基于OPNET的無線通信網(wǎng)絡仿真模型設計

徐海生

中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北石家莊，050000

0 引言

目前來說，OPNET是通信網(wǎng)絡仿真工具中應用最廣泛的一種軟件。OPNET包括過程層、繼電保護及GOOSE網(wǎng)絡等。為了利用通信網(wǎng)絡仿真軟件實現(xiàn)對無線網(wǎng)絡通信的仿真，需要掌握通信過程仿真軟件的數(shù)學建模原理和應用要求，還需更深入了解網(wǎng)絡通信的特點。無線通信網(wǎng)絡仿真模型設計過程中，可以將其分配給仿真軟件所定義的通信模型，保證仿真與基于仿真軟件的真實網(wǎng)絡系統(tǒng)相一致。本文利用OPNET實現(xiàn)無線通信網(wǎng)絡的仿真系統(tǒng)建模。首先，分析了間隔層、站控層、過程層的數(shù)據(jù)流，給出了適用于OPNET的數(shù)學模型。從網(wǎng)絡、節(jié)點、服務多個方面進行模型設計；并且基于OPNET提出了一種完整的仿真參數(shù)配置，用于仿真OPNET的通信性能。

1 OPNET建模過程

OPNET主要用于描述、仿真和分析通信網(wǎng)絡，OPNET的存在使無線傳輸各個方面擁有了建模能力。所有無線功能與高層協(xié)議模型都存在緊密的聯(lián)系，所以開發(fā)人員通過利用OPNET仿真功能、豐富的協(xié)議模型庫等，可以進一步優(yōu)化開發(fā)過程。

1.1 基于OPNET的網(wǎng)絡模型創(chuàng)建步驟

（1）定義問題。關于網(wǎng)絡模型的創(chuàng)建可以從兩個方面理解：一是從實際需要出發(fā)，即必須實現(xiàn)哪些功能，可以從仿真中獲得什么結(jié)果；二是在實際網(wǎng)絡運行環(huán)境中是否對網(wǎng)絡存在特殊要求。另外，還可以站在仿真角度思考如何模擬網(wǎng)絡運行，同時開展模擬功能實驗，保證實驗的精確性。

（2）建立原始模型。在仿真環(huán)境中模擬和構(gòu)建真實網(wǎng)絡，并圍繞原始模型執(zhí)行后續(xù)操作。原始模型是使用許多OPNET模型編輯器建立，包括網(wǎng)絡模型編輯器、進程模型編輯器、天線模型編輯器及節(jié)點模型編輯器。天線模型可以構(gòu)建無線網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，其是一種比較特殊的節(jié)點模型，用戶根據(jù)實際需求來分析天線在任何方向的增益特性，然后來編輯天線模型，使模型可以滿足自身需要。該模塊的功能是通過過程模型實現(xiàn)，而過程模型實際上是一個有限狀態(tài)機，其表示了模塊的狀態(tài)與狀態(tài)轉(zhuǎn)換規(guī)則[1]。

節(jié)點模型可以對所有節(jié)點的特定行為進行定義，一個節(jié)點中含有多個模塊，所以節(jié)點行為也是由模塊來決定。模塊可以實現(xiàn)許多的節(jié)點行為，包括數(shù)據(jù)生成、傳輸、存儲等。網(wǎng)絡模型是根據(jù)問題定義搭建出來能夠運行的第一個基本的網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)，并且還是各個節(jié)點模型和節(jié)點之間相互關系的組成。另外，通過鏈路模型編輯器、包格式編輯器等生成了新的鏈路類型與定義包的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，從而提高了OPNET仿真的真實性，更接近真實的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)。

（3）收集統(tǒng)計量。為了在建立網(wǎng)絡模型后分析網(wǎng)絡性能，應定義重要性統(tǒng)計數(shù)據(jù)。OPNET包括標量統(tǒng)計量與矢量統(tǒng)計量。收集統(tǒng)計信息意味著將統(tǒng)計信息寫入統(tǒng)計信息輸出文件。OPNET提供的節(jié)點和連接統(tǒng)計數(shù)據(jù)包括顯示總體網(wǎng)絡性能，如吞吐量、誤碼率、丟包類型、網(wǎng)絡延遲、負載等。另外，還可以重新設置各種統(tǒng)計方法，方便進行后續(xù)的研究。而用戶也能夠給予自身需求定義所需的統(tǒng)計數(shù)據(jù)。

（4）配置參數(shù)并運行仿真。在仿真運行前會進行最后一次的仿真參數(shù)配置，內(nèi)容包括仿真時間、仿真量以及其他的特殊要求。

（5）分析結(jié)果。仿真過程中，仿真核心將會采用不同方式將一些參數(shù)寫到相應的統(tǒng)計信息內(nèi)，并且還可以通過OPNET來設置不同的查看模式，方便分析不同的統(tǒng)計信息和不同的需求。如果模擬結(jié)果與預測結(jié)果存在不匹配的情況，則可以對原因進行分析，并更改模擬中的問題關聯(lián)，然后再次進行模擬運行。最后，利用OPNET發(fā)布仿真報告[2]。

2 基于OPTEN的數(shù)據(jù)流分析與建模

2.1 網(wǎng)絡報文分析

IE61850標準規(guī)定了通信報文的類型和傳輸時間。根據(jù)功能要求，可以將網(wǎng)絡傳輸?shù)耐ㄐ畔⒎譃槎喾N類型，如快速、中速、低速、文件傳輸、時間同步、原始數(shù)據(jù)、訪問控制命令等，并且每一種消息都擁有相應的傳輸時間要求。所以，根據(jù)時間來看，可以將數(shù)據(jù)流分為突發(fā)數(shù)據(jù)流、隨機數(shù)據(jù)流、周期數(shù)據(jù)流三種類型。本研究根據(jù)這三種類型對數(shù)據(jù)流進行建模。

2.2 突發(fā)性數(shù)據(jù)流分析與建模

部分數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r間非常集中，同時長度較短、存在突發(fā)性，則屬于突發(fā)數(shù)據(jù)流。因為前一時段數(shù)據(jù)的到達，無法顯示突發(fā)數(shù)據(jù)流的發(fā)生概率。也就是說，在網(wǎng)絡接收到信息時，突然發(fā)送一條持續(xù)一定時間的消息；如果沒有數(shù)據(jù)到達，則需要一段時間的不活動。突發(fā)數(shù)據(jù)存在相似性。接收和發(fā)送突發(fā)數(shù)據(jù)都可以使用最簡單的交換模型進行模擬；數(shù)據(jù)以一定速度生成，此時處于打開狀態(tài)；未生成數(shù)據(jù)，則處于關閉狀態(tài)；開放期數(shù)據(jù)的分布函數(shù)既可以和封閉期數(shù)據(jù)分布函數(shù)相同，也可以處于不相同的狀態(tài)。分布函數(shù)能夠決定兩個部分疊加之后的數(shù)據(jù)相關性。

其均值有限，但方差無限，也就是：

在ON、OFF過程中的時間長度所服從的分布函數(shù)之一的重尾分布，對于這一類型的多個數(shù)據(jù)進行相加，形成突發(fā)性數(shù)據(jù)流。

2.3 隨機性數(shù)據(jù)流的分析與建模

在數(shù)據(jù)傳輸過程中，數(shù)據(jù)傳輸是隨機的、不規(guī)則的，那么其屬于隨機性數(shù)據(jù)。而該類型的數(shù)據(jù)可以分為：①數(shù)據(jù)長度較長，實時性要求較低，如保護定值修改、文件傳輸?shù)?。②?shù)據(jù)長度較短，負責保護功能報文的傳輸，例如操作命令切換、聯(lián)鎖保護功能等報警信息。

2.4 周期性數(shù)據(jù)流分析和建模

在穩(wěn)定的工作環(huán)境下，運行期間會產(chǎn)生周期性數(shù)據(jù)報文，該類型報文可以概括為兩種：①間隔層向站控層設備的控制器發(fā)送模擬數(shù)據(jù)、狀態(tài)信息切換，并且發(fā)送時間具有固定的時間間隔；②過程層電壓轉(zhuǎn)換器和電流互感器將采集的數(shù)據(jù)傳輸?shù)介g隔層的IED采樣值。這種類型的定期數(shù)據(jù)具有十分嚴格的時間要求。而時延則是通信網(wǎng)絡中最基礎、最關鍵的因素之一。長度決定了周期性數(shù)據(jù)的大小，因此屬于傳輸或時間數(shù)據(jù)；通過周期性到達時間間隔、固定長度等可以開展模擬工作[3]。

3 基于OPNET的無線通信網(wǎng)絡建模應用分析

3.1 節(jié)點建模

無線通信網(wǎng)絡中的通信節(jié)點模型構(gòu)建是從OPNET模型中選擇模型。其可以根據(jù)自身需要改進節(jié)點處理層，保證實際網(wǎng)絡模型之間的一致性。無線通信網(wǎng)絡模型的組成主要有間隔層保護裝置、站控層服務器、過程層合并單元、監(jiān)控主機、智能斷路器等。網(wǎng)絡節(jié)點分為兩類：①實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸和交換的交換節(jié)點；②數(shù)據(jù)生成、數(shù)據(jù)處理以及數(shù)據(jù)接收的終端節(jié)點。

OPNETmodeler節(jié)點域具有和網(wǎng)絡層和進程層的中間層進行連接的能力，通過節(jié)點模塊來選擇建模方式。組合多個節(jié)點模塊，使其成為一個功能完善的節(jié)點。一個節(jié)點內(nèi)的節(jié)點模塊非常多，甚至可以達到上百個。大部分的節(jié)點采用TCP/IP或OSI參考模型。仿真軟件OpnetModeler選擇的網(wǎng)絡為以太網(wǎng)。網(wǎng)絡節(jié)點選擇TCP/IP協(xié)議棧模型，從頂層（即應用層）到以太網(wǎng)的所有協(xié)議層均實現(xiàn)了仿真覆蓋。

根據(jù)無線通信網(wǎng)絡中不同設備發(fā)送的不同數(shù)據(jù)類型，選擇相應的模型。通過對數(shù)據(jù)流向和數(shù)據(jù)模型的確定和分析，使用以太網(wǎng)模型wkst uadv在OPNET模型中模擬保護控制IED、融合單元MU、智能交換機等智能電子設備，如圖1所示為節(jié)點模型圖。一共有八層，包括數(shù)據(jù)鏈路層mac、arp、ip、ip_encap、收信機hub_rx_0_0、發(fā)信機hub_tx_0_0、適配層tpal、傳輸層tcp、應用層application。其中，ip_encap、arp、ip屬于網(wǎng)絡層。模型中每一層的協(xié)議棧僅鏈接到上層和下層[4]。接收方集線器hub_rx_0_0用于接收數(shù)據(jù)，集線器hub_tx_0_0用于數(shù)據(jù)的發(fā)送；而MAC層實現(xiàn)了以太網(wǎng)MAC底層協(xié)議和各種算法；網(wǎng)絡層劃分功能如下：IP層用于計算網(wǎng)絡性能，IP encap操作主要面向分組，ARP層用于處理地址相關信息；TCP層協(xié)議包括TCP、UDP，可以提供面向連接、非連接的服務；Tpal為應用程序和各種TCP進程提供了統(tǒng)一的接口；以太網(wǎng)模型可以實現(xiàn)分層通信仿真模型；應用程序處理客戶的請求并生成請求[4]。

圖1 ethernet_wkst_adv 的節(jié)點模型

3.2 網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)建模

在無線通信網(wǎng)絡模型中，包含通信鏈路、通信節(jié)點以及子網(wǎng)等，網(wǎng)絡中的最高級別為子網(wǎng)，它可以封裝其他網(wǎng)絡層對象，包括IED設備、交換機等。通過OPNET Modeler中的節(jié)點模型來模擬站控層和間隔層之間的通信，分別將間隔層的九個間隔封裝在單獨的子網(wǎng)中，所有子網(wǎng)交換機均可以連接到交換機層，然后連接到監(jiān)控主機和服務器。連接帶寬為10個基點，最終形成星形網(wǎng)絡拓撲[5]。

3.3 業(yè)務建模數(shù)據(jù)流量的配置

無線通信網(wǎng)絡各個層次之間數(shù)據(jù)流流向與數(shù)據(jù)分析情況：

（1）分析保護控制IED、斷路器IED到達服務器的數(shù)據(jù)流向。在傳送間隔層與過程層設備的狀態(tài)信息過程中，是由間隔層的保護控制IED、斷路器IED實現(xiàn)傳輸?shù)摹６畔魉偷臅r間間隔為20ms，傳送的大小為256bytes，傳送信息為周期性數(shù)據(jù)，計算數(shù)據(jù)流為50×256×8=102.4kbps，該數(shù)據(jù)類型建模為IED狀態(tài)服務，設定報文消息為256bytes，而發(fā)送和接收間隔則是基于t=0.02的常數(shù)分布。

（2）合并單元MU到保護控制IED數(shù)據(jù)流分析。MU保護控制的數(shù)據(jù)流分析在過程層中十分重要。每個間隔內(nèi)的保護控制IED接收MU在同一間隔內(nèi)以一定頻率發(fā)送周期性數(shù)據(jù)，即廣播發(fā)送的樣本值消息SMV[6]。SMV消息的最大長度為159字節(jié)加上12字節(jié)的幀距離字，總長度為171字節(jié)即1368bit。采樣頻率為80點周期，因此模擬過程中的總數(shù)據(jù)流為80×50×1368=5.472Mbps。該類型的數(shù)據(jù)服務建模屬于SMV服務，連接帶寬為10baset，設定消息大小為180字節(jié)。

（3）分析保護控制IED到斷路器IED的數(shù)據(jù)流。一旦出現(xiàn)意外故障事件，間隔層的保護控制器將會觸發(fā)命令，發(fā)送到該層子網(wǎng)中的斷路器，這一消息為16字節(jié)大小，并且會隨機性發(fā)生；在分析隨機數(shù)據(jù)流之后，發(fā)送和接收的隨機數(shù)據(jù)遵循泊松分布。在模擬過程中，這些數(shù)據(jù)服務被建模為驅(qū)動信息服務。消息大小設置為16字節(jié)，時間間隔遵循λ=0.02的泊松分布。

（4）分析從服務器到站控層主機數(shù)據(jù)流。在進行模擬時，驅(qū)動器控制服務器設置為FTP（文件傳輸協(xié)議）。驅(qū)動器控制主機接收從FTP服務器傳輸?shù)拇笮臀募Ｔ谀M過程中，文件大小設置為1M[7]。

（5）分析斷路器IED到保護控制IED數(shù)據(jù)流。GOOSE報文的尺寸服從16bytes的常數(shù)分布；一旦發(fā)生錯誤，保護控制IED將向斷路器發(fā)送觸發(fā)命令消息。第一次傳輸后，以2ms和4ms的間隔連續(xù)傳輸。為了更好地強調(diào)較差環(huán)境的仿真，本研究將此類消息的時間間隔設置為2ms，以便在模擬過程中定期發(fā)送。在模擬過程中，消息大小為16字節(jié)或128位。

3.4 建模配置過程

OPNET所提供的端到端服務和IEC61850通信模型中的客機-服務器模型相一致，并且已經(jīng)形成模塊。業(yè)務建模過程可分為四個步驟：

（1）配置應用程序定義。該環(huán)節(jié)對于客戶與客戶組所有可能發(fā)生的交易進行了詳細定義。參數(shù)包括數(shù)據(jù)包大小、收縮間隔概率等。OPNET軟件中定義了九個應用程序。本研究使用兩種主要應用程序：FTP和視頻會議。通過配置來自不同鏈路和節(jié)點的流量，可以輕松直觀地模擬消息的端到端延遲和其他參數(shù)。

（2）根據(jù)應用程序業(yè)務定義配置全局對象。在將應用業(yè)務定義后，配置應用業(yè)務規(guī)格對于應用程序定義中定義各種數(shù)據(jù)流的行為進行描述，如開始時間、消息持續(xù)時間等。通過設置概要文件配置模塊的屬性來定義概要文件定義，圖2所示為設置流程。

圖2 Profile Definition 參數(shù)設置界面

（3）對服務器應用業(yè)務的配置。服務器支持的應用條件在于應用程序定義與概要文件中已經(jīng)定義好。但是需要通過無線通信網(wǎng)絡需求來設置服務器支持的應用類型。因為服務器能夠接收狀態(tài)信息，所以具有視頻參考的功能。配置方法則是在服務器屬性中指定支持的服務列。

（4）客戶應用業(yè)務的配置。將上述的服務器和應用程序服務配置好以后，應將網(wǎng)絡上每個子網(wǎng)中的節(jié)點配置為支持服務以及發(fā)送和接收對象。在此節(jié)點中要配置的業(yè)務是（1）（2）Application and Profile中指定的業(yè)務查詢。一個節(jié)點可以查詢多個業(yè)務。周期性數(shù)據(jù)流SUV報文首先是由互感器上傳，然后會被發(fā)送給MU。所以，可以說MU是SMV信息的傳輸源，MU被上傳到支持SMV服務的保護控制器[8]。IED斷路器負責打開或關閉控制斷路器，并且還可以監(jiān)控斷路器的狀態(tài)。一旦出現(xiàn)故障，它將從IED保護控制器接收觸發(fā)命令，并通過過程總線將狀態(tài)更改信息發(fā)送給IED保護控制器。因此支持IED和goose服務；每個間隔單元中都部署了IED保護控制裝置，可以用來接收樣本值消息，發(fā)送觸發(fā)命令，同時還可以設置保護控制IED，支持觸發(fā)消息和IED sta Tu服務。在站控層中，服務器會將文件發(fā)送給監(jiān)控主機，服務器設置為支持FTP服務。業(yè)務建模所需要的參數(shù)如表1所示。

表1 OPNET業(yè)務建模參數(shù)列表

創(chuàng)建仿真模型并選擇統(tǒng)計信息后，必須設置仿真環(huán)境。通過配置運行仿真文件（Advanced）的字段來設置仿真。仿真時間為300s，因此前100s是軟件進行初始化的階段，所以從100s后才是實際仿真開始時間。隨機數(shù)種子在仿真期間保持默認值128，總值為100；而模擬值在每500000個事件時進行一次輸出和更新。

4 結(jié)語

隨著網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)越來越龐大、復雜，OPNET對于無線網(wǎng)絡性能來說，具有非常強大的吸引力。本文介紹了OPNET無線網(wǎng)絡仿真的建模流程，并且提出了OPNET的網(wǎng)絡拓撲建模仿真。