[工学]毕业论文无线网络中多媒体信息传输的NS2仿真.doc

摘 要无线网络中多媒体信息传输的NS2仿真在无线多媒体通信系统中，视频信源在发送端按照一定的编码方式进行编码，形成视频帧，然后在网络层和传输层封装成IP数据包，再经过无线信道传输到达接收端，在接收端进行解包和恢复，得到视频帧，再形成重建后的视频流。在此过程中，无线信道的传输特性会影响到视频的传输质量。本文在利用Evalvid 工具的基础上，综合NS2仿真工具，建立研究多媒体信息在无线网络中传输的平台。在视频流仿真方面，本文采用了将视频流的Trace文件引入NS仿真环境的方法，来模拟实际网络传送的视频流，并在tcl程序代码中设定G-E模型的参数变量，这样就可以得到经模拟网络传输后数据包的收发情况，并对无线信道对多媒体信息传输质量的影响进行评估。实验中采用的网络拓扑结构为无线局域网拓扑结构。仿真结果表明，由于无线信道特性的不理想，在接收端恢复视频信息与视频信源相比较，会出现一定的失真。本文还综合利用多种工具对视频信息的质量变化进行评估，如数据封包的时延、视频的PSNR值、可解画面比例及原始图像和重建后的图像的差异等。关键词：无线网络；多媒体信息；网络仿真；AbstractThe Simulation Of ultimedia Information Transmission inWireless Network Video information are encoded by a certain means in the sending end among the system of wireless-multimedia communication,informing the video frames,and then they was encapsulated in the network layer and the transmission layer.Before they reach the sink,they transmit across the wireless channel,and now they are download and renew,getting the new frames,which inform the rebuided video stream.Among this course,the characteristic of wireless channel could affect the quality of video transmission.Based the useage of Evalvid tool and integrated ns2 simulation tool,we construct the platform for researching the transmission of multimedia in wireless network.In the simulation of video stream, in order to simulate the actual transmission of video stream in the network,we apply the method that importing the traffic trace file of video stream into the ntework simulation circumstance,and then we enactment the parameter of the G-E model in the tcl script,in this way,we can get the condition of datagramme,meanwile,we evaluate the effect of wireless channel for the transmission of multimedia.In this experiment,we adopt the WAN topology framework as the network framework.The result revealed that as the ideallessness characteristic of wireless channel,there is a certain distortion between the original video source and the rebuilded video information.Meanwhile,we utilize kinds of tools,such as the delaytime of datagrame、the value of PSNR for video、decodable frame rate 、the difference between the source video file and the rebuilded video file and so on,evaluating the quality of video information.Key words: wireless network;multimedia information; network simulation目录第一章 绪论31.1引言31.2 选题意义41.3 论文章节安排5第二章无线网络的信道模型及视频帧62.1无线局域网的传输标准62.2无线信道的G-E模型82.3视频流的封装原理102.3.1 MPEG标准102.3.2MPEG中有关GOP的概念112.3.3封包和帧的关系112.4画图工具的介绍12第三章无线局域网视频仿真环境的构建143.1 基于myevalvid工具的多媒体传输系统143.2 NS2模拟无线网络的传输163.2.1 NS2及其基本原理163.2.2 网络拓扑结构的组成183.2.3无线传输差错模型的实现193.3仿真网络的结构213.4 视频仿真的细节22第四章视频信息传输研究234.1实验探究步骤234.2视频传输研究294.2.1视频帧的比较294.2.2 数据包的延时31第五章总结与展望32致谢32参考文献33第一章 绪论1.1引言随着无线网络和多媒体技术的迅猛发展，无线网络已逐步从单一的数据传送网向数据、语音、图像等多媒体信息的综合传输网演化。多媒体信息的传输是无线网络中的关键业务，而多媒体信息传输的可靠性和质量保证是无线网络中的要考虑的关键因素。因此，通过网络仿真技术，探究无线网络中多媒体信息传输的质量，分析信息帧的丢失率对多媒体信息的影响，显得尤为重要。由于活动图像的数据量很大，在具体应用中，网络拓扑、网络带宽、路由技术等因素都会对网络传输性能造成影响，最终影响视频业务的服务质量。因此对网络中视频传输的质量展开研究是十分必要的，网络仿真技术通过建立网络设备和网络链路的模型，并模拟网络流量的传输，从而获取网络设计或优化所需的网络性能数据，所以网络仿真平台是进行网络视频传输研究经济而又可靠的手段。无线视频传输技术面临的挑战数字视频信号具有如下特点： 数据量大例如，移动可视电话一般采用QCIF分辨率的图像，它有176X144=25344像开绿灯。如果每个像素由24位来表示，一帧图像的数据量依达594kbit。考虑到实时视频图像传输要求的帧频（电视信号每秒25帧），数据传输速率将达到14.5Mbps！实时性要求高人眼对视频信号的基本要求是，延迟小，实时性好。而普通的数据通信对实时性的要求依比较低，因此相对普通数据通信而言，视频通信要求更好的实时性。无线环境则具有如下特点：无线信道资源有限由于无线信道环境恶劣，有效的带宽资源十分有限。实现大数据量的视频信号的传输，尤其在面向大众的无线可视应用中，无线信道的资源尤其紧张。 无线网络是一个时变的网络 无线信道的物理特点决定了无线网络是一个时变的网络。无线视频的Qos保障 在移动通信中，用户的移动造成无线视频的Qos保障十分复杂。1.2 选题意义随着移动通信业务的增加，无线通信已获得非常广泛的应用。无线网络除了提供语音服务之外，还提供多媒体、高速数据和视频图像业务。无线通信环境（无线信道、移动终端等）以及移动多媒体应用业务的特点对视频图像的视频图像编码与传输技术已成为当今信息科学与技术的前沿课题。无线网络和有线网络的传输信道相比，有不同的因素制约无线网络的研究。首先，无线网络信道环境较为恶劣，带宽资源比较有限，无线信道的噪声较多，并伴有小范围和大范围的衰减。同时，流媒体传输的数据量较大，容易受到带宽的限制，不利于在无线网络中传输，所以要想获得较高的服务质量，网络带宽就需要达到视频传输的最低要求。然而，目前的无线网络还不能保证所有的视频服务都能满足对带宽的要求。其次，无线网络的时延大、误码率高、传输速率不稳定，所以容易导致网络拥塞现象的发生。网络拥塞会造成数据包的丢失，延时等问题。数据包丢失会造成主观感受质量下降，严重拥塞会使播放无法进行。同时，无线网络存在异构性，不同的子网的数据处理能力，带宽，拥塞控制策略略等都有所不同，通过不同的的子网来传输数据时，传输吞吐量，数据丢失率和传输延时都会有所差异。在过去的十多年中，视频压缩技术取得了极大的进步。一系列ISO/IECMPEG和ITU-T视频编码标准相继诞生，有效地降低了视频数据率。现有的视频压缩编码通常依赖于宏块的混合编码(block-based hybrid coding)技术采用运动补偿、空间预测和变长编码(Variable Length Coding,VLC)等技术来提高编码效率，没有考虑或较少考虑数据传输中潜在的信息丢失问题，压缩数据抗差错的能力十分脆弱。再次，无线信道下的包丢失和网络拥塞引起的延迟变化，这种类型的错误会导致接收端无法和发送端同步，通常称之为同步差错。还有压缩后的视频数据对于信道错误更加敏感，同时由于压缩视频具有空域和时域相关性，容易造成差错传播。最常见的有互调干扰，邻道干扰，同波道干扰等等，此外还存在城市中各类脉冲干扰。又由于电波传播条件十分恶劣，地形、地物的影响会使电波多径传播造成多经衰弱、阴影效应，使信号接收大幅度变化。综上所述，无线网络中的这些问题，若找不到合适的手段去研究它，就无法去解决这些问题。因此，用仿真工具来研究无线多媒体信息的传输，可以在忽视网络的重要细节，利用无线传输模型实现移动节点的创建、协议的添加来实现无线网络环境的仿真，对促进多媒体传输质量的控制，具有非常重要的意义。1.3 论文章节安排本论文分一下三个主要部分阐述毕业设计的主要内容。第二章，主要讲述无线网络的信道模型、无线网络的802.11b协议标准、mpeg4视频压缩的标准和流程和一些仿真工具的学习报告。第三章，内容主要涉及无线仿真环境的实现，即NS2仿真工具的基本知识和如何实现网络模型的仿真。最后，在说明本次设计所做的工作的基础上，对本次设计的目的作出总结。第二章无线网络的信道模型及视频帧2.1无线局域网的传输标准1.UDP协议本实验设置UDP数据段部分的长度是1024字节，即每一帧按1024字节进行分组，然后传输。具体说就是加上8B的UDP首部形成UDP报文，再向下传输到IP层，加上20B的IP首部，形成IP报文。在TCP/IP协议体系结构中运输层的任务是负责主机间两个进程之间的通信。运输层的目的是向应用层应用程序进程之间的通信，提供有效、可靠、保证质量的服务。运输层的基本功能有：（1）复用与分用；（2）差错控制；（3）可靠传输（按序交付，无丢失，不重复）（4）拥塞控制（收发双方的协调一致）；（5）流量控制（通信流量的全局调节）；运输层的两个重要协议：应用层UDPTCPIP与各种网络的接口1）TCP，Transimit Control Protocol，传输控制协议。TCP是面向连接的、提供可靠交付服务的运输层协议，每条TCP连接只能有两个端点，每一条TCP连接只能是点对点的。2）UDP，User Datagram Protocol，用户数据报协议。UDP是一种无连接的，即发送数据前不需要建立连接，因此减少了开销和发送数据之前的时延。DUP使用尽最大努力交付，即不保证可靠交付，发送方的UDP协议对应用程序交下来的报文，在添加首部后就向下交付给IP层。2.IEEE802.11b80211b标准工作在24GHz的频带，采用补码键控（CCK）调制技术，传输速率最高可达到11Mbits。80211b对无线局域网的最大贡献就是根据无线信道状况的变化支持物理层传输速率的动态漂移，可以在11Mbits、55Mbits、2Mbits、1Mbits之间进行动态速率调整。    80211b的传输技术是直接序列扩频技术（DSSS，DirectSequenceSpreadSpectrum）。DSSS直接利用高速率扩频码序列在发送端扩展信号的频谱，而在接收端用相同的扩频码序列去进行解码。DSSS扩频通信技术具有保密性好、抗多径干扰等优点。IEEE802.11b无线局域网的带宽最高可达11Mbps，比两年前刚批准的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。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2.4GB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优点功能优点速度2.4ghz直接序列扩频无线电提供最大为11mbps的数据传输速率，无须直线传播动态速率转换当射频情况变差时，降低数据传输速率为5.5mbps、2mbps和1mbps使用范围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米可靠性与以太网类似的连接协议和数据包确认提供可靠的数据传送和网络带宽的有效使用互用性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。weca将认证产品的互用性电源管理802.11b网络接口卡可转到休眠模式，访问点将信息缓冲到客户，延长了笔记本电脑的电池寿命漫游支持当用户在楼房或公司部门之间移动时，允许在访问点之间进行无缝连接加载平衡802.11bnic更改与之连接的访问点，以提高性能（例如，当前的访问点流量较拥挤，或发出低质量的信号时）可伸缩性最多三个访问点可以同时定位于有效使用范围中，以支持上百个用户同时语音和数据支持安全性内置式鉴定和加密2.2无线信道的G-E模型1.无线信道的传播衰落特性(1)多径衰落电波在移动环境中的传播模式是一种多径模式。接收天线接收到的是通过直射径、各种反射径和散射径到达的合成波。由于各路径分量的幅度和相位各不相同，造成合成信号起伏很大，这称为多径衰落，它是一种快衰落。在多径传播条件下，接收信号还会产生时延扩展(Time delay spread)，这是由于各路径长度不一致而产生的。时延扩展值的大小将决定信号的衰落是否具有频率选择性。在数字移动通信中，当码元速率较低，信号带宽远小于信道相关带宽时，信号通过信道传输后频率分量的变化具有一致性，信号波形不失真，无码间干扰，此时的衰落为平坦衰落；反之，当码元速率较高，信号带宽大于信道相关带宽时，将引起波形失真，造成码间干扰，此时的衰落为频率选择性衰落。(2)阴影效应移动台在运动过程中，周围地形地物造成对电波传播路径的阻挡，形成电磁场的阴影，这种随移动台运动而不断变化的电磁阴影引起接收点场强中值起伏变化的现象叫做阴影效应。阴影效应引起的信号电平衰落称为阴影衰落。由于阴影衰落的信号电平起伏是相对缓慢的，因此，阴影衰落属于慢衰落。慢衰落的特点在于：衰落速率与工作频率无关，而取决于地形和地物的分布，高度以及移动体的运动速度。通常，阴影衰落是距离(位置)的函数。阴影效应是造成移动通信电波传播慢衰落特性的主要原因。其实产生慢衰落现象还有其它的原因，例如大气折射引起的衰落也属于慢衰落，但是，大气折射衰落是时间的函数。与阴影效应相比，它对电波传播衰落的影响远小于阴影效应。因此，在这里对大气折射造成的衰落忽略不计。2.无线信道的G-E模型 一般来说，数据封包在无线网络上传输时，会发生封包遗失的原因大致有两个：拥塞遗失和无线遗失。前者发生的原因是网络上的数据传输量过大，导致网络设备传送不及时，使得设备中的队列缓冲空间不足，而必须将数据包丢失。对于无线传输而言，可以根据其数据遗失的分布现象而分成两种类型：分布式遗失和连续型遗失。当封包遗失的分布情形相当分散且平均，则属于第一种类型，反之，如果发生遗失的现象都是以连续性的居多，则属于连续型遗失。随机统一模型经常被用来作为分布式遗失的模型，而G-E模型则被用来作为连续性遗失模型。随机统一模型中，由于数据是以随机分散的方式遗失，所以用平均遗失概率代表数据在传输过程中的平均遗失。在G-E模型中，当传输通道处于“好”状态(G)时，发生封包遗失的概率为PB；当传输通道处于“坏”状态(B)时，发生封包遗失的概率为PB 。PGB代表传输通道由好变坏的概率，PBG正好相反。如下图所示。在稳态情形下，传输通道处于“好”和“坏”的概率分别为 ， 因此，对于G-E模型而言，整体的封包遗失概率为Pavg=PGG+PBBGBG-E信道模型状态图2.3视频流的封装原理2.3.1 MPEG标准国际电信联盟（ITU-T）已经制定的视频编码标准包括H.261（1990年）、H.263（1995年）、H.263+（1998年），2000年11月份将通过H.263+的最终文本。H.26X系列标准是专门用于低比特率视频通信的视频编码标准，具有较高的压缩比，因此特别适合于无线视频传输的需要。它们采用的基本技术包括：DCT变换、运动补偿、量化、熵编码等。H.263+和H.263+中更增加考虑了较为恶劣的无线环境，设计了多种增强码流鲁棒性的方法，定义了分线编码的语法规则。 MPEG制定的视频编码标准有MPEG-1（1990年）、MPEG-2（1994年）、MPEG-4（完善中）。其中MPEG-1、MPEG-2基本已经定稿，使用的基本技术和H.26X相同。MPEG-1、MPEG-2的特点在于针对的应用主要是数字存储媒体，码率高，它们并不适于无线视频传输。人们熟知的VCD、DVD是MPEG-1、MPEG-2的典型应用。随后，MPEG组织注意到了低比特率应用潜在的巨大市场，开始和ITU-T进行竞争。在MPEG-4的制定中，不仅考虑了高比特率应用，还特别包含了适于无线传输的低比特率应用。MPEG-4标准的最大特点是基于视频对象的编码方法。2.3.2MPEG中有关GOP的概念在MPEG编码方式中，被编码的视频串流会被分成3种不同的画面，分别为：I-frame（Intra-coded frame，帧内预测编码帧）、P-frame（Predictive-coded frame，前向预测编码帧）和B-frame（Bi-directionally Predictive-coded frame， 双向预测编码帧）。I-frame 是由它本身画面的数据作为编码，也就是不参考其他画面，P-frame是参考先前被编码的I-frame或P-frame及自己本身的数据去做编码，B-frame是参考先前被编码的I-frame或P-frame及自己本身的数据做编码。2.3.3封包和帧的关系在ns的几个程序的执行中，设置封包的长度是1024字节，即把每个画面切割成1024B大小的封包。当封包长度越长时，图像的质量越高，造成这种情况的原因是，当在同一个图像中，如果所使用的封包长度越长，代表每一个画面所需要分割的封包数越少，而此时因为封包错误概率都相同，故与使用较短长度的封包的情况比起来，其遗失的封包数会比较少。在此时的情况下会造成比较多的可译码画面，所以会导致其图像质量比较高，而使用封包的长度比较短的封包时，其情况恰恰相反。一个完整的视频流是由多个帧按一定的速率播放呈现的，帧在网络层传输的过程中要经过分装，即数据的分块，分成几个比较小的数据包进行传输，到达接收端时再进行组合形成帧，这样，在无线信道的传输过程中，发生数据包的遗失，这样导致帧的不完整，从而视频播放的质量下降。2.4画图工具的介绍GUNPLOT画图的原理Gnuplot是一个命令驱动的交互式绘图程序（Command-driven Interactive Function Plotting Program）。它通过用户输入命令，来逐步设置或修改绘图环境，它以图形表达数据或函数，使我们可以通过图形做更进一步的分析。gnuplot工具的命令行参数列表截图gnuplot画图工具画出来的图形有一个显著地特点，那就是指定图形区域内任何一个点，在图形左下方会显示该点所在的平面坐标，有效数字位数可达到六位。 下方所示的右边图形为函数sin(x)带网格的图形表示。 如何使用gnuplot进入绘图模式，输入命令gnuplot执行gnuplot程序时，gnuplot首先检查是否设置环境参数DISPLAY，若有，则根据其进行设置。当其确定为X环境时，将输出模式设置为X11。设置图形的输出格式功能参数使用举例设置坐标轴的起始点及间隔单位set xtics -10，1，10设置图形的网格显示set grid设置显示范围set xrange 0：10在图形中指定位置添置一条线set arrow name from (sx1，sy1) to (sx2，sy2)设置纵横坐标及图的名称set title “name”、set xlabel “name”、set ylabel “name”输出图样的格式（9种）plot sin(x) with impulses输出图形设置为gif格式的图形set terminal gif 、set output “name.gif”set xtics -10，1，10set gridset xrange 0：10set arrow name from (sx1，sy1) to (sx2，sy2)set title “name”、set xlabel “name”、set ylabel “name”plot sin(x) with impulsesset terminal gif 、set output “name.gif”下图为综合以上各个命令参数设置画出的sin(x)函数的图形：第三章无线局域网视频仿真环境的构建3.1 基于myevalvid工具的多媒体传输系统myevalvid工具是整合了Evalvid和NS2这两个工具所产生的一组新的工具。如下图所示为evalvid工具的结构图：下面分别介绍其主要组件(1)信源视频信源可能是QCIF(176×144)或CIF(352×288)格式的YUV视频信息。(2)视频编码器和解码器用来对YUV视频执行 编解码以适应网络的传输，编码策略可采用MPEG，H.261等。 (3)视频发送器 VS从编码的视频文件中产生trace文件，即视频trace文件和发送trace文件。VS读取视频编码器输出的视频压缩文件，将大视频帧分成较小的分段以在网络环境中经UDP分组传输。发送trace文件记录每个传输的UDP分组时间戳，分组id和分组负载大小。视频trace文件记录视频文件中每个帧的信息。视频trace文件和发送trace文件在随后的视频质量评估中运用。(4)评价trace运用 原始编码视频文件、视频trace文件、发送trace文件和接收trace文件中记录的分组时间戳、分组id和分组载荷大小等信息，ET产生一个帧分组丢失、帧分组延时抖动报告和一个重建的视频文件。(5)重建视频 数字视频质量的评价通过逐帧比较实现。如果选用的编解码器无法处理丢失的帧，则通过插入最近成功解码的帧代替每一个丢失的帧的不正确潜藏技能处理。(6)主观和客观质量评价(PSNR、MOS)主观质量评价直接反映人眼的感觉，是相对较为精确的图像质量评价要领。常用的指标是基于5级质量制或5级损伤制的平均意见分(MOS分)。视频图像质量的客观评价通过某些数学准则衡量，常用峰一峰信噪比(PSNR)。 Chih-Heng Ke等将Evalvid和NS-2结合，给出视频流质量评估的新工具集。NS-2和EvalVid的结合通过3个连接模拟代理实现，即 MyTrafficTrace，MyUDP和MyUDPSink。设计这些接口既要读取视频trace文件，又要产生视频传输质量评估用的数据。 MyTrafficTrace代理从VS的输出文件中提取视频trace文件的帧类型和帧大小。此外该代理将视频帧分割成小的分段，并在适当的时间发送这些分段至低层UDP，发送时间由用户在模拟描述文件中设定。MyUDP是UDP代理的延伸。此新代理允许用户指定发送trace的输出文件名。它记录每个传输分组的时间戳，分组id和分组大小。MyUDP代理的任务对应于在真实网络环境中的cp-dump或win-dump工具的任务。MyUDPSink是接收代理，接收MyUDP发送的视频帧分组，此代理也在用户指定的文件中记录每个接收分组的时间戳、分组id和负载大小。在此基础上扩展，提出一种适合无线视频传输的质量评价体系。3.2 NS2模拟无线网络的传输3.2.1 NS2及其基本原理1.NS2仿真工具对于如何验证网络协议的正确性和进行相关性能测试，人们提出了很多方法，目前最广泛使用的方法就是通过虚拟环境进行模拟仿真。NS-2是进行网络仿真最流行的软件，已广泛被用于进行网络分析、研究和教学。它支持众多的协议，并提供了丰富的测试脚本。 NS-2由两种编程语言，OTCL（具有面向对象特性的TCL脚本程序设计语言）和C+实现。之所以使用两种编程语言，是因为模拟器有两方面的事情需要做。一方面，具体协议的模拟和实现，需要一种程序设计语言，能够高效率的处理字节（Byte），报头（Packet Header）等信息，能够应用合适的算法在大量的数据集合上进行操作。为了实现这个任务，程序内部模块的运行速度（run-time speed）是非常重要的，而运行模拟环境的时间、寻找和修复bug的时间，重新编译和运行的时间（run-around time）不是很重要。这种情况下，C+语言是非常合适的。 NS-2提供了一个很好的试验平台。它使用两种语言，C+有利于快速的运行速度；TCL则有利于快速建立试验环境。NS-2中的实体结构也非常清晰，有利于构建新的网络协议和网络实体。NS 是一个离散事件模拟器。事件规定了系统的改变，状态的修改仅在事件发生的时候进行。在一个网络模拟器处理过程的种速率不直接对应着事件。NS的核心部分是一个离散事件模拟引擎，NS种有一个“调度器”类，负责记录当前时间，调度网络事件队列中的事件，并提供函数产生新事件，指定事件发生的时间。有了这个离散事件的模拟引擎，原则上用户可以对任何系统进行模拟，而不限于通信网络系统。用户可以自己完成对所要研究的系统进行建模工作，编写代码，然后利用NS模拟器进行模拟，而NS提供了相当丰富的构件库所以如果构件一般的模型，就利用NS的构件库就可以了。2.NS2的基本原理NS2(Network Simulator，version 2)是一种面向对象的网络仿真器，本质上是一个离散事件模拟器。由UC Berkeley开发而成。它本身有一个虚拟时钟，所有的仿真都由离散事件驱动的。目前NS2可以用于仿真各种不同的IP网，已经实现的一些仿真有：网络传输协议，比如TCP和UDP；业务源流量产生器，比如FTP，Telnet，Web CBR和VBR；路由队列管理机制，比如Droptail，RED和CBQ；路由算法，比如Dijkstra等。NS2也为进行局域网的仿真而实现了多播以及一些MAC子层协议。NS的设计实现了使用两种程序设计语言，C+和Otcl。这两种程序设计语言都是面向对象的。C+程序模块的运行速度非常快，是强制类型的程序设计语言，容易实现精确的，复杂的算法，但是修改和发现，修正bug所花费的时间较长，因为它比较复杂。Otcl是脚本程序编写语言，是无强制类型的，比较简单，容易实现和修改，容易发现的修正bug，虽然它的运行速度和C+的模块相比要慢很多。NS的特点是源代码公开、可扩展性强、速度和效率优势明显。由于源码公开，使用者可以根据需要随意修改其中的各层网络协议，甚至可以加入新的协议进行仿真实验，或者修改NS中的不足之处，形成新的NS版本。但是NS在无线视频业务仿真方面也有它的局限性。首先，NS在应用层提供的业务流量生成模块仅限于传统的数据业务，如FTP业务流、CBR流及服从泊松分布的ON/OFF源，这些数据源并不符合视频流量的特点，因此如果要在NS中仿真视频业务就要对应用层的视频业务生成模块进行开发。其次，在NS中对无线信道模型的仿真功能不如MATLAB强大，只能通过设定参数值来选择无线通信的大致场景，但对各种衰落模型的仿真不够精确。再次，NS中的误差模型过于粗糙，信道产生的误码并不是以误码率来衡量的，而是通过设置由误码产生的丢包率来实现的。NS模拟分两个层次：一个是基于Otcl编程层次，利用NS已有的网络元素实现模拟，无需对NS本身进行任何修改，只要编写Otcl脚本；另一个层次是基于C+和Otcl编程层次，如果NS中没有所需的网络元素，就需要首先对NS扩展，添加你所需要的网络元素。这就需要利用前面所提到的分裂对象模型，添加新的C+类和Otcl类，然后编写Otcl脚本。3.2.2 网络拓扑结构的组成1.节点节点是网络拓扑的重要组成部分，一个单播节点（unicast node）主要包括两个Tcl对象：地址分类器（address classifier）核端口哦分类器（port classifier），他们分别用来判断分组的目标地址以及分组的目标Agent。节点中另一个很重要的部分是分类器，受到一个分组之后，节点需要检查分组的某些域，然后寻找于这个域的值相匹配的接受者。在NS中，这个工作由Classifier对象来完成，NS中由各种不同得的Classifier对象，分别负责检查分组的不同部分，来完成不同的匹配、筛选工作。Classifier的功能是从逻辑上匹配一个分组，并基于匹配的结果把该分组传递给相应的对象。每个Classifer都包括一个由SLOT number 做索引的对象表。Classifer的工作是检查受到的分组的slot number，然后把分组转发给由该slot number索引的对象。C+的Classifier类是各种不同的Clssifier的基类。移动节点是由一系列网络构件构成的，这些构件包括链路层(Link Layer，LL)、连接到LL上的ARP模块、接口队列(Interface Queue，IFq)、MAC层和网络接口(Network Interface，netIF)。移动节点通过网络接口连接到无线信道(channel)上。移动节点的各个组件是在Otcl中创建并组合在一起的。2.链路（link）链路是网络拓扑的另一个重要组成部分，用来连接网络节点，所有的链路都是以队列的形式来管理分组的到达、离开和丢弃。主要由DelayLink、Queues和TTLChcker等连接器（Connector）构成。DelayLink构造链路带宽和延迟特征；Queues构造和模拟与该链路相连的路由器的输出缓冲；TTLChcker对该链路的数据包的TTL字段减1操作，并丢弃TTL值为0的数据包。5) 分组包头（Packet）:是对象间交互的基本单元。由一系列分组头和一个可选的数据空间组成。分组头的结构在Simulator对象创建时就被初始化了，同时每个分组头相对于分组的起始地址的偏移量也被记录下来,提供用户来存取各个头部所包含的信息。3.代理（Agent）代理代表了网络层分组的起点和终点，并被用于实现如TCP和UDP等网络协议。Agent类支持分组的产生和接收，C+的Agent包含一系列的内部状态变量来表示分组的各个域。Agent可以实现多个层次的协议，对于一些运输层的协议，分组的大小和发送时间通常由Agen提供的应用程序接口（API）来控制，对于在低层使用的Agent（路由Agent），分组的大小和发送时间通常由Agent自己控制。流量发生器(traffic generator)、应用模拟器(simulated application): 是构建在运输层代理之上，流量发生器是模拟应用程序产生网络通信量，有四类：(1)EXPOO_Traffic、(2) POO_Traffic、(3)CBR_Traffic、(4)TafficTrace，它们一般用在UDP代理之上，应用模拟器有FTP，Telnet，一般用在TCP代理之上。3.2.3无线传输差错模型的实现1. NS2中的差错模型NS2中的差错模型通过标记分组的差错标志位（flag）或将分组放入丢弃队列对象来模拟链路层的差错或者丢包。在模拟过程中，差错可由一个简单的模型（如分组错误率）或一些更复杂的统计和经验模型来产生。差错模型（ErrorModel）类是由Connector基类派生的。因此它继承了某些方法以构筑target和drop-target等对象。如果drop-targe存在，它将从ErrorModel接收中断的分组。否则，ErrorModel仅在common头标记error_标志位，从而可允许代理来处理这种丢失。ErrorModel同时也增加了Tcl方法unit来定义差错单位，并使用ranvar来定义产生差错的随机变量。如果没有定义，差错将以分组作为单位，而随机变量将均匀分布在0到1的区间上。由于ErrorModel只是实现了一个基于错误率（或在比特分组中）的简单策略，它所模拟的差错产生概率比较粗糙，并且种类单一，不能够准确的描述目前无线信道的真实的差错特性，因此本文采用二态马尔科夫差错模型模拟无线信道差错特性，并将此差错模型加入到