基于OPNET的无线网络仿真综合实验设计

李 默, 赵 亮

(1. 公安海警学院 电子技术系, 浙江 宁波 315801；2. 海军东海舰队 信息化处,浙江 宁波 316000)

基于OPNET的无线网络仿真综合实验设计

李 默1, 赵 亮2

(1. 公安海警学院 电子技术系, 浙江 宁波 315801；2. 海军东海舰队 信息化处,浙江 宁波 316000)

针对无线通信实验教学受设备数量、成本、场地等因素限制,难以满足实验教学的需要的问题,提出利用大型网络仿真软件OPNET开展无线通信类课程实验的教学思路,设计了无线收发信机设置、无线管道阶段编程以及天线建模3个大项实验,使学生掌握OPNET无线网络仿真建模的一般方法。实践结果表明,基于OPNET的无线网络仿真实验不但有效弥补了实验条件的不足,也取得了较好的教学效果。

无线网络仿真； 定向天线； OPNET； 管道阶段

近年来,无线通信技术迅猛发展,新体制、新标准不断出现和完善,无线通信已经成为人们生活中不可或缺的一部分,并影响着人们的生活方式。无线通信类课程——移动通信、无线数据网、电波传播与天线等,是高校通信类专业的骨干课程,实践教学在这些课程中占有非常重要的地位。然而,由于实验仪器设备、环境等多方面因素影响,无线通信类课程的实践教学在实施过程中存在以下几方面问题:

(1) 无线通信技术更新快,新体制不断出现,课堂教学和实验教学难以面面俱到；

(2) 受设备数量、使用成本、场地等因素的影响大,实验设备无法满足大量学生动手操作的实验需求；

(3) 基于实验箱、实验板等硬件平台所开设的实验课程只能是管中窥豹,难以使学生对无线网络建立起整体的概念。

伴随着计算机技术的发展和应用,利用先进的虚拟仿真技术对无线通信网络的协议、业务等各个方面进行精准的刻画和模拟,不仅可以为网络规划提供参考依据,还可以降低网络建设的成本和风险,因而逐渐成为评价无线通信网络的一种重要手段[1]。OPNET[2-3]是一款著名的商用网络仿真软件,在国内外通信行业中应用得越来越广泛[4-7]。

本文将OPNET仿真软件引入高校无线通信类课程的实验教学中,针对无线网络建模时需要区别于有线网络的3个重点设计了实验内容,既解决了实验器材与实验需求的矛盾,又为学生将来承担专业技术工作打下基础。

1 OPNET Modeler简介

OPNET是OPNET Modeler的简称,是OPNET Technologies公司首推的商用网络仿真软件[3]。OPNET具有如下几个特点:

(1) 采用面向对象的建模方法和图形化的编辑器进行开发；

(2) 采用进程(process)层、节点(node)层和网络(network)层的3层建模机制——在进程层模拟单个对象的行为,在节点层将其互连成设备,在网络层将这些设备互连成网；

(3) 采用离散事件仿真机制,进程层采用有限状态机来对协议等过程进行建模,对事件驱动状态进行转移,从而推进仿真进程；

(4) 基于数据包(packet)进行通信,数据包是OPNET中通信的基本单元,通过包在设备间的流动以及在设备内部的处理过程,模拟物理网络中数据包在协议中的传递。

2 实验设计

OPNET对有线网络和无线网络均可以进行仿真建模,两者的区别在于节点间的链路,即从发信机到收信机之间(含收发信机)的处理过程。OPNET中有线链路的设计较为简单,无线链路则需要另外设计无线收发信机、无线管道阶段以及天线模块。在实验教学中,应指导学生从OPNET帮助文档中的“Packet Switching Network”例程开始做起,学习OPNET建模和仿真的过程；而已有一定基础的学生可直接进行无线收发信机参数设置实验。

2.1 无线收发信机参数设置实验

无线收发信机是OPNET无线链路的两个末端,逻辑信道的各种参数要在其上进行设置,信道如果不匹配,则数据包传输就会失败。

实验内容及步骤为:

(1) 搭建收、发两个节点的仿真模型。“transmitting node”为发信节点,“receiving node”为收信节点(见图1)；发信节点的“source”进程具有定时发送数据包的功能,收信节点的“sink”将接收数据包,并统计数据。

图1 基于OPNET的无线网络仿真实验模型

(2) 对发送节点和接收节点的无线发信进行设置。图2为无线收发信机的参数列表。设置收发信机的“packet formats”和“modulation”不一致时,运行仿真,查看收信机节点是否能够接收到数据,并分析原因。

(3) 将收发信机的“packet formats”和“modulation”保持相同设置,调整发信机的“power”参数,运行仿真,分析不同发射功率对数据传输的影响。

在OPNET中，要求收发信机信道中配置的数据包必须是相同格式且调制方式相同的包,否则传输将失败。发射功率同样也会对接收数据产生影响。当传输距离不变、发射功率过小,会导致数据包丢失。其他的信道参数设置也同理,必须使信道相互匹配才能通信。在进行教学时,可根据课时要求,在此基础上扩展实验内容。本实验的目的就是让学生理解无线通信中信道匹配的重要性。

图2 无线收发信机的参数设置

2.2 无线管道阶段编程实验

在OPNET中,无线管道阶段是指模拟数据包在无线环境中传输、传播特性的一系列计算过程,它共包括14个阶段[3,8],如图2所示,其中第1—5阶段为发信机管道阶段,包括计算发送时延、链路闭合、信道匹配、发射天线增益以及传播时延；第6—13阶段为收信机管道阶段,包括计算接收天线增益、接收功率、背景噪声、干扰、信噪比SNR、误比特率、错误分布、纠错。管道阶段的一系列计算的目的是得到数据包能否被正确接收或者被丢弃的结论,各个阶段的管道模型可以采用OPNET默认的模型,也可以在Pipeline Stage(管道阶段)文件中自行编程,编程语言为类C的Proto C语言。

实验内容及步骤为:

(1) 找到OPNET中无线管道阶段的默认模型,查看其代码,理解其基本操作。

(2) 指导学生对默认的无线管道模型做简单的修改。例如:修改“chanmatch model”(信道匹配模型),使该模型不排除调制方式不一致的收发信机信道,即去掉图3中黑框圈出的if条件。这时修改图1所示的仿真实验模型中节点层模型的参数,令收发信机的“modulation”设置不一样。运行仿真,观察是否能接收到数据包。

图3 信道匹配管道阶段的部分代码

(3) 对默认的无线管道模型做更复杂的修改,从而适应不同仿真场景的需要。例如修改接收管道阶段的信道锁机制。当两个数据包在收信机发生碰撞,在后到来的数据包被丢弃的同时,统计因冲突引起的丢包率。这时需要修改的管道阶段包括“power model”“inoise model”和“snr model”。修改图1所示仿真实验模型的网络层模型,增加一个发送节点,设置不同的发包频率,运行仿真,收集因冲突和因信道衰落两种情况下的丢包率。

实际上,OPNET默认的无线管道阶段是可以满足大多数仿真要求的,但默认的管道模型过于死板,在很多仿真场景下必须对默认的管道模型进行修改,甚至重新定义。

本实验的目的就是使学生熟悉管道阶段的编程方法,学会在默认模型的基础上进行修改,以便适应不同的仿真场景。教学时,可在此基础上提出新的仿真情况,指导学生对管道阶段修改或重新定义。

2.3 天线建模实验

OPNET节点模型中的无线收发信机模块虽然可以独立完成数据包的无线接收和发送,但若要实现指定的天线增益,或者实现定向天线[9-11],就需要使用天线模块。尤其是定向天线组网具有传输距离远、保密性强等优势,近年来也逐渐成为研究的热点[12-13]。

OPNET采用了离散化的建模方式,近似模拟实际天线的连续增益,将三维的天线增益离散化为若干个二维圆锥形,通过给二维圆锥形表面赋增益的方法构造三维的天线增益。天线模型采用Antenna Pattern编辑器进行编辑。

实验内容及步骤为:

(1) 利用Antenna Pattern编辑器建立一个主瓣波束宽度为30°、无旁瓣的理想定向天线模型,建好的模型应该如图4所示。

图4 波束宽度为30°的定向天线模型

(2) 在图1所示的仿真实验模型的基础上,将节点层模型改为如图5所示的模型,其他层模型保持不变,收发天线模块采用上一步编辑好的30°定向天线模型。

图5 带天线模块的收发节点模型

(3) 在网络层模型找到收发节点的经纬度,将收发天线模块属性中“target latitude”“target longitude”(如图6所示)分别设为对方节点的纬度和经度。运行仿真,观察收信节点是否能接收到数据包。

图6 天线模块的属性

(4) 保持发送或接收一方天线模块的指向不变,将另一方的天线指向设置为垂直于收发节点连线的方向。运行仿真,观察收信节点是否能接收到数据包,并分析原因。

(5) 保持发送和接收天线的指向均为垂直于收发节点连线的方向,再次运行仿真,观察收信节点是否能接收到数据包,并分析原因。

如果操作正确无误,上述步骤(3)是可以接收到数据包的,而步骤(4)能否收到数据包则与天线模型主瓣的具体增益、收发节点的距离因素有关,步骤(5)则不会接收到数据包。本实验的目的是使学生理解定向天线的含义和作用,学会OPNET天线建模以及调整指向的方法。教学中,可以指导学生针对不同的天线方向图进行建模,并且配合调整天线指向,观察数据包传输情况。

3 结语

在高校无线通信类课程的实验教学中引入OPNET仿真实验,弥补了实验仪器设备不足、成本高、易损坏的不足,在计算机机房就可以进行实验,并且大型网络仿真软件能够使学生建立起无线通信网络直观和整体的概念,学生学习到的各种无线通信技术都涵盖在整个通信网中,有助于学生理清学习思路,学习兴趣更浓。由于OPNET仿真和建模的方法从本质上服从了面向对象的设计理念,且编程时需要C语言基础,建议对学习过C++程序设计课程的高年级学生开设此类实验。

References)

[1] 陆智.OPNET在无线网络仿真中的应用研究[D].上海:复旦大学,2010.

[2] 塞西.计算机网络仿真OPNET实用指南[M].王玲芳,译.北京:机械工业出版社,2014.

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

[4] 李洪鑫,张传富,苏锦海.基于OPNET的卫星网络路由协议仿真研究[J].计算机工程,2011,37(11):120-122.

[5] 李文聪,袁飞,钟张婷,等.基于啁啾扩频的水声网络OPNET仿真方法OPNET[J].系统仿真学报,2016,28(1):183-189.

[6] Dao Van Phuong,左加阔,Bui Thi Oanh,等.水声通信信道中的OPNET建模与仿真[J].东南大学学报(自然科学版),2014,44(3):477-481.

[7] 李楠,宗鹏,Saeid AGHAEINEZHADFIROUZJA.基于OPNET的低轨卫星网络路由仿真与优化[J].飞行器测控学报,2013,32(5):408-413.

[8] 李默,孙岘,赵亮.OPNET天线建模及无线管道阶段仿真研究[J].无线电通信技术,2015,41(1):60-63.

[9] 肖学森.三维天线建模及天线三维增益的有效性算法研究[D].北京:北京邮电大学,2012.

[10] 李海涛,李燕,张建忠.微波定向天线对准实现方法[J].无线电工程,2011,41(3):44-46.

[11] 汪涛,毛剑波,刘士兴,等.天线仿真实验的设计与教学实践[J].实验技术与管理,2012,29(12):89-93.

[12] 鲁璐.基于定向天线Ad Hoc网络的MAC协议研究[D].成都:电子科技大学,2015.

[13] 魏振春,朱增玺,韩江洪,等.一种采用定向天线的无线传感器网络拓扑控制算法[J].传感技术学报,2014,27(6):791-796.

Design of comprehensive experiment of wireless network simulation based on OPNET

Li Mo1, Zhao Liang2

(1. Department of Electronic Technology, Maritime Police Academy, Ningbo 315801, China; 2. Division of Informationization, East Sea Fleet, Ningbo 316000, China)

The wireless communication experimental instruments have many shortages such as scarce, expensive and large in size, which couldn’t satisfy the need of teaching. In order to solve this problem, the method that brings OPNET simulation software to the experimental teaching is proposed. Three kinds of experiments are designed, including the wireless transceiver configuration experiment, the wireless pipeline stage programming experiment and the antenna modeling experiment. Through these experiments, the general method of OPNET simulation could be studied by the students. The practice indicates that OPNET wireless network simulation experiments can make up the drawbacks of experiment hardware environment effectively, and the teaching effect is improved.

wireless network simulation; directional antenna; OPNET; pipeline stage

10.16791/j.cnki.sjg.2017.03.030

2016-09-30

国家自然科学基金项目(61300203)；宁波市自然科学基金项目(2016A610008)

李默(1983—),女,吉林省吉林市,博士,讲师,主要研究方向为无线网络仿真、认知无线电技术.

E-mail：zlimo@qq.com

TP393

A

1002-4956(2017)3-0120-04