無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)教程2-網(wǎng)絡(luò)仿真技術(shù)(實(shí)驗(yàn))

1、無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)教程無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)教程原理、應(yīng)用與仿真實(shí)驗(yàn)原理、應(yīng)用與仿真實(shí)驗(yàn)作 者 金光，江先亮出 版 社 清華大學(xué)出版社出版時(shí)間 2011-10-1網(wǎng)絡(luò)仿真技術(shù)簡介 為什么網(wǎng)絡(luò)仿真？ 利用數(shù)學(xué)建模和統(tǒng)計(jì)分析等方法，模擬網(wǎng)絡(luò)行為，從而指導(dǎo)和優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的技術(shù)。 用途：教學(xué)實(shí)驗(yàn)、采購設(shè)備、建設(shè)網(wǎng)絡(luò)。 模擬的網(wǎng)絡(luò)狀況： 有限的帶寬、時(shí)延、丟包、亂序、重復(fù)報(bào)文、競爭、流量、擁塞、誤碼等。網(wǎng)絡(luò)仿真技術(shù)簡介 網(wǎng)絡(luò)仿真方法： 1，數(shù)學(xué)建模（理論性強(qiáng)） 2，真機(jī)實(shí)測（昂貴，真實(shí)） 3，分析儀器（昂貴，真實(shí)） 4，網(wǎng)絡(luò)仿真（模擬，可二次開發(fā)，便宜）1，數(shù)學(xué)建模 數(shù)學(xué)模型 數(shù)學(xué)工具：概率論，排隊(duì)論，隨機(jī)過程ALOH

2、A協(xié)議 1971年，美國夏威夷大學(xué)的ALOHA網(wǎng)。 兩個(gè)版本 純ALOHA協(xié)議：每個(gè)站點(diǎn)只要有數(shù)據(jù)就可發(fā)送。 時(shí)隙ALOHA協(xié)議：將信道時(shí)間分為離散的時(shí)間片，每個(gè)時(shí)間片可以用來發(fā)送一個(gè)幀。 純ALOHA 時(shí)隙ALOHA 在ALOHA協(xié)議基礎(chǔ)上，發(fā)展出： IEEE 802.3以太網(wǎng)協(xié)議，1991. 載波監(jiān)聽多路訪問/沖突檢測 CSMA/CD(Carrier Sense Multiple Access/Collision Detect) IEEE 802.11無線局域網(wǎng)協(xié)議，1997. 載波監(jiān)聽多路訪問/沖突避免 CSMA/CA(Carrier Sense Multiple Access with

3、 Collision Avoidance)7ALOHA協(xié)議純ALOHA協(xié)議中的沖突 規(guī)則：有數(shù)據(jù)就發(fā)，不論信道狀態(tài)是否空閑。 沖突后，發(fā)送方?jīng)]有收一旦重疊，就發(fā)生沖突（校數(shù)據(jù)損，壞驗(yàn)和不正確） 到ACK，等待隨機(jī)時(shí)間重傳。8ALOHA協(xié)議純ALOHA的效率如何？數(shù)學(xué)模型泊松分布 無限個(gè)用戶，隨機(jī)且獨(dú)立的產(chǎn)生新幀，幀長固定，平均每個(gè)幀時(shí)產(chǎn)生N幀(N原始負(fù)載，頻率，NN，G可以大于1) 泊松分布：每個(gè)幀時(shí)內(nèi)產(chǎn)生k幀的概率衡量效率的指標(biāo)：吞吐量 S = GP0 含義：有多少比例的幀能夠無沖突的傳輸？ G是負(fù)載，P0是成功傳輸一幀的概率Pr ,0,1,2.!kGG ekkk9 問題轉(zhuǎn)化為：在什么樣的條

4、件下？任意幀(圖中的陰影幀代表)能夠無沖突的傳輸？ 任意幀的易受沖突區(qū)域=2個(gè)幀時(shí)，平均產(chǎn)生2G個(gè)幀，公式變?yōu)椋?在易受沖突區(qū)域內(nèi)沒有其它幀(k=0)產(chǎn)生的概率為： ，所以 S = GP0 = Ge-2G0220(2 )Pr00!GGGePe2(2 )Pr ,0,1,2.!kGGekkk10ALOHA協(xié)議純ALOHA的效率：S = GP0 = Ge-2GALOHA協(xié)議的吞吐量S與負(fù)載G的關(guān)系圖S18.4% 信道分為時(shí)隙，站點(diǎn)必須等到時(shí)隙的開始才能發(fā)送 將易受沖突的區(qū)域減小一半 = 1幀時(shí) 在易受沖突區(qū)域(1幀時(shí))內(nèi)沒有其它幀(k=0)產(chǎn)生的概率為：P0= e-G，所以吞吐量 S = Ge-G時(shí)

5、隙ALOHA時(shí)隙ALOHA純ALOHA： 信道利用率S 18.4%時(shí)隙ALOHA：信道利用率S 36.8%ALOHA協(xié)議的吞吐量S與負(fù)載G的關(guān)系圖 Matlab編寫的ALOHA協(xié)議仿真程序 模仿了100個(gè)節(jié)點(diǎn) 按照G負(fù)載發(fā)送 統(tǒng)計(jì)了沖突的概率 優(yōu)點(diǎn)：簡單快速 可以驗(yàn)證理論公式 發(fā)表論文的論據(jù) 缺點(diǎn)： 不夠嚴(yán)謹(jǐn), 沒有考慮 誤碼率，節(jié)點(diǎn)失效 傳輸延時(shí)，噪聲function Traffic,S,Delay=aloha(capture)%* 輸入?yún)?shù) *% capture: 是否考慮捕獲效應(yīng) 0:不考慮 1:考慮%* 輸出參數(shù) *% Traffic: 實(shí)際產(chǎn)生的業(yè)務(wù)量% S： 吞吐量% Delay：

6、 平均延遲 %*定義終端狀態(tài)常數(shù)以及仿真結(jié)束參數(shù) * STANDBY = 0; %等待 TRANSMIT = 1; %傳輸COLLISION = 2; %碰撞TOTAL=10000; % 成功傳輸多少數(shù)據(jù)包后仿真結(jié)束%*定義信道參數(shù) *brate = 6e6; % 比特速率Srate = 0.25e6; % 符號(hào)速率Plen = 500; % 包長（符號(hào)數(shù)）Ttime = Plen / Srate; % 每個(gè)數(shù)據(jù)包的傳輸時(shí)間Dtime = 0.01; % 歸一化傳播延遲alfa = 3; % 路徑損耗指數(shù)sigma = 6; % 陰影衰落標(biāo)準(zhǔn)差 dB%*定義接入點(diǎn)信息 *r = 100; %

7、服務(wù)區(qū)域半徑 mbxy = 0, 0, 5; % 接入點(diǎn)位置坐標(biāo) (x,y,z)mtcn = 10; % 接入點(diǎn)進(jìn)行正確信號(hào)解調(diào)所需要的最低信號(hào)功率 dBm%*定義終端信息 * Mnum = 100; % 終端數(shù)目mcn = 30; % 終端在服務(wù)區(qū)域邊緣時(shí)，接入點(diǎn)接收到的信號(hào)的信噪比mpow = 10(mcn/10) * sqrt(r2+bxy(3)2)alfa; % 終端的發(fā)射信號(hào)功率h=0; % 終端高度mxy = randsrc(2,Mnum,-r:r); randsrc(1,Mnum,0:h); % 隨機(jī)生成終端坐標(biāo)while 1 d=sqrt(sum(mxy(1:2,:).2);

8、% 判斷終端與接入點(diǎn)的水平距離是否超過r tmp,indx=find(dr); if length(indx) = 0 break end mxy(:,indx)=randsrc(2,length(indx),-r:r);mxy(3,indx); %超過r重新生成位置坐標(biāo)enddistance=sqrt(sum(ones(Mnum,1)*bxy).-mxy).2); %終端距離接入點(diǎn)的距離mrnd = randn(1,Mnum); % 每個(gè)終端的陰影衰落%G=0.1:0.2:1,1.2:0.2:2; % 理論業(yè)務(wù)量G=0.1:0.2:2;網(wǎng)絡(luò)仿真技術(shù)簡介 網(wǎng)絡(luò)仿真方法： 1，數(shù)學(xué)建模（理論性強(qiáng)

9、） 2，真機(jī)實(shí)測（昂貴，真實(shí)） 3，分析儀器（昂貴，真實(shí)） 4，網(wǎng)絡(luò)仿真（模擬，可二次開發(fā)，便宜）2，真機(jī)實(shí)測 不適合大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)，成本高。 Wireshark抓包網(wǎng)絡(luò)仿真技術(shù)簡介 網(wǎng)絡(luò)仿真方法： 1，數(shù)學(xué)建模（理論性強(qiáng)） 2，真機(jī)實(shí)測（昂貴，真實(shí)） 3，分析儀器（昂貴，真實(shí)） 4，網(wǎng)絡(luò)仿真（模擬，可二次開發(fā)，便宜）3，仿真儀器 網(wǎng)絡(luò)分析儀示波器+電腦 可測量網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的幅度、相位、頻率特性。 支持無線網(wǎng)絡(luò)、有線網(wǎng)絡(luò)，解析多種協(xié)議報(bào)文。 品牌：安捷倫、Rohde&Schwarz、中電41所。 價(jià)格：幾萬-數(shù)百萬。網(wǎng)絡(luò)仿真技術(shù)簡介 網(wǎng)絡(luò)仿真方法： 1，數(shù)學(xué)建模（理論性強(qiáng)） 2，真機(jī)實(shí)測（昂貴

10、，真實(shí)） 3，分析儀器（昂貴，真實(shí)） 4，網(wǎng)絡(luò)仿真（模擬，可二次開發(fā)，便宜）194，網(wǎng)絡(luò)仿真技術(shù) 網(wǎng)絡(luò)仿真技術(shù) 利用計(jì)算機(jī)軟件模擬網(wǎng)絡(luò)行為的技術(shù)。 優(yōu)點(diǎn)： 速度快，成本低，不折舊。 可以仿真大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)，具有預(yù)測功能。 既可分析已有協(xié)議，已經(jīng)集成在軟件中。 又可研究創(chuàng)新協(xié)議，測試新協(xié)議的性能。2.9.1 Opnet仿真平臺(tái) Opnet正版仿真軟件 面向?qū)I(yè)研發(fā)人員，仿真大型復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)。 比NS好用：界面、協(xié)議庫、輸出等。 Opnet的價(jià)格 幾十個(gè)用戶的lisence，一年需要一兩萬美元。 使用盜版Opnet的弊端 即使做出了結(jié)果，不能堂堂正正地寫成論文投往國外期刊，將來可能是版權(quán)侵犯的證據(jù)。 目前

11、，中國大學(xué)的文章絕大部分是用NS仿真。212.9.3 MATLAB仿真平臺(tái) MATLAB工具 擅長數(shù)值計(jì)算和圖形處理的科學(xué)計(jì)算軟件。 優(yōu)點(diǎn) 寬松的語言體系、圖形圖像系統(tǒng)、豐富的數(shù)學(xué)函數(shù)庫、應(yīng)用程序接口。 科學(xué)論文，矩陣運(yùn)算，畫圖很方便。 擴(kuò)展功能 各種工具箱如Simulink等，完成不同領(lǐng)域的各種特定任務(wù)。222.9.2 NS2仿真平臺(tái) NS2網(wǎng)絡(luò)仿真 UC伯克利大學(xué)開發(fā)的仿真軟件 NS2遵循GPL協(xié)議，源代碼開放 以GPL協(xié)議發(fā)布到網(wǎng)上的代碼素材，你可以隨意使用，也可以更改，但是更改后再次發(fā)布的代碼。 必須也遵守GPL協(xié)議，主要要求是必須開源，而且不能刪減原作者的聲明信息等，“傳染性” 。

12、可以出售，但是整個(gè)產(chǎn)品代碼，必須開源。2.10 NS2基礎(chǔ)知識(shí) NS2有豐富的構(gòu)件庫 能完成大部分網(wǎng)絡(luò)仿真需求。 網(wǎng)絡(luò)類型：廣域網(wǎng)、局域網(wǎng)、移動(dòng)通信網(wǎng)、衛(wèi)星通信網(wǎng)等 路由類型：層次路由、動(dòng)態(tài)路由、多播路由等 跟蹤記錄：各種狀態(tài)和事件以便分析 數(shù)學(xué)函數(shù)：隨機(jī)數(shù)、積分等242.10 NS2基礎(chǔ)知識(shí) 獲取NS2 官網(wǎng)：/nsnam/ns/ 知識(shí)庫：/nsnam/index.php/Main_Page 安裝平臺(tái) Windows的Cygwin，書中采用。 直接在Linux系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)采用。252.10 NS2基礎(chǔ)知識(shí)NS2目錄結(jié)構(gòu)圖 262.10 NS

13、2基礎(chǔ)知識(shí) NS2采用了“OTcl/C+分裂模型” 優(yōu)點(diǎn)： C+：速度快，編寫復(fù)雜算法，用來實(shí)現(xiàn)具體協(xié)議。 Otcl：速度慢，方便修改，用來配置網(wǎng)絡(luò)布局。 TclCL ：把兩種語言中的對(duì)象和變量聯(lián)系起來。 缺點(diǎn)： 同時(shí)維護(hù)兩套代碼，對(duì)使用者要求較高，上手慢。2.10 NS2基礎(chǔ)知識(shí) NS2仿真流程修改協(xié)議 創(chuàng)建C+類，即.cc文件。不修改協(xié)議 編寫tcl腳本，建立OTcl對(duì)象，設(shè)置屬性，調(diào)度網(wǎng)絡(luò)仿真事件的發(fā)生。28用NS2進(jìn)行無線網(wǎng)絡(luò)仿真通過未通過需要滿意開始問題定義需修改源碼？編寫TCL仿真腳本執(zhí)行仿真分析結(jié)果分析問題所在結(jié)果滿意？結(jié)束修改源代碼重新編譯NS2編譯通過？調(diào)試NS2NS2仿真基本流程圖 不需要大型工程292.10 NS2基礎(chǔ)知識(shí) NS2的簡單OTCL語法et val(prop) Propagation/TwoRayGround 衰減類型set val(netif) Phy/WirelessPhy 物理層set val(mac) Mac/802_11