基于OPNET的軍事通信網(wǎng)擴(kuò)展WLAN仿真

摘要：為了在高技術(shù)條件下的局部戰(zhàn)爭(zhēng)中把握戰(zhàn)場(chǎng)的主動(dòng)權(quán)，充分發(fā)揮軍事通信網(wǎng)的保障作用，運(yùn)用OPNET仿真建模技術(shù)，設(shè)計(jì)了一個(gè)簡(jiǎn)單的軍事通信網(wǎng)擴(kuò)展WLAN的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了在三個(gè)不同場(chǎng)景下的網(wǎng)絡(luò)延時(shí)、丟包率、網(wǎng)絡(luò)總負(fù)載及吞吐量等網(wǎng)絡(luò)性能的仿真，并對(duì)網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)性、可靠性、穩(wěn)定性等性能進(jìn)行了比較與評(píng)估。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，隨著WLAN中BSS分布范圍的擴(kuò)大，網(wǎng)絡(luò)延時(shí)和丟包率增加、網(wǎng)絡(luò)總負(fù)載和吞吐量減小，但總體網(wǎng)絡(luò)性能指標(biāo)穩(wěn)定，能夠滿足網(wǎng)絡(luò)通信要求。
關(guān)鍵詞：OPNET；軍事通信網(wǎng)；WLAN；網(wǎng)絡(luò)性能

    軍事通信網(wǎng)是為了保障軍隊(duì)通信不間斷而建立的一種專用通信網(wǎng)。在信息化作戰(zhàn)條件下，軍事通信網(wǎng)是軍隊(duì)的“中樞神經(jīng)”，是保障各兵種聯(lián)合作戰(zhàn)的重要手段，在現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中正發(fā)揮著越來越重要的作用。文中使用網(wǎng)絡(luò)仿真軟件OPNET對(duì)軍事通信網(wǎng)的擴(kuò)展無線局域網(wǎng)(extend ed WLAN)進(jìn)行了仿真和研究，并對(duì)幾種情況下的仿真結(jié)果進(jìn)行了分析比較，較全面分析了軍事通信網(wǎng)WIAN的網(wǎng)絡(luò)性能。

1 基于OPNET的擴(kuò)展WLAN介紹
    WLAN(Wireless Local Area Networks)無線局域網(wǎng)是一種數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)。它是利用射頻PF(Radio Frequency)技術(shù)取代舊式雙絞銅線(Coaxial)所構(gòu)成的局域網(wǎng)絡(luò)。無線局域網(wǎng)絡(luò)一般不是用來取代有線局域網(wǎng)絡(luò)，而是用來彌補(bǔ)有線局域網(wǎng)絡(luò)之不足，以延伸網(wǎng)絡(luò)，作為有線局域網(wǎng)絡(luò)的備用系統(tǒng)。
    無線局域網(wǎng)技術(shù)有藍(lán)牙(Bluetooth)、IEEE802．11系列、HiperLAN、HomeRF技術(shù)等。目前得到廣泛應(yīng)用的技術(shù)是IEEE802．11系列。IEEE 802．11b可支持11 Mb／s共享接入速度，采用2．4 GHz ISM頻段；與此相似的有IEEE 802．11a技術(shù)，它采用了5 GHz頻段，其速率高達(dá)成54 Mb／s；新出現(xiàn)的IEEE 802．11g其實(shí)是一種混合標(biāo)準(zhǔn)，它既能適應(yīng)IEEE802．11b標(biāo)準(zhǔn)，又符合IEEE802. 11a標(biāo)準(zhǔn)，但現(xiàn)在還不是很成熟。綜合考慮，IEEE 802．11b無論是傳輸距離還是傳輸速率都占有優(yōu)勢(shì)，因此對(duì)于軍事通信網(wǎng)可選擇IEEE 802．11b作為仿真標(biāo)準(zhǔn)。
    OPNET網(wǎng)絡(luò)仿真軟件是由美國(guó)OPNET Technology公司開發(fā)的一個(gè)大型的通信與計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)仿真軟件包。為通信網(wǎng)和分布式系統(tǒng)的模擬提供了全方位的支持，是目前世界上先進(jìn)的網(wǎng)絡(luò)仿真開發(fā)和應(yīng)用平臺(tái)之一?；贠PNET的WLAN網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)主要有：無線自組織網(wǎng)絡(luò)(Ad-hoc)，基本W(wǎng)LAN(InfrastructureWLAN)，擴(kuò)展的WLAN(Extended Service Set)和無線骨干網(wǎng)(Wireless Backbone)。
    擴(kuò)展的WIAN是實(shí)際應(yīng)用中的無線接入網(wǎng)絡(luò)，用之完成日常訓(xùn)練并接入軍事通信網(wǎng)主干網(wǎng)。WLAN的主要組成有：
    1)移動(dòng)站(Sration)移動(dòng)站就是戰(zhàn)斗網(wǎng)中的戰(zhàn)斗成員，是直接與無線信道連接的組件。它可以是移動(dòng)的、便攜式的或是固定的。每個(gè)移動(dòng)站支持包括授權(quán)、認(rèn)證、密碼保護(hù)和交換數(shù)據(jù)(MAC服務(wù)數(shù)據(jù)單元)等服務(wù)。
    2)基本服務(wù)子集(Basic Service Set，BSS)一個(gè)IEEE802．11無線局域網(wǎng)至少包含一個(gè)BSS。BSS是由一系列可以互相通信的移動(dòng)站組成的，它在戰(zhàn)斗網(wǎng)中相當(dāng)于各個(gè)戰(zhàn)斗小組。如果基本服務(wù)子集中的所有移動(dòng)站可以直接互相通信而不與有線網(wǎng)絡(luò)相連，稱該BSS為獨(dú)立基本服務(wù)子集(Independent BSS)。
    3)無線接入點(diǎn)(AP) 一個(gè)BSS如果要和外單元通信，必須包含一個(gè)接入點(diǎn)(Access Point，AP)，AP的作用是完成無線局域網(wǎng)和LAN之間的橋接，含有AP的BSS稱為“架構(gòu)BSS(Infrastructure BSS)”，意味著它可以作為更大網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)組成部分。在一個(gè)架構(gòu)BSS中，所有移動(dòng)站和AP進(jìn)行通信。AP既可作為無線子網(wǎng)通向有線網(wǎng)絡(luò)的入口設(shè)備，又可作為本地?zé)o線子網(wǎng)絡(luò)由交換設(shè)備。在大型的配置中，多個(gè)AP可以提供蜂窩式漫游的功能，使用戶在自由移動(dòng)的同時(shí)，能夠無縫隙、無中斷的接入到網(wǎng)絡(luò)中。
    此外還包括天線、POE供電設(shè)備、適配器等。

2 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Ｅc仿真
    部隊(duì)在日常訓(xùn)練中都是通過雙絞線組建局域網(wǎng)，有時(shí)線要拉幾百米甚至更長(zhǎng)，這樣做很不方便，而且容易出現(xiàn)問題。將WLAN技術(shù)引入軍事通信網(wǎng)，通過軟件仿真，查看其網(wǎng)絡(luò)性能，為部隊(duì)實(shí)際應(yīng)用提供可操作性的依據(jù)和參考。
    將網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)映射到OPNET中。如圖1所示。

    網(wǎng)絡(luò)主要由服務(wù)器、交換機(jī)、接入點(diǎn)AP和若干終端組成。
每個(gè)作戰(zhàn)單元由5個(gè)作戰(zhàn)成員和1個(gè)AP組成，每個(gè)作戰(zhàn)單元的AP選用wlan_ethernet_router(fix)，移動(dòng)站選用wlan_wkstn(fix)，交換機(jī)選擇Casio公司的CS_CSS11503_3s_ae24。
    使用OPNET仿真可以大體分成以下幾個(gè)步驟，分別是配置網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?Topology)，業(yè)務(wù)配置(Traffic)，結(jié)果統(tǒng)計(jì)量收集(Statistics)，仿真(Simulation)，調(diào)試模塊再次仿真(Re-simulation)，最后發(fā)布結(jié)果和拓?fù)鋱?bào)告(Report)。具體實(shí)現(xiàn)步驟如下：
    1)配置網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D中使用AP形成四個(gè)架構(gòu)基本服務(wù)子集BSS，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)仿真模型構(gòu)成一個(gè)擴(kuò)展服務(wù)子集。4個(gè)BSS相當(dāng)于訓(xùn)練中的4個(gè)戰(zhàn)斗小組，每個(gè)戰(zhàn)斗小組下有若干個(gè)可移動(dòng)的戰(zhàn)斗成員，各成員之間可自由通信，各成員通過AP與外界通信。各BSS通過交換機(jī)、服務(wù)器接入主干網(wǎng)。
    2)設(shè)王無線結(jié)點(diǎn)的主要屬性數(shù)據(jù)傳輸率為1 Mb／s，物理層配置為直接序列擴(kuò)頻方式(Direct Sequence DS)，信道接入控制為分步協(xié)調(diào)方式(Distribute coordlinated function，DCF)，圖中BSS Identifer的設(shè)置必須和AP的設(shè)置一致，BSS1就設(shè)為1，其余屬性為系統(tǒng)默認(rèn)。根據(jù)OPNlET Modeler離散事件仿真的特點(diǎn)，設(shè)置網(wǎng)絡(luò)初始化時(shí)間為100～110 s。仿真業(yè)務(wù)為語(yǔ)音voice。
    3)統(tǒng)計(jì)量收集
    WLAN的網(wǎng)絡(luò)延時(shí)Delay(Sec)；
    WLAN的網(wǎng)絡(luò)丟包率Data Dropped(bits／sec)；
    WLAN的總負(fù)載load(bits／sec)；
    WLAN的吞吐量Throughput(bits／sec)；
    配置完各種業(yè)務(wù)參數(shù)后，收集網(wǎng)絡(luò)仿真結(jié)果的統(tǒng)計(jì)量，運(yùn)行仿真。

3 仿真結(jié)果分析
    設(shè)定仿真時(shí)間為6 min，隨機(jī)種子為128，仿真場(chǎng)景為每個(gè)BSS分布在500mx500m(場(chǎng)景1)的范圍，運(yùn)行仿真后，得到仿真圖形。
    從以上仿真結(jié)果可以看出：
    1)可靠性 網(wǎng)絡(luò)丟包率如圖2所示，網(wǎng)絡(luò)丟包率非常小，幾乎為零，說明網(wǎng)絡(luò)可靠性好。

    2)實(shí)時(shí)性WLAN網(wǎng)絡(luò)延時(shí)如圖3所示，網(wǎng)絡(luò)初始化結(jié)束后，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)入了穩(wěn)定工作狀態(tài)，網(wǎng)絡(luò)時(shí)延非常小，不超過1ms，網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)性好。

    3)穩(wěn)定性圖4和圖5分別為網(wǎng)絡(luò)總負(fù)載和網(wǎng)絡(luò)吞吐量，初始化后網(wǎng)絡(luò)總負(fù)載和吞吐量一直保持在每秒970 000bits左右，且經(jīng)圖4和圖5的導(dǎo)出數(shù)據(jù)可以得到，吞吐量與總負(fù)載的比例一直保持在95％以上，說明網(wǎng)絡(luò)性能穩(wěn)定。
    將仿真場(chǎng)景改為每個(gè)BSS的覆盞范圍分別為750 mx500 m(場(chǎng)景2)，1 000 m×1000m(場(chǎng)景3)，再進(jìn)行仿真，對(duì)比3個(gè)場(chǎng)景下的各項(xiàng)性能指標(biāo)。
    從仿真圖形4，可以得出以下結(jié)論：
    1)如圖6所示，隨著BSS分布范圍的擴(kuò)大，網(wǎng)絡(luò)丟包率逐漸上升，場(chǎng)景2的丟包率為50 000 bits／s左右，場(chǎng)景3為100 000 bits／s左右，可靠性逐漸下降。

    2)如圖7所示，隨著BSS分布范圍的擴(kuò)大，WLAN網(wǎng)絡(luò)延時(shí)逐漸增大，場(chǎng)景2的延時(shí)為0．3 s，場(chǎng)景2的延時(shí)為0．7s左右，實(shí)時(shí)性略有下降。
    3)如圖8、9所示，隨著BSS分布范圍的擴(kuò)大，網(wǎng)絡(luò)總負(fù)載和網(wǎng)絡(luò)吞吐量相應(yīng)下降，但吞吐量與總負(fù)載的比例一直保持在95％以上，說明網(wǎng)絡(luò)性能穩(wěn)定。
    總之，隨著BSS分布范圍的擴(kuò)大，網(wǎng)絡(luò)性能都有所下降，但總體性能良好，能夠滿足日常訓(xùn)練作戰(zhàn)要求。

4 結(jié)束語(yǔ)
    利用OPNET網(wǎng)絡(luò)仿真軟件，對(duì)軍事通信網(wǎng)擴(kuò)展WLAN在不同場(chǎng)景下的性能指標(biāo)分別從吞吐量、網(wǎng)絡(luò)總負(fù)載、網(wǎng)絡(luò)延時(shí)、丟包率等多個(gè)方面進(jìn)行了比較分析；考察了場(chǎng)景變化后的性能變化，為軍事通信網(wǎng)擴(kuò)展WLAN在部隊(duì)訓(xùn)練作戰(zhàn)中提供了客觀的定量依據(jù)。仿真結(jié)果表明現(xiàn)在一定范圍內(nèi)，軍事通信網(wǎng)擴(kuò)展WLAN各項(xiàng)網(wǎng)絡(luò)性能指標(biāo)穩(wěn)定，能夠滿足網(wǎng)絡(luò)通信要求。