WLAN的组网及性能仿真.docx
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WLAN的组网及性能仿真
南京邮电大学
毕业设计（论文）
题目
WLAN的组网及性能仿真
专业
网络工程
学生姓名
XX
班级学号
XXXXXXX
指导教师
XX
指导单位
南京邮电大学
日期：
2012年11月12日至2013年6月21日
毕业设计（论文）原创性声明
本人郑重声明：
所提交的毕业设计（论文），是本人在导师指导下，独立进行研究工作所取得的成果。
除文中已注明引用的内容外，本毕业设计（论文）不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。
对本研究做出过重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明并表示了谢意。
论文作者签名：
日期：
年月日
摘要
近年来，随着无线宽带和移动通信技术不断发展，人们对网络依赖的日益严重，WLAN快捷的便利性显得越来越重要。
因此，无线局域网通信技术得到了迅速的发展。
本文首先介绍了WLAN的原理和技术指标，阐述了WLAN的运作过程，以及IEEE802.11协议及其系列标准产生背景及原因，并且比较了WLAN相比传统有线网和移动网的优点。
本文还研究了电信级WLAN的组网方案和组网会面临的一些问题，对组网的拓扑结构进行了分析。
同时，本文还重点介绍了OPNET软件网络仿真相关知识，包括运用OPNET软件建立网络模型的步骤。
最后对搭建的网络进行仿真研究，通过对全局统计量和节点之间统计量的分析比较和不同参数的仿真实验对比，可以得出相应结论，实现了基于OPNET软件的WLAN网络建模和性能仿真。
关键词：
无线局域网；无线接入点；OPNET；网络仿真
ABSTRACT
Inrecentyears,withthecontinuousdevelopmentofwirelessbroadbandandmobilecommunicationstechnology,thedependenceonthenetworkisgrowingfasterthanbefore.TheconvenienceofWLANisbecomingmoreandmoreimportant.Therefore,WLAN（WirelessLocalAreaNetwork）technologyhasdevelopedrapidly.
ThearticledescribesthemainprinciplesandtechniquesofWLANandelaboratestheoperationofWLAN,aswellasitsfamilyofstandardIEEE802.11protocol.ItalsointroducestheadvantagesofWLANcomparedtotraditionalwirednetworksandmobilenetwork.Thisarticlealsostudiesthecarrier-gradeWLANnetworkingsolutionsandtheproblemsofnetworking.Thetopologyofnetworkisanalyzedinthispaper.Meanwhile,thepaperalsointroducesthesoftwarenamedOPNETinnetworksimulation.WecanuseOPNETtoestablishthenetworkmodelandsimulationtoresearchthroughtheglobalstatisticsandanalysisofstatisticsbetweennodes.Wedrawtheappropriateconclusionsthroughthedifferencesbetweenthedifferentparametersofthesimulationexperiments.Finally,wecanoperateWLANnetworkmodelingandperformancesimulationsuccessfullybasedonOPNETsoftware.
Keywords:
WLAN;AccessPoint;OPNET;networksimulation
第一章绪论
1.1课题研究的意义及来源
随着网络技术的发展，人们希望能够随时随地访问网络，并且对多媒体业务等数据服务需求加大，而且网络也越来越广泛得被使用，用户数量急剧增加，这必然给网络原有设备带来冲击，因此需要发展新的网络接入方法以缓解网络需求。
WLAN以其独特的优势，比如，热点覆盖、低移动性和高数据传输速率，与固网和移动网形成了很好的互补，因而在无线局域网的应用越来越广泛。
为了迅速地部署WLAN网络，运营商们都在不断完善WLAN的互通技术。
WLAN网络广泛的部署可以分流数据流量的压力，让整个网络更加健壮。
以提高网络服务质量，提升用户的满意度为目标，此时网络仿真则突显出其重要性，所以本课题的研究意义是非常大的。
1.2课题任务
本次毕业的主要任务是基于OPNET软件的WLAN建模仿真与性能测试，熟练使用OPNET软件，并用该软件搭一个无线网络模型进行仿真，并分析网络操作过程中的各种行为，比较统计量，得出结论，完成毕设。
在仿真实验过程中还需研究WLAN电信级组网和WLAN相关知识，实现分流固网和移动网的使用人群，缓解网络服务压力，提升网络服务质量和便捷性，并且根据所学知识要点建立网络模型并修改。
此次仿真使用的OPNET软件版本为14.5最新版，相比其他版本功能更强大，具体就是：
事先规划网络模型结构，再对无线网络拓扑结构进行修改纠错，之后根据搭建向导按步骤新建项目场景，在面板上搭建出自己事先规划好的模型，完成参数设置，勾选需观察的统计量，仿真完成后统计量以曲线图的形式展现，我们就能根据图形概况推导出结论，对今后的网络优化提供事实依据。
1.3论文结构及本人主要工作
论文的第一章是课题的绪论，主要阐述本课题的研究意义及来源，并且简单介绍了本课题的主要内容，以及基本任务和步骤。
论文的第二章是关于WLAN的原理和技术标准等，详细介绍了WLAN的原理，特点，技术标准以及发展史。
对WLAN常用的结构作了详细阐述。
论文的第三章则是关于WLAN的电信级组网方案，研究了WLAN电信级组网实施的可能性和组网的逻辑结构示意图。
论文的第四部分主要介绍了OPNET软件和它的特点，也详细地阐述了OPNET的通信仿真机制。
OPNET仿真是以系统理论、形式化理论、随机过程和统计学理论、优化理论为基础。
在设计阶段，仿真方法提供一个虚拟模型来预测并比较各种方案的性能，通过对不同环境和工作负荷的分析和比较，来优化系统的性能。
除此之外，毕设的仿真实验部分也一起归纳在第四部分，首先详细描述了使用OPNET软件建模仿真的步骤，然后通过观测统计量得出相应结论。
仿真所需工具：
OPNETMODELER14.5、MicrosoftVisualC++6.0。
此次毕业设计的时间为三个月，一开始我花了近一个月理解毕设题目要求以及收集相关资料和自学相关知识点，因之前并未对OPNET软件有过多少了解，所以花了一部分时间熟悉OPNET软件来掌握基本的软件操作。
然后用剩下的大部分时间设计了初期无线局域网的网络模型，完成模块设计，搭建框架，之后进行调试运行测试，得出仿真结果。
最终通过导师与自己的共同努力，终于顺利地完成了毕业设计。
第二章WLAN技术原理
2.1WLAN基本概念
无线局域网络（WirelessLocalAreaNetworks；WLAN）是相当便利的数据传输系统。
它利用射频（RadioFrequency）的技术，取代碍手碍脚的双绞铜线（Coaxial）所构成的有线局域网络，使得无线局域网络能利用简单的存取架构。
用户可以通过它可以达到随时随地都能获取网络信息的理想境界。
WLAN是一种便捷的数据通信网络，一般作为传统有线局域网（如以太网）的补充或者替代。
WLAN通过无线技术发送和接收数据，减少了有线连接的需求。
如此就能让用户在移动的情况下得到一直在线的网络服务，比如网页浏览、网上聊天等以前只可以在台式机上实现的功能。
2.2WLAN发展史
无线网络的初步应用，就要追朔到五十年前的二战期间。
当时美国陆军发明了无线电科技，并且用于资料的传输。
因为其很高的加密能力，所以美国军队广泛地使用了这个技术。
这项技术出乎意料之外地在五十年之后的今天得到了迅速发展并且大大改善了我们的生活。
以此为基础，美国夏威夷的技术人员在1971年创造了首个无线电网络。
这个无线网络是基于封包式技术并且被称为ALOHNET。
早期的无线局域网结构并不复杂，共有7台计算机组成。
这7台计算机以双向星型拓扑结构分别置于四座夏威夷的岛屿。
中心计算机放在在瓦胡岛上，其余计算机则分置于其他岛屿。
从这时开始，无线网络可以说是正式诞生了。
1990年，IEEE正式启用了802.11项目，无线网络技术逐渐走向成熟。
IEEE802.11（WIFI）标准诞生以来，先后有802.11a和802.11b，802.11g，802.11e，802.11f，802.11h，802.11i，802.11j等标准制定或者酝酿。
现在，为实现高宽度、高质量的WLAN服务，802.11新系列的标准也即将横空出世。
自2003年以来，因为人们对网络的网速以及便捷性要求越来越高，对WLAN市场需求越来越大，WLAN市场热度极速上升。
于是和电脑以及移动设备紧密结合的技术得到了人们的争相吹捧。
人们开始重视WiFi、CDMA/GPRS、蓝牙等无线技术，所以这些技术配套的产品理所应当得成为IT市场上的增长点。
同一时间，无线网络因其低成本和便捷等特点，开始逐步步入人们生活的主流，大大改善了生活质量。
2.3WLAN的特点
无线局域网（WLAN）是适应时代的产物。
它是由计算机网络与无线通信技术相结合造就的。
WLAN不仅支持计算机之间的通信，还支持移动通信和多媒体应用。
它是利用了无线多址信道的方法，并且使用无线电或红外线信号来处理数据传输。
无线局域网可以在替代传统线缆的同时，提供以太网的功能。
无线局域网是以电磁波的形式在空气中发送和接受数据，而无需线缆介质。
WLAN的数据传输速率现已能够达到108Mbps。
无线网的传输距离也相当大，可达20km以上。
它是对有线联网方式的一种补充和替代，能够迅速便捷地实现网络连接功能。
无线局域网与有线网络相比，有很多优势。
直接采用电缆会受到物理条件的限制，且安装成本较高。
在部署完成以后，改动不够灵活。
如果使用电话线连接，每月的费用比较高，而且安装和设备成本也很高。
如果使用微波连接，通常都要申请许可证，安装不方便，使用和设备的价格都很昂贵。
但是无线连接则无需担心上述问题，通过无线信号传输数据，避免了高昂的使用价格。
况且，无线局域网的网络适应性很好，不易受到地理位置的限制。
比如，公司搬迁需重设无线网络，在这种情况下只要重新设置网络连接设备和天线，就可以快速恢复无线网的连接。
因为无线网传输提供的仅仅是一个完全透明的链路（符合IEEE802.11），所以支持所有的网络协议（如TCP/IP）。
无线网具有很高的兼容性，各种网络接口的标准和不同操作系统都可以支持。
通过WLAN，企业可以完全控制网络，节约服务费用，降低组建和安装硬件的初期投资。
与有线网络相比，无线局域网具有以下优点：
●架设便捷
通常在网络架构中，布线的时间最长、而且会影响周边环境。
解决这个问题恰好就是无线局域网设计的一个初衷，免去了施工过程中一些破坏建筑和架线的过程。
无线局域网优势就是只要安装多个AP（AccessPoint）设备，就可建立覆盖整个建筑或地区的局域网络。
●接入灵活
在传统局域网中，联网往往会受到网络接入点位置的限制。
一旦网络布线完成，很难不在增加成本的情况下大范围的移动接入点。
当无线局域网建成并且能够运作后，只要在无线信号覆盖范围内的任一位置都能接入网络。
●经济节约
上面讲到了因为有线网络接入缺少灵活性，这就需要网络规划者增加网络信号覆盖区域，尽可能的在成本允许的情况下增多网络接入点的覆盖范围。
这就往往导致预设大量利用率较低的接入点。
这样不仅加大了非必要的支出，而且当网络的发展超出了事先规划，又要花费较多费用进行网络改造。
无线局域网可以避免或减少以上情况的发生，如果要完成一栋六层高的信息化办公楼的基础网络设施，建设有线网络所需花费将会大大超过建设无线网络。
2.4WLAN技术标准
WLAN标准的开发主要有两大组织机构。
一个是IEEE的802.11工作组，一个是欧洲ETSI的RES10工作组。
第一个802.11标准是1997年完成的，它通过在ISM频段内使用扩频调制技术，提供高达2Mbit/s的数据传输速率。
802.11是IEEE（电气和电子工程师协会）最初制定的一个无线局域网标准，主要用于解决办公室局域网和校园网中用户与用户终端的无线接入，主要限于数据存取，速率最高只能达到2Mbps。
1999年9月，IEEE标准委员会又通过了两项对最初标准的附录。
第一个标准802.11b，扩展了已存的2.4GHz物理层性能，使它的数据传送速率可以达到11Mbit/s。
第二个标准802.11a，致力于在5GHz频段内的物理层中提供新的、更高的数据传送速率（20～54Mbit/s）。
另外一个WLAN标准—HIPERLAN（HighPerformanceEuropeanRadioLAN，高性能欧洲无线LAN），是由ETSI（EuropeanTelecommunicationsStandardsInstitute，欧洲电信标准化协会）的RES10小组开发的，是高速WLAN的泛欧标准。
该标准是一种在欧洲应用的无线局域网标准的一个子集，具有两种规格：
HiperLAN/1和HiperLAN/2。
HiperLAN/1标准采用5G射频频率，可以达到上行20Mbps的速率。
此标准采用了GMSK技术。
HiperLAN/2同样也采用5G射频频率，不过其上行速率可以达到54Mbps。
HiperLAN/2采用的则是OFDM技术。
HiperLAN/2系统同3G标准兼容。
WLAN（无线局域网）系统可以用来传送接收数据、图像以及实现语音通讯。
HiperLAN/2网络协议栈的体系结构具有很高的灵活性。
此标准能够很容易适配并扩展不同的固定网络。
HiperLAN/2作为目前性能最高的WLAN技术，其具体特点表现在：
高速数据传输，其速率在物理层高达54Mbps；面向连接；为每个数据包定义了优先级处理，且易于QoS控制；接入点能自动选择合适的无线信道进行数据传输；支持安全认证和加密功能；移动性；网络与应用无关；省电。
标准HIPERLAN与802.11标准非常相似。
它们都覆盖了物理层和MAC层，通过在5GHz波段内使用传统的无线调制技术，提供2～25Mbit/s的数据传输速率。
2.5IEEE802.11协议简述
IEEE802工作组制定了802.3Ethernet协议、802.5TokenRing协议、802.3z100BASE-T快速以太网协议以及1997年发布的802.11协议。
802.11协议主要工作在ISO协议的最低两层上。
该协议在物理层上进行了一些细微改动。
高速数字传输的特性和连接的稳定性被加进了物理层。
802.11b协议在802.11的1Mbps和2Mbps速率下又增加了5.5Mbps和11Mbps两个新的网络吞吐速率，移动用户能够获得同Ethernet一样的性能、网络吞吐率、可用性。
（1）IEEE802.11
IEEE802.11协议在1997年6月诞生，别名又称为无线保真（WirelessFidelity）协议。
此协议是由大批的局域网以及计算机专家审定通过的标准。
该标准定义了物理层和媒体访问控制（MAC）的规范。
物理层定义了数据传输的信号特征和调制，定义了两个RF传输方法和一个红外线传输方法[1]。
RF传输标准是跳频扩频和直接序列扩频，工作在2.4000～2.4835GHz频段。
IEEE802.11是IEEE最初制定的一个无线局域网标准，主要用于解决办公室局域网和校园网中用户与用户终端的无线接入，业务主要限于数据访问，速率最高只能达到2Mbps[1]。
由于它在速率和传输距离上都不能满足人们的需要，所以IEEE802.11标准被IEEE802.11b所取代了。
（2）IEEE802.11b
IEEE802.11b无线局域网的带宽最高可达11Mbps。
该标准速率比起两年前批准的IEEE802.11标准快5倍，扩大了无线局域网的应用领域。
另外，也可根据实际情况采用5.5Mbps、2Mbps和1Mbps带宽，实际的工作速度在5Mb/s左右，与普通的10Base-T规格有线局域网几乎是处于同一水平[1]。
作为公司内部的设施，可以基本满足使用要求。
IEEE802.11b使用的是开放的2.4GHz频段，不需要申请就可使用。
既可作为对有线网络的补充，也可独立组网，从而使网络用户摆脱网线的束缚，实现真正意义上的移动应用。
IEEE802.11b无线局域网与我们熟悉的IEEE802.3以太网的原理很类似，都是采用载波侦听的方式来控制网络中信息的传送。
不同之处是以太网采用的是CSMA/CD（载波侦听/冲突检测）技术，网络上所有工作站都侦听网络中有无信息发送，当发现网络空闲时即发出自己的信息，如同抢答一样，只能有一台工作站抢到发言权，而其余工作站需要继续等待。
如果一旦有两台以上的工作站同时发出信息，则网络中会发生冲突，冲突后这些冲突信息都会丢失，各工作站则将继续抢夺发言权。
而802.11b无线局域网则引进了冲突避免技术，从而避免了网络中冲突的发生，可以大幅度提高网络效率。
IEEE802.11b具有很高的数据传输速率，因为其2.4ghz直接序列扩频无线电可以提供最大为11mbps的数据传输速率，无须直线传播。
该协议还提供动态速率转换功能，当射频情况变差时，降低数据传输速率为5.5mbps、2mbps和1mbps。
802.11b支持以百米为单位的范围（在室外为300米；在办公环境中最长为100米）。
其与以太网类似的连接协议和数据包可以提供可靠的数据传送，有效地使用网络带宽。
与以前的标准不同的是，802.11b只允许一种标准的信号发送技术。
（3）IEEE802.11a
IEEE802.11a标准规定WLAN工作频段在5.15-5.825GHz，物理层速率最高可达54Mbps，数据传输速率达到54Mbps/72Mbps（Turbo），传输层速率最高可达25Mbps。
传输距离控制在10-100米。
该标准也是IEEE802.11的一个补充，扩充了标准的物理层，采用正交频分复用（OFDM）的独特扩频技术，采用QFSK调制方式，可提供25Mbps的无线ATM接口和10Mbps的以太网无线帧结构接口，以及TDD/TDMA的空中接口，支持多种业务如话音、数据和图像等，一个扇区可以接入多个用户，每个用户可带多个用户终端[1]。
据需要，数据率还可降为48，36，24，18，12，9或者6Mb/s。
802.11a拥有12条不相互重叠的频道，8条用于室内，4条用于点对点传输。
它不能与802.11b进行互操作，除非使用了对两种标准都采用的设备。
表2.1则是给数据率以及相应的调制方式。
表2.1数据率及调制方式等参数
数据率（Mbit/s）
调制方式
编码率
Ndbps
1472字节传输时间（µs）
6
BPSK
1/2
24
2012
9
BPSK
3/4
36
1344
12
4-QAM
1/2
48
1008
18
4-QAM
3/4
72
672
24
16-QAM
1/2
96
504
36
16-QAM
3/4
144
336
48
64-QAM
2/3
192
252
54
64-QAM
3/4
216
224
IEEE802.11a标准是IEEE802.11b的后续标准，其设计初衷是取代802.11b标准，然而，工作于2.4GHz频带是不需要执照的，该频段属于工业、教育、医疗等专用频段，是公开的，工作于5.15-8.825GHz频带需要执照的。
一些公司仍没有表示对802.11a标准的支持，一些公司更加看好最新混合标准――802.11g。
（4）IEEE802.11g
IEEE802.11g是在2003年7月通过了的第三种调变标准。
其载波的频率为2.4GHz（跟802.11b相同），原始传送速度为54Mbit/s，净传输速度约为24.7Mbit/s（跟802.11a相同）。
802.11g的设备与802.11b兼容。
802.11g是为了提高更高的传输速率而制定的标准，它采用2.4GHz频段，使用CCK技术与802.11b后向兼容，同时它又通过采用OFDM技术支持高达54Mbit/s的数据流，所提供的带宽是802.11a的1.5倍。
IEEE802.11g的物理帧结构分为前导信号（Preamble）、信头Header和负载Payload。
Preamble主要用于确定移动台和接入点之间何时发送和接收数据，传输进行时告知其它移动台以免冲突，同时传送同步信号及帧间隔[1]。
Preamble完成，接收方才开始接收数据。
Header在Preamble之后用来传输一些重要的数据比如负载长度、传输速率、服务等信息。
由于数据率及要传送字节的数量不同，Payload的包长变化很大，可以十分短也可以十分长。
IEEE802.11g有以下两个特点：
在2．4GHz频段使用正交频分复用（OFDM）调制技术，使数据传输速率提高到20Mbit/s以上；能够与IEEE802.11b的Wi-Fi系统互联互通，可共存于同一AP的网络里，从而保障了后向兼容性[1]。
如此原有的WLAN系统能够平滑地向高速WLAN过渡，降低了用户的投资。
（5）IEEE802.11i
IEEE802.11i标准是结合IEEE802.1x中的用户端口身份验证和设备验证，对WLANMAC层进行修改与整合,定义了严格的加密格式和鉴权机制，以改善WLAN的安全性。
IEEE802.11i新修订标准主要包括两项内容：
“Wi-Fi保护访问”（WiFiProtectedAccess：
WPA）技术和“强健安全网络”（RSN）。
Wi-Fi联盟计划采用802.11i标准作为WPA的第二个版本，并于2004年初开始实行。
IEEE802.11i标准在WLAN网络建设中的是相当重要的，数据的安全性是WLAN设备制造商和WLAN网络运营商应该首先考虑的头等工作。
（6）IEEE802.11e/f/h
IEEE802.11e标准对WLANMAC层协议提出改进，以支持多媒体传输，以支持所有WLAN无线广播接口的服务质量保证QOS机制。
IEEE802.11f定义访问节点之间的通讯，支持IEEE802.11的接入点互操作协议（IAPP）。
IEEE802.11h用于802.11a的频谱管理技术。
（7）IEEE802.11n
802.11n主要是结合物理层和MAC层的优化来充分提高WLAN技术的吞吐。
主要的物理层技术涉及了MIMO、MIMO-OFDM、40MHz、ShortGI等技术,从而将物理层吞吐提高到600Mbps。
如果仅仅提高物
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