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75/100 📌 第 8 周：網路優化與測試 - 找出問題並調整參數以提升品質與效能
75. 模擬與仿真 🖥
NS-3、OPNET 先跑模擬再上線！
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🎯 單元導讀
在網路規劃與設計中，直接上線部署成本高、風險大。
👉 解法：模擬（Simulation）與仿真（Emulation）
• 模擬：用數學模型或軟體平台，預測網路效能。
• 仿真：結合真實硬體或協定棧，模擬更接近實際的環境。
藉由 NS-3、OPNET 等工具，工程師可以 先跑模擬 → 找問題 → 優化設計 → 再上線，大幅降低試錯成本。
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🧠 一、模擬（Simulation）
• 定義：利用軟體工具，建立抽象的網路模型，測試系統效能。
• 特點：成本低、彈性高，但與真實系統有差距。
• 代表工具：
o NS-3：開源，支援 LTE/5G 模組，廣用於學術研究。
o OMNeT++：模組化網路模擬框架，支援協定堆疊。
o MATLAB/Simulink：偏數學建模，適合早期演算法驗證。
• 應用範例：
o 頻譜規劃前，模擬容量/覆蓋。
o 5G 切片方案的流量模型預測。
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🧠 二、仿真（Emulation）
• 定義：結合真實網路協定棧或部分硬體，模擬「接近實際」的運作環境。
• 特點：比模擬更貼近真實，但成本與複雜度較高。
• 代表工具：
o OPNET（Riverbed Modeler）：商用級工具，支援端到端網路設計、QoS 分析。
o Mininet：常用於 SDN/5G Core 的仿真，支援 OpenFlow。
o GNS3/Packet Tracer：適合路由、交換與協定教學。
• 應用範例：
o 測試 VoLTE 核心網路負載。
o 模擬 MEC 佈署下的延遲與 QoS。
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🧠 三、模擬 vs 仿真
簡要比較
• 精確度：模擬中（數學模型）／仿真高（接近真實）
• 成本：模擬低／仿真較高
• 應用：模擬用於學術研究、早期設計；仿真用於網路驗證、產品測試
• 工具：模擬 → NS-3、OMNeT++；仿真 → OPNET、Mininet、GNS3
• 重點差異：模擬是理論驗證，仿真是實際重現。
👉 類比：
• 模擬 = 用地圖規劃旅行路線。
• 仿真 = 用模擬駕駛器試開車。
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💻 四、ASCII 示意圖
[模擬 Simulation] → 抽象數學模型 → 初步驗證
↓
[仿真 Emulation] → 真實協定/部分硬體 → 接近實測
↓
[真實網路部署]
行動網路或通訊系統的開發，通常依序經歷「模擬 → 仿真 → 實際部署」三個階段。
首先在 模擬（Simulation） 階段，以數學模型與統計參數進行抽象測試，用於理論驗證與初步設計；
接著進入 仿真（Emulation），導入真實協定、軟體模組或部分硬體，讓結果更貼近實際網路行為；
最後在 真實網路部署 階段，於現場環境進行建設與測試，驗證整體系統效能與穩定性。
這個流程確保每一步都能在可控環境中逐步逼近現實，降低風險、提升可靠度。
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🧩 五、模擬題
1️⃣ 專業題
請說明「模擬（Simulation）」與「仿真（Emulation）」在網路測試中的主要差異，並舉各自的典型應用工具。
👉 提示：可從真實度、成本與靈活性三方面比較。
答案：
模擬（Simulation）是以數學模型或軟體邏輯模擬系統行為，強調理論分析與預測，真實度較低但靈活性高，能快速修改參數與測試不同假設，成本也相對較低。常用工具如 NS-3、OMNeT++。
仿真（Emulation）則是以真實協定堆疊或實際網路環境進行測試，強調接近真實運作的精確度，能測試實際封包延遲與效能，但成本高且靈活度較低。常用工具如 GNS3、Mininet。
一句話總結： 模擬用來「理論驗證」，仿真用來「真實測試」。
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2️⃣ 應用題
若研究人員要分析 5G 核心網在高峰流量下的延遲與丟包情況，應採用哪一種方法？
A. 模擬（Simulation）
B. 仿真（Emulation）
C. 理論推導（Theoretical Modeling）
請選出正確答案，並說明理由。
答案：
選 B. 仿真（Emulation）。
理由：5G 核心網涉及多層協定互動（SBA、PFCP、HTTP/2、NRF、UPF 等），需在真實網路堆疊下觀察封包延遲、丟包與服務品質，因此必須採用仿真方式驗證實際效能。模擬僅能預測趨勢，無法精確反映真實負載情況。
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3️⃣ 情境題
在智慧工廠專網建置前，工程師希望先預測網路負載與干擾，再實際測試設備的穩定度。請問應如何安排模擬與仿真的順序？
A. 先仿真後模擬
B. 同時進行
C. 先模擬後仿真
並簡要說明理由。
答案：
選 C. 先模擬後仿真。
理由：應先以模擬階段進行理論設計與負載預測（例如使用 NS-3 模擬流量、頻譜分配、干擾），再進入仿真階段部署真實環境（如以 Mininet、GNS3 驗證延遲與穩定度）。此順序可節省成本並確保設計合理後再實作驗證。
💡 ：
模擬用來「規劃與預測」，仿真用來「驗證與落地」；
兩者結合，才能讓 5G 智慧工廠從理論模型走向真實應用。
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🛠 六、實務演練題
1️⃣ NS-3 實作
• 建立一個 10 個 eNodeB + 100 UE 的 LTE 網路模擬。
• 設定流量模型（VoIP + eMBB），觀察吞吐量與掉話率。
2️⃣ OPNET 實作
• 模擬一個多服務核心網（IMS + 5GC）。
• 分析不同 QoS 配置下的 VoLTE 呼叫成功率與平均延遲。
3️⃣ 混合驗證
• 模擬（NS-3）：預測容量與資源瓶頸。
• 仿真（OPNET/Mininet）：驗證實際協定行為與 QoS。
• 實測（Drive Test）：最終驗收。
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✅ 七、小結與啟示
• 模擬：低成本、彈性大，適合設計初期。
• 仿真：高精度、貼近真實，適合驗證上線前方案。
• 策略：模擬 → 仿真 → 驗證 → 上線 → 優化。
• 意義：模擬與仿真是降低風險、提升效率的關鍵方法。
👉 總結：模擬與仿真就是「網路的模擬駕駛訓練」，先在虛擬世界找到問題，再自信地上路！ 🚗🌐
