无线网络技术教程2-网络仿真技术(实验)

1、无线网络技术教程无线网络技术教程原理、应用与仿真实验原理、应用与仿真实验作 者 金光，江先亮出 版 社 清华大学出版社出版时间 2011-10-1网络仿真技术简介 为什么网络仿真？ 利用数学建模和统计分析等方法，模拟网络行为，从而指导和优化网络设计的技术。 用途：教学实验、采购设备、建设网络。 模拟的网络状况： 有限的带宽、时延、丢包、乱序、重复报文、竞争、流量、拥塞、误码等。网络仿真技术简介 网络仿真方法： 1，数学建模（理论性强） 2，真机实测（昂贵，真实） 3，分析仪器（昂贵，真实） 4，网络仿真（模拟，可二次开发，便宜）1，数学建模 数学模型 数学工具：概率论，排队论，随机过程ALOH

2、A协议 1971年，美国夏威夷大学的ALOHA网。 两个版本 纯ALOHA协议：每个站点只要有数据就可发送。 时隙ALOHA协议：将信道时间分为离散的时间片，每个时间片可以用来发送一个帧。 纯ALOHA 时隙ALOHA 在ALOHA协议基础上，发展出： IEEE 802.3以太网协议，1991. 载波监听多路访问/冲突检测 CSMA/CD(Carrier Sense Multiple Access/Collision Detect) IEEE 802.11无线局域网协议，1997. 载波监听多路访问/冲突避免 CSMA/CA(Carrier Sense Multiple Access with

3、 Collision Avoidance)7ALOHA协议纯ALOHA协议中的冲突 规则：有数据就发，不论信道状态是否空闲。 冲突后，发送方没有收一旦重叠，就发生冲突（校数据损，坏验和不正确） 到ACK，等待随机时间重传。8ALOHA协议纯ALOHA的效率如何？数学模型泊松分布 无限个用户，随机且独立的产生新帧，帧长固定，平均每个帧时产生N帧(N原始负载，频率，NN，G可以大于1) 泊松分布：每个帧时内产生k帧的概率衡量效率的指标：吞吐量 S = GP0 含义：有多少比例的帧能够无冲突的传输？ G是负载，P0是成功传输一帧的概率Pr ,0,1,2.!kGG ekkk9 问题转化为：在什么样的条

4、件下？任意帧(图中的阴影帧代表)能够无冲突的传输？ 任意帧的易受冲突区域=2个帧时，平均产生2G个帧，公式变为： 在易受冲突区域内没有其它帧(k=0)产生的概率为： ，所以 S = GP0 = Ge-2G0220(2 )Pr00!GGGePe2(2 )Pr ,0,1,2.!kGGekkk10ALOHA协议纯ALOHA的效率：S = GP0 = Ge-2GALOHA协议的吞吐量S与负载G的关系图S18.4% 信道分为时隙，站点必须等到时隙的开始才能发送 将易受冲突的区域减小一半 = 1帧时 在易受冲突区域(1帧时)内没有其它帧(k=0)产生的概率为：P0= e-G，所以吞吐量 S = Ge-G时

5、隙ALOHA时隙ALOHA纯ALOHA： 信道利用率S 18.4%时隙ALOHA：信道利用率S 36.8%ALOHA协议的吞吐量S与负载G的关系图 Matlab编写的ALOHA协议仿真程序 模仿了100个节点 按照G负载发送 统计了冲突的概率 优点：简单快速 可以验证理论公式 发表论文的论据 缺点： 不够严谨, 没有考虑 误码率，节点失效 传输延时，噪声function Traffic,S,Delay=aloha(capture)%* 输入参数 *% capture: 是否考虑捕获效应 0:不考虑 1:考虑%* 输出参数 *% Traffic: 实际产生的业务量% S： 吞吐量% Delay：

6、 平均延迟 %*定义终端状态常数以及仿真结束参数 * STANDBY = 0; %等待 TRANSMIT = 1; %传输COLLISION = 2; %碰撞TOTAL=10000; % 成功传输多少数据包后仿真结束%*定义信道参数 *brate = 6e6; % 比特速率Srate = 0.25e6; % 符号速率Plen = 500; % 包长（符号数）Ttime = Plen / Srate; % 每个数据包的传输时间Dtime = 0.01; % 归一化传播延迟alfa = 3; % 路径损耗指数sigma = 6; % 阴影衰落标准差 dB%*定义接入点信息 *r = 100; %

7、服务区域半径 mbxy = 0, 0, 5; % 接入点位置坐标 (x,y,z)mtcn = 10; % 接入点进行正确信号解调所需要的最低信号功率 dBm%*定义终端信息 * Mnum = 100; % 终端数目mcn = 30; % 终端在服务区域边缘时，接入点接收到的信号的信噪比mpow = 10(mcn/10) * sqrt(r2+bxy(3)2)alfa; % 终端的发射信号功率h=0; % 终端高度mxy = randsrc(2,Mnum,-r:r); randsrc(1,Mnum,0:h); % 随机生成终端坐标while 1 d=sqrt(sum(mxy(1:2,:).2);

8、% 判断终端与接入点的水平距离是否超过r tmp,indx=find(dr); if length(indx) = 0 break end mxy(:,indx)=randsrc(2,length(indx),-r:r);mxy(3,indx); %超过r重新生成位置坐标enddistance=sqrt(sum(ones(Mnum,1)*bxy).-mxy).2); %终端距离接入点的距离mrnd = randn(1,Mnum); % 每个终端的阴影衰落%G=0.1:0.2:1,1.2:0.2:2; % 理论业务量G=0.1:0.2:2;网络仿真技术简介 网络仿真方法： 1，数学建模（理论性强

9、） 2，真机实测（昂贵，真实） 3，分析仪器（昂贵，真实） 4，网络仿真（模拟，可二次开发，便宜）2，真机实测 不适合大规模网络，成本高。 Wireshark抓包网络仿真技术简介 网络仿真方法： 1，数学建模（理论性强） 2，真机实测（昂贵，真实） 3，分析仪器（昂贵，真实） 4，网络仿真（模拟，可二次开发，便宜）3，仿真仪器 网络分析仪示波器+电脑 可测量网络参数的幅度、相位、频率特性。 支持无线网络、有线网络，解析多种协议报文。 品牌：安捷伦、Rohde&Schwarz、中电41所。 价格：几万-数百万。网络仿真技术简介 网络仿真方法： 1，数学建模（理论性强） 2，真机实测（昂贵

10、，真实） 3，分析仪器（昂贵，真实） 4，网络仿真（模拟，可二次开发，便宜）194，网络仿真技术 网络仿真技术 利用计算机软件模拟网络行为的技术。 优点： 速度快，成本低，不折旧。 可以仿真大规模网络，具有预测功能。 既可分析已有协议，已经集成在软件中。 又可研究创新协议，测试新协议的性能。2.9.1 Opnet仿真平台 Opnet正版仿真软件 面向专业研发人员，仿真大型复杂网络。 比NS好用：界面、协议库、输出等。 Opnet的价格 几十个用户的lisence，一年需要一两万美元。 使用盗版Opnet的弊端 即使做出了结果，不能堂堂正正地写成论文投往国外期刊，将来可能是版权侵犯的证据。 目前

11、，中国大学的文章绝大部分是用NS仿真。212.9.3 MATLAB仿真平台 MATLAB工具 擅长数值计算和图形处理的科学计算软件。 优点 宽松的语言体系、图形图像系统、丰富的数学函数库、应用程序接口。 科学论文，矩阵运算，画图很方便。 扩展功能 各种工具箱如Simulink等，完成不同领域的各种特定任务。222.9.2 NS2仿真平台 NS2网络仿真 UC伯克利大学开发的仿真软件 NS2遵循GPL协议，源代码开放 以GPL协议发布到网上的代码素材，你可以随意使用，也可以更改，但是更改后再次发布的代码。 必须也遵守GPL协议，主要要求是必须开源，而且不能删减原作者的声明信息等，“传染性” 。

12、可以出售，但是整个产品代码，必须开源。2.10 NS2基础知识 NS2有丰富的构件库 能完成大部分网络仿真需求。 网络类型：广域网、局域网、移动通信网、卫星通信网等 路由类型：层次路由、动态路由、多播路由等 跟踪记录：各种状态和事件以便分析 数学函数：随机数、积分等242.10 NS2基础知识 获取NS2 官网：/nsnam/ns/ 知识库：/nsnam/index.php/Main_Page 安装平台 Windows的Cygwin，书中采用。 直接在Linux系统，实验采用。252.10 NS2基础知识NS2目录结构图 262.10 NS

13、2基础知识 NS2采用了“OTcl/C+分裂模型” 优点： C+：速度快，编写复杂算法，用来实现具体协议。 Otcl：速度慢，方便修改，用来配置网络布局。 TclCL ：把两种语言中的对象和变量联系起来。 缺点： 同时维护两套代码，对使用者要求较高，上手慢。2.10 NS2基础知识 NS2仿真流程修改协议 创建C+类，即.cc文件。不修改协议 编写tcl脚本，建立OTcl对象，设置属性，调度网络仿真事件的发生。28用NS2进行无线网络仿真通过未通过需要满意开始问题定义需修改源码？编写TCL仿真脚本执行仿真分析结果分析问题所在结果满意？结束修改源代码重新编译NS2编译通过？调试NS2NS2仿真基本流程图 不需要大型工程292.10 NS2基础知识 NS2的简单OTCL语法et val(prop) Propagation/TwoRayGround 衰减类型set val(netif) Phy/WirelessPhy 物理层set val(mac) Mac/802_11