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  通信网络仿真
 

     随着网络结构和规模越来越复杂,网络上的应用也越来越多种多样,凭借经验进行网络规划,设计,优化和诊断,已经越来越不能满足需求。因而急需一种科学的手段来反映和预测网络的性能。网络仿真技术应运而生,通常它都是在计算机中构造虚拟的环境来反映现实的网络的环境,通过数学方法或者动态的蒙特卡罗方法来模拟现实中的网络行为,从而它可以有效的提高网络规划和设计的可靠性和准确性,明显的降低网络投资的风险,减少不必要的投资浪费。

     网络仿真技术的应用范围十分的广泛,应用在各种通信系统的设计,规划以及运营维护,包括有线网络仿真,卫星通信系统的仿真,地面无线通信系统(CDMA, GPRS,WLAN…)的仿真等等。它可以对现有网络的性能进行评估,配置错误验证,优化以及升级前的规划,也可以对下一代网络进行全新的设计;它可以用在商用通信网络中,也可以用在军用通信网络中;它可以对单一的网络技术(如IP)进行仿真,也可以对混合的网络技术(如IP和ATM)进行分析。    

OPNET 中的无线建模概述

      对于无线系统而言,它和有线网络最大的区别是无线信道信号的广播和时变特性,以及节点的移动性。无线信道需要进行合理的模拟,无线信道的频率、功率、视距以及干扰等等都需要在仿真中得到体现。如果对无线信道刻画不准确,将直接影响到高层的性能以及仿真的精确性。Modeler的无线模块提供了模拟无线网络的功能,可以很好的模拟节点的移动性,并通过收发信机管道来刻画无线信道。

        Modeler的无线模块包括:

  • 移动节点和子网:用于模拟地面以及空中移动的节点,如商用无线通信系统移动台,航空管理模拟系统的飞行节点。
  • 卫星节点和子网:用于模拟卫星通信中的卫星节点。
  • 天线模式编辑器:用于模拟移动以及卫星节点中的各种模式的天线。
  • 调制曲线编辑器:用于模拟无线信道的误码率随信噪比变化而变化的情况。
  • 收发信机管道阶段:用于模拟无线信道中各种效应:碰撞,干扰,噪声,衰落等等。
  • 并行仿真功能:由于无线通信系统的仿真一般都十分消耗计算机资源,并行仿真功能可以利用多CPU资源进行无线系统信道干扰,衰落,传输时延等的并行计算,加快无线仿真的速度。

OPNET 对对象移动性的支持
       节点的移动性是无线通信系统仿真和有线通信系统仿真不同的方面之一。而无线通信中很多问题也都是由节点的移动性造成的,如商用通信系统中移动台的移动导致的切换,在卫星通信系统中卫星的移动导致的覆盖范围的变化等等。移动节点可以基于预先定义的移动轨迹或者进程模型中的程序控制来进行移动性的模拟,卫星节点则是根据设置的卫星轨迹来进行运动。

      在OPNET Modeler中,可以由两种方式来对对于移动节点而言,一种是通过运动轨迹文件的方式,一种是通过在进程中编写程序来控制运动节点的轨迹和姿态。

     运动轨迹可以基于段,也可以基于向量。最常用的是基于段的运动轨迹。基于段的运动轨迹通过预先定义好的一系列点来进行。基于段的运动轨迹包含定长或变长的时间间隔(也就是两个位置点之间的运动时间),以及一系列的三维坐标(x,y以及高度)。运动轨迹文件存在ASCII码的文本文件中,文件后缀是.trj。通过编辑节点或者子网的Trajectory属性来为其指定运动轨迹,图 1 显示了通过轨迹文件来定义移动节点的移动性。

     卫星节点依靠卫星轨道来确定其在仿真中的位置。卫星轨道通过卫星轨道文件来定义,其中卫星轨道文件由STK生成。用户可以通过导入卫星轨道文件来将STK生成的轨道文件导入。在仿真运行的时候,当需要卫星的位置信息时,仿真核心将基于卫星轨道文件中的点来计算卫星的当前位置,卫星的位置是通过在轨道文件中的抽样值进行线性插值来计算的,图 2 显示了从STK导入的低轨,中轨以及近地卫星轨道后的卫星通信仿真系统。


图 1 通过轨迹文件来定义运动节点的移动性


图 2 从STK导入卫星的运动轨迹

    如果没有为移动节点定义轨迹,则可以通过进程模型中的代码来直接控制移动节点的移动。移动节点具有x position, y position以及altitude这些属性,在进程模型中可以直接去修改这些属性。这些属性的改变会直接影响移动节点的位置。使用进程模型来控制位置分为两种,一种为分布式的控制,一种为集中式的控制。所谓分布式的位置控制就是每个移动节点自己控制自己的位置属性。所谓集中式的位置控制,就是由一个进程模型,集中的更新各个移动节点的位置。

天线建模

     对于无线通信系统的仿真,天线的建模也很重要。接收天线和发送天线的模式以及仰角等参数,将直接影响接收信号个干扰的强度。信号的接收功率通常是由诸多因素构成的函数计算得到的,这些因素包括天线间的方向矢量和沿着这一方向矢量的每一个天线的增益。在给定节点相对位置的情况下,天线模式编辑器中规定的天线增益模式可被用于提供增益值。下图为实际的天线模式,以及在OPNET的天线编辑器中制造的天线模式。


图 3 实际的天线模式以及用OPNET天线模式编辑器作出来的天线模式

无线环境的建模

      由于无线链路是一种广播媒介,每一次传输都可能影响到整个网络模型中的多个接收机。另外,对于某个特定包的发送,每个接收机的无线链路可能呈现不同的行为和定时特征。因此每个接收机都必须执行不同的管道阶段。

      无线收发管道包括14个管道阶段,大多数必须在每个接收机中执行。然而,第一个阶段(接收机组)在每对收发机中只执行一次,以建立发送与接收机信道之间的静态绑定。第二个阶段(发送时延)用来计算一个对所有目的节点都适用的数值,因此每次发送可以只执行一次。最后,每个管道序列可以也可完全不需要执行,这依赖于第三个阶段(闭合阶段)计算的结果,因为该阶段负责判断收发机之间是否可以通信。类似的,第四个阶段(信道匹配)考虑收发信机之间的信道匹配的影响,进行接收可达性的判断,这样就避免了管道序列必须执行到最后一个管道。

     必须注意到无线链路最后的几个阶段对于每个接收机都可能执行多次,这是由于有多个包可能同时发送。为了检测在同一接收机信道中多个包的接收,仿真内核为每个无线接收机信道保留了两个“当前”数据包的表。第一个表只包含信道匹配阶段检测是“有效”的数据包;第二个表则包含了“无效”的数据包。通常,这要求收发机管道之间存在匹配的特性,也可以是接收机信道能够与数据包信号保持同步。在不同的表单中保留“无效”和“有效”包,主要是因为这样使得仿真内核可以只对“有效”的包执行特定的管道阶段和计算特定信道的统计数据。例如,对于接收机不被接收的包来说,就不需要计算信噪比、比特错误率或者错误分布参数。通常,接收功率阶段之后的所有的阶段都只适用于“有效”的数据包。


图 4 和发射机相关的管道阶段

 


图 5 和接收机相关的管道阶段


 
 
 
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