基于OPNET的无线移动自组织网络.docx
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基于OPNET的无线移动自组织网络
基于OPNET的无线移动自组织网络
1引言
1.1课题研究的背景及意义
最近几年来，随着Internet的发展，连入网络的主机和用户数目逐年呈指数增长。
网络的普及为我们的生活带来了许多方便而快捷的服务，如下载网上信息、收发电子邮件、实现远程办公等等，人们变得越来越依赖于计算机网络。
与此同时，移动计算机网络业务也逐渐成为人们日益关注的话题。
在网络中提供移动性支持可使网络用户在任何时刻、任何地点通过网络发送和接收各种数据，实现人们提出的“Anytime,Anywhere,MobileNetworksinyourpocket”的愿望。
无线移动自组织网络作为移动计算机的一种特殊形式，由于它不需要固定的基站，各个节点均可自由移动，且能实现动态的连接，加上其具有生存性极强，且创建与移动极为方便的特点，使之弥补了蜂窝系统与有线网络的不足，在许多特殊情况下有着不可替代的作用。
可广泛应用于国防战备、灾难援助、法律执行等无法得到有线网络支持或某些只是临时需要通信但建立有线通信网络代价太大的环境，且可以作为生存性极强的后备网络[2]。
因此，移动自组网的研究对科技进步具有重大促进作用。
同时，随着移动自组网络研究的发展和相关产品的成熟，移动自组网必将越来越受到人们的重视，会有越来越多的应用领域，因而其具有广泛的研究与发展前景。
而天线模型作为影响网络性能的一个重要因素，是确保移动自组网络正确运行的关键。
对该领域进行深入而广泛的研究将为移动自组网的应用提供重要科学依据[3]。
1.2无线移动自组织网络网络的特征
无线移动自组织网络是一种不同于现有网络的特殊无线网络，强调无中心接入、多跳路由，移动终端节点不仅具有主机的功能，还具有路由器的功能。
无线移动自组织网络是由一些带有无线收发装置的移动节点，通过无线信道连接形成的，具有网状拓扑结构的特殊网络。
节点的移动性，导致了网络拓扑结构随时间的变化性。
在无线移动自组织网络中，由于无线通信覆盖范围的有限性，两个无法直接通信的节点可以利用其他节点的路由转发功能进行通信。
它可以在没有或不便利用现有的网络基础设施的情况下提供一种通信支撑环境，从而拓宽了移动通信网络的应用环境。
在无线移动自组织网络中，节点兼备主机和路由器两种角色。
一方面，节点作为用户主机运行相关的协同应用程序；另一方面，节点作为路由器运行相关的路由协议，进行路由发现、路由维护等常见的路由操作，对接收到的信宿不是自己的分组需要进行分组转发。
由此可以看出，与其他通信网络相比，无线移动自组织网络具有以下特征:
（1）网络的自组织性:
无线移动自组织网络相对常规通信网络而言，最大的区别就是可以不需要硬件基础网络设施的支持，在任何时刻、任何地点快速构建起一个移动通信网络。
它的建立不依赖于现有的网络通信设施，具有自组织性。
（2）动态的网络拓扑结构:
在无线移动自组织网络中，网络中的节点可以在网中随意移动。
主机的移动会导致主机之间的链路增加或消失，主机之间的关系不断发生变化。
在自组网中，主机可能同时还是路由器，因此，移动会使网络拓扑结构不断发生变化，而且变化的方式和速度都是不可预测的。
（3）网络的分布式:
在无线移动自组织网络中没有中心控制节点，主机通过分布式协议互联。
无线移动自组织网络的某个或某些节点发生故障，其余的节点仍然能够正常工作，增强了网络健壮性。
（4）有限的无线传输带宽无线移动自组织网络中的节点是通过无线信道进行数据传输的，无线信道本身的物理特性使得网络的网络带宽相对有线网络要低的多；另外，无线信道竞争时所产生的信号衰落、碰撞、阻塞、噪声干扰等因素使得移动终端可得到的实际带宽远远小于理论中的最大带宽值。
（5）移动终端的有限性:
无线移动自组织网络中的移动用户终端内存小、CPU处理能力低、所带电源有限使得无线移动自组织网络设计更加困难。
（6）安全性差：
无线移动自组织网络是一种无线方式的分布式结构，所以更加容易被窃听、入侵、网络攻击和拒绝服务等；不过无线移动自组织网络的分布式特性相对于集中式的网络具有一定的抗毁性。
（7）生存时间短:
无线移动自组织网络主要用于临时的通信需求，相对与有线网络，它的生存时间一般比较短。
1.3与蜂窝无线网的比较
一 无中心和自组织性
传统的蜂窝网由基站和用户终端组成，基站是蜂窝的控制和协调中心；而在无线移动自组织网络中每个节点都是“自治”的主体，节点之间地位平等，这种分布式的结构要求在上层协议中能够让每个节点协同的保持和维护网络的状态。
二多跳通信
蜂窝网的通信方式是用户终端和基站上下行直接通信，采用FDMA、TDMA、CDMA等多址通信方式；对于无线移动自组织网络而言，一个信源信宿对节点可以是网络内部的任何两个节点，由于每个节点发射功率有限，节点的覆盖范围是有限的，因此在很多情况下，它们之间的通信需要经过其他中间节点转发，即需要通过多跳来实现。
1.4与有线网络的比较
一拓扑结构动态变化
在无线移动自组织网络中，网络的拓扑变化可以说是非常剧烈，这种变化主要来自两个方面：
一是节点加入和退出频繁，二是网络中结点本身的移动性。
此外，在有线的网络中，路由节点（路由器）的变化性比终端节点（主机）小的多；而无线移动自组织网络中所有节点既可能是发送、接收节点也可能是路由节点，它们的高变化性使路由信息的更新要求很快，这就使得需要路由协议重新配置路由信息的机制反应迅速并且开销较小。
二节点能量有限
无线移动自组织网络中的移动节点依靠电池来提供能量，能量决定节点的生存期，过分消耗节点的能量导致这些节点退出网络会使网络分割，影响网络的连通性，因此无线移动自组织网络中的路由选择要综合考虑对能量进行优化。
三无线链路带宽有限、容量可变
无线链路的容量显著低于有线链路的容量，考虑多接入、多径衰减、噪声和信号干扰等因素后，无线通信实际的吞吐量常常远远低于它的最大传输效率，以至于在网络中出现拥塞成为一种正常情况，而不是意外。
1.5关键技术
无线移动自组织网络涉及的技术很多，全球的研究人员在这方面开展了大量的研究。
综合而言，主要体现在如下几个方面。
一、信道接入技术
信道接入技术是无线移动自组织网络协议的基础。
它控制着节点如何接入无线信道，对无线移动自组织网络的性能起着决定性的作用。
无线移动自组织网络的无线信道不同与普通网络的共享广播信道、点对点无线信道和蜂窝移动通信系统中由基站控制的信道，它是多跳共享的多点信道。
即一个节点发送信息时，邻居节点（也只要邻居节点）可以收到。
此外，无线移动自组织网络还存在独特的隐藏终端和暴露终端问题。
这些问题需要专门设计的信道接入技术才能解决。
二、路由协议
路由协议是无线移动自组织网络的重要组成部分。
要实现多跳路由，必须要有路由协议的支持。
IETF成立的MANET工作组目前就主要负责无线移动自组织网络IP层路由的标准化工作。
三、服务质量保证
无线移动自组织网络出现的初期，主要用于传输少量的数据信息。
随着应用的不断扩展，需要在无线移动自组织网络传输话音、图像等多媒体信息。
多媒体信息对带宽、时延、时延抖动等都提出了很高的要求。
这就需要提供一定的服务质量保证。
无线移动自组织网络中服务质量保证是个系统性问题，不同层都要提供相应的机制。
比如应用层要提供自适应信源编码和压缩技术，网络层要提供QOS路由，链路层要提供资源预留策略等。
四、安全问题
无线移动自组织网络的特点之一便是安全性较差，易受窃听和攻击。
因此，需要研究适用于无线移动自组织网络的安全体系结构和安全技术。
五、网络互联技术
在很多场合下，无线移动自组织网络要与其他网络互联。
比如在军事应用中，采用无线移动自组织网络技术的战斗网要接入更高级的战场通信系统。
在有的情况下，无线移动自组织网络还要作为末端子网接入因特网。
由于无线移动自组织网络采用了不同的路由协议和传输层服务，在网络互联时需要进行相应的转换工作。
1.6无线移动自组织网络的应用领域
一、军事应用
军事应用是无线移动自组织网络技术的主要应用领域。
因其特有的无需架设网络设施、可快速展开、抗毁性强等特点，无线移动自组织网络是数字化战场通信的首选技术。
美军战术互联网的核心技术就是无线移动自组织网络技术。
美军的近期数字电台（NearTermDigitalRadio,NTDR）和无线互联网控制器等通信装备都使用了无线移动自组织网络技术。
二、无线传感器网络
传感器网络[4]是无线移动自组织网络技术应用的另一大领域。
采用传感器网络将能够跟踪从天气到企业商品库存等各种动态事物，极大的扩充互联网的功能。
对于很多应用场合来说传感器网络只能使用无线通信技术，并且传感器的发射功率很小。
分散的传感器通过无线移动自组织网络技术组成一个网络，可以实现传感器之间和与控制中心之间的通信。
这种网络具有非常广阔的应用前景。
三、紧急和突发场合
在发生了地震、水灾、火灾或遭受其它灾难后，固定的通信网络设施都可能无法正常工作。
此时无线移动自组织网络能够在这些恶劣和特殊的环境下提供通信支持，对抢险和救灾工作具有重要意义。
此外当刑警或消防队员紧急执行任务时，可以通过无线移动自组织网络来保障通信指挥的顺利进行。
四、个人通信
个人局域网（PersonalAreaNetwork,PAN）[5]是无线移动自组织网络技术的又一应用领域，用于实现PDA、手机、掌上电脑等个人电子通信设备之间的通信，并可以构建虚拟教室和讨论组等崭新的移动对等（MobilePeer-To-Peer）[6]应用。
考虑到电磁波的辐射问题，个人局域网通信设备的无线发射功率应尽量小，这样无线移动自组织网络的多跳通信能力将再次展现它的独特优势。
2通信仿真机制
在OPNET仿真软件中，大部分的模型都可以归结为一个由若干相互通信的组成的分布式子系统。
子系统之间主要依靠一些特定的通信方式来传递信息。
这些方式包括数据报的通信机制、通信链路机制、应用接口控制信息（ICI）通信机制和统计线通信机制。
2.1基于包的通信机制
在OPNET中，数据包是最基本的信息载体，也是模块间通信最常用的方式。
数据包是OPNET为支持面向消息通信的一种数据结构，由不同的数据字段组成，可看作对象，可以动态创建、修改、检查、复制、发送、接收、销毁。
数据包有两种格式，一种是格式化数据包，数据包的内容可以通过数据包的字段名称来获得和修改;另外一种是非格式化数据包，其字段没有名称，存取内容依靠内部的索引机制。
数据包流是一种物理连接，可以在同一个节点内部的不同模块间传递数据，定义在源模块的输出端口和目的模块的输入端口之间。
OPNET提供三种通过数据流传送数据并通知目的节点数据包到达的方法：
（1）非强迫调度模式:
目的模块通过数据流的中断来获知数据包的到达。
但要等待目的模块此时正在服务的其他高级中断完成之后才可以引起中断。
（2）强迫模式:
数据包到达目的模块后，立即引发中断，目的模块可以立刻得知数据包的到达，这是一种比较急迫的数据处理方式。
（3）静止方式:
数据包到达后并不引发中断，只是将数据包插入到输入队列的存储区中，目的模块只有在显示自己的输入数据包队列发现并取出该数据包后数据传输任务才算完成[7]。
2.2应用通信链路进行通信
数据包在同一节点内，可通过数据包流来传递，当传输到其他节点时，就需要使用通信链路作为节点间的物理链路。
OPNET提供三种类型通信链路作为直接的物理链路:
点到点链路（Point-to-Point）、总线链路（Bus）、无线链路（Radio）。
点到点链路能够在一对节点之间传送数据包;总线链路可以将一个数据包自动地传送到多个目的地，通常用来代表局域网、计算机总线或其他基于广播的网络;无线链路则用来模拟无线信道的频率、功率、干扰等特性，其特性是广播、时变以及节点的移动性。
为描述各个特点，OPNET采用一系列管道阶段来模拟链路的特性。
例如:
点到点链路要经历4个管道阶段;总线链路共有6个管道阶段;无线链路共有13个管道阶段。
2.3使用接口控制信息（ICI）进行通信
基于ICI的通信机制类似于数据包的通信机制，且ICI数据结构也类似数据包，但比包结构更简单，只包含用户自定义的域，而不存在封装的概念。
ICI的应用场合主要是:
ICI是与事件关联的用户自定义的数据列表，ICI与事件绑定，以事件为载体，可以用在各种有关事件调度的场合，因此比包的应用范围更广。
如需传输额外信息又想避免使用包本身，可以使用ICI。
为将ICI与一事件关联，仿真核心采用一种称为绑定的机制，一个进程在一个时刻只能绑定一个ICI。
绑定后进程生成的新事件都自动与绑定的ICI地址相联系。
2.4利用统计量进行通信
对于一些特定类型的进行少量信息通信的应用而言，利用数据包流就显得过于复杂。
因为数据包流要经过一个完整的创建、传输、处理、销毁等过程。
OPNET提供了非常简单的接口，用来在模块间传输单独的数字值，该接口由节点域中的对象—统计线来完成，待通信的值称为统计量。
统计线最普遍的应用之一是使得用户所定义的进程能够获知同一节点内其他模块的状态。
尤其适用于动态监控其他模块的应用。
另外，统计线可以作为信号量，用于实现不同模块进程的底层信令机制。
3OPNET简介
OPNET最早是1986年由麻省理工大学的博士创建的，并发现网络模拟非常有价值，因此于1987年建立了商业化的OPNET，目前正广泛的应用于企业、网络运营商、以及军事、教育、银行、保险等领域。
3.1OPNET的运用范围
在OPNET的各种产品中，Modeler几乎包含了其他产品的功能，针对不同的领域，表现出不同的用途:
1）对于企业网的模拟，Modeler调用已经建立好的标准模型组网，在某些业务达不到服务质量要求的情况下，如网上交易、数据库等业务响应慢于正常情况，Modeler捕捉重要的流量进行分析，从业务、网络、服务器三方面找出瓶颈。
2）对于比企业网更复杂的运营商（ISP）网络的模拟，Modeler焦点放在整个业务层、流量的模拟，使运营商有效查出业务配置中产生的错误。
3）针对研发的需求，Modeler提供了一个开放的环境，使用户能够建立新的协议和设备，并且能够将细节定义并模拟出来。
3.2OPNETModeler的建模机制
OPNETModeler是目前业界公认的最优秀的通信网络、设施、协议、算法的仿真及建模工具。
它采用三层建模机制:
最底层为进程（Process）模型，以有限状态机来描述协议;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。
三层模型和实际的协议、设备、网络完全对应，全面反映了网络的相关特性。
Modeler采用面向对象的模拟方式（Object-orientedModeling）[8]，每一类节点开始都采用相同的节点模型，再针对不同的对象，设置特定的参数。
例如，配置多个WLAN工作站，他们采用相同的节点模块，界面上，可以设置不同的IP地址和WLAN参数。
Modelre基于事件触发的有限状态机建模（FiniteStateMachineModeling），避免以时间出发，变成以事件词法的建模。
采用离散事件驱动（DiscreteEventDriven）的模拟机理，与时间驱动相比，计算效率大大提高。
例如在仿真路由协议时，如果要了解封包是否到达，不必要每隔很短时间去周期性地查看一次，而是收到封包，事件到达才去看。
每一时刻，FSM将停留在待定状态，之后收到事件，完成事件并跳转状态。
例如路由协议要做的事有获取周边节点的地址，建立拓扑信息，之后路由表稳定下来，在收到封包将其转发到下一个节点，这些事件中断将引起相应的状态转移[9]。
Modeler采用混合建模机制，把基于数据包分析方法和基于统计的数学建模方法结合起来，模拟网络中的包在节点间的流动和节点内部的处理过程，能追踪协议设计中的每一个细节，同时大大提高了仿真效率。
3.3OPNETModeler的仿真对象
使用Modeler仿真大体可以分成6个步骤，分别是配置网络拓扑（Topology）、配置业务（Traffic）、收集结果统计量（Statistics）、运行仿真（Simulation）、调试模块再次仿真（Re-simulation）、最后发布结果和拓扑报告（Report）[10]。
OPNETModeler可以进行仿真的文件对象为:
1）project（工程编辑器）、nodemodel（节点编辑器）、processmodel（进程编辑器）。
2）linkmodel（有线链路模型编辑器）:
设定链路的各项参数。
3）pathmodel:
用来显示流经过的路径，仿真完成后出现与路径模型相对应的路由表，通过路径模块显示一个流是怎么路由的。
4）demandmodel（背景流量模型）:
配置应用背景流和网络背景流，demands物件拼盘中包含各种已经定义好的背景流模型。
5）externalsource（外部文件）:
其中包含若干个外部参数，用在进程模块中，某函数在两个及其两个以上的函数用到的时候就应该定义成外部函数。
6）headerfile:
收集所有的头文件。
7）piplelinestage:
为管道阶段建模，描述物理层的表现，3种opnet链路:
无线、有线点到点、总线都是由相应的管道阶段组成。
8）analysisconfiguration（结果分析编辑器）
9）probemodel（探针模型）:
用来收集统计量，选择统计量的第一种方式是在工程上单击右键，在nodestatistics中有一系列已经分好组的统计量可供选择，如果要收集的统计量不在这里，则可以使用探针模型，单击相应的统计功能键可收集节点、链路、路径、背景流量、配对物件couplednode、属性的统计。
其中的配对物件一般用于无线网络，是指逻辑链接上为一对。
10）simulationsequence:
高级仿真配置文件，用来定义更加全面的仿真，该文件与高级仿真属性对话框的设定相互管理。
11）antennapattern（天线模型）和modulationcurve（调制曲线）:
用于无线模型。
12）externsystemdefinition:
定义opnet与外部系统交互的信息格式。
13）filtermodel（自定义结果过滤器）:
用来对已得到结果进一步加工，使得结果能够突出某方面或更容易被理解。
14）environmetfile:
对应高级仿真属性files选项卡，包含运行仿真的各种途径。
15）genericdatafile:
是一个文本文件，opnet有一类标准的核心函数专门针对这种特殊文件的读取，并可检验内存和做一些预处理工作。
16）ICIeditor（接口控制信息格式编辑器）:
比封包要广。
17）packetformat（封包格式编辑器）:
定义封包的域等内容。
18）pdfeditor（概率分布函数编辑器）:
支持用户自定义概率函数。
总之，OPNET的模型是面向对象的，构造的模型具有很好的继承性和可用性，支持高级语言C/C一描述，可以实现复杂的通信协议，是通信协议设计中首选的仿真平台。
3.4无线移动自控制组织网络的OPNET仿真建模方法
利用OPNET，我们将移动无线移动自组织网络建模分为3级。
第一级为网络级，主要是网络拓扑的描述;第二级是组成该网络拓扑的各类节点模型的描述。
一个节点模型类似一个多进程的堆栈。
第三级即最后一级是组成节点模型的各个进程的描述。
这些进程模型被设计成用C代码实现的有限状态机。
（1）网络模型
网络模型描述了物理网络的布局和资源，它包括节点、连接和端口。
节点代表硬件，如计算机、交换机、路由器、多路复用器或任何类型的通信处理或计算设备，连接代表节点间的传输媒体，包括从LAN的总线到卫星信道的任何类型的传输媒体，节点和连接通过端口相互关联。
移动无线移动自组织网络模型由N个移动节点组成，依次为0,1,2.…，N-1，随机地分布在XXY的矩形区域中，通过无线链路通信。
（2）节点模型
节点模型用于定义每一个节点的行为，一个节点通常由多个模块组成，每个模块完成一部分节点的行为，如数据的产生、存贮等。
模块通过packetstreams或statisticwires相连。
网络中的每个节点由它的IP地址唯一标识。
所有节点都具有相同的节点模型。
节点模型试图重现OR协议栈，只是为强调路由实现而将某些层次合理地省略了，因为仿真建模的主要目的是为移动无线移动自组织网络路由实现提供试验床。
节点模型由以下进程模块组成:
source模块，application模块，routing模块，wireless-mac模块，wlan_rx+wlantx模块，sink模块，mobility模块。
（3）进程模型
节点模型中每个进程模块是由一个进程模型来实现的，每个进程模块可以根据系统方案的不同而选用不同的进程模型。
进程模型是实施各种算法的载体，它主要用来刻画节点模型里的处理器以及队列模型的行为。
OPNET的进程模型可以用来模拟大多数软件或者硬件系统，包括通信协议、算法、排队策略、共享资源、操作系统、特殊的业务源等。
OPNET把其进程模型中的有限状态机（FiniteStateMachine）的状态转移图（StateTransitionDiagram）、标准的C/C-I-+语言以及OPNETModeler提供的核心函数（KernelProcedure）统一在一起，称为Proto-C语言。
对于事件驱动的仿真来说，OPNET的进程模型是产生事件并且处理事件的主体。
对于仿真来说，仿真的控制权不断地在进程模型和仿真核心（SimulationKernel）之间转换。
在事件到达时，仿真核心确定该事件应该交给哪一个进程进行处理，控制权随后就交给了该进程模型，进程模型进入活动状态，根据到达事件的种类，进行相应的处理，处理后重新把控制权交回仿真核心，进程模型进入阻塞状态。
简而言之，进程模型就是在不断在阻塞状态和活动状态之间进行转换。
进程模型开发分为5个阶段:
1）上下文定义
2）分解进程
3）事件枚举（每个进程）
4）开发事件响应表（每个进程）
5）进程模型的实现
为了测试和评价不同的节点移动模式、媒体接入方法和路由设计方案下的系统整体性能，移动无线移动自组织网络仿真建模主要关注的进程模型有路由进程模型、物理层与链路层模型，以及节点移动模型。
4OPNET仿真实例
在此实例中将构建一个简单的无线网络，它包含一个移动干扰节点和两个固定基站。
通过配置运动轨迹，干扰节点可以移动，从而使网络拓扑结构动态的变化，可以观察这种改变对接受信号质量的影响。
同时，移动干扰节点产生的无线噪声干扰时信噪比降低，为了改善网络性能，将采用有向天线来增强网络的抗干扰能力。
因此，还将用到天线模型编辑器创建一个有向天线模型。
最后通过实验将看到，当基站采用有向天线时，网络的信噪比比采用全向天线有明显提高。
4.1创建天线模型
具体的操作步骤如下：
（1）打开OPNET软件，点击File菜单下的new，出现下拉菜单，选择AntennaPattern。
图4-1New下拉菜单
然后单击OK按钮。
图4-2天线编辑器
（2）在项目工作空间中单击右键并从弹出的菜单中选择SetPhiPlane。
从该表中选择5.0Deg。
图4-3每个phi值对应一个层
此时表格变化如图：
图4-4Phi=5层中Theta的取值对应的增益值
（3）设置坐标范围：
单击SetOrdinateUpperBound动作按钮，在对话框中输入201作为坐标上界，单击OK按钮；单击SetOrdinateLowerBoun
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