WiMAX網絡效能分析系統

通信原理論文WiMAX網絡效能分析系統摘　要：IEEE 802.16通訊協議是利用其傳距遠、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絡技術然而目前仍然缺開放原始碼及免 費的IEEE 802.16網絡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網絡效能分析系統 — WiMAX Network Performance Analyzing System（WNPAS）WNPAS提供使用者一個IEEE 802.16網絡模擬環(huán)境，以協助其針對IEEE 802.16網絡進行深入的研究WNPAS之功能包含仿真腳本(Simulation Script)轉換、802.16網絡效能模擬、以及模擬結果分析等整個系統采用圖形化接口，供用戶可輕易的評估其針對WiMAX無線網絡所設計之帶寬分配算法的效能，并讓使用者能進一步調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網絡模擬環(huán)境；（2）提供使用者圖形化的系統操作介面；（3）各種模擬記錄檔剖析及繪制統計圖表之功能關鍵詞：IEEE 802.16 Protocol、WiMAX 網絡效能分析系1、 引言 WiMAX 的發(fā)展并非一帆風順，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 要取得它應有的地位，除了發(fā)揮其在數據傳輸方面的優(yōu)勢外，在話音和多媒體方面也應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絡應用的需求也越來越高，但因網絡設備的物理限制及經濟考量，使得使用有線網絡來存取服務的能力受到相當大的限制IEEE 802.16 寬頻無線存取系統提供高頻與原距離的傳輸，大幅降低骨干網絡的建設成本，在使用網絡服務時不再局限于傳統網絡線路和設備同時 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絡應用的服務品質保證如何在 802.16 中達到多媒體應用所要求的服務質量保證，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絡仿真軟件來 支 援 究 因 此，產學界相當需要一個針 對802.16 網絡所開發(fā)的免費開放原始碼網絡效能仿真軟件此軟件將可提供學界、以及產業(yè)界驗證其開發(fā)之 802.16 技術，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網絡效能分析系統 — WiMAX Network Performance Analyzing System（WNPAS）。

WNPAS 提供 NS2 802.16 具圖形化接口、仿真腳本(Script)轉換、模擬、分析結果等作業(yè)除此之外，WNPAS 提供圖形化的接口供使用者分析其針對 WiMAX 無線網絡所設計的帶寬分配算法之效能，以及協助使用者了解 IEEE 802.16 通訊協定的概念2、 IEEE 802.16 介紹2007年10月19日，國際電信聯盟(ITU)宣布，無線寬帶技術WiMAX以OFDMA 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 標準之后的第四個 3G 標準，也是唯一先商用，后被 ITU 接受的 3G 標準 WiMAX是最具競爭力的一種新興的無線寬帶接入技術，它解決了“最后一公里”的問題，具有傳輸速率高、建設成本低、項目啟動快、建設周期短、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，對現有的移動通信系統造成了嚴重的市場威脅IEEE802.16是一種面向城域網的寬帶無線接入技術，能夠提供面向互聯網的高速連接，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、基于IEEE802.16a/d/e標準的無線城域網技術。

它可作為線纜和DSL的無線擴展技術，或者用于將IEEE802.1la無線接人熱點(Hotpoint)連接到互聯網，也可將公司與家庭等網絡連至有線骨干網，從而真正實現無線與寬帶接人的統一IEEE 802.16 工作組的主要任務是開發(fā)工作于2G~66GHz頻帶的無線接入系統空中接口物理層（PHY）和媒體接入控制層（MAC）規(guī)范，以及與空中接口協議相關的測試根據是否支持移動特性，IEEE802.16 標準可以分為固定寬帶無線接入(FBWA, Fixed Broadband Wireless Access)空中接口標準和移動寬帶無線接入(MBWA, Mobile Broadband Wireless Access)空中接口標準，其中 IEEE802.16a/d 屬于 FBWA，而 IEEE802.16e 屬于 MBWA下表為各種不同802.16標準的比較IEEE 標準速度頻段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的架構由兩種固定基地臺所組成，即 Base Station和Subscriber Station。

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

4 Log分析子系統根據NS2子系統所產生的模擬記錄檔進行資料分析，并產生使用者所需的統計資料和圖表4、 WNPAS設計方式WNPAS包含了四個系統，UMIS、GDTS、NSS、LASUMIS 提供 WNPAS 接口的相關功能，包含呼叫其他 WNPAS 的子系統、開啟儲存仿真腳本、儲存仿真結果、系統使用說明模塊等功能使用者可拖曳設備圖示來建立所欲設計之 802.16 模擬環(huán)境，并利用「Generate TCL」按鈕呼叫 GDTS 子系統產生相對應之模擬腳本，使用者也可藉此修改相關之模擬參數完成腳本設 計后 ，使用者 可利 用上方 之「Execute」按鈕呼叫 NSS 子系統執(zhí)行仿真腳本，并利用「Analysis」呼叫 LAS 子系統產生相對應之統計圖表，如各個 QoS Service Class 聯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絡服務型態(tài)情境，根據其需求設計并產生相對應的 TCL 模擬腳本以供 NSS 模塊執(zhí)行網絡效能仿真GDTS 子系統包括 GUI 數據轉換子系統控制模塊、仿真腳本圖形化顯示模塊、網絡組件設定模塊、仿真參數管理模塊、仿真腳本檔案管理模塊等模塊。

使用者可以透過本系統提供的 GUI 接口直接操作當使用者點選 GUI 圖標呼叫圖形化接口，接著設置網絡拓撲架構并點選「Connect」建立聯機，環(huán)境建置完成時，點選「Generate TCL」，根據網絡拓撲架構執(zhí)行轉換TCL 仿真腳本功能，并產生相對應之 TCL 模擬腳本，最后用戶設定相關檔案管理操作選項，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、各個 Traffic 的 QoS 參數、允入控制、以及完善的帶寬分 配機制 等功 能另外，程 式設計者需自行新 增Log_Generator()函式以產生仿真數據，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生適當的仿真數據格式當使用者點選「Execute」選項，NSS 將加載相關 NS2 802.16 模組并進行模擬，模擬時 NSS 呼叫 Log Generator 產生仿真過程之 Log 記錄文件，仿真時間結束后，執(zhí)行視窗自動關閉如上圖所示，本子系統分作三個模塊，即 OTcl Script Transformer、802.16 Simulation Module、Log Generator。

以下說明各個模塊的詳細設計：(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 網絡模擬功能此模塊支持 OFDMA、MAC 層的 QoS 服務、各個 Traffic 的 QoS 參數、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 模塊細分成三個子模塊，包含：Traffic Module、MAC Module、PHY ModuleTraffic Module 負責產生五種服務類別的網絡流量，MAC Module 負責模擬 802.16 MAC 層所提供之功能，PHY Module 負責模擬 802.16 物理層所提供能下述內容將詳細描述這些子模塊的設計：(1) Traffic Module 本子模塊負責提供 NS2 五種 802.16 標準所定義的網絡流量服務類別，即 UGS、ertPS、rtPS、nrtPS、BE。

此五種流量服務種類皆可讓使用者自定義其 QoS參數，包含Rmax、Rmin、maximum latency、tolerated jitter等此外，用戶也可設定其網絡流量模式，如 CBR (constant bit rate)或 Poisson process2) MAC Module 本子模塊設計 MAC 層所需負責的工作項目，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的產生、MAC 封包的制作等等功能MAC 層管理功能負責統整處理所有 MAC 層所需負責的工作項目，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不同的情境呼叫相對應的子功能，如聯機分類、允入控制、帶寬分配等等聯機分類功能意指當新增一個新聯機時，SS 或BS必須將此聯機分類到802.16所定義的服務類別之一例如一個新聯機若要建立，必須先向 MAC 管理功能發(fā)出 Request，然后 MAC 管理功能便可根據該Request利用聯機分類功能將此聯機分類到802.16所定義的服務聯機，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生的仿真數據，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()當使用者點選「Analyze」后，LAS 呼叫Statistic()以分析仿真結果記錄文件，接著 Statistic()將呼叫相對應的函示以產生使用者所需的統計表，如XYLineChart()產生折線圖、PieChart()產生圓餅圖、BarChart()產生直方圖當 LAS 完成所需的統計圖表后，再利用 JAVA 所撰寫的窗口接口顯示于屏幕5、 結論本篇論文描述一個WiMAX網絡效能分析系統 — WNPAS此系統能提供NS2 802.16網絡模擬組、具圖形化界面、模擬腳本（Script）轉換、模擬結果分析等功能。

使用者也可藉由WNPAS學習802.16無線網絡模擬分析與運作方式WNPAS也提供欲發(fā)展 802.16 無線網絡相關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 網絡模擬系統2 提供使用者圖形化的系統操作界面3 解析模擬腳本與產生模擬記錄檔的功能4 各種模擬記錄檔剖析及繪制統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--WiMAX 技術與應用》[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(OFDM & WiMAX)》[M].北京:機械工業(yè)出版社，2007.[6] 王景蕊,羅宏.《WiMAX 無線網絡組網方案》［J］.電信科學:2007.8.[7] 蘇鵬, 彭建華. WIMAX 技術應用前景分析. 通信技術,2007. 10。