OPNET建模 篇1
1 OPNET技术特点
OPNET最早出自麻省理工学院,1987年发布为商业化软件并得以迅速而稳健的发展,逐渐成为计算机网络、通信、国防等领域广泛认可的网络仿真软件。OPNET的以下特点使其能够进行各种层次的网络建模仿真需求[2,3]:
1)使用网络模型、节点模型、进程模型三层建模机制,与实际通信网络的分级结构自然对应,全面反映了通信网络的相关特征,通过多层次嵌套子网还可以构建复杂的网络拓扑结构。
2)拥有较为丰富的模型库。OPNET模型库提供了路由器、交换机、服务器、客户机、ATM设备、DSL设备、ISDN设备等,可以满足各种网络仿真需求。
3)可以灵活的开发自定义模型。OPNET支持灵活的高级编程语言,为通信和分布式系统提供了广泛的支持,允许对所有已知的通信协议、算法和传输技术实施真实模拟。
4)拥有综合统计量收集和分析工具。OPNET拥有一系列综合分析和仿真工具,可以收集各个网络层次的性能统计参数并输出图形化仿真报告,通过仿真报告对网络进行性能评估和对比分析,并提出改进方案。
另外OPNET还具有面向对象、图形化编辑、交互式分析、协同仿真、动画、应用编程接口等特点。因此,OPNET不仅支持一般意义上的网络建模与仿真,还为各种特殊网络提供支持。
2 OPNET网络仿真基本流程
网络仿真工作复杂而又细致,在使用OPNET进行网络仿真之前,需要准确的理解整个系统及其仿真目的,明确仿真系统的结构及各模块间的关系,然后在复杂的网络模型中选择能够反映问题的模型进行建模。OPNET的仿真过程通常包括创建模型、收集统计量、运行仿真、查看和分析结果几个步骤[4]。
1)创建模型。创建模型是指根据研究的问题及其目标,建立网络、节点、进程及其协议模型并配置相关业务。OPNET采用网络、节点和进程三层建模机制,基本覆盖了系统模型的各个层次。这三层建模机制是以层次化的方式进行组合的,首先在网络编辑器进行网络建模,然后双击网络模型中的节点即可进入节点编辑器进行该网络中节点的建模,最后双击节点中的功能模块即可进入进程编辑器进行进程建模,添加网络协议。
2)收集统计量。收集统计量是指将统计量写入输出文库的过程。OPNET中包含反映网络动态特性的矢量统计量(Vector)和捕捉网络非动态行为特征的标量统计量(Scalar)两种。
3)运行仿真。运行仿真前需要设置运行参数,还可利用Probe Editor探针编辑器在需要采集统计数据的点上设置探针。
4)查看和分析结果。OPNET中的仿真结果是以参数曲线的形式显示的,可以在结果中加入一些算法用于完成不同算法间结果的比较。
3 OPNET网络仿真案例
这是一个实验室扩建的案例:设某实验大楼目前拥有一个星型拓扑网络实验室,由于教学需要,现准备在隔壁教室扩建一间同样规模的星型拓扑网络实验室,并将两个实验室用路由器连接起来。实例要求选择合适的统计量对其进行离散事件仿真,并分析仿真结果,检测实验室网络扩展以后是否能够成功通信以及扩展后所产生的额外负载对网络性能的影响程度。仿真分以下几个步骤进行:
1)创建项目。创建一个工程名为lab,场景名为lab_room的项目,并进行相应的参数设置,其中网络所需的模型族选择Sm_Int_Model_List模型族。
2)创建lab_room网络。通过快速配置(Import Topology)的方法创建如图1所示的包含25个外围节点的星型网络拓扑实验室lab_room。
3)收集统计量并运行仿真。因为该案例关注是扩建网络后给服务器带来的额外负载和网络总延时两个问题,所以需要收集的统计量为服务器负载(Server Load)和以太网延时(Ethernet Delay)。
4)查看仿真结果。服务器负载仿真结果图和全局以太网延时仿真结果图这里省略,因为扩建后可以通过比较结果仿真,将扩展前后的仿真结果在同一窗口比较显示。
5)扩展网络。用前面同样的方法创建扩建网络expansion,并通过路由器将两个网络连接起来,如图2所示为扩建后的网络拓扑结构。
6)扩建前后两个网络的仿真比较结果与分析。图3为服务器平均负载比较仿真结果。与预料的结果一样,扩建以后最大负载和平均负载都有所增加,但整体上看负载变化是平稳的,没有出现单调递增的现象,因此扩展后的网络是可以稳定运行的。图4所示为全局延时对比仿真结果,网络进入稳定状态后,最大延时均在0.4μs左右,虽然网络扩建以后,增加了服务器的负载,但网络延时并没有发生明显变化,所以扩建以后的网络仍然能够维持较好的性能。
4 结束语
随着网络规模的扩大,协议也变得更为复杂,OPNET仿真软件为网络技术开发、性能分析、设计方案、故障诊断等研究提供了有力的虚拟环境支持。而且OPNET网络仿真软件具有丰富的模型库,灵活的系统架构,并且支持多种编程接口,利用OPNET进行网络建模和仿真,可以大大缩短网络开发周期,降低开发成本并提高网络研究效率。
参考文献
[1]L.Zhao,C.Fan.Enhancement of QoS differentiation over IEEE 802.11 WLAN[J].IEEE Commun.Lett,2004(8):492-496.
[2]张博,姚琳.基于OPNET的广域网仿真实验设计[J].渤海大学学报,2012,33(1):52-57.
[3]李馨.OPNET Modeler网络建模与仿真[M].西安:西安电子科技大学出版社,2006.
OPNET建模 篇2
关键词：OPNET,水声无线网络,建模,Aloha
近几十年来,水声通信技术的发展促使水下组网成为可能,国内外大量学者都把目光投向水声无线网络的研究。如美国、欧盟等西方国家不仅做了大量的理论研究而且进行了大规模的海上试验,国内的厦门大学、东南大学、西北工业大学、中科院声学所等也发表了很多理论方面的文章[3,4,5,6]。OPNET作为一款优秀的仿真工具,在水声无线网络研究中被广泛的使用,然而网络仿真工具的特有复杂性,初学者通常需要学习半年时间,才能掌握使用,往往使有兴趣的研究者在做实验验证时浪费大量时间,甚至退缩。
Opnet是基于离散事件驱动机制的仿真工具,主要采用三层建模机制,网络域、节点域、进程域。网络域主要由链路和网络节点构成,描述网络拓扑结构。节点域由进程模块构成,描述网络节点的配置和构造。进程域处于最底层,主要是对各种协议和机制的描述,它采用有线状态机描述网络中的各种协议,利用基于事件的中断驱动机制一步步推进仿真向前[1]。对水声无线网络MAC协议建模来说,由于需要研究者自己设计协议,所以主要涉及到用进程域创建自己的模型。
1 带确认机制的Aloha协议
Aloha协议是20世纪70年代由夏威夷大学提出的,它是一种随机多址接入协议,网络中的节点只要有数据就向无线链路发送,这种协议在网络节点数量和持续业务量都不是很大的情况下,具有很好的效果。协议流程如图1所示。
网络节点首先进入等待数据包状态,收到的数据包分两种情况,可能来自于上层将要发送的包,也可能来自于底层接收的包。若是上层的包就送入底层发送端发送,然后等待确认消息,在规定的时间内如果收到确认消息,那么发送成功,返回等待数据包状态,否则就查看是否达到最大重新发送次数,如未达到则重新发送数据包,继续循环等待,反之就说明本数据包彻底发送失败,进入开始的等待数据包状态。若是底层接收到的包就查看其目的地址是否是本节点,如果是就回复确认消息,否则就将该包丢弃返回等待数据包状态。
2 仿真模型的构建
2.1 数据包格式定义
利用OPNET14.5A里的数据包格式定义器定义两种类型的数据包:发送数据包和确认消息包。如图2所示,发送数据包由4个字段构成:数据包类型,数据包源地址,数据包目的地址。发送数据包各个部分字段大小都定为32bit。确认消息包相比发送数据包少了数据包内容字段,其它相同,因为确认消息只是用来回复确认,不需要发送具体数据。
2.2 带确认机制的Aloha协议建模
利用OPNET 14.5A里面的进程域建模工具对上述Aloha协议进行建模,如图3所示。设置三个有限状态机分别表示初始化状态Init、等待数据包状态Idle和等待确认状态Wait,其中后两种状态为非强制状态。强制和非强制状态都分为上下两部分,上部分为入口状态,下部分为出口状态,强制状态在上下两部分状态间不停,直接进入下一个状态,而非强制状态在进入入口状态后,需要中断激励才可继续执行。在初始化状态Init完成后,立即进入等待数据包到来的Idle入口状态,进程暂时被仿真核心挂起等待数据包到来,数据包到来时,产生中断响应,仿真核心重新把控制权交给进程,进程进入Idle的出口状态,根据中断类型进行相应的处理,若是上层数据包就向下层发送,然后根据状态转移线判断进行Wait入口状态,等待确认消息,进程重新挂起,等待数据包到来产生中断激励,数据包到来时,同样根据相应的中断处理程序处理,然后根据转移线判断,重新进入Idle入口状态。如果在等待时间完成后,仍然收不到确认消息,那么系统将产生了一个自中断,然后执行进入Wait出口状态代码,根据默认状态转移线转入Idle的入口状态。若是下层的包也产生中断,然后执行中断处理程序将包发送给上层,重新返回Idle的入口状态。
2.3 水声无线信道建模
OPNET 14.5A使用14个管道阶段来仿真无线链路传输过程。在OPNET 14.5A标准模型目录下提供了14个默认的管道模型文件,由于这些文件主要是针对无线电波传输的,需要对这些文件修改才能用于水声无线网络仿真,根据国内外广泛的文献资料[7,8],对于协议仿真而言,一般只需修改三个管道阶段文件即可,这三个阶段分别是:传播时延(5)、接收功率(7)、背景噪声(9)。
阶段5传播时延:对于传播延迟而言,由于无线电波传播速率与水声传播速率差距很大,需要将文件里声明的无线电波传播速率修改为水声传播速率,而对于协议仿真来说,水声传播速率一般认为是1500米/s。
阶段7接收功率:对于接收功率来说,由于无线电波传播衰减与水声传播衰减也很不同,需要将文件里面的基于无线电波的传输衰减模型改为水声传播衰减模型。W.H.Thorp综合大量测量结果后,给出海水(含盐度3.5%,MgSO4在海水中的溶解盐比重为4.7%)对声波的吸收系数经验公式如下[8]:
(∂为衰减系数,单位是d B/km,f是信号频率以k Hz计算)
第一项表示4oC左右1kHz附近的低频弛豫吸收,第二项表示4oC左右MgS04的弛豫吸收,第三项表示4oC左右纯水的粘滞吸收。
因此总的传播损失可以用下式表示:
其中,r为发、收换能器的距离,单位是公里。∂为海水对声波的吸收系数,单位是分贝/公里。n表示扩展损耗,为声波从声源发出向外扩展时有规律减弱的几何效应,n取值不同代表不同的几何效应,这里n取值为1.5表示浅海声传播。
阶段9背景噪声:由于无线电波自由空间传播与水声传播的背景噪声差距很大,所以需要将默认文件里基于自由空间的模型修改为水声传播下的噪声模型,背景噪声主要由4部分构成:海洋湍流噪声,舰船噪声,海面波浪噪声和热噪声,根据文献可知[7,8],具体计算模型为:
NLtotal是总的背景噪声,单位是d B,s是舰船密度,为0到1之间的值,w是风速单位是m/s,f是频率单位是k Hz,这里我们将风速w取10m/s,舰船密度s取0.6。
除了上述三个部分外,开始的接收主询阶段(0)有时候也要考虑,这个阶段主要用于排除潜在的不可能的接收节点,如自身节点,由于水声传播距离限制不可能接收到的节点。每一个文件修改过程中必须使文件名和文件中的入口函数名相一致,然后重新编译生成新的管道阶段文件才可以使后续的仿真工程正确运行。
3 模型验证
根据上一部分所设计的模型,配置网络节点,然后在范围为5Km×5Km的空间内分别随机部署10个和20个网络节点,仿真时间设为10个小时,最大允许重发次数为7次,其它仿真参数如表1所示。
分别选取时延、吞吐量和误码率这三个水声网络重要的指标进行统计量收集,运行仿真后其结果分别如图4、图5、图6所示。网络时延等于发送时延和传播时延之和,由于网络拓扑长、宽都是5Km,所以单次发送最大时延是5/1.5+128/1024,大约是3.458s,所有平均时延应该小于或等于该值,且网络发送完数据包的等待时间也应该设为该值,从图4可知,10个节点的平均时延为1.17s左右,20个节点的平均传播时延为1.22s左右,20个节点由于网络节点数量增多,导致节点部署范围变大,时延也比10个节点大,基本符合理论实际。
吞吐量为某段时间内有效发送的数据包与该时间段的比值。从图5可知,20个节点的吞吐量要小于10个节点的,这主要是因为,对与Aloha协议由于没有采取其它的冲突避免机制,随着网络数据增大的一定规模,网络内的数据包冲突量也增大,导致吞吐量下降。
误码率是指整个仿真过程中错误发送的编码和总发送的编码之比。从上图6可知,20个节点的误码率要高于10个节点的误码率,这是因为随着节点数量增多,在同一时间内整个网络发送的数据包也增多,产生的串扰现象也增大,导致误码率也加大。
经过对上述三个指标的结果分析,可以证明所建的模型基本正确。
4 结束语
水声无线网络是目前研究的热点,OPNET作为一款优秀的网络仿真工具,在水声网络协议理论研究方面具有其它仿真软件无法比拟的优势,通过该文可以使对水声网络协议研究有兴趣的研究人员对水声网络MAC协议建模过程有一个基本的了解,提高研究效率。
参考文献
[1]OPNET Technologies Inc.OPNET Online Documentation 14.5.http://www.opnet.comlproducts/opnet-products.html
[2]Ian F.Akyildiz,Dario Pompili,Tommaso Melodia.Underwater acoustic sensor networks:research challenges[J].Ad Hoc Net works 3.2005:257-279.
[3]Joe Rice,Bob Creber,Chris Fletcher,Paul Baxley,Ken Rogers,Keyko McDonald,Dave Rees.Evolution of Seaweb Underwa ter Acoustic Networking[J].Oceans.2007:2007-2017.
[4]杨长青,孟桥,陆佶人.水声通信网若干问题的探讨[J].声学技术,2006:212-214.
[5]郭忠文,罗汉江,洪锋,杨猛,倪明选.水下无线传感器网络的研究进展[J].计算机研究与发展.2010,47(3):377-389.
[6]Ethem M.Sozer,Milica Stojanovic,and John G.Proakis.Underwater Acoustic Networks[J].IEEE Journal of Oceanic Engineer ing,Vol.25,No.1,January,2000:72-82.
[7]韩晶,黄建国,冉茂华.基于OPNET的水声通信网络设计与仿真[J].系统仿真学报,2009,21(17):5498-5502.
[8]Milica Stojanovic.On the Relationship Between Capacity and Distance in an Underwater Acoustic Communication Channel.the Proceedings of the First ACM International Workshop on Underwater Networks(WUWNet)2006,34-43.
OPNET建模 篇3
摘 要 本文在分析近期数字化电台网（NTDR，Near Term Digital Radio）的基础上，利用OPNET网络仿真平台对NTDR网络进行了建模。在不同网络路由协议情况下对网络性能进行仿真分析，仿真结果与理论基本一致，从而为对战场无线自组网的进一步研究与设计提供了现实基础。
关键词 战场无线自组网 NTDR OPNET 网络仿真
1 引言
在现代战场上，各种军事车辆间、士兵间、士兵与军事车辆之间都需要保持密切的联系，以完成指挥、部署和协调作战。信息化条件作战，战场电磁环境极其复杂。为了满足信息战和数字化战场的需要，具有抗毁性强、自恢复、部署迅速等特点的无线Ad hoc网成为战场通信的首选技术。如今，Ad Hoc网络技术已成为美军战术互联网的核心技术。美军研制了大量的无线自组织网络设备，用于单兵、车载、指挥所等不同的场合，并大量装备部队。
目前对Ad Hoc网络技术的研究逐渐成为一个热点问题，对民用Ad Hoc网络场景建模的研究比较多，但是对结合军事应用的研究却相对较少。尤其是到目前为止在公开发表的文章中没有针对战场无线自组网NTDR网络的研究，一般都只有对该网络系统的概述[1][2][3]。由于构建真实的战场无线网络需要耗费巨大的人力和财力，而且还具有一定的不确定性。因此对战场无线自组网进行建模仿真就显得尤为重要。本文通过分析对战场无线自组网系统NTDR，对各节点仿真实现其主要功能，设计合理的网络模型。为对其进一步的研究打下基础，具有一定的理论意义。
2 战场无线自组网的特点及应用
2.1 战场无线自组网的特点
根据部队的编制体制和参战规模的关系，在战场上通常使用分层次的无线自组网。士兵携带具有通讯和感知能力的移动终端，相互之间以多跳形式通信，并将自身位置以及搜集到的地形、声音、图像等战场信息报告给分队指挥所。分队指挥所对信息进行分析，决策，并向士兵下达作战命令，必要时，通过远距离通信设备与上级指挥中心或其他分队联络。
分级结构易于实现节点的移动性管理和保障通信业务的服务质量。因此，当网络规模较大并需要提供一定的服务质量保障时宜采用分级网络结构。分层结构具有管理方便，网络维护开销小等优点，是军事无线自组网的重要特点和发展的趋势。尽管无物理中心节点，但是具有逻辑上的簇头，簇头可通过簇头选举算法产生，使它在那些不能依赖于预先架设网络设施的场合下，依然能够实现临时的快速组网。
2.2 近期数字化电台（NTDR）网
当前，Ad Hoc网络技术在军事通信上最为重要的应用当属战术互联网[1]。战术互联网是互联的战术无线电台、路由器、计算机硬件和软件的集合，是数字化部队建设的基础设施， 目前唯一进入实用阶段的战术移动自组网络是美陆军在上世纪末期开发的数字无线电系统NTDR[2]（Near Term Digital Radio），已作为陆军战术互连网的主干网络设备进入装备序列。在移动无线环境下支持IP数据业务，以实现旅或旅以下战术作战中心TOC（TOC，Tactical Operation Center）之间的通信。近期数字化电台网的收、发信机通常用在作战指挥车、指挥控制车、战术作战中心和战术指挥所、装备陆军机载指挥控制系统的UH-60直升机的指挥控制平台上[3]。NTDR电台可以自动地组织成一个动态的两层网络。在该网络中，电台分成若干个群，每个群由一个群首和若干成员组成，各个群的群首构成一个骨干网，见图1所示。
在以簇（Cluster）为基础的两层分级网络结构NTDR中，普通节点距群首只有一跳，所有群的群首相互连接构成骨干网络。NTDR结构将相邻群之间的通信限制在只能通过群首完成。NTDR分群方案是专门为了应付战术网络中可能出现的频繁的节点移动和节点失效而特别设计的。每部电台最大运行功率是20W，在225～450MHZ工作频率范围内，电台的通信覆盖范围约为10～20km。由于每部电台都可充当一个信息中继点，因此整个系统的有效通信范围可达数百公里。2003年4月美军第四师在伊拉克战场上检验了战术互连网的战术性能，并给予了很高的评价。
3 仿真设计方案
3.1 仿真软件简介
建模与仿真技术是当前研究、分析、设计、评估与优化通信网络的最有效的工具。在美军众多的战术互联网仿真系统中，OPNET都是主要的仿真平台[4]。
本文选用的建模与仿真工具也是OPNET。它采用三层建模机制[5]，最底层为进程（Process）模型，以状态机来描述协议；其次为节点（Node）模型，由相应的协议模型构成，反映设备特性；最上层为网络模型。三层模型和实际的网络、设备、协议层次完全对应，全面反映了网络的相关特性。OPNET采用离散事件驱动的模拟机理（Discrete event driven），即只有网络状态发生变化时，模拟机才工作。因此，与时间驱动相比，离散事件驱动的模拟机计算效率得到很大提高。OPNET最初是为有线网络的设计和规划开发的仿真软件，通过增加无线模块为WLAN、GSM、卫星和Ad hoc网络仿真提供必须的组件，包括IEEE802.11的MAC协议和主要的Ad hoc路由协议。
3.2 网络模型
根据NTDR的技术特点，建立如图2所示的网络模型。在30km*20km的矩形区域中，各个节点构成了两层结构的战场无线自组网络的网络级仿真模型，网络中的各个节点通过无线信道模型相互通信。本文仿真中配置了Ftp业务。
一个旅战术作战中心和一个机械化营战术作战中心、一个装甲营战术作战中心、一个步兵营战术作战中心构成了NTDR网络模型的骨干网络。旅战术作战中心不仅支持与营战术作战中心之间大量数据与图像传输，而且还要为旅级机载指挥控制系统、作战指挥车和指挥控制车提供高数据率的信息传送。其功能相当于下级节点的服务器；而营战术作战中心作为网络中的第二级骨干，不仅要实现上传下达的功能，还要实现与同级营战术作战中心的数据传输。普通节点分别隶属旅战术作战中心和各营战术作战中心。隶属于同一上级的节点之间能够实现互联互通，否则就必须通过各自的上级进行数据信息交换。
3.3 节点模型
本文中的所有仿真节点都具有相同的节点模型，从实现的功能来分为两类，骨干节点和普通节点。其中，骨干节点作为NTDR网络中的簇头，实现战术作战中心的功能；普通节点具有想同的节点模型，根据实际情况设置各节点以分别实现指挥控制车、作战指挥车和陆军机载指挥控制系统的功能，如图3所示。
在对基于移动网络的系统分析评价时，选择一种与现实情况相符合的移动模型是非常重要的。本文自定义了一个比较符合战场实际移动情况的模型。每个节点在相应的区域内移动，速度服从（0m，10m）之间的均匀分布。陆军机载指挥控制系统在仿真中的高度假设为100米，其余车载平台在平坦的地域，高度为0米。
4 仿真分析
在仿真中，选用不同路由协议 DSR和AODV并分析比较其在分层无线自组网中的性能。在战场环境下，实时数据业务占据相对较大比重，所以端到端时延是网络性能评估的一个重要参数，同时我们还需要重点关注报文平均反应时间、路由平均跳数、吞吐量等参数的变化情况：从4（a）中可以看出，网络中报文的上传、下载的平均时间都在0.03s左右，在数值上选取DSR路由时报文平均反应时间要稍微高于选取AODV时的平均反应时间。平均跳数是指网络中成功交付的数据包所经历的平均跳数，主要用于表示路由协议对多跳数据转发的影响。从4（b）中可以看出，网络中选取DSR时路由平均跳数为1.25，而采选取AODV时路由平均跳数为1。
吞吐量是衡量网络性能的重要参数，体现了网络的数据业务承载能力，在军用系统中，该指标非常重要，因为通信网络的拥塞会导致作战信息的延迟，从而有可能导致作战任务的失败。从4（c）中可以看出，选取AODV协议时网络的吞吐量远大于选取DSR路由协议时的吞吐量，数值上约是8倍的关系。
时延是衡量网络数据传输能力的一个重要指标， 反映了数据在网络中传播的效率。从4（d）中可以看出，选取DSR路由协议时网络时延要明显高于选取AODV路由时。
综上所述，仿真网络在分别选取DSR和AODV路由协议时所选参数在数值上比较稳定，存在一定的差值。对于报文传输业务，时延和吞吐量的性能指标，在比较宽松（即节点较少和载荷较轻或移动性较弱）的环境中，DSR协议优于AODV协议，这与文献[6]的仿真结论是一致的，从而验证了模型的正确性。
5 结束语
NTDR作为美军战术互联网装备的重要组成部分，为陆军战术作战中心、指挥控制平台以及选用的情报共用平台的指挥员提供了一个无线广域网，允许指挥员在战术指挥中心之间以高数据率传送信息，以支持指挥控制数据和图像信息流。本文使用OPNET仿真软件，建立了近期数字无线电台的战场无线自组网的仿真模型，根据装备的现实物理情况进行网络设置和业务配置，得到了一个性能比较稳定的战场无线网络，并对其网络性能进行分析，为对战场无线自组网的进一步研究提供了基础，具有一定的参考价值。（文中所做的研究只是初步的，模型也是有欠缺的，以后工作的方向是完善模型，建立完善的NTDR网络仿真平台。）
参 考 文 献
[1] 郑少仁，王海涛，赵志峰，等.Ad Hoc网络技术[M].北京：人民邮电出版社，2005：215-216
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