基于QualNet的无线网络教学平台设计

周娅

摘 要： 针对传统有线教学网络的局限性，无线网络近些年得到了迅速的发展，然而其通信容易受到外界的电磁干扰且设备更新快、投资大成为其发展瓶颈，采用网络仿真技术是研究解决以上问题的有效途径。采用QualNet软件模拟教学平台，利用QualNet地图加载和QualNet编译等功能实现网络的具体协议，同时采用Matlab与QualNet仿真平台联合的策略，在仿真平台实现物理层的仿真。最后通过QualNet平台针对WiMAX网络协议和系统输出结果进行仿真实验，基于仿真结果分析了无线网络的性能。

关键词： 无线网络教学平台； QualNet； Matlab； WiMAX

中图分类号： TN911?34； TM417 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2016）09?0053?04

Abstract： For the limitations of the traditional wired teaching network， the wireless network has rapid developement in recent years， but its communication is easy to be interfered by the external electromagnetic interference， and it has suffered from the development bottleneck due to fast update and large investment of its equipments. The network simulation technology is the efficient approach to solve the above problems. The QualNet software is used to simulate the teaching platform. The functions of QualNet map loading and QualNet compiling are used to implement the specific network protocol. The integrated strategy of Matlab and QualNet simulation platforms is adopted to simulate the physical layer. The WiMAX network protocol and system output results were simulated through the QualNet platform. The performance of the wireless network is analyzed based on simulation results.

Keywords： wireless network teaching platform； QualNet； Matlab； WiMAX

0 引 言

随着计算机科学和互联网技术的推广和普及，通信技术不断发展，电子设备的更新迭代速度和频率也极大提高。目前，针对高校无线网络的研究在整个通信网络结构的研发中显得越来越重要[1]。为了方便校园学习，让学生真正理解和掌握课堂和书本的理论知识，提升综合技能和动手实践能力，必须安排足够的验证性实验和一定的综合性实验，因此无线网络课程是解决课堂教学与实验教学相结合问题的有效方式。因此，学校的无线网络教学环境成为了当前研究的重点工作[2]。

无线网络处于开放性的传播空间，在传播过程中容易受到外界环境的干扰，特别是电磁干扰。同时，与有限网络相比，在验证无线网络时的场地限制也是制约研究的困难。另外，鉴于快速的无线产品的迭代速度，实验室很难投入更多的资金去更新和购买设备，因此学生的动手、实验机会将不断减少[3]。

针对上述问题，使用网络仿真技术是突破目前困难现状的有效方法。从本质上讲，网络仿真技术就是通过计算机技术构造网络拓扑，用来模拟实现网络协议的仿真行为，通过计算机推算可以获取针对性的目标网络特性参数，从而可以完成网络性能的研究和分析工作[4]。

1 QualNet技术

1.1 QualNet结构特性

QualNet的功能就是针对无线移动通信网络进行优化计算和处理，与同类型产品在仿真速度、准确率方面都获得了极大程度的提升，而且通过对无线射频和信道技术的高效建模仿真，确保了软件非常高的仿真精度。QualNet按照网络的七层架构采用模块化设计，其中物理层是QualNet协议栈的最下层，包含很多库，比如无线、高级无线、蜂窝、卫星、传感器网络、网络安全等库[5]。

QualNet地理坐标系统支持CARTESIAN（直角坐标）和LATLONALT（经纬度）两种坐标。QualNet支持的地形数据格式为：CARTESIAN（直角坐标），DTED和USGSDEM三种格式[6]。

1.2 物理层仿真具体处理流程分析

在QualNet中，每个节点协议栈的初始化是最底层操作。对于一个无线网络来说，一个节点的MAC层和物理层是共同初始化的，并且，物理层的初始化发生在MAC层初始化前。这个过程是在节点初始化函数PARTITION_InitializeNodes中执行的[7]。具体处理步骤如下：

（1） 节点的初始化函数，PARTITION_InitializeNodes调用MAC层初始化函数MAC_Initialize。

（2） 对于无线MAC协议，AddNodeToSubnet函数通过调用函数PHY_CreateAPhyForMac初始化接口具体物理层模型[8]。

（3） 函数PHY_CreateAPhyForMac，从配置文件中读取和存储相关信道参数，从配置文件中读取和存储通用物理层参数调用运行在接口中的 PHY 模型初始化函数。

（4） MAC层协议通过调用函数PHY_StartTransmittingSignal向物理层发送一个报文。

QualNet对物理信道的仿真是以接收、发送功率、SINR、BER等几个主要特性参数建立抽象信道模型。

2 QualNet与Matlab联合仿真

2.1 物理层解决思路

在OFDM仿真流程的基础上，用Matlab语言很方便编写出OFDM发送、信道及接收整个系统仿真流程，并对仿真系统的性能进行了分析。其中，正交频分复用技术（OFDM）是一种无线环境下高速传输技术，OFDM原理框图如图1所示。

2.2 QualNet与Matlab联合仿真

QualNet是分层实现的，网络性能能够反映出来该协议的修改对整体网络的影响。一般的Matlab用于仿真MAC层以下的层面，如前面提到的调制、信道、解调等。 所以将Matlab集成到网络仿真器里面时，就要在对应的物理层实现的地方进行替换。切断原来的参数传递过程，将QualNet输入参数递交给Matlab进行计算，计算结果也要按照QualNet接收的形式给出。必要的时候，可以对QualNet的模型进行修改提高Matlab模型的利用度。

模拟器可以根据路径损耗、阴影、多路径、频移参数生成动态信道，进而产生一个相对精确的物理层模型，连同网络层模拟，通过整合能够使设计者看到物理层、MAC层、路由层、传输层和应用层等一个完整的运行效果。例如：当一个QualNet节点探测一个到来的信号时，它首先会判断这个信号是否大于给定的接收值。如果大于给定的接收值，它会试着接受这个信号。通过信号的强度和信道的噪声能够计算出SINR。QualNet当前不支持硬件设备、多普勒效应、频段损耗等。因此，需要整合OFDM模型到QualNet中，大体思路如下：QualNet原始节点的SINR作为SINRin，导入OFDM模型，加上多径、多普勒和频移参数，一个动态信道就产生了。然后进行OFDM仿真，结果在接收机的接收SINR，SINRout被用来计算公式中的loss，此loss值被存在QualNet一个表里。通过把它映射到一个BER值，新的SINR结果值被用来计算是否包含错误，由于数据分组长度过短，对于一个短的分组来说计算BER值是不准确的，在phy/phy_802_11.c文件的Phy802_11CheckRxPacketError（）函数中，通过系统调用语句插入了OFDM计算模型。

2.3 编译

QualNet makefile位于安装目录下的main子目录，编译环境集成主要工作是将IEEE 802.11a物理层的编译和链接集成到Qualnet编译环境下，具体工作包括源程序文件和选择性编译标志在makefile中的添加。

安装了Microsoft Visual Studio 2008 IDE之后，需要进行配置，步骤如下：

（1） 配置环境变量：“我的电脑”右键→“属性” 。

（2） 在弹出的对话框选择“高级”→“环境变量”。

（3） 在新对话框中，选择“Path”→“编辑”。

（4） 弹出如下对话框，在“变量值”中添加“； STUDIO_HOME＼VC＼bin”。

（5） 最后点击“确定”，即可完成对环境变量的修改。

（6） 测试环境变量是否修改成功：“运行”→“cmd”→“nmake?help”。

（7） 在QUALNET_HOME路径下，新建文件：Makefile。

（8） 打开Microsoft Visual Studio2008、选择“文件”→“新建”→“从现有文件创建新项目”。

（9） 在弹出的对话框中“要创建什么类型的项目”中选择“Visual C++”。

（10） 并在接下来的弹出框中输入如下信息：

项目文件位置：C：＼snt＼qualnet＼5.0；项目名称：qualnet；文件夹：C：＼snt＼qualnet＼5.0。

3 构建基于WiMAX的网络教学平台

本设计中基于WiMAX技术的设计采用固定场景，确保在场景为300 m的覆盖范围内，8个用户基站通过中心基站进行通信，设计中采用星型拓扑结构，远端用户基站直接和中心基站相连。

3.1 实验环境及要求说明

要求在 Qualnet环境下，建立基于 WiMAX的网络教学平台，具体要求如下：

地理范围：400 m×400 m；节点数：8个用户基站，1个基站；节点类型：静态节点；业务 数量：7×8=56；业务类型：CBR；通信方式：8个用户节点通过中心基站通信。根据要求构建网络如图2所示。

3.2 参数配置

以2号节点为例，WiMAX采用IEEE 802.16标准。这里配置物理层，MAC层和路由协议。

（1） 物理层配置。Radio Type设置为IEEE 802.16，发射机功率为20 dBm，对应公式X（dBm）=10lg[x（mW）]，即100 mW。Antenna Model设置为Omnidirectional（全向天线）。

（2）MAC层协议配置。MACProtocol设置为802.16。StationType设置为SubscriberStation（用户站）。WaitDCDTimeoutInterval默认为25 s，DCD消息：BS周期性发送的一个消息，定义了下行物理信道的特性。UCD：通过BS周期性不间断的发送信息，上行物理信道特性本质得到准确的定义和记录。其中核心消息包括上行突发序列属性、配置改变计数器、微时隙大小、请求退避开始、请求退避结束、上行信道ID等参数信息。

（3） 业务配置。以10 s为间隔向一个节点发送大小为32 B的包，共发送70个包。

4 仿真分析

4.1 仿真过程

WiMAX的仿真过程，所有用户站的信息通过基站 1 进行传输，如图3所示。

4.2 仿真结果及网络性能分析

4.2.1 丢包率

客户端发包数量如图4所示。

从而得到丢包率为0%，即在理想信道环境下，可能不发生丢包。

4.2.2 吞吐量

客户端、服务器端吞吐量如图7所示。模拟Server节点2吞吐量大约为7 000 b/s，节点3吞吐量大约为3 600 b/s，其他节点吞吐量均为2 000 b/s。

节点2平均端到端的时延大约为18 s，节点3平均端到端的时延大约为5 s，其他节点平均端到端的时延大约为2 s。由分析得知，此WiMAX网络时延很高。

4.2.4 误码率

由仿真结果分析数据得到WiMAX误码率，如图9所示。

从而得知误码率=[13336 030=0.36]%，在8个用户站的情况下，属于正常范围。

5 结 论

本文从无线网络教学平台的需求出发，探讨网络仿真的必要性。QualNet是一种仿真快速而且精确的动态开发、仿真系统。然而QualNet网络仿真器选择经过高度抽象的简单模型来提升仿真速度和效率。本文详细深入研究QualNet网络仿真器物理层模型及存在的缺陷，提出将QualNet和Matlab联合仿真解决此问题，从而提高网络仿真精度。

参考文献

[1] 郑佳恩，彭端.无线视频传输系统的发展动态[J].现代电子技术，2013，36（15）：29?31.

[2] 王建峰，黄国策.WiMAX网络体系结构及其应用模式探讨[J].移动通信，2006（7）：96?100.

[3] 王茜，王岩.无线城域网WiMAX技术及其应用[J].电信科学，2004（8）：27?30.

[4] 马卫华，姚丹霖，刘勇.基于QualNet仿真平台的Ad Hoc网络组播路由协议研究[J].电脑应用技术，2009（1）：36?40.

[5] 吴昊.基于QualNet的无线网络教学实验方法研究[J].铜陵职业技术学院学报，2010（1）：57?58.

[6] 谭闻捷，栾成军.自定义的DEM格式与USGSDEM格式间的转换[J].电脑知识与技术，2008（7）：1352?1354.

[7] 何洪路，黄河清，姚道远，等.移动自组网仿真技术研究综述[J].系统仿真学报，2011（z1）：1?6.

[8] 伍俊洪，杨洋，李惠杰，等.网络仿真方法和OPNET仿真技术[J].计算机工程，2004（5）：106?108.