基于OPNET的无线通信网络仿真模型设计

2022-10-14徐海生

新型工业化 2022年8期

徐海生

中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北石家庄，050000

0 引言

目前来说，OPNET是通信网络仿真工具中应用最广泛的一种软件。OPNET包括过程层、继电保护及GOOSE网络等。为了利用通信网络仿真软件实现对无线网络通信的仿真，需要掌握通信过程仿真软件的数学建模原理和应用要求，还需更深入了解网络通信的特点。无线通信网络仿真模型设计过程中，可以将其分配给仿真软件所定义的通信模型，保证仿真与基于仿真软件的真实网络系统相一致。本文利用OPNET实现无线通信网络的仿真系统建模。首先，分析了间隔层、站控层、过程层的数据流，给出了适用于OPNET的数学模型。从网络、节点、服务多个方面进行模型设计；并且基于OPNET提出了一种完整的仿真参数配置，用于仿真OPNET的通信性能。

1 OPNET建模过程

OPNET主要用于描述、仿真和分析通信网络，OPNET的存在使无线传输各个方面拥有了建模能力。所有无线功能与高层协议模型都存在紧密的联系，所以开发人员通过利用OPNET仿真功能、丰富的协议模型库等，可以进一步优化开发过程。

1.1 基于OPNET的网络模型创建步骤

（1）定义问题。关于网络模型的创建可以从两个方面理解：一是从实际需要出发，即必须实现哪些功能，可以从仿真中获得什么结果；二是在实际网络运行环境中是否对网络存在特殊要求。另外，还可以站在仿真角度思考如何模拟网络运行，同时开展模拟功能实验，保证实验的精确性。

（2）建立原始模型。在仿真环境中模拟和构建真实网络，并围绕原始模型执行后续操作。原始模型是使用许多OPNET模型编辑器建立，包括网络模型编辑器、进程模型编辑器、天线模型编辑器及节点模型编辑器。天线模型可以构建无线网络结构，其是一种比较特殊的节点模型，用户根据实际需求来分析天线在任何方向的增益特性，然后来编辑天线模型，使模型可以满足自身需要。该模块的功能是通过过程模型实现，而过程模型实际上是一个有限状态机，其表示了模块的状态与状态转换规则[1]。

节点模型可以对所有节点的特定行为进行定义，一个节点中含有多个模块，所以节点行为也是由模块来决定。模块可以实现许多的节点行为，包括数据生成、传输、存储等。网络模型是根据问题定义搭建出来能够运行的第一个基本的网络拓扑结构，并且还是各个节点模型和节点之间相互关系的组成。另外，通过链路模型编辑器、包格式编辑器等生成了新的链路类型与定义包的内部结构，从而提高了OPNET仿真的真实性，更接近真实的网络结构。

（3）收集统计量。为了在建立网络模型后分析网络性能，应定义重要性统计数据。OPNET包括标量统计量与矢量统计量。收集统计信息意味着将统计信息写入统计信息输出文件。OPNET提供的节点和连接统计数据包括显示总体网络性能，如吞吐量、误码率、丢包类型、网络延迟、负载等。另外，还可以重新设置各种统计方法，方便进行后续的研究。而用户也能够给予自身需求定义所需的统计数据。

（4）配置参数并运行仿真。在仿真运行前会进行最后一次的仿真参数配置，内容包括仿真时间、仿真量以及其他的特殊要求。

（5）分析结果。仿真过程中，仿真核心将会采用不同方式将一些参数写到相应的统计信息内，并且还可以通过OPNET来设置不同的查看模式，方便分析不同的统计信息和不同的需求。如果模拟结果与预测结果存在不匹配的情况，则可以对原因进行分析，并更改模拟中的问题关联，然后再次进行模拟运行。最后，利用OPNET发布仿真报告[2]。

2 基于OPTEN的数据流分析与建模

2.1 网络报文分析

IE61850标准规定了通信报文的类型和传输时间。根据功能要求，可以将网络传输的通信消息分为多种类型，如快速、中速、低速、文件传输、时间同步、原始数据、访问控制命令等，并且每一种消息都拥有相应的传输时间要求。所以，根据时间来看，可以将数据流分为突发数据流、随机数据流、周期数据流三种类型。本研究根据这三种类型对数据流进行建模。

2.2 突发性数据流分析与建模

部分数据传输的时间非常集中，同时长度较短、存在突发性，则属于突发数据流。因为前一时段数据的到达，无法显示突发数据流的发生概率。也就是说，在网络接收到信息时，突然发送一条持续一定时间的消息；如果没有数据到达，则需要一段时间的不活动。突发数据存在相似性。接收和发送突发数据都可以使用最简单的交换模型进行模拟；数据以一定速度生成，此时处于打开状态；未生成数据，则处于关闭状态；开放期数据的分布函数既可以和封闭期数据分布函数相同，也可以处于不相同的状态。分布函数能够决定两个部分叠加之后的数据相关性。

其均值有限，但方差无限，也就是：

在ON、OFF过程中的时间长度所服从的分布函数之一的重尾分布，对于这一类型的多个数据进行相加，形成突发性数据流。

2.3 随机性数据流的分析与建模

在数据传输过程中，数据传输是随机的、不规则的，那么其属于随机性数据。而该类型的数据可以分为：①数据长度较长，实时性要求较低，如保护定值修改、文件传输等。②数据长度较短，负责保护功能报文的传输，例如操作命令切换、联锁保护功能等报警信息。

2.4 周期性数据流分析和建模

在稳定的工作环境下，运行期间会产生周期性数据报文，该类型报文可以概括为两种：①间隔层向站控层设备的控制器发送模拟数据、状态信息切换，并且发送时间具有固定的时间间隔；②过程层电压转换器和电流互感器将采集的数据传输到间隔层的IED采样值。这种类型的定期数据具有十分严格的时间要求。而时延则是通信网络中最基础、最关键的因素之一。长度决定了周期性数据的大小，因此属于传输或时间数据；通过周期性到达时间间隔、固定长度等可以开展模拟工作[3]。

3 基于OPNET的无线通信网络建模应用分析

3.1 节点建模

无线通信网络中的通信节点模型构建是从OPNET模型中选择模型。其可以根据自身需要改进节点处理层，保证实际网络模型之间的一致性。无线通信网络模型的组成主要有间隔层保护装置、站控层服务器、过程层合并单元、监控主机、智能断路器等。网络节点分为两类：①实现数据传输和交换的交换节点；②数据生成、数据处理以及数据接收的终端节点。

OPNETmodeler节点域具有和网络层和进程层的中间层进行连接的能力，通过节点模块来选择建模方式。组合多个节点模块，使其成为一个功能完善的节点。一个节点内的节点模块非常多，甚至可以达到上百个。大部分的节点采用TCP/IP或OSI参考模型。仿真软件OpnetModeler选择的网络为以太网。网络节点选择TCP/IP协议栈模型，从顶层（即应用层）到以太网的所有协议层均实现了仿真覆盖。

根据无线通信网络中不同设备发送的不同数据类型，选择相应的模型。通过对数据流向和数据模型的确定和分析，使用以太网模型wkst uadv在OPNET模型中模拟保护控制IED、融合单元MU、智能交换机等智能电子设备，如图1所示为节点模型图。一共有八层，包括数据链路层mac、arp、ip、ip_encap、收信机hub_rx_0_0、发信机hub_tx_0_0、适配层tpal、传输层tcp、应用层application。其中，ip_encap、arp、ip属于网络层。模型中每一层的协议栈仅链接到上层和下层[4]。接收方集线器hub_rx_0_0用于接收数据，集线器hub_tx_0_0用于数据的发送；而MAC层实现了以太网MAC底层协议和各种算法；网络层划分功能如下：IP层用于计算网络性能，IP encap操作主要面向分组，ARP层用于处理地址相关信息；TCP层协议包括TCP、UDP，可以提供面向连接、非连接的服务；Tpal为应用程序和各种TCP进程提供了统一的接口；以太网模型可以实现分层通信仿真模型；应用程序处理客户的请求并生成请求[4]。

图1 ethernet_wkst_adv 的节点模型

3.2 网络拓扑结构建模

在无线通信网络模型中，包含通信链路、通信节点以及子网等，网络中的最高级别为子网，它可以封装其他网络层对象，包括IED设备、交换机等。通过OPNET Modeler中的节点模型来模拟站控层和间隔层之间的通信，分别将间隔层的九个间隔封装在单独的子网中，所有子网交换机均可以连接到交换机层，然后连接到监控主机和服务器。连接带宽为10个基点，最终形成星形网络拓扑[5]。

3.3 业务建模数据流量的配置

无线通信网络各个层次之间数据流流向与数据分析情况：

（1）分析保护控制IED、断路器IED到达服务器的数据流向。在传送间隔层与过程层设备的状态信息过程中，是由间隔层的保护控制IED、断路器IED实现传输的。而信息传送的时间间隔为20ms，传送的大小为256bytes，传送信息为周期性数据，计算数据流为50×256×8=102.4kbps，该数据类型建模为IED状态服务，设定报文消息为256bytes，而发送和接收间隔则是基于t=0.02的常数分布。

（2）合并单元MU到保护控制IED数据流分析。MU保护控制的数据流分析在过程层中十分重要。每个间隔内的保护控制IED接收MU在同一间隔内以一定频率发送周期性数据，即广播发送的样本值消息SMV[6]。SMV消息的最大长度为159字节加上12字节的帧距离字，总长度为171字节即1368bit。采样频率为80点周期，因此模拟过程中的总数据流为80×50×1368=5.472Mbps。该类型的数据服务建模属于SMV服务，连接带宽为10baset，设定消息大小为180字节。

（3）分析保护控制IED到断路器IED的数据流。一旦出现意外故障事件，间隔层的保护控制器将会触发命令，发送到该层子网中的断路器，这一消息为16字节大小，并且会随机性发生；在分析随机数据流之后，发送和接收的随机数据遵循泊松分布。在模拟过程中，这些数据服务被建模为驱动信息服务。消息大小设置为16字节，时间间隔遵循λ=0.02的泊松分布。

（4）分析从服务器到站控层主机数据流。在进行模拟时，驱动器控制服务器设置为FTP（文件传输协议）。驱动器控制主机接收从FTP服务器传输的大型文件。在模拟过程中，文件大小设置为1M[7]。

（5）分析断路器IED到保护控制IED数据流。GOOSE报文的尺寸服从16bytes的常数分布；一旦发生错误，保护控制IED将向断路器发送触发命令消息。第一次传输后，以2ms和4ms的间隔连续传输。为了更好地强调较差环境的仿真，本研究将此类消息的时间间隔设置为2ms，以便在模拟过程中定期发送。在模拟过程中，消息大小为16字节或128位。

3.4 建模配置过程

OPNET所提供的端到端服务和IEC61850通信模型中的客机-服务器模型相一致，并且已经形成模块。业务建模过程可分为四个步骤：

（1）配置应用程序定义。该环节对于客户与客户组所有可能发生的交易进行了详细定义。参数包括数据包大小、收缩间隔概率等。OPNET软件中定义了九个应用程序。本研究使用两种主要应用程序：FTP和视频会议。通过配置来自不同链路和节点的流量，可以轻松直观地模拟消息的端到端延迟和其他参数。

（2）根据应用程序业务定义配置全局对象。在将应用业务定义后，配置应用业务规格对于应用程序定义中定义各种数据流的行为进行描述，如开始时间、消息持续时间等。通过设置概要文件配置模块的属性来定义概要文件定义，图2所示为设置流程。

图2 Profile Definition 参数设置界面

（3）对服务器应用业务的配置。服务器支持的应用条件在于应用程序定义与概要文件中已经定义好。但是需要通过无线通信网络需求来设置服务器支持的应用类型。因为服务器能够接收状态信息，所以具有视频参考的功能。配置方法则是在服务器属性中指定支持的服务列。

（4）客户应用业务的配置。将上述的服务器和应用程序服务配置好以后，应将网络上每个子网中的节点配置为支持服务以及发送和接收对象。在此节点中要配置的业务是（1）（2）Application and Profile中指定的业务查询。一个节点可以查询多个业务。周期性数据流SUV报文首先是由互感器上传，然后会被发送给MU。所以，可以说MU是SMV信息的传输源，MU被上传到支持SMV服务的保护控制器[8]。IED断路器负责打开或关闭控制断路器，并且还可以监控断路器的状态。一旦出现故障，它将从IED保护控制器接收触发命令，并通过过程总线将状态更改信息发送给IED保护控制器。因此支持IED和goose服务；每个间隔单元中都部署了IED保护控制装置，可以用来接收样本值消息，发送触发命令，同时还可以设置保护控制IED，支持触发消息和IED sta Tu服务。在站控层中，服务器会将文件发送给监控主机，服务器设置为支持FTP服务。业务建模所需要的参数如表1所示。

表1 OPNET业务建模参数列表

创建仿真模型并选择统计信息后，必须设置仿真环境。通过配置运行仿真文件（Advanced）的字段来设置仿真。仿真时间为300s，因此前100s是软件进行初始化的阶段，所以从100s后才是实际仿真开始时间。随机数种子在仿真期间保持默认值128，总值为100；而模拟值在每500000个事件时进行一次输出和更新。