基于ＯＰＮＥＴ的油田混合傳輸網(wǎng)絡(luò)仿真

王秀芳　王亞鵬　姜　晶

摘 要：此項研究主要針對大慶油田某作業(yè)區(qū)的實際網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)狀，對該作業(yè)區(qū)進行網(wǎng)絡(luò)分析和規(guī)劃，在該作業(yè)區(qū)現(xiàn)有的有線網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上擴充無線網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)有線網(wǎng)與無線網(wǎng)的綜合，構(gòu)成一個完整的油田傳輸信息體系。同時利用OPNET MODELER仿真平臺為該作業(yè)區(qū)新建混合網(wǎng)絡(luò)建立仿真模型(網(wǎng)絡(luò)模型、節(jié)點模型和進程模型)，分析相關(guān)模型中主要模塊的作用和工作機理，對已建立的網(wǎng)絡(luò)模型進行仿真，在不同的參數(shù)設(shè)置下，通過對比分析時間延遲、丟包率等統(tǒng)計特性，得出數(shù)據(jù)包分組、數(shù)據(jù)率和拆分門限對網(wǎng)絡(luò)性能的影響，最終決定改進網(wǎng)絡(luò)的最佳組網(wǎng)方案。

關(guān)鍵詞：傳輸網(wǎng)絡(luò)；混合網(wǎng)絡(luò)；建模；OPNET

中圖分類號：TP393.1文獻標(biāo)識碼：B

文章編號：1004-373X(2009)03-122-05

Simulation of Oil Field Mixed Transmission Network Based on OPNET

WANG Xiufang,WANG Yapeng,JIANG Jing

(College of Electric and Information Engineering,Daqing Petroleum Institute,Daqing,163318,China)

Abstract：The study aims at the actual network status of one work section in Daqing oil field,makes a network analysis and planning for the new mixed model of this work section,expends wireless network for the work section on the basis of existing network,and conjoins wire and wireless network together to form an integrated oil field information transfer system.At the same time,using OPNET MODELER simulation flat roof to structure simulation models (network models,node models and a process model),and analyzing the functions and work mechanism of the major modules for related models,making a simulation for the structured network models,then according to the different parameters,analyzing the individual statistics comparatively such as delay,data dropped and so on,the effects of data packet,data rate and fragmentation threshold to the network performance are gained.After all these,the best structure network scheme for this improved section is determined.

Keywords：transmission network；mixed network；modeling；OPNET

0 引 言

隨著信息產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展，數(shù)字化已經(jīng)成為現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展趨勢。尤其是在油田企業(yè)，通過信息化建設(shè)，構(gòu)建信息傳輸速度快、數(shù)據(jù)資源豐富、網(wǎng)絡(luò)覆蓋面廣的信息運行模式，可以全面提升油田管理水平，有效地幫助石油和天然氣企業(yè)以信息化打造全球化市場競爭優(yōu)勢。本文為了配合大慶油田“實現(xiàn)二次創(chuàng)業(yè)、創(chuàng)建百年油田”，提高大慶油田信息化建設(shè)水平，充分發(fā)揮信息技術(shù)的后發(fā)優(yōu)勢，特從實際出發(fā)，為大慶某作業(yè)區(qū)的有線網(wǎng)絡(luò)擴充無線網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的綜合。并在OPNET仿真平臺上構(gòu)建有線與無線相結(jié)合的混合網(wǎng)絡(luò)模型，通過仿真來對改進的網(wǎng)絡(luò)進行測試，獲得數(shù)據(jù)包分組、數(shù)據(jù)率和拆分門限等網(wǎng)絡(luò)參數(shù)對網(wǎng)絡(luò)性能的影響，進而決定最佳組網(wǎng)方案。

1 網(wǎng)絡(luò)模型介紹

該網(wǎng)絡(luò)源于大慶某作業(yè)區(qū)的實際網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)覆蓋面積約8 100 m×4 500 m，中心交換機位于某路交叉口處，下分三條支路，每條支路總體上為總線型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。第一條支路包括3個站點，第二條支路包括6個站點，第三條支路主要是維修隊和測試隊的位置，以上各支路中各站點以下均由小隊組成?，F(xiàn)出于實際需要為其中的6個站點建立無線網(wǎng)絡(luò)，對有線進行擴充，進而實現(xiàn)有線網(wǎng)和無線網(wǎng)的結(jié)合。這種改進靈活性高，充分利用了現(xiàn)有的有線資源，降低了油田的建網(wǎng)成本和費用。下面將根據(jù)該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，利用OPNET仿真軟件建立各種模型。

2 仿真模型的建立與分析

2.1 網(wǎng)絡(luò)模型

OPNET是目前網(wǎng)絡(luò)仿真及優(yōu)化領(lǐng)域性能較好的軟件，它為解決通信網(wǎng)絡(luò)的仿真和優(yōu)化，以及高效的網(wǎng)絡(luò)管理提供了整套的解決方案。OPNET采用的是三層建模機制：最上層為網(wǎng)絡(luò)模型，反映了網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)特點；其次為節(jié)點模型，由相應(yīng)的協(xié)議模塊構(gòu)成，反映了設(shè)備的特性；最底層為進程模型，以狀態(tài)機的形式來描述協(xié)議，反映了協(xié)議的具體功能是如何實現(xiàn)的［1］。

結(jié)合實際，根據(jù)改進方案，在OPNET仿真平臺上建立該作業(yè)區(qū)的混合網(wǎng)絡(luò)模型。具體模型如圖1所示。該模型覆蓋面積為9 000 m×5 000 m，其中使用的設(shè)備有2個應(yīng)用模塊［2］，即Application Config(應(yīng)用配置，定義了8種最常用的業(yè)務(wù)應(yīng)用)和Profile Config(業(yè)務(wù)配置，描述一類用戶所涉及的應(yīng)用)、11個交換機Switch與各個小區(qū)相連、22個有線子網(wǎng)10BaseT_LAN，分別表示各配置站及各個采油大隊的有線局域網(wǎng)、6個無線子網(wǎng)模塊WLAN_1～6分別由6個無線接入點AP接入有線骨干網(wǎng)、48個無線終端設(shè)備。

圖2為混合網(wǎng)絡(luò)中的一個無線子網(wǎng)模型，該模型采用中心協(xié)調(diào)方式(PCF)，即基于由接入點控制的輪詢方式［3］，傳輸方式為直接序列擴頻(DSSS)，并采用IEEE802.11b協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，其工作頻段為2.4~2.483 5 GHz［4］，網(wǎng)絡(luò)覆蓋面積為300 m×300 m。在圖2中，WLAN1_router為這個子網(wǎng)的接入點AP［5］，通過它將無線網(wǎng)接入有線骨干網(wǎng)，moble_node_0～7表示該小區(qū)范圍內(nèi)的各個無線移動終端設(shè)備，主要模擬各隊各站的采油單井及數(shù)據(jù)采集設(shè)備等。其余5個無線子網(wǎng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)與之相似。

2.2 節(jié)點模型

2.2.1 有線終端節(jié)點模型

該網(wǎng)絡(luò)模型中主要采用的有線終端模型為10BaseT_LAN，它支持TCP/IP協(xié)議，具有四層結(jié)構(gòu)，分別為應(yīng)用層、傳輸層、網(wǎng)絡(luò)層和物理層。各層之間的模塊采用數(shù)據(jù)包線進行連接。它的節(jié)點模型如圖3所示。

該有線節(jié)點模型的工作流程為：在物理層(LAN Layer)，每對接收模塊和發(fā)送模塊與邏輯鏈路控制模塊相連，來控制每次每個模塊的接入鏈接，當(dāng)發(fā)送模塊要發(fā)送數(shù)據(jù)時，首先通過邏輯鏈路控制模塊接入到地址解析模塊(arp)進行地址解析，之后通過IP模塊送入ip_encap進行IP封裝，在通過UDP檢錯或者TCP流量控制后傳送到適配層，最后到達中央處理器的應(yīng)用模塊得到應(yīng)用業(yè)務(wù)，之后再沿這一流程返回到邏輯鏈路控制模塊，通過它控制哪個接收模塊進行接收，這樣就完成了一次業(yè)務(wù)的應(yīng)用。

該模型中各模塊的具體功能：

application模塊可以實現(xiàn)站點多個用戶之間在所有頁面中共享信息，以及控制訪問應(yīng)用層數(shù)據(jù)，在應(yīng)用程序的用戶之間傳遞信息。

tpal：位于應(yīng)用層和傳輸層之間的一個適配層。

udp：用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議，它提供錯誤檢測。

tcp：提供一種面向連接的、可靠的字節(jié)流服務(wù)和流量控制。

ip_encap：IP封裝，即把上層的包封裝成IP包。

arp：地址解析協(xié)議，它負(fù)責(zé)將某個IP地址解析成對應(yīng)的MAC地址。

llm_mac：媒體接入控制的邏輯鏈路管理，它向高層提供一個或多個訪問點LSAP，用于同網(wǎng)絡(luò)層通信的邏輯接口［6］。

2.2.2 無線終端節(jié)點模型

本文側(cè)重分析整個通信網(wǎng)絡(luò)的性能指標(biāo)，只考慮各通信節(jié)點MAC層的接入和傳輸問題，用一個源模塊(source)和一個接收模塊(sink)來模擬高層的通信情況，并且認(rèn)為網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點具有相同的模型結(jié)構(gòu)，如圖4所示。

節(jié)點模型的工作流程如下：source模塊產(chǎn)生數(shù)據(jù)分流后通過無線網(wǎng)mac接口模塊接入到mac模塊，再根據(jù)mac模塊的多址協(xié)議傳送給接收模塊，完成無線終端的數(shù)據(jù)分流的傳輸。

source模塊用于產(chǎn)生不同時間間隔分布及不同大小的數(shù)據(jù)分組流。

sink模塊用于處理接收過服務(wù)的分組。

wlan_mac_intf模塊作為MAC層與高層的接口。

wire_lan_mac模塊完成各種MAC多址接入?yún)f(xié)議下分組的接入和傳輸。

wlan_port_rx0和wlan_port_tx0模塊完成物理層模型上無線信道的分組收發(fā)過程［7］。

2.3 進程模型

作為OPNET三層建模機制的最底層，進程模型主要用于細(xì)化節(jié)點模型中各個功能模塊的實現(xiàn)。每個進程都是采用VC++編程來實現(xiàn)的有限狀態(tài)機。本文主要關(guān)注的進程模型是MAC進程模型。具體的進程模型如圖5所示。

工作流程如下：在進行數(shù)據(jù)傳輸時，工作站先監(jiān)聽信道，如果信道被占用，則不傳輸數(shù)據(jù)包。如果有2個或2個以上的移動站同時傳輸包，則產(chǎn)生沖突，為了避免沖突，自動進入基于二進制指數(shù)退避算法的退避階段，等退避后轉(zhuǎn)入到等待傳輸狀態(tài)，若不需要退避則進行幀傳輸，傳輸完成后等待響應(yīng)幀［8］。

3 仿真參數(shù)設(shè)置

在進行參數(shù)設(shè)置之前，首先了解一下基本參數(shù)的含義：

數(shù)據(jù)傳輸速率：此WLAN在802.11b協(xié)議下支持的數(shù)據(jù)傳輸率有：1 Mb/s,2 Mb/s,5.5 Mb/s和11 Mb/s。這些數(shù)據(jù)率將模擬傳輸機和接收機處理分組的速率［9］。

拆分門限：該門限決定高層數(shù)據(jù)分組(MSDU)是否需要拆分。拆分后幀的數(shù)量是由MSDU的大小和拆分門限決定的［10］。

有線部分參數(shù)配置：

(1) 應(yīng)用配置，即對所要進行仿真的對象進行定義。操作流程為：

Application Configure/Edit Attributes/Application Definitions/default，即提供的應(yīng)用為默認(rèn)的8種應(yīng)用。

(2) 業(yè)務(wù)配置，即配置一類用戶所涉及的應(yīng)用，本例為文件傳輸。操作流程為：

Profile Configure/Edit Attributes/Profile Configuration/Edit/Application/File Transfer(heavy)。

(3) 配置服務(wù)器，即對服務(wù)器所需支持的服務(wù)和應(yīng)用進行設(shè)定，在Application Configure中定義的應(yīng)用都可以選擇。操作流程為：server/Edit Attributes/Application/Application/Supported Service/All。

(4) 配置工作站，即配置工作站所支持的業(yè)務(wù)，在Profile Configure中定義的業(yè)務(wù)都可以選擇。根據(jù)一般的通信業(yè)務(wù)都是兩個工作站通信的特點，本文中工作站的配置既支持服務(wù)，又支持業(yè)務(wù)，還需要配置目的節(jié)點。操作流程為：wkstn/Edit Attributes/Application/Application Supported Profile/File Transfer(heavy)。

(5) 信道采用10Base_T的默認(rèn)設(shè)置，即：10Base_T/Edit Attributes/Back ground Load/Average packet Size/Default。

無線部分參數(shù)配置：start time為logistic(0.01,1)；ON平均持續(xù)時間為constant(80)；OFF平

均持續(xù)時間為constant(0)；時間間隔為exp(0.02)；信道帶寬1 Mb/s；信道特性DSSS。

4 網(wǎng)絡(luò)性能測試與分析

設(shè)置仿真時間為3 min，仿真種子為128，運行仿真得：

(1) 數(shù)據(jù)包分組對網(wǎng)絡(luò)性能的影響：固定數(shù)據(jù)率為1 Mb/s，拆分門限為none，分別設(shè)置包分組為exp(256)，exp(512)，exp(1 024)，仿真結(jié)果如圖6,圖7所示。

從圖6可以看出，以上三種參數(shù)設(shè)置下，網(wǎng)絡(luò)都能在幾秒鐘后達到穩(wěn)定狀態(tài)，但是當(dāng)數(shù)據(jù)包為exp(256)時，無線網(wǎng)丟包率最小，約為2.5 Mb/s，當(dāng)數(shù)據(jù)包為exp(512)時，丟包率最大，無線網(wǎng)絡(luò)性能最差。從圖7可以看出，以上三種參數(shù)設(shè)置下，時間延遲均隨著時間的增加而遞增，仿真在115 s左右時開始穩(wěn)定，最后達到穩(wěn)定狀態(tài)，這說明網(wǎng)絡(luò)性能穩(wěn)定。但是具體來看，數(shù)據(jù)包為exp(1 024)時網(wǎng)絡(luò)時間延遲最小，約為0.001 5 s。說明在這種設(shè)置下，設(shè)備能更快的進行數(shù)據(jù)包交換和傳輸。網(wǎng)絡(luò)性能次之的設(shè)置是數(shù)據(jù)包exp(256)，它的時間延遲為0.002 0 s，稍遜于exp(1 024)時的情況。而數(shù)據(jù)包設(shè)置為exp(512)時網(wǎng)絡(luò)的性能有明顯的不足之處，接入到網(wǎng)絡(luò)的延遲時間很大。綜合來看，設(shè)置數(shù)據(jù)包為exp(256)時丟包率最低，時間延遲也足以滿足現(xiàn)場的實際數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枰旌暇W(wǎng)絡(luò)性能較好。

(2) 數(shù)據(jù)率對網(wǎng)絡(luò)性能的影響：固定數(shù)據(jù)包分組為exp(256)，拆分門限為none，分別設(shè)置數(shù)據(jù)率為1 Mb/s,2 Mb/s,5.5 Mb/s,11 Mb/s，仿真結(jié)果如圖8，圖9所示。

由圖8可以看出，4種設(shè)置均能使網(wǎng)絡(luò)得到穩(wěn)定的性能，但是通過比較，數(shù)據(jù)率為1 Mb/s時，無線網(wǎng)丟包率最小，隨著數(shù)據(jù)率的增加，丟包率逐漸增大。可見在組網(wǎng)時可以考慮較小的數(shù)據(jù)傳輸速率以降低丟包率。在圖9中，當(dāng)數(shù)據(jù)率設(shè)置為5.5 Mb/s時，總體時間延遲最小，約為0.001 5 s;次之的是數(shù)據(jù)率為1 Mb/s的設(shè)置，時間延遲略大于0.001 5 s;數(shù)據(jù)率為2 Mb/s時間延遲最大，平穩(wěn)時略高于0.002 5 s。綜合來看，當(dāng)設(shè)置數(shù)據(jù)率為1 Mb/s時丟包率最低，時間延遲也足以滿足現(xiàn)場的實際數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枰?，可以得到較好的網(wǎng)絡(luò)性能。

(3) 拆分門限對網(wǎng)絡(luò)性能的影響：固定數(shù)據(jù)包分組為exp(256)，數(shù)據(jù)率為1 Mb/s，分別設(shè)置拆分門限為none，256，1 024，仿真結(jié)果如圖10，圖11所示。

由圖10可以看出，3條仿真曲線幾乎重合，說明三種拆分門限對無線網(wǎng)的丟包率沒有太大的影響，都能在幾秒鐘后使網(wǎng)絡(luò)達到穩(wěn)定狀態(tài)，丟包率穩(wěn)定值在2.5 Mb/s左右。然而由圖11可知，當(dāng)拆分門限為none時，時間延遲最小，接近0.002 0 s，隨著拆分門限的增加，混合網(wǎng)絡(luò)時間延遲逐漸增大?？梢娫诮M網(wǎng)時可以不設(shè)置拆分門限或者設(shè)置256，來減小混合網(wǎng)絡(luò)的時間延遲，使網(wǎng)絡(luò)獲得更佳性能。

5 結(jié) 語

該文利用OPNET通信仿真平臺構(gòu)建了一個有線與無線相結(jié)合的混合局域網(wǎng)模型，并且在直接序列物理層特征參數(shù)下得到了網(wǎng)絡(luò)性能的統(tǒng)計特性(時間延遲、丟包率等)。通過對以上統(tǒng)計特性的對比分析，可以得到以下結(jié)論：

(1) 在混合網(wǎng)絡(luò)中，當(dāng)數(shù)據(jù)包分組為exp(256)時，網(wǎng)絡(luò)丟包率和時間延遲都比較理想，網(wǎng)絡(luò)性能優(yōu)越。

(2) 通過對比可知，數(shù)據(jù)率的增大會導(dǎo)致丟包率也逐漸增大。綜合考慮丟包率與時間延遲對混合網(wǎng)絡(luò)的影響，可以考慮在實際的組網(wǎng)設(shè)計中設(shè)置無線網(wǎng)數(shù)據(jù)率為1 Mb/s，使整體網(wǎng)絡(luò)性能更優(yōu)越。

(3) 此外，通過分析可得，拆分門限對無線部分的丟包率沒有太大影響，但是影響混合網(wǎng)絡(luò)總體時間延遲，因此可以在實際的組網(wǎng)設(shè)計中考慮不設(shè)置拆分門限或者設(shè)置256，此時混合網(wǎng)絡(luò)性能更優(yōu)。綜上所述，建議在改進的混合網(wǎng)絡(luò)中設(shè)置數(shù)據(jù)包分組為exp(256)，數(shù)據(jù)率為1 Mb/s，不設(shè)置拆分門限。

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作者簡介 王秀芳 女，1967年出生，河北人，教授，博士。研究方向為無線通信。

王亞鵬 女，1985年出生，黑龍江省人，在讀碩士研究生。主要研究方向為信息傳輸。

姜 晶 女，1983年出生，黑龍江省人，在讀碩士研究生。主要研究方向為無線網(wǎng)絡(luò)。