WiMAX网络效能分析系统

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1、通信原理论文 WiMAX网络效能分析系统 摘　要：IEEE 802.16通讯协议是利用其传距远、传速高、QoS管理机制以及行动通讯的支持等特性来解决「最后一哩(last mile)」的问题之无线都会型网络技术。然而目前仍然缺开放原始码及免 费的IEEE 802.16网络仿真软件来支持各方面的研究，例如多媒体频宽保证服。本篇论文描述WiMAX网络效能分析系统 — WiMAX Network Performance Analyzing System（WNPAS）。WNPAS提供使用者一个IEEE 802.16网络模拟环境，以协助其针对IEEE 802.16网络进行深入的研究。WNPAS之功

2、能包含仿真脚本(Simulation Script)转换、802.16网络效能模拟、以及模拟结果分析等。整个系统采用图形化接口，供用户可轻易的评估其针对WiMAX无线网络所设计之带宽分配算法的效能，并让使用者能进一步调整其带宽分配的方法。WNPAS主要的贡献包含（1）提供使用者IEEE 802.16网络模拟环境；（2）提供使用者图形化的系统操作介面；（3）各种模拟记录档剖析及绘制统计图表之功能。 关键词：IEEE 802.16 Protocol、WiMAX 网络效能分析系 1、 引言 WiMAX 的发展并非一帆风顺，而是面临着诸多压力与挑战。作为通信市场的新进入者 WiMAX 要取得它

3、应有的地位，除了发挥其在数据传输方面的优势外，在话音和多媒体方面也应该有所作为。随着人们行动性的更加便利，随时随地地使用多媒体网络应用的需求也越来越高，但因网络设备的物理限制及经济考量，使得使用有线网络来存取服务的能力受到相当大的限制。IEEE 802.16 宽频无线存取系统提供高频与原距离的传输，大幅降低骨干网络的建设成本，在使用网络服务时不再局限于传统网络线路和设备。同时 802.16为了支援多媒体移动通讯在QoS的需求，在其MAC做了大幅度的该进，以便达到支援各种多媒体网络应用的服务品质保证。如何在 802.16 中达到多媒体应用所要求的服务质量保证，是 802.16 研究中的一大重心，

4、然而目前802.16 上仍欠缺开放原始码及免费的网络仿真软件来 支 援 究 。因 此，产学界相当需要一个针 对802.16 网络所开发的免费开放原始码网络效能仿真软件。此软件将可提供学界、以及产业界验证其开发之 802.16 技术，如允入控制、或带宽要求和分配机制等等研究。本篇论文提出一个WiMAX网络效能分析系统 — WiMAX Network Performance Analyzing System（WNPAS）。WNPAS 提供 NS2 802.16 具图形化接口、仿真脚本(Script)转换、模拟、分析结果等作业。除此之外，WNPAS 提供图形化的接口供使用者分析其针对 WiMAX 无

5、线网络所设计的带宽分配算法之效能，以及协助使用者了解 IEEE 802.16 通讯协定的概念。 2、 IEEE 802.16 介绍 2007年10月19日，国际电信联盟(ITU)宣布，无线宽带技术WiMAX以OFDMA WMAN TDD的名义正式成为3G新成员。这是继欧洲WCDMA、美国CDMA2000和中国TD-SCDMA三大 3G 标准之后的第四个 3G 标准，也是唯一先商用，后被 ITU 接受的 3G 标准。 WiMAX是最具竞争力的一种新兴的无线宽带接入技术，它解决了“最后一公里”的问题，具有传输速率高、建设成本低、项目启动快、建设周期短、维护费用低等诸多优势。特别是802.16e

6、 的发布使 WiMAX 兼具高传输速率和支持移动性的特点，对现有的移动通信系统造成了严重的市场威胁。 IEEE802.16是一种面向城域网的宽带无线接入技术，能够提供面向互联网的高速连接，主要用来解决宽带接人“最后一公里”的问题。全球微波存取兼容组织(WiMAX, Worldwide Interoperability for Microwave Access)是由英特尔主导、基于IEEE802.16a/d/e标准的无线城域网技术。它可作为线缆和DSL的无线扩展技术，或者用于将IEEE802.1la无线接人热点(Hotpoint)连接到互联网，也可将公司与家庭等网络连至有线骨干网，从而真正实现

7、无线与宽带接人的统一。 IEEE 802.16 工作组的主要任务是开发工作于2G~66GHz频带的无线接入系统空中接口物理层（PHY）和媒体接入控制层（MAC）规范，以及与空中接口协议相关的测试。根据是否支持移动特性，IEEE802.16 标准可以分为固定宽带无线接入(FBWA, Fixed Broadband Wireless Access)空中接口标准和移动宽带无线接入(MBWA, Mobile Broadband Wireless Access)空中接口标准，其中 IEEE802.16a/d 属于 FBWA，而 IEEE802.16e 属于 MBWA。 下表为各种不同802.16标准

8、的比较。 IEEE 标准 速度 频段 802.16 32~134Mbps 10~66GHz 802.16a 最高可达75Mbps 2~11GHz 802.16c[5] 32~134Mbps 2~10GHz 802.16d[6] 最高可达75Mbps 2~11GHz 802.16e[7] 最高可达75Mbps 2~11GHz 802.16的架构由两种固定基地台所组成，即 Base Station和Subscriber Station。BS负责连结到公共网络的网络连线，并同时处理多个SS的传输。SS为联系网络服务使用者与BS之间的桥梁。 3、 WNPAS概述

9、 WNPAS是以NS2为基础所开发的网络效能分析系统。此系统的设计满足使用者以下四个需求： 1 WNPAS提供 802.16通讯协定模拟功能，并支援OFDMA、各种Modulation等等。 2 WNPAS能够立即提供模拟 802.16 通讯协定之结果的统计资料与图表。 3 WNPAS 利用图形化介面协助不熟悉NS2之使用用者，方便其设计并执行其所设计之模拟环境与脚本。 4 WNPAS为开放源码软件。 WNPAS包含四个子系统，使用者主界面子系统（UMIS）、GUI资料转换子系统（GDTS）、NS2子系统（NSS）、Log分析子系统（LAS）。每个子系统的功能描述如下： 1 使用

10、者主界面子系统负责联系其他子系统。 2 GUI资料转换子系统主要提供NS2 802.16模组产生相对应的TCL模拟脚本之图形化界面。 3 NS2子系统负责将GUI资料转换子系统所产生的TCL模拟脚本作相对应的网络模拟并产生模拟记录档。本子系统提供OFDMA、MAC的QoS服务、各种Traffic的QoS参数、允入控制、以及完善的频宽分配机制等模拟功能。 4 Log分析子系统根据NS2子系统所产生的模拟记录档进行资料分析，并产生使用者所需的统计资料和图表。 4、 WNPAS设计方式 WNPAS包含了四个系统，UMIS、GDTS、NSS、LAS。 UMIS 提供 WNPAS 接口的相关

11、功能，包含呼叫其他 WNPAS 的子系统、开启储存仿真脚本、储存仿真结果、系统使用说明模块等功能。使用者可拖曳设备图示来建立所欲设计之 802.16 模拟环境，并利用「Generate TCL」按钮呼叫 GDTS 子系统产生相对应之模拟脚本，使用者也可藉此修改相关之模拟参数。完成脚本设 计后 ，使用者 可利 用上方 之「Execute」按钮呼叫 NSS 子系统执行仿真脚本，并利用「Analysis」呼叫 LAS 子系统产生相对应之统计图表，如各个 QoS Service Class 联机的平均传输速度与延迟。 GDTS 主要提供用户图形化接口之网络服务型态情境，根据其需求设计并产生相对应的

12、TCL 模拟脚本以供 NSS 模块执行网络效能仿真。GDTS 子系统包括 GUI 数据转换子系统控制模块、仿真脚本图形化显示模块、网络组件设定模块、仿真参数管理模块、仿真脚本档案管理模块等模块。使用者可以透过本系统提供的 GUI 接口直接操作。当使用者点选 GUI 图标呼叫图形化接口，接着设置网络拓扑架构并点选「Connect」建立联机，环境建置完成时，点选「Generate TCL」，根据网络拓扑架构执行转换TCL 仿真脚本功能，并产生相对应之 TCL 模拟脚本，最后用户设定相关档案管理操作选项，如文件案名称与档案储存位置 我们主要利用 NS2 802.16 模块来开发 NSS。此模块可提

13、供支持 OFDMA、MAC 层的 QoS 服务、各个 Traffic 的 QoS 参数、允入控制、以及完善的带宽分 配机制 等功 能。另外，程 式设计者需自行新 增Log_Generator()函式以产生仿真数据，例如封包的遗失率、传送时间等等。Log_Generator 需因不同种类的仿真记录产生适当的仿真数据格式。当使用者点选「Execute」选项，NSS 将加载相关 NS2 802.16 模组并进行模拟，模拟时 NSS 呼叫 Log Generator 产生仿真过程之 Log 记录文件，仿真时间结束后，执行视窗自动关闭。 如上图所示，本子系统分作三个模块，即 OTcl Script

14、 Transformer、802.16 Simulation Module、Log Generator。以下说明各个模块的详细设计： (一) OTcl Script Transformer NSS 中的 OTcl Script Transformer 用来解读使用者所撰写的模拟脚本，藉由解读的结果，NSS 得以执行所需的函式库来进行模拟。 (二) 802.16 Simulation Module 本模块提供 WNPAS 的主要 IEEE 802.16 网络模拟功能。此模块支持 OFDMA、MAC 层的 QoS 服务、各个 Traffic 的 QoS 参数、允入控制、以及完善的频宽分

15、配机制等功能。如图所示，本 802.16 模块细分成三个子模块，包含：Traffic Module、MAC Module、PHY Module。Traffic Module 负责产生五种服务类别的网络流量，MAC Module 负责模拟 802.16 MAC 层所提供之功能，PHY Module 负责模拟 802.16 物理层所提供能。下述内容将详细描述这些子模块的设计： (1) Traffic Module 本子模块负责提供 NS2 五种 802.16 标准所定义的网络流量服务类别，即 UGS、ertPS、rtPS、nrtPS、BE。此五种流量服务种类皆可让使用者自定义其 QoS参数，

16、包含Rmax、Rmin、maximum latency、tolerated jitter等。此外，用户也可设定其网络流量模式，如 CBR (constant bit rate)或 Poisson process。 (2) MAC Module 本子模块设计 MAC 层所需负责的工作项目，包含 MAC 层 管 理 功 能 、 连 线 分 类 (connection classifier)、允入控制、带宽分配、DL-MAP和UL-MAP的产生、MAC 封包的制作等等功能。MAC 层管理功能负责统整处理所有 MAC 层所 需负责的工作项目，例如 SS 的初始化、Ranging、发送 BW

17、Request 等等功能。此外，MAC 层管理功能也必须根据不同的情境呼叫相对应的子功能，如联机分类、允入控制、带宽分配等等。联机分类功能意指当新增一个新联机时，SS 或BS必须将此联机分类到802.16所定义的服务类别之一。例如一个新联机若要建立，必须先向 MAC 管理功能发出 Request，然后 MAC 管理功能便可根据该Request利用联机分类功能将此联机分类到802.16所定义的服务联机，即 UGS、ertPS、rtPS、nrtPS 或BE 其中之一。为了让 BS 管理有限的带宽，WNPAS 提供一个允入控制机制：CQQ。 (三) Log Generator NSS 中的 L

18、og Generator 提供使用者进行模拟时所产生的仿真数据，例如封包的遗失率、传送时间等等。 LAS包含二个组件，分别为 Log 分析记录文件与分析图表。我们主要使用二个函式来开发仿真记录文件统计图表，即新增的函式库：Satistic()，及 JFreeChart 所拥 有 的 函 式 库 ： XYLineChart() 、 PieChart() 和BarChart()。当使用者点选「Analyze」后，LAS 呼叫Statistic()以分析仿真结果记录文件，接着 Statistic()将呼叫相对应的函示以产生使用者所需的统计表，如XYLineChart()产生折线图、PieChart

19、()产生圆饼图、BarChart()产生直方图。当 LAS 完成所需的统计图表后，再利用 JAVA 所撰写的窗口接口显示于屏幕。 5、 结论 本篇论文描述一个WiMAX网络效能分析系统 — WNPAS。此系统能提供NS2 802.16网络模拟组、具图形化界面、模拟脚本（Script）转换、模拟结果分析等功能。使用者也可藉由WNPAS学习802.16无线网络模拟分析与运作方式。WNPAS也提供欲发展 802.16 无线网络相关演算法之研究人员一个模拟与分析工具。 WNPAS主要的贡献包含： 1 提供一个IEEE 802.16 网络模拟系统。 2 提供使用者图形化的系统操

20、作界面。 3 解析模拟脚本与产生模拟记录档的功能。 4 各种模拟记录档剖析及绘制统计图表之功能。 参考文献： [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

21、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] 高泽华,赵国安,宁帆,等.《宽带无线城域网--WiMAX 技术与应用》[M]. 北京:人民邮电出版社，2008.10. [5] 彭木根,王文博.《下一代宽带无线通信系统(OFDM & WiMAX)》[M].北京:机械工业出版社，2007. [6] 王景蕊,罗宏.《WiMAX 无线网络组网方案》［J］.电信科学:2007.8. [7] 苏鹏, 彭建华. WIMAX 技术应用前景分析. 通信技术,2007. 10