IEEE802.11 系列协议OPNET 建模与性能
测试
罗维，姜秀柱*
作者简介：罗维，（1987-），女，硕士在读，计算机应用技术. E-mail: luowei_2013@126.com
5 （中国矿业大学计算机科学与技术学院，江苏 徐州 221116）
摘要：本文讨论了IEEE802.11 系列协议的建模与性能问题。基于对IEEE802.11a/b/g 三个
不同版本的协议和目前功能最强大的网络仿真工具OPNET 软件的研究，首先比较了
IEEE802.11a/b/g 的异同，并对相应的网络的性能进行了分析比较，指出设计网络时需要根
据不同情况来选用不同的方式来进行通信。
10 关键词：计算机技术；网络仿真；无线局域网；建模
 0 引言
无线局域网[1][2]技术将是新世纪无线通信领域最有发展前景的重大技术之一。以IEEE
（电气和电子工程师协会）为代表的多个研究机构针对不同的应用场合，制定了一系列协议
标准，推动了无线局域网的实用化。真正的第一代WLAN 开始于80 年代中期，美国联邦通
30 信委员会（FCC）颁布了采用扩频技术的电波法规，为WLAN 的发展开辟了新的道路。20
世纪80 年代末期，IEEE802.11 委员会开始了WLAN 的标准化工作，制定了IEEE802.11 标
准，为运营商和生产厂家实现产品的标准化提供了依据，这就是第二代WLAN。在随后的
几年中发展缓慢，直到IEEE802.11b 标准的提出，WLAN 又有了很大的发展，进入了第三
代。IEEE802.11a 和IEEE802.11g 标准的提出，推动WLAN 的发展进入了第四代。除了这些
35 IEEE802.11 系列WLAN 标准外，还有欧洲电信标准化协会（ETSI）的宽带无线电接入网络
（BRAN）小组制定的HiperLAN/1，HiperLAN/2 标准以及日本的HiSWAN 系列标准等等。
1 IEEE802.11 系列协议比较
在IEEE802.11 标准中定义了两种WLAN 的运行模式[3]：依赖于基础设施和不依赖于基
础设施的模式（Adhoc模式）。构成依赖于基础设施的网络的基本单元称为基本服务集（BSS）。
40 BSS 的内部存在一个固定的接入点（AP），类似于蜂窝网中的蜂窝。多个BSS 可以构成一
个扩展服务集（ESS），这些BSS 之间通过AP 进行通信，此外BSS 内部的节点也可以通过
 AP 接入到有线网络，如因特网。而Adhoc 模式则不需要AP，节点以自组织的形式形成网
络。
IEEE802.11 标准详细定义了WLAN 的物理层和MAC 层（媒质接入控制）规范[3]。物
45 理层定义了三种技术：红外线（IR）、直接序列扩频（DSSS）和跳频扩频（FSSS）。其中，
红外线技术工作在基带，而其他两种技术都工作在2.4GHz 的频段。为了使无线设备能够互
相通信，它们必须采用相同的物理层技术。MAC 层可以提供两种不同类型的服务：点协调
功能（PCF）和分布式协调功能（DCF）。PCF 使用AP 控制BSS 内部各个节点的信道接入，
而各个节点只能通过轮询的方式从AP 获得信道接入许可，这样每个站具有一个确定的发射
50 顺序，保证了它们无竞争地接入信道。构成DCF 基础的信道接入协议为载波检测多址接入/
冲突避免（CSMA/CA）。在基于 IEEE802.11 标准的无线网络中，由于发射信号的功率与
接收信号的功率之间存在巨大的差异，以及无线媒介中传输的所有信号共享同一个信道，所
以节点在发射信号时往往不能同时监听信道，这样就不能采用用于有线以太网中的载波检测
多址接入/冲突检测（CSMA/CD）作为信道接入方式。
55 IEEE802.11b[4]（Wi-Fi）使用开放的2.4GHz 频段，物理调制方式为补码键控（CCK）
编码的直接序列扩频（DSS），最大数据传输速率为11Mbps，无需直线传播。其实际的传
输速率在5Mbps 左右，与普通的10Base-T 规格有线局域网处于同一水平。使用动态速率转
换，当射频情况变差时，可将数据传输速率降低为5.5Mbps、2Mbps 和1Mbps。且当工作在
2Mbps 和1Mbps 速率时可向下兼容IEEE802.11。IEEE802.11b 的使用范围在室外为300 米，
60 在办公环境中则最长为100 米。使用与以太网类似的连接协议和数据包确认，来提供可靠的
数据传送和网络带宽的有效使用。IEEE802.11b 运作模式基本分为两种：点对点模式和基本
结构模式，点对点模式是指无线网卡和无线网卡之间的通信方式，即Ad Hoc 模式或者独立
基本服务集（IBSS）。基本结构模式（BSS）是指仅使用一个接入点（AP）的无线网络；
使用多个接入点的两个或多个BSS 无线网络可以组成扩展服务集（ESS），这是无线网络规
65 模扩充或无线和有线网络并存时的通信方式，是IEEE802.11b 最常用的方式。然而随着网络
应用中视频、语音等关键数据传输需求越来越多，速率问题将会成为802.11b 进一步发展的
主要障碍。此外802.11b 在安全问题也不容忽视，目前主要通过WEP 加密协议来弥补这一
缺陷，不过IEEE 已经出台了一个标准802.11i 来专门解决WLAN 中的安全问题。
IEEE802.11a[5]工作在5GHz U-NII 频带，从而避开了拥挤的2.4GHz 频段，所以相对
70 802.11b 来说几乎是没有干扰。物理层速率可达54Mbps，传输层可达25Mbps。采用正交频
分复用（OFDM）的独特扩频技术；可提供25Mbps 的无线ATM 接口、10Mbps 以太网无线
帧结构接口和TDD/TDMA 的空中接口，支持语音、数据、图像业务，一个扇区可接入多个
用户，每个用户可带多个用户终端。IEEE802.11a 在使用频率的选择和数据传输速率上都优
于IEEE802.11b，不过其不兼容IEEE802.11b、空中接力不好、点对点连接很不经济，不适
75 合小型设备，另外由于技术成本过高，缺乏价格竞争力，经济规模始终无法扩大，加上5GHz
并非免费频段，在部分地区面临频谱管制的问题，市场销售情况一直不理想。相比而言，业
界非常看好IEEE802.11b。
802.11g[6]是IEEE 为了解决802.11a 与802.11b 的互通而出台的一个标准，它是802.11b
的延续，两者同样使用2.4GHz 通用频段，互通性高，被看好是新一代的WLAN 标准。802.11g
80 的速率上限已经由11Mbps 提升至54Mbps，但由于2.4GHz 频段干扰过多，在传输速率上低
于802.11a。与802.11a 和802.11b 同时兼容是802.11g 的一大亮点，它同时支持802.11b 的
CCK 和802.11a 的OFDM，802.11g 还支持PBCC（Packet Binary Convolutional Coding，分
 组二进制卷积码）技术。802.11g 中规定的调制方式有2 种，一为原Intersil 公司提案采用的
CCK-OFDM，另一为TI 公司提案采用的PBCC-22（也称CCK-PBCC）调制方式，其中采用
85 PBCC-22 方式的TI 提案保持了对IEEE802.11b 的完全兼容，并使最高传输速率达到了
22Mbps，目前已经有不少符合该标准的产品。而CCK-OFDM 则作为802.11g 的强制54Mbps
模式，同时支持两种模式的802.11g 产品便可以在与802.11b 网络兼容的情况下，最高提供
与802.11a 标准相同的54Mbps 连接速率。802.11g 的兼容性和高数据速率弥补了802.11a 和
802.11b 各自的缺陷，一方面使得802.11b 产品可以平稳向高数据速率升级，满足日益增加
90 的带宽需求，另一方面使802.11a 实现与802.11b 的互通，克服了802.11a 一直难以进入市
场主流的尴尬，因此802.11g 一出现就获得众多厂商的支持。IEEE 标准委员会已经通过了
802.11g 标准。四种协议的比较如表1 所示。
表1 IEEE802.11 标准比较
802.11 802.11b 802.11a 802.11g
标准定制时间（年） 1997 1999 1999 2003
频率
速率
2.4~2.4835GHz
1、2Mbit/s
2.4~2.4835GHz
11、5.5Mbit/s
5.15~5.25GHz
5.25~5.35GHz
5.725~5.825GHz
54、48、36、24、
18、12、9、6Mbit/s
2.4~2.4835GHz
>=20Mbit/s
距离
物理层传输方式
100m
红外线、直接序列
扩频、调频扩频
100~300m
高速直接序列扩频
100m 至几千米
正交频分复用扩频
技术
150m
直接序列扩频
优点
缺点
成本低，
已得到普及
数据传输慢，受微
波炉和蓝牙等同频
率段设备的干扰
数据传输快、
频段干扰小
当前成本高，不兼
容普遍应用的
802.11b
数据传输快、可保
证与802.1 兼容
受微波炉和蓝牙等
同频段设备的干扰
95
2 OPNET 平台中的仿真设计实现
本文所做的研究主要是从系统的服务时延，吞吐量，丢包率以及单个节点数据的接受速
率和发送速率方面考查系统的网络性能。
下面主要介绍几个MAC 协议的指标：吞吐量、传输时延、数据丢包率、单个节点的数
100 据接收和发送速率等等。
1.吞吐量（Throughput）当信道上发生传输碰撞和传输错误时，必然导致帧的丢失，这
时信道时间被浪费。很显然，信道时间浪费的程度，可以反映MAC 协议的优劣。在单位时
间内在信道上成功传输的信息量称为吞吐量。假设帧长度固定且长度为L 比特，而且单位
时间（以下设为秒）内成功传输的帧数为n，则吞吐量可表示为n*L（bps）。另外，也可以
105 用信道传输速率R（bps）对吞吐量归一化，归一化的吞吐量由S 表示，即S=n*L/R。
式中L/R 为每帧在信道上的发送时间。如果在信道上帧不发生碰撞，且帧间隔为0 的话，
信道将被最大限度的使用，这时n*L=R，即吞吐量T＝1。相反如果信道上所有的帧均发生
碰撞，即成功传输的帧数n＝0 的话，吞吐量降到最小值T＝0。
2.传输时延（Delay）某一帧从进入发送主机的缓冲器时刻开始，至成功到达目的主机
110 接收缓冲器的时刻为止的一段时间，称为该帧的传输时延。当某帧被成功传输时，其时延时
间主要由发送等待时间（即为获得信道使用权的等待时间）和该帧在信道上的传输时间组成。
如果发生碰撞或传输错误，时延时间还应包括由于重传而带来的时延时间。由于每帧的传输
时延可能不同，一般取一帧的平均传输时延为帧时延的量度。传输时延用符号D 表示。定
 义归一化的平均传输时延D 为一帧的传输时间与平均传输时延的比值。假设每帧从刚产生
115 就立即被发送到信道（即发送等待时间为零），并且必定一次发送成功。如果忽略信号在信
道上的传输时间，则平均传输时延最小。通常随着总业务量G 的增加，发送等待时间及重
传时延会增大，导致平均传输时延增大。
3.数据丢包率：由于各种原因系统丢失数据包的总量。反应协议的可靠性。
4.单个节点的接受和发送速率。这是一个综合评价节点性能的指标。节点的数据接受和
120 发送速率的快慢是由协议规范、硬件设备等因素影响。
这里主要对IEEE802.11a、IEEE802.11b、IEEE802.11g 这3 种协议进行仿真比较分析研
究。使用 Modeler 仿真可以大体分成 6 个步骤，分别是配置网络拓扑（Topology），配置
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