张蕊，李波

0 引言

无线网络中物理层负责上层数据的传输。网络仿真中建模物理层主要是模拟编码、调制后的数据包经无线信道传输所受到的影响。研究表明不同物理层建模方法，对通信网络上层协议性能仿真有显著的影响[1]。因此，如何真实精确地建模物理层，已成为无线网络仿真技术需要解决的关键性问题之一

OPNET是目前最常用的网络仿真工具之一，大量的网络性能分析工作是基于该仿真工具进行的。然而，经我们对其物理层仿真机制的深入细致的分析，我们发现其在仿真物理层机制方面存在着突出的问题。概括来说，这些问题集中体现在无线信道模型、收发信机工作机理、包误比特率、误帧率计算方法等方面。如果不能很好的解决这些问题，必将严重影响到仿真结果的精确性。出于这样的考虑，本文基于实际物理层工作原理，深入分析了OPNET建模仿真物理层机制中存在的突出问题，并提出了改进方法。概括来说主要包括：其一，将OPNET机制中的自由空间信道模型改进，成了具有路径损耗与阴影衰落的通用两径信道模型；其二，将OPNET的全双工工作模式改进，成了符合实际物理层工作机理的半双工工作模式；其三，改进OPNET机制中利用纠错门限判断误帧的方法（纠错门限法不适用于卷积编码）；其四，实现了将PLCP头与MPDU分段，分别按照特定的编码、调制方式计算误比特率的精确建模方法。

1 物理层工作机理剖析与精确建模仿真方法研究

图1给出了无线通信系统中物理层的基本功能模块及其相互间的关系。发送节点在发送数据之前先将数据编码，再经调制后送入信道。经信道传输的信号会受路径损耗、阴影效应、多径效应、背景噪声、以及来自其他发送节点的干扰信号（如图1中发送节点2对发送节点1构成干扰）等的影响，从而造成信号幅度和相位的变化。接收节点经解调和解码后最终实现对发送数据包的接收。

图1 物理层的基本组成功能模块及相互间关系

鉴于无线通信系统的纷繁多样性，为了具体起见，我们将集中讨论基于IEEE 802.11a标准[2，3]的无线局域网中物理层精确建模与仿真技术。文中所提出的方法也将适用于其他无线通信系统的仿真。

在很多仿真中为了便于理论分析，物理层接收机使用Disc model模型，即接收信号信噪比高于接收门限就正确接收数据包，低于接收门限就丢弃包，这种接收机制是不够精确的。本文提到的接收模型是具有过渡区域的模型[4]，即发送节点具有一定的载波侦听范围，在该范围内的接收节点都能感知到信道上的信号，但能否正确解码数据包，则取决于接收信号的强度，以及特定编码调制方式下的误帧率的大小。本文建模的无线信道不再是简单的自由空间模型，而是具有路由损耗和阴影衰落的通用两径无线信道模型，（详见3.1）。

2 OPNET物理层仿真机制

OPNET用无线收发信机模块来建模仿真物理层。其将数据在信道中的传输用14个阶段进行建模[5]（见图2）。

图2 仿真物理层的管道机制

发信机执行前6个管道阶段。主要模拟无线信道的广播特性及包经无线信道传输时的延迟。收信机执行后面的8个管道阶段。主要过程是经收信机增益、接收功率、信噪比管道阶段分别计算接收功率、信噪比；误比特率管道阶段根据相应的调制方式计算误比特率；错误分布、错误纠正管道阶段根据相应的编码方式、编码速率来判断接收到的数据包是否产生了误帧，并最终实现物理层对数据包的接收。

3 OPNET物理层仿真机制中存在的突出问题与改进方法

3.1 信道模型

问题1：OPNET自带的物理层仿真机制中的无线信道是用自由空间模型刻画的，即该模型只仿真了无线信道的路径损耗，而实际的衰落信道中还应考虑阴影衰落。

改进方法：本文实现的无线信道是同时具有路径损耗和阴影效应的通用信道模型。路径损耗按双径模型[6]，在接收功率管道阶段，用以下公式计算收发节点间距离为d时的接收功率[6]。

问题2：OPNET中的收信机组管道阶段将网络中所有的收信机，都看成是与发信机相对应的收信机，即网络中的所有节点都在发送节点，的载波侦听范围之内。而实际通信中，由于无线信道的广播特性及发射功率的有限性，因此节点的通信只会影响其邻居节点。

改进方法：在收信机组管道阶段根据802.11a标准中，接收机灵敏度要求在式（1）所述无线信道环境中，当发射功率为-5.5dB时的载波侦听范围为550米。

针对以上两个问题，考虑无线通信中载波侦听范围与传输范围，对信号传输的不同影响，以及无线信道的不稳定性及非对称性[4]，本文建模的信道是在载波侦听范围之内的通用信道模型；接收机模型是载波侦听范围内的节点根据接收到包的信噪比计算误帧率，进而决定是否收包。

3.2 物理层工作模式

问题1：实际中，大部分无线通信系统的物理层工作在半双工方式下，而OPNET自带的物理层仿真机制却模拟的是全双工方式。

改进方法：为了更为真实的仿真物理层，本文设计实现了半双工的通信机制，其实现流程图如图3所示，其中“tx_state”为发信机的扩展属性。

图3 半双工工作方式实现流程图

3.3 误帧率计算方法

问题：OPNET机制中仿真数据包是否误帧的方法是：由误比特率计算该段（假设该段数据长度为N比特）错误的比特数i。数据包接收结束，将每段的错误比特数i累加，得到总的错误数，再将m=总的错误数/数据包总长度（每段之和），与该段所用编码方式下的纠错门限ecc_th进行比较，若m不大于ecc_th，则该数据包能被正确接收。然而由于纠错门限是一个比率，我们在仿真中发现使用该方法针对卷积编码在有些情况下会出现长的数据包较短的数据包误帧率小的情形（详见4.1），这跟实际是不相符的。

改进方法：涉及到编码技术，利用编码增益后的误比特率计算误帧率FER。

其中Pb是编码增益后的误比特率，N为数据包长度，单位为比特。对于802.11a中的卷积编码，当码速率为1/2时，最优编码增益为7.0dB；当编码速率为2/3时，最优编码增益为 6.7dB；当码速率为 3/4时，最优编码增益为6.5dB[5]；

3.4 PLCP头与MPDU分段

问题：802.11a标准中 PPDU（物理协议数据单元）由PLCP头与MPDU两部分构成（见图4），采用OFDM调制方式。为了可靠传输起见，PLCP头以BPSK方式调制，1/2码率卷积编码；而 MPDU则可由其他速率更高的QPSK，QAM16，QAM64进行调制，较高码率编码，因此其传输的可靠性较低。但是，OPNET自带机制中，将PPDU以一种方式解调/解码，这样不符合802.11a标准的实际规定。

改进方法：本文严格按照802.11a标准的规定，将PLCP头与MPDU分段，并按照实际的编码、调制方式在接收端完成解调和解码过程的仿真（流程图见图5）。

图4 802.11a PPDU数据帧格式[4]

图5 PLCP头与MPDU分段的仿真流程图

4 精确建模仿真方法性能分析

4.1 误帧率计算方法性能分析

仿真拓扑（如图6）：节点A向B发数据，载波侦听范围550米，发射功率-5.5dB，数据速率24Mbps。仿真比较了不同误帧率计算方法下，短包RTS（长发为160比特）与长包DATA（长度为4096比特）的误帧率随节点间距离（Distance）变化的曲线，见图7、图8。

图6 距离与误帧率关系仿真拓扑

图7 OPNET自带机制中误帧率随距离变化曲线

图8 改进后误帧率随距离变化曲线

性能分析：图7中当节点间距离小于480米时出现了DATA误帧率比RTS误帧率高的情况，这跟实际情况不符。图8中相同距离时DATA比RTS误帧率高，且过渡带较小。这正符合当数据包较长时，误帧率高的理论。

4.2 对PLCP头与MPDU分段仿真性能分析

仿真场景设置如图9所示，节点4、8，5、6间有通信，相邻节点间水平距离为200m，垂直距离为250m。仿真统计了不同下，网络中所有节点收到的错误包（包括旁听到的包）中PLCP头错误的概率（PLCP错误数目与PPDU错误数的比）随MPDU传输速率的变化，如图10所示。

图9 PLCP头与MPDU分段性能测试仿真场景

图10 不同传输速率下的PLCP头错误率

性能分析：不同的传输速率对应不同调制、编码方式。图10所示当速率为12Mbps时，MPDU以QPSK调制，1/2速率编码，因此与PLCP头BPSK调制，1/2速率编码对应的传输性能相差不是很大，而当速率为36Mbps时，MPDU以QAM-64调制，PLCP头的错误率不到10%。这说明PLCP比MPDU有更好的传输可靠性，因此有必要将PLCP与MPDU分段进行仿真，从而大幅度提高物理层的仿真精度。

5 结论

本文分析了OPNET建模与仿真无线通信系统物理层存在的问题，并从信道模型、物理层工作模式、物理层采用不同方式传输数据包（数据包接收方式、误帧率计算方法）等方面，提出了改进仿真精度的方法，仿真结果表明，本文所提出的物理层仿真建模机制，可以明显提高系统仿真的精度。由于利用本文所提出的仿真建模方法，人们可以得到对无线通信系统物理层更为精确而实际的性能仿真，因此其在实际无线通信系统的仿真应用中具有较好的参考价值。

[1]Nasir Q，Dubai M Al，Harous S.Effect of Wireless Channels on the Performance of Ad Hoc Networks[J].International Journal of Business Data Communications and Networking，2009，Vol.3（2）:333-345.

[2]钟章队等，无线局域网[M]，北京:科学出版社，2004:148.

[3]Daji Qiao，Goodput Analysis and link Adaptation for IEEE 802.11a Wireless LANs[J].IEEE Transactions on Mobile Computing，2002，Vol.1，（4）:278-292.

[4]Zuniga M Zamalloa and Krishnamachari B.An Anayless of Unreliability and Asymmetry in Low-Power Wireless Links[J].ACM Transactions on Sensor Network，2007，Vol，3（2）:1-34.

[5]陈敏，OPNET网络仿真[M]，北京:清华大学出版，2006:170-194.

[6]Andrea oldsmith.WIRELESS COMMUNIC-ATIONS[M].Cambridge University Press，2005:40-46.