基于OPNET的军事通信网扩展WLAN仿真

摘要：为了在高技术条件下的局部战争中把握战场的主动权，充分发挥军事通信网的保障作用，运用OPNET仿真建模技术，设计了一个简单的军事通信网扩展WLAN的拓扑结构，实现了在三个不同场景下的网络延时、丢包率、网络总负载及吞吐量等网络性能的仿真，并对网络的实时性、可靠性、稳定性等性能进行了比较与评估。实验结果表明，随着WLAN中BSS分布范围的扩大，网络延时和丢包率增加、网络总负载和吞吐量减小，但总体网络性能指标稳定，能够满足网络通信要求。
关键词：OPNET；军事通信网；WLAN；网络性能

    军事通信网是为了保障军队通信不间断而建立的一种专用通信网。在信息化作战条件下，军事通信网是军队的“中枢神经”，是保障各兵种联合作战的重要手段，在现代战争中正发挥着越来越重要的作用。文中使用网络仿真软件OPNET对军事通信网的扩展无线局域网(extend ed WLAN)进行了仿真和研究，并对几种情况下的仿真结果进行了分析比较，较全面分析了军事通信网WIAN的网络性能。

1 基于OPNET的扩展WLAN介绍
    WLAN(Wireless Local Area Networks)无线局域网是一种数据传输系统。它是利用射频PF(Radio Frequency)技术取代旧式双绞铜线(Coaxial)所构成的局域网络。无线局域网络一般不是用来取代有线局域网络，而是用来弥补有线局域网络之不足，以延伸网络，作为有线局域网络的备用系统。
    无线局域网技术有蓝牙(Bluetooth)、IEEE802．11系列、HiperLAN、HomeRF技术等。目前得到广泛应用的技术是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频段；与此相似的有IEEE 802．11a技术，它采用了5 GHz频段，其速率高达成54 Mb／s；新出现的IEEE 802．11g其实是一种混合标准，它既能适应IEEE802．11b标准，又符合IEEE802. 11a标准，但现在还不是很成熟。综合考虑，IEEE 802．11b无论是传输距离还是传输速率都占有优势，因此对于军事通信网可选择IEEE 802．11b作为仿真标准。
    OPNET网络仿真软件是由美国OPNET Technology公司开发的一个大型的通信与计算机网络仿真软件包。为通信网和分布式系统的模拟提供了全方位的支持，是目前世界上先进的网络仿真开发和应用平台之一。基于OPNET的WLAN网络架构主要有：无线自组织网络(Ad-hoc)，基本WLAN(InfrastructureWLAN)，扩展的WLAN(Extended Service Set)和无线骨干网(Wireless Backbone)。
    扩展的WIAN是实际应用中的无线接入网络，用之完成日常训练并接入军事通信网主干网。WLAN的主要组成有：
    1)移动站(Sration)移动站就是战斗网中的战斗成员，是直接与无线信道连接的组件。它可以是移动的、便携式的或是固定的。每个移动站支持包括授权、认证、密码保护和交换数据(MAC服务数据单元)等服务。
    2)基本服务子集(Basic Service Set，BSS)一个IEEE802．11无线局域网至少包含一个BSS。BSS是由一系列可以互相通信的移动站组成的，它在战斗网中相当于各个战斗小组。如果基本服务子集中的所有移动站可以直接互相通信而不与有线网络相连，称该BSS为独立基本服务子集(Independent BSS)。
    3)无线接入点(AP) 一个BSS如果要和外单元通信，必须包含一个接入点(Access Point，AP)，AP的作用是完成无线局域网和LAN之间的桥接，含有AP的BSS称为“架构BSS(Infrastructure BSS)”，意味着它可以作为更大网络的一个组成部分。在一个架构BSS中，所有移动站和AP进行通信。AP既可作为无线子网通向有线网络的入口设备，又可作为本地无线子网络由交换设备。在大型的配置中，多个AP可以提供蜂窝式漫游的功能，使用户在自由移动的同时，能够无缝隙、无中断的接入到网络中。
    此外还包括天线、POE供电设备、适配器等。

2 网络拓扑建模与仿真
    部队在日常训练中都是通过双绞线组建局域网，有时线要拉几百米甚至更长，这样做很不方便，而且容易出现问题。将WLAN技术引入军事通信网，通过软件仿真，查看其网络性能，为部队实际应用提供可操作性的依据和参考。
    将网络拓扑结构映射到OPNET中。如图1所示。

    网络主要由服务器、交换机、接入点AP和若干终端组成。
每个作战单元由5个作战成员和1个AP组成，每个作战单元的AP选用wlan_ethernet_router(fix)，移动站选用wlan_wkstn(fix)，交换机选择Casio公司的CS_CSS11503_3s_ae24。
    使用OPNET仿真可以大体分成以下几个步骤，分别是配置网络拓扑(Topology)，业务配置(Traffic)，结果统计量收集(Statistics)，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)。具体实现步骤如下：
    1)配置网络拓扑图中使用AP形成四个架构基本服务子集BSS，整个网络仿真模型构成一个扩展服务子集。4个BSS相当于训练中的4个战斗小组，每个战斗小组下有若干个可移动的战斗成员，各成员之间可自由通信，各成员通过AP与外界通信。各BSS通过交换机、服务器接入主干网。
    2)设王无线结点的主要属性数据传输率为1 Mb／s，物理层配置为直接序列扩频方式(Direct Sequence DS)，信道接入控制为分步协调方式(Distribute coordlinated function，DCF)，图中BSS Identifer的设置必须和AP的设置一致，BSS1就设为1，其余属性为系统默认。根据OPNlET Modeler离散事件仿真的特点，设置网络初始化时间为100～110 s。仿真业务为语音voice。
    3)统计量收集
    WLAN的网络延时Delay(Sec)；
    WLAN的网络丢包率Data Dropped(bits／sec)；
    WLAN的总负载load(bits／sec)；
    WLAN的吞吐量Throughput(bits／sec)；
    配置完各种业务参数后，收集网络仿真结果的统计量，运行仿真。

3 仿真结果分析
    设定仿真时间为6 min，随机种子为128，仿真场景为每个BSS分布在500mx500m(场景1)的范围，运行仿真后，得到仿真图形。
    从以上仿真结果可以看出：
    1)可靠性 网络丢包率如图2所示，网络丢包率非常小，几乎为零，说明网络可靠性好。

    2)实时性WLAN网络延时如图3所示，网络初始化结束后，整个网络进入了稳定工作状态，网络时延非常小，不超过1ms，网络实时性好。

    3)稳定性图4和图5分别为网络总负载和网络吞吐量，初始化后网络总负载和吞吐量一直保持在每秒970 000bits左右，且经图4和图5的导出数据可以得到，吞吐量与总负载的比例一直保持在95％以上，说明网络性能稳定。
    将仿真场景改为每个BSS的覆盏范围分别为750 mx500 m(场景2)，1 000 m×1000m(场景3)，再进行仿真，对比3个场景下的各项性能指标。
    从仿真图形4，可以得出以下结论：
    1)如图6所示，随着BSS分布范围的扩大，网络丢包率逐渐上升，场景2的丢包率为50 000 bits／s左右，场景3为100 000 bits／s左右，可靠性逐渐下降。

    2)如图7所示，随着BSS分布范围的扩大，WLAN网络延时逐渐增大，场景2的延时为0．3 s，场景2的延时为0．7s左右，实时性略有下降。
    3)如图8、9所示，随着BSS分布范围的扩大，网络总负载和网络吞吐量相应下降，但吞吐量与总负载的比例一直保持在95％以上，说明网络性能稳定。
    总之，随着BSS分布范围的扩大，网络性能都有所下降，但总体性能良好，能够满足日常训练作战要求。

4 结束语
    利用OPNET网络仿真软件，对军事通信网扩展WLAN在不同场景下的性能指标分别从吞吐量、网络总负载、网络延时、丢包率等多个方面进行了比较分析；考察了场景变化后的性能变化，为军事通信网扩展WLAN在部队训练作战中提供了客观的定量依据。仿真结果表明现在一定范围内，军事通信网扩展WLAN各项网络性能指标稳定，能够满足网络通信要求。