多種無線通信方式的OPNET仿真測試

張書僑

（北京東方波泰無線電頻譜技術研究所，北京 100037）

多種無線通信方式的OPNET仿真測試

張書僑

（北京東方波泰無線電頻譜技術研究所，北京 100037）

在無線通信領域中存在多種無線通信方式，包括WLAN，3G，WAVE等模式，本文通過OPNET對它們進行仿真測試。

WLAN；3G；WAVE；OPNET

1 引言

隨著我國經濟和科技的高速發展，在各個領域內，對環境感知及通信的需求也越來越高。其中，最為典型的無線通信模式就是移動運營商負責維護的移動網絡，如GPRS、3G業務、4G業務等應用最為廣泛。另外，WLAN（無線局域網）在構架小型家庭、公司內部網絡中的應用也十分廣泛。在個別特殊的生活領域，例如交通領域，存在WAVE（車載環境無線接入）通信模式專門用于維持車—車、車—路之間的通信，用于提高交通安全和運行效率。各種無線通信模式的原理不盡相同，但對于無線通信的評價指標類似，包括通信延時、丟包率等性能參數。本文旨在分析WLAN、3G及WAVE無線通信模式原理及特點，通過OPENT仿真，研究其性能參數及優勢。

2 無線通信模式介紹

2.1 WLAN通信

WLAN是一類無線通信系統的簡稱，具有靈活性、移動性、易擴展性及成本低等特點。Wi-Fi是一個無線網絡通信技術的品牌，其主要采用的通信協議也是IEEE 802.11系列協議標準。IEEE 802.11協議標準主要位于OSI協議的物理層和MAC層。物理層定義了三種無線傳輸方法，即跳頻擴頻、直接序列擴頻以及紅外傳輸方法。MAC層主要功能是規范了訪問機制、控制數據的傳輸，并且定義了MAC幀格式，采用CSMA/CA（載波偵聽多點接入/沖突避免）機制控制及協調信道的接入。

隨著高速無線數據傳輸業務的需求與發展，IEEE 802.11標準的2Mb/s速率已經不能滿足需要。IEEE工作組又發布了IEEE 802.11b，IEEE802.11a，IEEE 802.11g，將最大無線傳輸速率提高到11Mb/s和54Mb/s。各種協議的特性如表1所示。

表1 IEEE 802.11系列性能參數

WLAN常采用的是IEEE 802.11b協議，有多種路由協議可供選擇，包括AODV（Ad-hoc on-demand distance vector routing），DSR（DynamicSource Routing），TORA（Temporally OrderedRouting Algorithm）等路由協議，信道接入協議有DCF（分布式協調功能）、PCF（點協調功能）及HCF（混合協調功能）可供選擇。其他各種IEEE802.11系列協議對不同的應用場景也會有不同的適用性。

2.2 3G通信

本文所采用的3G技術為UMTS（通用移動通信系統）。相對于功能單一WLAN或GSM，GPRS網絡，UMTS網絡的結構更加復雜，功能更加豐富，網絡管理需要考慮的因素也更加多元化。UMTS除了把WCDMA作為首選空中接口技術獲得不斷完善外，還相繼引入了TD-SCDMA和HSDPA技術。UMTS系統結構主要包括無線接入網絡和CN（核心網絡）兩部分，無線接入網絡部分包括UE（用戶設備）和UTRAN（陸地無線接入網）。UMTS支持1920kb/s的傳輸速率，其關鍵技術為切換技術，主要包括軟切換和硬切換，目的是保證移動節點良好的接入到當前的移動通信網絡。UMTS系統結構如圖1所示。

圖1 UMTS系統結構

2.3 WAVE通信

WAVE技術是車路協同系統產生后，為解決車車通信、車路通信問題而提出的一種高效的無線接入通信機制。WAVE的優勢主要體現在消息傳輸延時、節點移動性、通信頻段的抗干擾性和IEEE802.11p對車路協同系統的適用性，其在網絡性能、實現成本及復雜程度方面的綜合評價均優于普通的無線通信技術，其技術參數如表2所示。

WAVE的協議體系主要依托于IEEE 802.11p協議，其是針對汽車通信的交通應用環境而設計的標準，主要作用于物理層和數據鏈路層。物理層處于協議的底層，且是基于正交頻分復用的，主要負責為設備之間的數據通信提供傳輸媒介及互聯設備，控制信道的激活或失效服務，為數據傳輸提供可靠的環境。數據鏈路層包括LLC（邏輯鏈路子層）和MAC（介質訪問控制子層），其中IEEE 802.11p的MAC層是整個協議架構中性能優勢的集中體現。MAC層為數據傳輸的信道協調控制方面提供服務，通過可靠的信道接入協議，更加高效的進行數據交換。WAVE在交通領域已經得到了大量的應用。

3 性能仿真測試

3.1 OPENT仿真原理

OPNET Modeler是當前領先的網絡技術開發環境，廣泛應用于設計和研究通信網絡、設備、協議和應用為開發人員提供了建模、仿真以及分析的集成環境，大大減輕了編程以及數據分析的工作量。OPNET采用離散事件驅動的模擬機理，通過事件驅動器以先進先出的方式對事件和事件時間列表進行維護，每當有一個事件出現后，仿真時間推進，仿真中各個模塊之間通過事件中斷方式傳遞事件信息。與時間驅動相比，這種機制的計算效率更高。構建OPNET仿真模型依次從進程模型、節點模型和網絡模型三部分進行。

根據車路協同系統信息交互過程的特殊性，選取OPNET Modeler模型庫中的MANET模型作為WLAN模式和WAVE模式的仿真實驗節點模型。車輛信息從WLAN收發信機進出，依次經過MAC層、數據鏈路層、IP層、UDP層、路由層、應用層，完成整個消息的通信流程。OPNET也提供了UMTS系統的仿真模型，可以根據用戶需求配置模型屬性。

3.2 仿真結果評估

本文統計收集的無線性能指標為傳輸延時和丟包率。網絡的傳輸延時定義為一個數據分組從源節點發送到目的節點的時間差，它包括電（或光）信號在物理媒介中的傳輸延時和數據在網絡中的處理延時，也即指網絡中數據傳輸所用的時間。本文以數據分組發送和到達之間的時間差表示傳輸延時。丟包率是反映網絡質量的重要參數，它定義了傳輸期間網絡丟失分組的數量，通常指的是在仿真時間段內丟失的數據分組占傳輸的數據總量的比例。導致丟包的因素有很多，比如網絡擁堵、接收分組的緩沖區太小、TTL值超過規定值以及無線信號的同頻干擾等。本文以丟失分組的數量與發送分組總量的比值來衡量丟包率的大小。

仿真場景建立在一平方公里的范圍內，通過放置50到300個通信節點進行隨機通信和隨機移動（將節點假設為車輛），采用不同的通信模式進行仿真，仿真時間為10分鐘。三種無線通信模式的仿真結果如2及圖3所示。

通過仿真結果可以看出，3G技術的延時較其他兩種方式較大，而其丟包率較小。WLAN和WAVE模式在傳輸延時和丟包率方面差別不大。隨著通信節點數目的增加，3G的性能是持續惡化，而另外兩種通信模式會出現一個較好的極值，這是因為WLAN和WAVE獨特的信道接入協議和路由協議決定的。當試圖增加通信節點的移動速度時會發現，WAVE通信模式的效果會突出的表現出來，在延時方面和丟包率方面較WLAN有很大的提高。

圖2 傳輸延時仿真結果

圖3 丟包率仿真結果

4 結束語

本文通過對多種無線通信模式的原理進行分析及仿真測試，驗證了WLAN，UMTS，WAVE三種通信方式的通信性能及其所屬的應用領域。WLAN適用于對信息及時性要求比較高的小范圍場所，而且數據量可以很大；UMTS適用于遠距離及移動性較強的場合；WAVE適用于快速移動的交通領域。各種無線通信模式在其應用范疇內不斷進行改進，更好地為我們服務。

[1] 劉乃安．無線局域網：WLAN原理技術與應用．西安：西安電子科技大學出版社.

[2] Heikkikaaranen．3G技術與UMTS網絡．北京：人民郵電出版社.

OPNET Simulation Test for Multiple Wireless Communication Modes

Zhang Shuqiao
(Beijing OET Spectrum Institute, Beijing, 100037)

There are a variety of wireless communicationsmodesin the field of wireless communicationswhichinclude WLAN, 3G and WAVE pattern, and this article make simulation testfor them in OPNET.

WLAN; 3G; WAVE; OPNET

10.3969/j.issn.1672-7274.2014.10.017

TN924

A

1672-7274（2014）10-0063-03

張書僑，男，1987年生，碩士，主要從事無線電監測工作。