WiMAX網(wǎng)絡(luò)效能分析系統(tǒng)

通信原理論文WiMAX網(wǎng)絡(luò)效能分析系統(tǒng)摘　要：IEEE 802.16通訊協(xié)議是利用其傳距遠、傳速高、QoS管理機制以及行動通訊的支持等特性來解決「最后一哩(last mile)」的問題之無線都會型網(wǎng)絡(luò)技術(shù)然而目前仍然缺開放原始碼及免 費的IEEE 802.16網(wǎng)絡(luò)仿真軟件來支持各方面的研究，例如多媒體頻寬保證服本篇論文描述WiMAX網(wǎng)絡(luò)效能分析系統(tǒng) — WiMAX Network Performance Analyzing System（WNPAS）WNPAS提供使用者一個IEEE 802.16網(wǎng)絡(luò)模擬環(huán)境，以協(xié)助其針對IEEE 802.16網(wǎng)絡(luò)進行深入的研究WNPAS之功能包含仿真腳本(Simulation Script)轉(zhuǎn)換、802.16網(wǎng)絡(luò)效能模擬、以及模擬結(jié)果分析等整個系統(tǒng)采用圖形化接口，供用戶可輕易的評估其針對WiMAX無線網(wǎng)絡(luò)所設(shè)計之帶寬分配算法的效能，并讓使用者能進一步調(diào)整其帶寬分配的方法WNPAS主要的貢獻包含（1）提供使用者IEEE 802.16網(wǎng)絡(luò)模擬環(huán)境；（2）提供使用者圖形化的系統(tǒng)操作介面；（3）各種模擬記錄檔剖析及繪制統(tǒng)計圖表之功能關(guān)鍵詞：IEEE 802.16 Protocol、WiMAX 網(wǎng)絡(luò)效能分析系1、 引言 WiMAX 的發(fā)展并非一帆風(fēng)順，而是面臨著諸多壓力與挑戰(zhàn)。

作為通信市場的新進入者 WiMAX 要取得它應(yīng)有的地位，除了發(fā)揮其在數(shù)據(jù)傳輸方面的優(yōu)勢外，在話音和多媒體方面也應(yīng)該有所作為隨著人們行動性的更加便利，隨時隨地地使用多媒體網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的需求也越來越高，但因網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的物理限制及經(jīng)濟考量，使得使用有線網(wǎng)絡(luò)來存取服務(wù)的能力受到相當(dāng)大的限制IEEE 802.16 寬頻無線存取系統(tǒng)提供高頻與原距離的傳輸，大幅降低骨干網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)成本，在使用網(wǎng)絡(luò)服務(wù)時不再局限于傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)線路和設(shè)備同時 802.16為了支援多媒體移動通訊在QoS的需求，在其MAC做了大幅度的該進，以便達到支援各種多媒體網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的服務(wù)品質(zhì)保證如何在 802.16 中達到多媒體應(yīng)用所要求的服務(wù)質(zhì)量保證，是 802.16 研究中的一大重心，然而目前802.16 上仍欠缺開放原始碼及免費的網(wǎng)絡(luò)仿真軟件來 支 援 究 因 此，產(chǎn)學(xué)界相當(dāng)需要一個針 對802.16 網(wǎng)絡(luò)所開發(fā)的免費開放原始碼網(wǎng)絡(luò)效能仿真軟件此軟件將可提供學(xué)界、以及產(chǎn)業(yè)界驗證其開發(fā)之 802.16 技術(shù)，如允入控制、或帶寬要求和分配機制等等研究本篇論文提出一個WiMAX網(wǎng)絡(luò)效能分析系統(tǒng) — WiMAX Network Performance Analyzing System（WNPAS）。

WNPAS 提供 NS2 802.16 具圖形化接口、仿真腳本(Script)轉(zhuǎn)換、模擬、分析結(jié)果等作業(yè)除此之外，WNPAS 提供圖形化的接口供使用者分析其針對 WiMAX 無線網(wǎng)絡(luò)所設(shè)計的帶寬分配算法之效能，以及協(xié)助使用者了解 IEEE 802.16 通訊協(xié)定的概念2、 IEEE 802.16 介紹2007年10月19日，國際電信聯(lián)盟(ITU)宣布，無線寬帶技術(shù)WiMAX以O(shè)FDMA WMAN TDD的名義正式成為3G新成員這是繼歐洲WCDMA、美國CDMA2000和中國TD-SCDMA三大 3G 標(biāo)準(zhǔn)之后的第四個 3G 標(biāo)準(zhǔn)，也是唯一先商用，后被 ITU 接受的 3G 標(biāo)準(zhǔn) WiMAX是最具競爭力的一種新興的無線寬帶接入技術(shù)，它解決了“最后一公里”的問題，具有傳輸速率高、建設(shè)成本低、項目啟動快、建設(shè)周期短、維護費用低等諸多優(yōu)勢特別是802.16e 的發(fā)布使 WiMAX 兼具高傳輸速率和支持移動性的特點，對現(xiàn)有的移動通信系統(tǒng)造成了嚴(yán)重的市場威脅IEEE802.16是一種面向城域網(wǎng)的寬帶無線接入技術(shù)，能夠提供面向互聯(lián)網(wǎng)的高速連接，主要用來解決寬帶接人“最后一公里”的問題全球微波存取兼容組織(WiMAX, Worldwide Interoperability for Microwave Access)是由英特爾主導(dǎo)、基于IEEE802.16a/d/e標(biāo)準(zhǔn)的無線城域網(wǎng)技術(shù)。

它可作為線纜和DSL的無線擴展技術(shù)，或者用于將IEEE802.1la無線接人熱點(Hotpoint)連接到互聯(lián)網(wǎng)，也可將公司與家庭等網(wǎng)絡(luò)連至有線骨干網(wǎng)，從而真正實現(xiàn)無線與寬帶接人的統(tǒng)一IEEE 802.16 工作組的主要任務(wù)是開發(fā)工作于2G~66GHz頻帶的無線接入系統(tǒng)空中接口物理層（PHY）和媒體接入控制層（MAC）規(guī)范，以及與空中接口協(xié)議相關(guān)的測試根據(jù)是否支持移動特性，IEEE802.16 標(biāo)準(zhǔn)可以分為固定寬帶無線接入(FBWA, Fixed Broadband Wireless Access)空中接口標(biāo)準(zhǔn)和移動寬帶無線接入(MBWA, Mobile Broadband Wireless Access)空中接口標(biāo)準(zhǔn)，其中 IEEE802.16a/d 屬于 FBWA，而 IEEE802.16e 屬于 MBWA下表為各種不同802.16標(biāo)準(zhǔn)的比較IEEE 標(biāo)準(zhǔn)速度頻段802.1632~134Mbps10~66GHz802.16a最高可達75Mbps2~11GHz802.16c[5]32~134Mbps2~10GHz802.16d[6]最高可達75Mbps2~11GHz802.16e[7]最高可達75Mbps2~11GHz802.16的架構(gòu)由兩種固定基地臺所組成，即 Base Station和Subscriber Station。

BS負(fù)責(zé)連結(jié)到公共網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)連線，并同時處理多個SS的傳輸SS為聯(lián)系網(wǎng)絡(luò)服務(wù)使用者與BS之間的橋梁3、 WNPAS概述WNPAS是以NS2為基礎(chǔ)所開發(fā)的網(wǎng)絡(luò)效能分析系統(tǒng)此系統(tǒng)的設(shè)計滿足使用者以下四個需求：1 WNPAS提供 802.16通訊協(xié)定模擬功能，并支援OFDMA、各種Modulation等等2 WNPAS能夠立即提供模擬 802.16 通訊協(xié)定之結(jié)果的統(tǒng)計資料與圖表3 WNPAS 利用圖形化介面協(xié)助不熟悉NS2之使用用者，方便其設(shè)計并執(zhí)行其所設(shè)計之模擬環(huán)境與腳本4 WNPAS為開放源碼軟件WNPAS包含四個子系統(tǒng)，使用者主界面子系統(tǒng)（UMIS）、GUI資料轉(zhuǎn)換子系統(tǒng)（GDTS）、NS2子系統(tǒng)（NSS）、Log分析子系統(tǒng)（LAS）每個子系統(tǒng)的功能描述如下：1 使用者主界面子系統(tǒng)負(fù)責(zé)聯(lián)系其他子系統(tǒng)2 GUI資料轉(zhuǎn)換子系統(tǒng)主要提供NS2 802.16模組產(chǎn)生相對應(yīng)的TCL模擬腳本之圖形化界面3 NS2子系統(tǒng)負(fù)責(zé)將GUI資料轉(zhuǎn)換子系統(tǒng)所產(chǎn)生的TCL模擬腳本作相對應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)模擬并產(chǎn)生模擬記錄檔本子系統(tǒng)提供OFDMA、MAC的QoS服務(wù)、各種Traffic的QoS參數(shù)、允入控制、以及完善的頻寬分配機制等模擬功能。

4 Log分析子系統(tǒng)根據(jù)NS2子系統(tǒng)所產(chǎn)生的模擬記錄檔進行資料分析，并產(chǎn)生使用者所需的統(tǒng)計資料和圖表4、 WNPAS設(shè)計方式WNPAS包含了四個系統(tǒng)，UMIS、GDTS、NSS、LASUMIS 提供 WNPAS 接口的相關(guān)功能，包含呼叫其他 WNPAS 的子系統(tǒng)、開啟儲存仿真腳本、儲存仿真結(jié)果、系統(tǒng)使用說明模塊等功能使用者可拖曳設(shè)備圖示來建立所欲設(shè)計之 802.16 模擬環(huán)境，并利用「Generate TCL」按鈕呼叫 GDTS 子系統(tǒng)產(chǎn)生相對應(yīng)之模擬腳本，使用者也可藉此修改相關(guān)之模擬參數(shù)完成腳本設(shè) 計后 ，使用者 可利 用上方 之「Execute」按鈕呼叫 NSS 子系統(tǒng)執(zhí)行仿真腳本，并利用「Analysis」呼叫 LAS 子系統(tǒng)產(chǎn)生相對應(yīng)之統(tǒng)計圖表，如各個 QoS Service Class 聯(lián)機的平均傳輸速度與延遲GDTS 主要提供用戶圖形化接口之網(wǎng)絡(luò)服務(wù)型態(tài)情境，根據(jù)其需求設(shè)計并產(chǎn)生相對應(yīng)的 TCL 模擬腳本以供 NSS 模塊執(zhí)行網(wǎng)絡(luò)效能仿真GDTS 子系統(tǒng)包括 GUI 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換子系統(tǒng)控制模塊、仿真腳本圖形化顯示模塊、網(wǎng)絡(luò)組件設(shè)定模塊、仿真參數(shù)管理模塊、仿真腳本檔案管理模塊等模塊。

使用者可以透過本系統(tǒng)提供的 GUI 接口直接操作當(dāng)使用者點選 GUI 圖標(biāo)呼叫圖形化接口，接著設(shè)置網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浼軜?gòu)并點選「Connect」建立聯(lián)機，環(huán)境建置完成時，點選「Generate TCL」，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浼軜?gòu)執(zhí)行轉(zhuǎn)換TCL 仿真腳本功能，并產(chǎn)生相對應(yīng)之 TCL 模擬腳本，最后用戶設(shè)定相關(guān)檔案管理操作選項，如文件案名稱與檔案儲存位置我們主要利用 NS2 802.16 模塊來開發(fā) NSS此模塊可提供支持 OFDMA、MAC 層的 QoS 服務(wù)、各個 Traffic 的 QoS 參數(shù)、允入控制、以及完善的帶寬分 配機制 等功 能另外，程 式設(shè)計者需自行新 增Log_Generator()函式以產(chǎn)生仿真數(shù)據(jù)，例如封包的遺失率、傳送時間等等Log_Generator 需因不同種類的仿真記錄產(chǎn)生適當(dāng)?shù)姆抡鏀?shù)據(jù)格式當(dāng)使用者點選「Execute」選項，NSS 將加載相關(guān) NS2 802.16 模組并進行模擬，模擬時 NSS 呼叫 Log Generator 產(chǎn)生仿真過程之 Log 記錄文件，仿真時間結(jié)束后，執(zhí)行視窗自動關(guān)閉如上圖所示，本子系統(tǒng)分作三個模塊，即 OTcl Script Transformer、802.16 Simulation Module、Log Generator。

以下說明各個模塊的詳細(xì)設(shè)計：(一) OTcl Script Transformer NSS 中的 OTcl Script Transformer 用來解讀使用者所撰寫的模擬腳本，藉由解讀的結(jié)果，NSS 得以執(zhí)行所需的函式庫來進行模擬二) 802.16 Simulation Module 本模塊提供 WNPAS 的主要 IEEE 802.16 網(wǎng)絡(luò)模擬功能此模塊支持 OFDMA、MAC 層的 QoS 服務(wù)、各個 Traffic 的 QoS 參數(shù)、允入控制、以及完善的頻寬分配機制等功能如圖所示，本 802.16 模塊細(xì)分成三個子模塊，包含：Traffic Module、MAC Module、PHY ModuleTraffic Module 負(fù)責(zé)產(chǎn)生五種服務(wù)類別的網(wǎng)絡(luò)流量，MAC Module 負(fù)責(zé)模擬 802.16 MAC 層所提供之功能，PHY Module 負(fù)責(zé)模擬 802.16 物理層所提供能下述內(nèi)容將詳細(xì)描述這些子模塊的設(shè)計：(1) Traffic Module 本子模塊負(fù)責(zé)提供 NS2 五種 802.16 標(biāo)準(zhǔn)所定義的網(wǎng)絡(luò)流量服務(wù)類別，即 UGS、ertPS、rtPS、nrtPS、BE。

此五種流量服務(wù)種類皆可讓使用者自定義其 QoS參數(shù)，包含Rmax、Rmin、maximum latency、tolerated jitter等此外，用戶也可設(shè)定其網(wǎng)絡(luò)流量模式，如 CBR (constant bit rate)或 Poisson process2) MAC Module 本子模塊設(shè)計 MAC 層所需負(fù)責(zé)的工作項目，包含 MAC 層 管 理 功 能 、 連 線 分 類 (connection classifier)、允入控制、帶寬分配、DL-MAP和UL-MAP的產(chǎn)生、MAC 封包的制作等等功能MAC 層管理功能負(fù)責(zé)統(tǒng)整處理所有 MAC 層所需負(fù)責(zé)的工作項目，例如 SS 的初始化、Ranging、發(fā)送 BW Request 等等功能此外，MAC 層管理功能也必須根據(jù)不同的情境呼叫相對應(yīng)的子功能，如聯(lián)機分類、允入控制、帶寬分配等等聯(lián)機分類功能意指當(dāng)新增一個新聯(lián)機時，SS 或BS必須將此聯(lián)機分類到802.16所定義的服務(wù)類別之一例如一個新聯(lián)機若要建立，必須先向 MAC 管理功能發(fā)出 Request，然后 MAC 管理功能便可根據(jù)該Request利用聯(lián)機分類功能將此聯(lián)機分類到802.16所定義的服務(wù)聯(lián)機，即 UGS、ertPS、rtPS、nrtPS 或BE 其中之一。

為了讓 BS 管理有限的帶寬，WNPAS 提供一個允入控制機制：CQQ三) Log Generator NSS 中的 Log Generator 提供使用者進行模擬時所產(chǎn)生的仿真數(shù)據(jù)，例如封包的遺失率、傳送時間等等LAS包含二個組件，分別為 Log 分析記錄文件與分析圖表我們主要使用二個函式來開發(fā)仿真記錄文件統(tǒng)計圖表，即新增的函式庫：Satistic()，及 JFreeChart 所擁 有 的 函 式 庫 ： XYLineChart() 、 PieChart() 和BarChart()當(dāng)使用者點選「Analyze」后，LAS 呼叫Statistic()以分析仿真結(jié)果記錄文件，接著 Statistic()將呼叫相對應(yīng)的函示以產(chǎn)生使用者所需的統(tǒng)計表，如XYLineChart()產(chǎn)生折線圖、PieChart()產(chǎn)生圓餅圖、BarChart()產(chǎn)生直方圖當(dāng) LAS 完成所需的統(tǒng)計圖表后，再利用 JAVA 所撰寫的窗口接口顯示于屏幕5、 結(jié)論本篇論文描述一個WiMAX網(wǎng)絡(luò)效能分析系統(tǒng) — WNPAS此系統(tǒng)能提供NS2 802.16網(wǎng)絡(luò)模擬組、具圖形化界面、模擬腳本（Script）轉(zhuǎn)換、模擬結(jié)果分析等功能。

使用者也可藉由WNPAS學(xué)習(xí)802.16無線網(wǎng)絡(luò)模擬分析與運作方式WNPAS也提供欲發(fā)展 802.16 無線網(wǎng)絡(luò)相關(guān)演算法之研究人員一個模擬與分析工具 WNPAS主要的貢獻包含：1 提供一個IEEE 802.16 網(wǎng)絡(luò)模擬系統(tǒng)2 提供使用者圖形化的系統(tǒng)操作界面3 解析模擬腳本與產(chǎn)生模擬記錄檔的功能4 各種模擬記錄檔剖析及繪制統(tǒng)計圖表之功能參考文獻：[1] G. Nair, J. Chou, T. Madejski, K. Perycz, D. Putzolu, J. Sydir, “IEEE 802.16 Medium Access Control and Service Provision,” Intel Technology Journal, vol. 8, issue 3, Aug. 2004. [2] J. Yun, M. Kavehrad, “PHY/MAC Cross-Layer Issues In Mobile WiMAX,” Bechtel Telecommunications Technical Journal, Jan. 2006. [3] Steven J. Vaughan-Nichols, “achieving wireless broadband with Wimax,” Computer, vol. 37, issues 6, pp. 10-13, Jun. 2004.[4] 高澤華,趙國安,寧帆,等.《寬帶無線城域網(wǎng)--WiMAX 技術(shù)與應(yīng)用》[M]. 北京:人民郵電出版社，2008.10.[5] 彭木根,王文博.《下一代寬帶無線通信系統(tǒng)(OFDM & WiMAX)》[M].北京:機械工業(yè)出版社，2007.[6] 王景蕊,羅宏.《WiMAX 無線網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)方案》［J］.電信科學(xué):2007.8.[7] 蘇鵬, 彭建華. WIMAX 技術(shù)應(yīng)用前景分析. 通信技術(shù),2007. 10。