型：靜態(tài)節(jié)點(diǎn)；業(yè)務(wù) 數(shù)量：7×8=56；業(yè)務(wù)類(lèi)型：CBR；通信方式：8個(gè)用戶(hù)節(jié)點(diǎn)通過(guò)中心基站通信。根據(jù)要求構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)如圖2所示。

3.2 參數(shù)配置

以2號(hào)節(jié)點(diǎn)為例，WiMAX采用IEEE 802.16標(biāo)準(zhǔn)。這里配置物理層，MAC層和路由協(xié)議。

（1） 物理層配置。Radio Type設(shè)置為IEEE 802.16，發(fā)射機(jī)功率為20 dBm，對(duì)應(yīng)公式X（dBm）=10lg[x（mW）]，即100 mW。Antenna Model設(shè)置為Omnidirectional（全向天線）。

（2）MAC層協(xié)議配置。MACProtocol設(shè)置為802.16。StationType設(shè)置為SubscriberStation（用戶(hù)站）。WaitDCDTimeoutInterval默認(rèn)為25 s，DCD消息：BS周期性發(fā)送的一個(gè)消息，定義了下行物理信道的特性。UCD：通過(guò)BS周期性不間斷的發(fā)送信息，上行物理信道特性本質(zhì)得到準(zhǔn)確的定義和記錄。其中核心消息包括上行突發(fā)序列屬性、配置改變計(jì)數(shù)器、微時(shí)隙大小、請(qǐng)求退避開(kāi)始、請(qǐng)求退避結(jié)束、上行信道ID等參數(shù)信息。

（3） 業(yè)務(wù)配置。以10 s為間隔向一個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送大小為32 B的包，共發(fā)送70個(gè)包。

4 仿真分析

4.1 仿真過(guò)程

WiMAX的仿真過(guò)程，所有用戶(hù)站的信息通過(guò)基站 1 進(jìn)行傳輸，如圖3所示。

4.2 仿真結(jié)果及網(wǎng)絡(luò)性能分析

4.2.1 丟包率

客戶(hù)端發(fā)包數(shù)量如圖4所示。

從而得到丟包率為0%，即在理想信道環(huán)境下，可能不發(fā)生丟包。

4.2.2 吞吐量

客戶(hù)端、服務(wù)器端吞吐量如圖7所示。模擬Server節(jié)點(diǎn)2吞吐量大約為7 000 b/s，節(jié)點(diǎn)3吞吐量大約為3 600 b/s，其他節(jié)點(diǎn)吞吐量均為2 000 b/s。

節(jié)點(diǎn)2平均端到端的時(shí)延大約為18 s，節(jié)點(diǎn)3平均端到端的時(shí)延大約為5 s，其他節(jié)點(diǎn)平均端到端的時(shí)延大約為2 s。由分析得知，此WiMAX網(wǎng)絡(luò)時(shí)延很高。

4.2.4 誤碼率

由仿真結(jié)果分析數(shù)據(jù)得到WiMAX誤碼率，如圖9所示。

從而得知誤碼率=[13336 030=0.36]%，在8個(gè)用戶(hù)站的情況下，屬于正常范圍。

5 結(jié) 論

本文從無(wú)線網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)的需求出發(fā)，探討網(wǎng)絡(luò)仿真的必要性。QualNet是一種仿真快速而且精確的動(dòng)態(tài)開(kāi)發(fā)、仿真系統(tǒng)。然而QualNet網(wǎng)絡(luò)仿真器選擇經(jīng)過(guò)高度抽象的簡(jiǎn)單模型來(lái)提升仿真速度和效率。本文詳細(xì)深入研究QualNet網(wǎng)絡(luò)仿真器物理層模型及存在的缺陷，提出將QualNet和Matlab聯(lián)合仿真解決此問(wèn)題，從而提高網(wǎng)絡(luò)仿真精度。

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