【正文】 指 導(dǎo) 教 師 系 (教 研 室 ) 接受任務(wù)開始執(zhí)行日期 學(xué)生簽名 V 無線局域網(wǎng)建模與仿真分析 （陜西理工，陜西 漢中 723003） 指導(dǎo)教師： [摘 要 ]隨著無線通信的迅速發(fā)展，越來越多的移動(dòng)終端需要采用一種方便快捷的方式接入 Inter，于是 WLAN 應(yīng)運(yùn)而生。基于對(duì)IEEE OPNET[1]軟件的研究， 首先分析了無線局域網(wǎng)的各種行為，分別對(duì)這些行為單獨(dú)建模后，通過有線狀態(tài)機(jī)將它們集成而形成 IEEE 支持模塊。 [關(guān) 鍵 詞 ] OPNET； IEEE ；無線局域網(wǎng)；網(wǎng)絡(luò)仿真；建模。 IEEE 。 work simulation。通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)規(guī)模日趨龐大復(fù)雜，網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用越來越多樣化，網(wǎng)絡(luò)的性能也變得愈加難以預(yù)測(cè)。單純地依靠經(jīng)驗(yàn)來進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)的規(guī)劃和設(shè)計(jì)、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的研發(fā)以及網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的開發(fā)，已經(jīng)不能適應(yīng)當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)的飛速發(fā)展。目前，網(wǎng)絡(luò)仿真技術(shù)已 經(jīng)逐漸成為網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃、設(shè)計(jì)和開發(fā)中的主流技術(shù)。數(shù)學(xué)建模包括網(wǎng)絡(luò)建模（網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、通信鏈路等）和流量建模兩個(gè)部分。網(wǎng)絡(luò)仿真獲取的網(wǎng)絡(luò)特性參數(shù)包括網(wǎng)絡(luò)全局性能統(tǒng)計(jì)量、網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的性能統(tǒng)計(jì)量、網(wǎng)絡(luò)的鏈路流量和延時(shí)等，由此既可以獲取某些業(yè)務(wù)層的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，也可以得到協(xié)議內(nèi)部某些特殊參數(shù)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果。其次網(wǎng)絡(luò)仿真能夠驗(yàn) 證實(shí)際方案或比較多個(gè)不同的設(shè)計(jì)方案。其中，OPNET 近幾年贏得的大量獎(jiǎng)項(xiàng)是人們對(duì)其在網(wǎng)絡(luò)仿真中所采用的精確模擬方式及仿真結(jié)果的充分肯定。 WLAN 是利用無線通信技術(shù)在一定的局部范圍內(nèi)建立的網(wǎng)絡(luò)，是計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)與無線通信技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，它以無線多址信道作為傳輸媒介，提供傳統(tǒng)有線局域網(wǎng) LAN（ Local Area Network）的功能，能夠使用戶真正實(shí)現(xiàn)隨時(shí)、隨地、隨意的寬帶網(wǎng)絡(luò)接入。它是利用射頻 PF(Radio Frequency)技術(shù)取代舊式雙絞銅線 (Coaxial)所構(gòu)成的局域網(wǎng)絡(luò)。各團(tuán)體、企事業(yè)單位廣泛地采用了 WLAN 技術(shù)來構(gòu)建其辦公網(wǎng)絡(luò)。 WLAN 具有易安裝、易擴(kuò)展、易管理、易維護(hù)、高移動(dòng)性、保密性強(qiáng)、抗干擾等特點(diǎn)。 協(xié)議主要工作在 ISO 協(xié)議的最低兩層上，并在物理層上進(jìn)行了一些改動(dòng)，加入了高速數(shù)字傳輸?shù)奶匦院瓦B接的穩(wěn)定性。 的物理 層 的無線傳輸頻點(diǎn)定義在 的 ISM 波段內(nèi)，即 — 頻段。因此，使用 WLAN 設(shè)備不需要任何無線頻率的許可。具體如下： ? BPSK(Binary Phase Shifting Keying)：每 11 位的 chipping 代表一個(gè)一位的通 信 工 程 專 業(yè) 裝 配 實(shí) 習(xí)Ⅲ 3 數(shù)字信號(hào) 1 或者 0，這個(gè)序列被轉(zhuǎn)化成波形 (稱為一個(gè) Symbol)后，在空中傳播。 ? QPSK(Quadrature Phase Shifting Keying): 在 2Mbps的傳輸速率中，使用 QPSK調(diào)制方式，其數(shù)據(jù)傳輸率是 BPSK 的兩倍，以此提高了無線傳輸?shù)膸挕Ｔ谶@個(gè)編碼技術(shù)中，通過數(shù)據(jù)編碼設(shè)計(jì)，使其具有特殊的數(shù)學(xué)特性，提高了抗干擾能力。兩個(gè)速率的傳送都采用了 QPSK 調(diào)制技術(shù)。在理想狀態(tài)下，采用 11Mbps 連接速率；當(dāng)由于環(huán)境變化導(dǎo)致信號(hào)傳輸質(zhì)量下降時(shí)，速率自動(dòng)按序降低為 、 2Mbps、 1Mbps。速率調(diào)節(jié)機(jī)制是在物理層自動(dòng)實(shí)現(xiàn)的，不會(huì)對(duì)用戶和其它上層協(xié)議產(chǎn)生任何影響。 CSMA/CD 可通過電纜中電壓的變化來檢測(cè)，這是因?yàn)楫?dāng)數(shù)據(jù)發(fā)生碰撞時(shí)，電纜中的電壓就會(huì)隨之發(fā)生變化。 CSMA/CA 采用能量檢測(cè)（ ED）、載波檢測(cè)（ CS）以及能量載波混合檢測(cè)等 3 種手段，檢測(cè)信道是否空閑。 CSMA/CA 利用 ACK 信號(hào)來避免沖突的發(fā)生，也就是說，只有當(dāng)客戶端收到網(wǎng)絡(luò)上返回的 ACK 信號(hào)后才確認(rèn)送出的數(shù)據(jù)已經(jīng)正確到達(dá)目的。然而不管是對(duì)于 還是 來說，這種方式都增加了額外的負(fù)擔(dān)，所以 網(wǎng)絡(luò)和采用沖突檢測(cè)的 Ether 網(wǎng)相比較，總是在性能上稍遜一籌。當(dāng)一個(gè) WLAN 客戶端進(jìn)入一個(gè)或者多個(gè)接入點(diǎn)的覆蓋范圍時(shí)，它會(huì)根據(jù)信號(hào)的強(qiáng)弱以及誤包率自動(dòng)選擇一個(gè)接入點(diǎn)進(jìn)行連接，一旦被一個(gè)接入點(diǎn)接受，客戶端就會(huì)將連接信道切換至該接入點(diǎn)的頻段。其他的情況還發(fā)生在建筑物造成的信號(hào)的變化，或者僅僅由于通 信 工 程 專 業(yè) 裝 配 實(shí) 習(xí)Ⅲ 4 原有接入點(diǎn)中產(chǎn)生擁塞。高速率是由于其采用OFDM（正交頻分復(fù)用）調(diào)制技術(shù)，可得到高達(dá) 54Mbps 的數(shù)據(jù)通信帶寬；兼容 是由于其仍然工作在 ，并保留了 所采用的 CCK（補(bǔ)碼鍵控）技術(shù)，采用了一個(gè)“保護(hù)”機(jī)制，因此可與 產(chǎn)品保持兼容。為保證兼容性， 采用了兩個(gè)方法來解決這個(gè)問題。保護(hù)機(jī)制提供了一種能控制無線工作站是采用 OFDM還是采用 CCK 的調(diào)制技術(shù)。 由于 在 頻段采用了與 相同的調(diào)制技術(shù)，因此 設(shè)備在采用 CCK 調(diào)制時(shí)與 設(shè)備具有相同的距離范圍。 在 與 設(shè)備共存的混合網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，所有 設(shè)備性能沒有什么變化，但 設(shè)備在混合網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中使用 OFDM 調(diào)制時(shí)將有不同的性能變化。 ? 對(duì)于純 網(wǎng)絡(luò)環(huán)境， AP 與無線客戶端均工作在 模式時(shí)，可得到11Mbps 的數(shù)據(jù)通信帶寬，實(shí)際的 TCP 吞吐量約為 。此環(huán)境下可得到高達(dá) 54Mbps 的數(shù)據(jù)通信帶寬，實(shí)際 TCP 吞吐量約為 22~24 Mbps。對(duì)于這種同時(shí)存在混合無線客戶端的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境， AP 將通知 客戶端采用保護(hù)機(jī)制，此時(shí) 客戶端將得到較低的 數(shù)據(jù)吞吐量（最高可為 15Mbps），當(dāng)然此時(shí) 客戶端仍然比其他 客戶端具有更高的性能。對(duì)于這種同時(shí)存在混合 無線客戶端的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，此時(shí) 客戶端可成功地與通 信 工 程 專 業(yè) 裝 配 實(shí) 習(xí)Ⅲ 5 AP 相連接，但最高只能得到 的實(shí)際吞吐量，相當(dāng)于一個(gè) 客戶端。 工作于 5GHz 頻帶，它采用的調(diào)制方式為正交頻分復(fù)用（ OFDM）。 速率雖高，但和 不兼容，并且成本也比較高，所以在市場(chǎng)中一直沒有掀起太大的波瀾。 IEEE 工作組計(jì)劃將 WLAN 的傳輸速率從 和 的 54Mbps 增加至 108Mbps 以上，最高速率可達(dá) 320Mbps，成為 、 、 之后的另一場(chǎng)重頭戲。這樣 11n 保障了與以往的 b, g 標(biāo)準(zhǔn)兼容。 標(biāo)準(zhǔn)全面改進(jìn)了 標(biāo)準(zhǔn)，不僅涉及物理層標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)也采用新的高性能無線傳輸技術(shù)和天線技術(shù)，提升 MAC 層的性能，優(yōu)化數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)，提高網(wǎng)絡(luò)的吞吐量性能，使得無線局域 網(wǎng)的傳輸距離大大增加，可以達(dá)到幾公里（并且能夠保障 100Mbps 的傳輸速率）。例如，數(shù)十公里遠(yuǎn)的兩個(gè)局域網(wǎng)相聯(lián)：其間或有河流、湖泊相隔，拉線困難且線纜安全難保障，或在城市中敷設(shè)專線要涉及審批復(fù)雜，周期很長(zhǎng)的市政施工問題， WLAN 能以比線纜低幾倍的費(fèi)用在幾天內(nèi)實(shí)現(xiàn)，WLAN 也可方便地實(shí)現(xiàn)不經(jīng)過大的施工改建而使舊式建筑具有智能大廈的功能。 通 信 工 程 專 業(yè) 裝 配 實(shí) 習(xí)Ⅲ 6 WLAN 的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)主要有兩種類型：無中心網(wǎng)絡(luò)和有中心網(wǎng)絡(luò)。對(duì)等網(wǎng)絡(luò)用于一臺(tái)無線工作站和另一臺(tái)或多臺(tái)其他無線工作站的直接通訊，該網(wǎng)絡(luò)無法接入有線網(wǎng)絡(luò)中，只能獨(dú)立使用。如下圖所示，一個(gè)對(duì)等網(wǎng)絡(luò)由一組有無線接口的計(jì)算機(jī)組成。 對(duì)等網(wǎng)絡(luò)中的一個(gè)節(jié)點(diǎn)必需能同時(shí) 看 到網(wǎng)絡(luò)中的其他節(jié)點(diǎn)，否則就認(rèn)為網(wǎng)絡(luò)中斷，因此對(duì)等網(wǎng)絡(luò)只能用于少數(shù)用戶的組網(wǎng)環(huán)境，比如 4 至 8 個(gè)用戶，并且他們離得足夠近。它由無線 AP、無線工作站（ STA）以及 DSS 構(gòu)成，覆蓋的區(qū)域分為 BSS 和 ESS。無線 AP 通常能夠覆蓋幾十至幾百用戶，覆蓋半徑達(dá)上百米。換句話說，一個(gè)無線接入點(diǎn)所覆蓋的微蜂窩區(qū)域就是基本服務(wù)區(qū)。 擴(kuò)展服務(wù)區(qū) ESS 是指由多個(gè) AP 以及連接它們的分布式系統(tǒng)組成的結(jié)構(gòu)化網(wǎng)絡(luò)，所有 AP 必需共享同一個(gè) ESSID，也可以說擴(kuò)展服務(wù)區(qū) ESS 中包含多個(gè) BSS。如下圖所示。 一個(gè)站點(diǎn)訪問現(xiàn)存的 BSS 需要幾個(gè)階段： 首先，工作站開機(jī)加電開始運(yùn)行，然后進(jìn)入睡眠模式或者進(jìn)入 BSS 小區(qū)。站點(diǎn)通過主動(dòng)和被動(dòng)掃頻來獲得同步： ? 主動(dòng)掃頻： STA 啟動(dòng)或關(guān)聯(lián)成功后掃描所有頻道；一次掃描中， STA 采用一組頻道作為掃描范圍，如果發(fā)現(xiàn)某個(gè)頻道空閑，就廣播帶有 ESSID 的探測(cè)信號(hào)，AP 根據(jù)該信號(hào)做出響應(yīng)。 交換驗(yàn)證信息： WLAN 為防止非法用戶接入，在工作站定位了接入點(diǎn)并取得了同步信息之后，就開始交換驗(yàn)證信息。 站點(diǎn)關(guān)聯(lián)：站點(diǎn)經(jīng)過驗(yàn)證后，關(guān)聯(lián)就開始了。分布式系統(tǒng)將該映射關(guān)系分發(fā)給擴(kuò)展服務(wù)區(qū)中的所有 AP。在關(guān)聯(lián)過程中，無線工作站與 AP 之間要根據(jù)信號(hào)的強(qiáng)弱協(xié)商速率，速率變化包括： 11Mbps, , 2Mbps 和 1Mbps（以 為例）。重關(guān)聯(lián)是指當(dāng)無線工作站從一個(gè)擴(kuò)展服務(wù)區(qū)中的一個(gè)基本服務(wù)區(qū)移動(dòng)到另外一個(gè)基本服務(wù)區(qū)時(shí)，與新的 AP 關(guān)聯(lián)的整個(gè)過程。 漫游：無線局域網(wǎng)的每個(gè)站點(diǎn)都與一個(gè)特定的接入點(diǎn)相關(guān)。漫游指無線工作站在一組無線訪問點(diǎn)之間移動(dòng)，并提供對(duì)于用戶透明的無縫連接，包括基本漫游和擴(kuò)展漫游。擴(kuò)展漫游指無線 STA 從一個(gè)擴(kuò)展服務(wù)區(qū)中的一個(gè) BSS 移動(dòng)到另一個(gè)擴(kuò)展服務(wù)區(qū)的一個(gè) BSS， 并不保證這種漫游的上層連接。 OPNET 軟件包主要由三個(gè)模塊組成： ●ItDecisionGuru 適合最終用戶，它只有仿真、分析功能。 ●Modeler/radio 在 Modeler 上又增加了對(duì)移動(dòng)通信和衛(wèi)星通信的支持。 顯著特點(diǎn) ● 網(wǎng)絡(luò)仿真能夠?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)的規(guī)劃設(shè)計(jì)提供可靠的定量依據(jù)。例如： 如果網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)容，骨干中繼鏈路帶寬需要擴(kuò)大多少？ 如果網(wǎng)絡(luò)上增設(shè)新的業(yè)務(wù)，對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能有什么影響？網(wǎng)絡(luò)上的哪些鏈路或網(wǎng)絡(luò)設(shè)備需要 升級(jí)和改造？ 如果網(wǎng)絡(luò)擬采用新的技術(shù)升級(jí)，網(wǎng)絡(luò)的性能會(huì)有多大幅度的改善？這種改善與投入相比 是否值得？同時(shí)新技術(shù)的引進(jìn)是否會(huì)