| 标题 | 战术通信子网建模及仿真研究 |
| 范文 | 卢颖,钟联炯 摘? 要： 针对战术通信网中信息传递的层级关系特征，采用多频分层技术对该网络进行仿真建模。通过引入营连级通信场景，给出子网成员节点和簇首节点的仿真模型及实现描述，并提出了一种简单有效的路由表数据结构，在模型节点域中进行加载。实验结果证明：该仿真建模方法具有一定可行性，用其搭建仿真网络可有效客观地反映通信子网的各项性能指标。 关键词： 通信子网； 多频分层； 分层分布式； 节点建模 中图分类号： TN915?34?????????????????????? 文献标识码： A??????????????????????? 文章编号： 1004?373X（2014）23?0044?03 Abstract：For?the?characteristics?of?hierarchical?relationship?of?information?transfer?in?tactical?communication?sub?network， multi?frequency hierarchical technology is used to implement simulation modeling. The?simulation?model?and?description?of?member?nodes and?the?cluster?head?node?are offered?through introducing battalion?level?communication?scenario. A simple and effective routing data structure is proposed， which can loaded in node fields of model. The?experiment?result?demonstrates?the?methods?mentioned above are?feasible.?The simulation?network built with this method???can?effectively?reflect?the?performance?indicators?of?the communication?sub?network. Keywords：?communication?sub?network； multi?frequency hierarchy； hierarchical distribution； node modeling 0? 引? 言 战术通信网的组网结构包括战区到各级机动部队的作战指挥通信。按照战时需求，建立能在复杂环境下提供安全、可靠、高效的通信服务网络，是战时通信的关键保障[1]。采用合适的体系结构，对于保障通信可靠性和网络性能极为重要。战术网络中信息的传递呈现出一种“纵向化”的特征[2]。指挥控制信息一般自上而下，而态势感知信息一般由下而上，每一级中心节点都必须对这些信息统一汇总，分析处理后再向上级转发或向下级单元分发，节点之间存在着一定的隶属关系。根据这种作战指挥的特点及数据采集和发布的层级关系，其网络构建模式应采用分层分级的网络体系结构。本文根据战术通信网体系结构特点，重点研究如何有效进行多层分布式体系结构的仿真建模。通过在网络各层的终端节点模型中分别创建单、双收发信机，结合分频的方法建立了多层结构模型，从而有效实现了对该网络的仿真。 1? 多层分布式结构建模及实现 1.1? 多层分布式模型 多层分布式结构网络可被划分为多个簇，簇内包括一个簇首节点和若干成员，只有簇首才能进行数据转发和维护网络的路由信息。若干簇首节点可以形成高一级的子网，高一级子网的簇首又可再次分簇[3?4]。战术通信网本身拥有复杂的结构，仿真模型的分层分布多是参考部队编制及组网功能的层次关系。根据子网通信的需求，该体系结构可以通过多频分层组网技术实现。模型中可通过为子网簇首节点设置双收发信机来实现这种多层次的组网结构。 具体建模时可设置子网中非簇首节点为单收发信机节点，只拥有一对收发信机，同一子网的各站点收发信机采用相同通信频率；簇首节点则设置为双收发信机节点，拥有收发信机0和收发信机1。收发信机0负责与本子网内其他节点进行通信，因此采用的通信频率与本子网内节点相同；收发信机1负责与上层子网通信，因此其频率同上层子网一致。 当节点发送数据帧时，如果是发往本子网内地址，则通过其发信机直接发送；如果要发往其他子网，则先要发往簇首节点，簇首节点通过收发信机0接收到数据帧，再利用发信机1进行转发。采用上述方法，能解决网络中任意两点之间相互通信的需求。仿真实现时需要设置模型中收发信机的通信频率、数据发送速率、支持的数据包格式、带宽等，而以上参数需根据战术通信网的实际经验而定。 1.2? 单收发信机节点的建模 单收发信机节点是多层分布式战术通信网中最底层子网的组成元素。此类节点只能与同一网络中的其他节点通信，若要与其他子网节点通信则需要经过簇首节点转发。由于所研究战术通信网是采用OPNET仿真软件搭建其网络模型的，因此本文将介绍采用OPNET Modeler创建单收发信机节点模型的方法，如图1（a）所示。 该节点模型包含数据源模块、MAC层接口模块、MAC层模块、信宿模块、发射机和接收机模块，每个模块都有相应的进程模型支持[5?6]。其中，wlan_port_tx0是无线发射机，负责将节点所要发送的数据帧发送到无线信道上；wlan_port_rx0是无线接收机，负责接收检测信道的使用情况并获取信道上的数据帧[7]。 <；E：＼2014年23期＼2014年23期＼Image＼39t1.tif>； 图1 单、双收发信机节点模型 1.3? 双收发信机节点建模 双收发信机节点是构成多层分布式战术通信网高层子网的组成元素，也正是通过为该层节点模型的两对收发信机设置不同的频段，从而实现战术通信网的分层。该节点拥有两对收发信机，一对负责和底层网络通信，另一对负责和上层网络通信。在OPNET 节点模型编辑器中建立双收发信机节点模型，如图1（b）所示。 双收发信机节点模型能使得同一站点与两个子网之间进行通信，具体实现过程需要在wlan_mac_intf进程模型中加载网络的路由信息，站点在接收到上层数据帧或下层数据帧后，将根据路由表将数据帧分发到相应的进程模型进行处理。过程如下：当wlan_mac_intf接收到数据帧时，首先判断其目标地址，如果是自身则直接发往Sink模块进行销毁，否则根据路由信息计算出应发向的目标地址。若为下层子网，则发向wireless_lan_mac竞争信道，然后通过wlan_port_tx0发送；若为上层子网，则先发向wireless_lan_mac1，再通过wlan_port_tx1进行转发。 2? 仿真网络模型建立 2.1? 仿真场景描述 建立网络仿真模型如下：仿真场景为一个两级分布式通信网络，如图2所示。该网络包含四个“连”网：company_subnet1～company_subnet4；一个“营”网：company_subnet0。每个“连”网内设置四个通信终端，而营层子网由一个营网的簇首节点和四个连网的簇首组成。该通信网的分层结构由簇首节点的双收发信机来实现。 <；E：＼2014年23期＼2014年23期＼Image＼39t2.tif>； 图2 仿真网络结构 以company_subnet1为例，其中的node1.0～node_1.2为单收发机站点，每个节点有一对收发信机，每个站点的收发信机采用同一频段。node_1.3为簇首，设置双收发信机，它负责将node_1.0～node_1.3发往其他子网站点的数据帧准确转发。node_1.3所设置的收发信机0采用的频率和node_1.0～node_1.2相同，子网中的其他站点要发送数据帧，首先查看该数据帧的目标地址，如果目标地址是node_1.0～node_1.2中的某一个，则不接收该数据帧；如果该数据帧的目标地址是node_1.3，则进行接收，并做相应处理；如果目标地址是本子网以外站点，则接收该数据帧，同时由收发信机1转发到该目标地址所在子网的簇首节点，再由簇首节点发送到目标站点。具体实现时双收发信机站点接收到数据帧后，根据目标站点发往相应的节点stream，分别有三个stream处理：如果数据帧目标地址域是本站点则通过stream0，将数据帧发送给sink模块处理；如果数据帧的目标地址是本子网内站点，则由与stream1所对应的与底层站点通信的收发信机处理；如果数据帧的目标地址为其他子网的站点，则由与stream2所对应的与高层站点通信的收发信机处理。 2.2? 路由表结构设计 实验在节点模型的“wlan_mac_intf”模块加载了自定义的转发路由表。所提出的路由表数据结构设计具体如图3所示，其中Group0～Group4代表子网company_subnet0～company_subnet4。全网各站点MAC地址统一编号从0～20，每个群首有两个MAC地址，分网内和网外，如3，7，11，15号节点在上层子网中对应的MAC地址为17，18，19，20。矩阵的第一列表示节点所处网络层级（0为连级节点，1为营级节点）；第二列表示节点在子网内的MAC地址；第三列表示所对应群首的MAC地址；第四列表示所对应群首的上层MAC地址。 <；E：＼2014年23期＼2014年23期＼Image＼39t3.tif>； 图3 路由信息数据组织结构 表1，表2举例说明了网络中各节点所发送数据的具体路由传递关系。 表1 营长节点16的路由表 [src_address＼&；dest_address＼&；行为＼&；*＼&；16＼&；接收＼&；16＼&；*＼&；发往对应群首（3，7，11，15）＼&；] 注：*表示除16号节点之外的其他节点。 表2 连长站点3的路由表 [src_address＼&；dest_address＼&；行为＼&；3＼&；0，1，2＼&；通过发信机0发送＼&；0，1，2＼&；3＼&；通过收信机1接收＼&；3＼&；4～16＼&；通过发信机1发送＼&；4～16＼&；3＼&；通过收信机1接收＼&；4～16＼&；0，1，2＼&；通过收信机1接收，通过发信机0 转发给对应节点（0，1，2）＼&；0，1，2＼&；4～16＼&；通过收信机0接收，通过发信机1 转发给对应节点群首（7，11，15，16）＼&；] 3? 仿真实例与模型验证 3.1? 业务模型参数 （1） 平均业务量强度 如表3所示，仿真时分别加载三种不同的网络业务强度[S1，][S2，][S3。] 表3 三种不同业务强度 [业务强度[S1]/（Kb/s）＼&；业务强度[S2]/（Kb/s）＼&；业务强度[S3]/（Kb/s）＼&；44.14＼&；25.78＼&；6.65＼&；] 三种业务流量的产生模型包括话音业务流模型和数据、视频业务模型。话音业务采用的是两态马尔科夫过程模型[8]，平均包大小为80 B；数据和视频业务采用的是自相似过程[9]，包大小服从均值为512 B的指数分布。 3.2? 仿真实验及分析 在三种业务流量强度下，通信带宽为128 Kb，256 Kb，512 Kb时，仿真软件运行60 min。图4（a）和（b）分别给出了三种带宽下网络的平均延迟和平均丢包率性能指标。横轴为仿真时间（单位为s），纵轴为平均延迟（单位为s）和丢包率。 <；E：＼2014年23期＼2014年23期＼Image＼39t4.tif>； 图4 512 Kb/256 Kb/128 Kb带宽下延迟和丢包率性能 由图4可知，三种带宽下的网络延迟和丢包率是随着业务量强度的增加而逐渐递增的。512 Kb通信带宽，业务强度达[S1]时，网络平均端到端延迟为2.46 s，丢包率达32.55%；[S2]时为0.58 s，丢包率为2.8%；[S3]时为0.41 s，丢包率为0.7%。根据结果分析可知，[S1]强度下，延迟时间上升较快且丢包率过高，不符合战术指标要求，而[S3]时情况较为理想。256 Kb带宽，[S1]业务强度时端到端延迟为4.4 s，丢包率达56.6%；[S2]时为3.6 s，丢包率达35.03%；[S3]时，延迟0.48 s，丢包率达0.08%。[S1，][S2]强度下的仿真统计结果均超出技术指标范围，无法满足需求。128 Kb带宽下，[S1，][S2]强度时丢包率非常高；[S3]下延迟为0.41 s，由于负载较轻丢包现象几乎未明显看到。同样，[S1，][S2]强度下的仿真统计结果也无法达到战术指标要求。 随着业务流量的强度递增，网络负荷愈来愈重，链路利用率不断提高，由此吞吐量增大并趋于饱和，同时由终端节点对信道访问竞争的越发激烈，使得数据包的延迟和排队情况恶化，进而加剧了网络的丢包现象。根据上述分析，该两层分布式通信子网在通信带宽为512 Kb，业务流量强度为[S3]时，各项性能指标较为理想。 4? 结? 语 本文对战术通信子网仿真建模过程中所涉及到的网络体系结构建模问题进行了研究及探讨。给出在网络节点模型中分别设置单、双收发信机采用分频分层技术来实现网络分层的具体方案，为战术通信网网络规划、设计及性能分析提供了技术依据。 参考文献 [1] 董保良，周兴乾，祁小丁，等.战术通信网性能评估指标体系[J].四川兵工学报，2013，34（8）：103?106. [2] PAUL S. Communications networks for the force XXI digitized battlefield [J]. Mobile Network and Applications， 1999， 9（4）： 139?155. [3] 陈林星.移动Ad Hoc网络：自组织分组无线网络技术[M].北京：电子工业出版社，2006. [4] 王晓凯，侯朝桢.战术互联网的无线通信网络模型及网络管理策略[J].计算机工程，2003，29（15）：75?77. [5] 卢颖，康凤举，钟连炯.一种战术通信网业务流的建模方法[J].系统仿真学报，2011，23（8）：1575?1578. [6] 陈敏.OPNET网络仿真[M].北京：清华大学出版社，2004. [7] OPNET Technologies Inc.?OPNET technologies [EB/OL].[2014?05?06]. http：//www.opnet.com. [8] ERRAMILLI A，WANG J L. Monitoring packet traffic levels [C]// Proceedings of GLOBECOM4. San Francisco， CA： [s.n.]， 1994： 274?280. [9] ADDIER R， ZUKERMAN M， NEAME T. Fractal traffic measurement， modeling and performance evaluation [C]// Proceedings of INFOCOM95. Boston， MA： [s.n.]， 1995： 977?984. 转发给对应节点（0，1，2）＼&；0，1，2＼&；4～16＼&；通过收信机0接收，通过发信机1 转发给对应节点群首（7，11，15，16）＼&；] 3? 仿真实例与模型验证 3.1? 业务模型参数 （1） 平均业务量强度 如表3所示，仿真时分别加载三种不同的网络业务强度[S1，][S2，][S3。] 表3 三种不同业务强度 [业务强度[S1]/（Kb/s）＼&；业务强度[S2]/（Kb/s）＼&；业务强度[S3]/（Kb/s）＼&；44.14＼&；25.78＼&；6.65＼&；] 三种业务流量的产生模型包括话音业务流模型和数据、视频业务模型。话音业务采用的是两态马尔科夫过程模型[8]，平均包大小为80 B；数据和视频业务采用的是自相似过程[9]，包大小服从均值为512 B的指数分布。 3.2? 仿真实验及分析 在三种业务流量强度下，通信带宽为128 Kb，256 Kb，512 Kb时，仿真软件运行60 min。图4（a）和（b）分别给出了三种带宽下网络的平均延迟和平均丢包率性能指标。横轴为仿真时间（单位为s），纵轴为平均延迟（单位为s）和丢包率。 <；E：＼2014年23期＼2014年23期＼Image＼39t4.tif>； 图4 512 Kb/256 Kb/128 Kb带宽下延迟和丢包率性能 由图4可知，三种带宽下的网络延迟和丢包率是随着业务量强度的增加而逐渐递增的。512 Kb通信带宽，业务强度达[S1]时，网络平均端到端延迟为2.46 s，丢包率达32.55%；[S2]时为0.58 s，丢包率为2.8%；[S3]时为0.41 s，丢包率为0.7%。根据结果分析可知，[S1]强度下，延迟时间上升较快且丢包率过高，不符合战术指标要求，而[S3]时情况较为理想。256 Kb带宽，[S1]业务强度时端到端延迟为4.4 s，丢包率达56.6%；[S2]时为3.6 s，丢包率达35.03%；[S3]时，延迟0.48 s，丢包率达0.08%。[S1，][S2]强度下的仿真统计结果均超出技术指标范围，无法满足需求。128 Kb带宽下，[S1，][S2]强度时丢包率非常高；[S3]下延迟为0.41 s，由于负载较轻丢包现象几乎未明显看到。同样，[S1，][S2]强度下的仿真统计结果也无法达到战术指标要求。 随着业务流量的强度递增，网络负荷愈来愈重，链路利用率不断提高，由此吞吐量增大并趋于饱和，同时由终端节点对信道访问竞争的越发激烈，使得数据包的延迟和排队情况恶化，进而加剧了网络的丢包现象。根据上述分析，该两层分布式通信子网在通信带宽为512 Kb，业务流量强度为[S3]时，各项性能指标较为理想。 4? 结? 语 本文对战术通信子网仿真建模过程中所涉及到的网络体系结构建模问题进行了研究及探讨。给出在网络节点模型中分别设置单、双收发信机采用分频分层技术来实现网络分层的具体方案，为战术通信网网络规划、设计及性能分析提供了技术依据。 参考文献 [1] 董保良，周兴乾，祁小丁，等.战术通信网性能评估指标体系[J].四川兵工学报，2013，34（8）：103?106. [2] PAUL S. Communications networks for the force XXI digitized battlefield [J]. Mobile Network and Applications， 1999， 9（4）： 139?155. [3] 陈林星.移动Ad Hoc网络：自组织分组无线网络技术[M].北京：电子工业出版社，2006. [4] 王晓凯，侯朝桢.战术互联网的无线通信网络模型及网络管理策略[J].计算机工程，2003，29（15）：75?77. [5] 卢颖，康凤举，钟连炯.一种战术通信网业务流的建模方法[J].系统仿真学报，2011，23（8）：1575?1578. [6] 陈敏.OPNET网络仿真[M].北京：清华大学出版社，2004. [7] OPNET Technologies Inc.?OPNET technologies [EB/OL].[2014?05?06]. http：//www.opnet.com. [8] ERRAMILLI A，WANG J L. Monitoring packet traffic levels [C]// Proceedings of GLOBECOM4. San Francisco， CA： [s.n.]， 1994： 274?280. [9] ADDIER R， ZUKERMAN M， NEAME T. Fractal traffic measurement， modeling and performance evaluation [C]// Proceedings of INFOCOM95. Boston， MA： [s.n.]， 1995： 977?984. 转发给对应节点（0，1，2）＼&；0，1，2＼&；4～16＼&；通过收信机0接收，通过发信机1 转发给对应节点群首（7，11，15，16）＼&；] 3? 仿真实例与模型验证 3.1? 业务模型参数 （1） 平均业务量强度 如表3所示，仿真时分别加载三种不同的网络业务强度[S1，][S2，][S3。] 表3 三种不同业务强度 [业务强度[S1]/（Kb/s）＼&；业务强度[S2]/（Kb/s）＼&；业务强度[S3]/（Kb/s）＼&；44.14＼&；25.78＼&；6.65＼&；] 三种业务流量的产生模型包括话音业务流模型和数据、视频业务模型。话音业务采用的是两态马尔科夫过程模型[8]，平均包大小为80 B；数据和视频业务采用的是自相似过程[9]，包大小服从均值为512 B的指数分布。 3.2? 仿真实验及分析 在三种业务流量强度下，通信带宽为128 Kb，256 Kb，512 Kb时，仿真软件运行60 min。图4（a）和（b）分别给出了三种带宽下网络的平均延迟和平均丢包率性能指标。横轴为仿真时间（单位为s），纵轴为平均延迟（单位为s）和丢包率。 <；E：＼2014年23期＼2014年23期＼Image＼39t4.tif>； 图4 512 Kb/256 Kb/128 Kb带宽下延迟和丢包率性能 由图4可知，三种带宽下的网络延迟和丢包率是随着业务量强度的增加而逐渐递增的。512 Kb通信带宽，业务强度达[S1]时，网络平均端到端延迟为2.46 s，丢包率达32.55%；[S2]时为0.58 s，丢包率为2.8%；[S3]时为0.41 s，丢包率为0.7%。根据结果分析可知，[S1]强度下，延迟时间上升较快且丢包率过高，不符合战术指标要求，而[S3]时情况较为理想。256 Kb带宽，[S1]业务强度时端到端延迟为4.4 s，丢包率达56.6%；[S2]时为3.6 s，丢包率达35.03%；[S3]时，延迟0.48 s，丢包率达0.08%。[S1，][S2]强度下的仿真统计结果均超出技术指标范围，无法满足需求。128 Kb带宽下，[S1，][S2]强度时丢包率非常高；[S3]下延迟为0.41 s，由于负载较轻丢包现象几乎未明显看到。同样，[S1，][S2]强度下的仿真统计结果也无法达到战术指标要求。 随着业务流量的强度递增，网络负荷愈来愈重，链路利用率不断提高，由此吞吐量增大并趋于饱和，同时由终端节点对信道访问竞争的越发激烈，使得数据包的延迟和排队情况恶化，进而加剧了网络的丢包现象。根据上述分析，该两层分布式通信子网在通信带宽为512 Kb，业务流量强度为[S3]时，各项性能指标较为理想。 4? 结? 语 本文对战术通信子网仿真建模过程中所涉及到的网络体系结构建模问题进行了研究及探讨。给出在网络节点模型中分别设置单、双收发信机采用分频分层技术来实现网络分层的具体方案，为战术通信网网络规划、设计及性能分析提供了技术依据。 参考文献 [1] 董保良，周兴乾，祁小丁，等.战术通信网性能评估指标体系[J].四川兵工学报，2013，34（8）：103?106. [2] PAUL S. Communications networks for the force XXI digitized battlefield [J]. Mobile Network and Applications， 1999， 9（4）： 139?155. [3] 陈林星.移动Ad Hoc网络：自组织分组无线网络技术[M].北京：电子工业出版社，2006. [4] 王晓凯，侯朝桢.战术互联网的无线通信网络模型及网络管理策略[J].计算机工程，2003，29（15）：75?77. [5] 卢颖，康凤举，钟连炯.一种战术通信网业务流的建模方法[J].系统仿真学报，2011，23（8）：1575?1578. [6] 陈敏.OPNET网络仿真[M].北京：清华大学出版社，2004. [7] OPNET Technologies Inc.?OPNET technologies [EB/OL].[2014?05?06]. http：//www.opnet.com. [8] ERRAMILLI A，WANG J L. Monitoring packet traffic levels [C]// Proceedings of GLOBECOM4. San Francisco， CA： [s.n.]， 1994： 274?280. [9] ADDIER R， ZUKERMAN M， NEAME T. Fractal traffic measurement， modeling and performance evaluation [C]// Proceedings of INFOCOM95. Boston， MA： [s.n.]， 1995： 977?984. |
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