多种无线通信方式的OPNET仿真测试

张书侨

（北京东方波泰无线电频谱技术研究所，北京 100037）

多种无线通信方式的OPNET仿真测试

张书侨

（北京东方波泰无线电频谱技术研究所，北京 100037）

在无线通信领域中存在多种无线通信方式，包括WLAN，3G，WAVE等模式，本文通过OPNET对它们进行仿真测试。

WLAN；3G；WAVE；OPNET

1 引言

随着我国经济和科技的高速发展，在各个领域内，对环境感知及通信的需求也越来越高。其中，最为典型的无线通信模式就是移动运营商负责维护的移动网络，如GPRS、3G业务、4G业务等应用最为广泛。另外，WLAN（无线局域网）在构架小型家庭、公司内部网络中的应用也十分广泛。在个别特殊的生活领域，例如交通领域，存在WAVE（车载环境无线接入）通信模式专门用于维持车—车、车—路之间的通信，用于提高交通安全和运行效率。各种无线通信模式的原理不尽相同，但对于无线通信的评价指标类似，包括通信延时、丢包率等性能参数。本文旨在分析WLAN、3G及WAVE无线通信模式原理及特点，通过OPENT仿真，研究其性能参数及优势。

2 无线通信模式介绍

2.1 WLAN通信

WLAN是一类无线通信系统的简称，具有灵活性、移动性、易扩展性及成本低等特点。Wi-Fi是一个无线网络通信技术的品牌，其主要采用的通信协议也是IEEE 802.11系列协议标准。IEEE 802.11协议标准主要位于OSI协议的物理层和MAC层。物理层定义了三种无线传输方法，即跳频扩频、直接序列扩频以及红外传输方法。MAC层主要功能是规范了访问机制、控制数据的传输，并且定义了MAC帧格式，采用CSMA/CA（载波侦听多点接入/冲突避免）机制控制及协调信道的接入。

随着高速无线数据传输业务的需求与发展，IEEE 802.11标准的2Mb/s速率已经不能满足需要。IEEE工作组又发布了IEEE 802.11b，IEEE802.11a，IEEE 802.11g，将最大无线传输速率提高到11Mb/s和54Mb/s。各种协议的特性如表1所示。

表1 IEEE 802.11系列性能参数

WLAN常采用的是IEEE 802.11b协议，有多种路由协议可供选择，包括AODV（Ad-hoc on-demand distance vector routing），DSR（DynamicSource Routing），TORA（Temporally OrderedRouting Algorithm）等路由协议，信道接入协议有DCF（分布式协调功能）、PCF（点协调功能）及HCF（混合协调功能）可供选择。其他各种IEEE802.11系列协议对不同的应用场景也会有不同的适用性。

2.2 3G通信

本文所采用的3G技术为UMTS（通用移动通信系统）。相对于功能单一WLAN或GSM，GPRS网络，UMTS网络的结构更加复杂，功能更加丰富，网络管理需要考虑的因素也更加多元化。UMTS除了把WCDMA作为首选空中接口技术获得不断完善外，还相继引入了TD-SCDMA和HSDPA技术。UMTS系统结构主要包括无线接入网络和CN（核心网络）两部分，无线接入网络部分包括UE（用户设备）和UTRAN（陆地无线接入网）。UMTS支持1920kb/s的传输速率，其关键技术为切换技术，主要包括软切换和硬切换，目的是保证移动节点良好的接入到当前的移动通信网络。UMTS系统结构如图1所示。

图1 UMTS系统结构

2.3 WAVE通信

WAVE技术是车路协同系统产生后，为解决车车通信、车路通信问题而提出的一种高效的无线接入通信机制。WAVE的优势主要体现在消息传输延时、节点移动性、通信频段的抗干扰性和IEEE802.11p对车路协同系统的适用性，其在网络性能、实现成本及复杂程度方面的综合评价均优于普通的无线通信技术，其技术参数如表2所示。

WAVE的协议体系主要依托于IEEE 802.11p协议，其是针对汽车通信的交通应用环境而设计的标准，主要作用于物理层和数据链路层。物理层处于协议的底层，且是基于正交频分复用的，主要负责为设备之间的数据通信提供传输媒介及互联设备，控制信道的激活或失效服务，为数据传输提供可靠的环境。数据链路层包括LLC（逻辑链路子层）和MAC（介质访问控制子层），其中IEEE 802.11p的MAC层是整个协议架构中性能优势的集中体现。MAC层为数据传输的信道协调控制方面提供服务，通过可靠的信道接入协议，更加高效的进行数据交换。WAVE在交通领域已经得到了大量的应用。

3 性能仿真测试

3.1 OPENT仿真原理

OPNET Modeler是当前领先的网络技术开发环境，广泛应用于设计和研究通信网络、设备、协议和应用为开发人员提供了建模、仿真以及分析的集成环境，大大减轻了编程以及数据分析的工作量。OPNET采用离散事件驱动的模拟机理，通过事件驱动器以先进先出的方式对事件和事件时间列表进行维护，每当有一个事件出现后，仿真时间推进，仿真中各个模块之间通过事件中断方式传递事件信息。与时间驱动相比，这种机制的计算效率更高。构建OPNET仿真模型依次从进程模型、节点模型和网络模型三部分进行。

根据车路协同系统信息交互过程的特殊性，选取OPNET Modeler模型库中的MANET模型作为WLAN模式和WAVE模式的仿真实验节点模型。车辆信息从WLAN收发信机进出，依次经过MAC层、数据链路层、IP层、UDP层、路由层、应用层，完成整个消息的通信流程。OPNET也提供了UMTS系统的仿真模型，可以根据用户需求配置模型属性。

3.2 仿真结果评估

本文统计收集的无线性能指标为传输延时和丢包率。网络的传输延时定义为一个数据分组从源节点发送到目的节点的时间差，它包括电（或光）信号在物理媒介中的传输延时和数据在网络中的处理延时，也即指网络中数据传输所用的时间。本文以数据分组发送和到达之间的时间差表示传输延时。丢包率是反映网络质量的重要参数，它定义了传输期间网络丢失分组的数量，通常指的是在仿真时间段内丢失的数据分组占传输的数据总量的比例。导致丢包的因素有很多，比如网络拥堵、接收分组的缓冲区太小、TTL值超过规定值以及无线信号的同频干扰等。本文以丢失分组的数量与发送分组总量的比值来衡量丢包率的大小。

仿真场景建立在一平方公里的范围内，通过放置50到300个通信节点进行随机通信和随机移动（将节点假设为车辆），采用不同的通信模式进行仿真，仿真时间为10分钟。三种无线通信模式的仿真结果如2及图3所示。

通过仿真结果可以看出，3G技术的延时较其他两种方式较大，而其丢包率较小。WLAN和WAVE模式在传输延时和丢包率方面差别不大。随着通信节点数目的增加，3G的性能是持续恶化，而另外两种通信模式会出现一个较好的极值，这是因为WLAN和WAVE独特的信道接入协议和路由协议决定的。当试图增加通信节点的移动速度时会发现，WAVE通信模式的效果会突出的表现出来，在延时方面和丢包率方面较WLAN有很大的提高。

图2 传输延时仿真结果

图3 丢包率仿真结果

4 结束语

本文通过对多种无线通信模式的原理进行分析及仿真测试，验证了WLAN，UMTS，WAVE三种通信方式的通信性能及其所属的应用领域。WLAN适用于对信息及时性要求比较高的小范围场所，而且数据量可以很大；UMTS适用于远距离及移动性较强的场合；WAVE适用于快速移动的交通领域。各种无线通信模式在其应用范畴内不断进行改进，更好地为我们服务。

[1] 刘乃安．无线局域网：WLAN原理技术与应用．西安：西安电子科技大学出版社.

[2] Heikkikaaranen．3G技术与UMTS网络．北京：人民邮电出版社.

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

张书侨，男，1987年生，硕士，主要从事无线电监测工作。