一種無人機通信測控網絡仿真平臺設計

(西北工業大學 電子信息學院， 陜西 西安 710072)

摘要：介紹了無人機(UAV)通信測控網絡的概念模型，對其中無人機無線鏈路的性能進行了分析，研究了網絡的路由選擇算法，加密認證算法，并依據此模型提出了使用局域網的分布式系統設計方案，完成了網絡級的仿真平臺的實現。平臺使用情況表明該系統在靈活性、可擴展性以及仿真部件的重用性等方面有著較好的表現。

關鍵詞： 無人機； 通信測控網； 鏈路性能； 路由選擇算法； 分布式仿真

中圖法分類號： TP399文獻標識碼： A

文章編號： 1001 3695(2006)08 0251 03

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Design of Simulation Platform for UAV’s Telemetry and Telecontrol Communication Network

WANG Yu， WANG Yong sheng， GE Xian xian， FENG Li bin

(College of Electronic Information， Northwestern Polytechnical University， Xi’ an Shanxi 710072， China）

Abstract: It is introduced the conception model for UAV’ s telemetry and telecontrol communication network and its key algorithm， such as the performance of data link，the route protocol，the encryption and authentication algorithms.Furthermore，a design is proposed based on the model with a distributed architecture of LAN，and the last part of the paper figures out the prefe rable performance of the expansibility of system and the reutilization of the simulation components.

Key words: UAV(Unmanned Aerial Vehicle); Telemetry and Telecontrol Communication Network; Performance of Data Link; Route Protocol; Distributed Simulation

無人駕駛飛機（UAV）在近代幾次局部戰爭中扮演了非常重要的角色，逐步成為除有人駕駛飛機和導彈以外的另一類作戰武器[1，2]。隨著無人機任務的多樣化和活動范圍的擴大，對無人機的控制和通信已經遠遠超出了視距范圍[3]。無人機超視距通信研究以及利用無人機作為中繼平臺[4]實現無人戰區通信網絡的研究課題也應運而生。研究的主要內容是通過無人機協調不同種類的戰區單元，使其互通互連，形成無人機通信的系統化、網絡化，即無人機系統通信測控網。

1 系統模型

無人機系統通信測控網具有網絡節點高速運動、通信環境惡劣以及網絡節點較少等特點。根據不同的作戰范圍和任務，可隨時在戰區上空建立通信覆蓋。覆蓋范圍的位置、大小可根據需要隨時改變，且部署周期短，可以利用更多的局部頻率資源實現寬帶調制。考慮UAV在通信中繼和無線自組網等方面的實際應用，研究了無人機系統通信測控網的數學模型。對于通信網絡的關鍵因素，從以下幾個方面進行了研究。

1.1 鏈路計算

鏈路性能是衡量UAV通信測控網性能的一個重要指標。與其他無線網絡一樣，在UAV通信測控網中，通信鏈路的性能主要是傳輸數據的有效性和可靠性。鏈路的有效性主要是鏈路的通信帶寬或通信容量；鏈路的可靠性主要是誤碼率以及抗干擾系數。鏈路的有效性首先是連通性，只有鏈路可以連通，其他的分析才有意義。當收信電平低于系統規定的門限誤碼率（BER）所要求的電平時，鏈路不能提供要求的通信質量，可認為通信鏈路中斷。因此，鏈路的連通性是由實際接收電平和門限電平比較得出的。計算接收機入口處載噪比的理論門限的公式為

其中，Ｃ為載波功率，Ｎ為接收機輸入端總的高斯白噪聲，Ｍ為調制平數。

考慮由設備制作不理想產生的設備惡化儲備量Ｐ_r，認及由于編碼產生的編碼增益Ｐ_e就可以確定實際所需的收信門際平P_th

對于單級鏈路，當鏈路連通時，可計算鏈路容量、誤碼率、抗干擾系數，以及多普勒頻移對鏈路的影響。若有中繼節點，則需考慮節點通信設備所產生的傳輸延遲、噪聲干擾，中繼時產生的控制開銷，以及對可靠性的影響。

1.2 移動性管理

移動性范疇包括三方面，即用戶改變物理位置（物理空間改變）、信息服務和應用（信息空間改變）、服務設備（通信技術改變）。移動造成的主要困難是由于用戶改變終端、物理位置和場景使動態運作環境不斷變化。因此，對移動應用有三個基本要求，即支持無線網絡、適應物理位置改變和易攜帶性。在無人機通信網絡中，帶寬是最為寶貴的資源[5，6]。移動設備應在盡可能不需要用戶干預的情況下，動態適應帶寬變化，即盡量獲得可預測的服務質量，保持服務質量平滑過渡。為了使移動設備盡可能少地依賴于固定通信，可通過同步方式，將數據和處理進程移到本地客戶機進行處理，從而使移動設備可根據網絡連接質量和可用性，決定何時更新及更新的內容。同時，由于數據源和用戶服務也是分布式和可移動的，可通過鏡像和移動相應的數據和服務來適應用戶的移動。但這需要保證數據的一致性和可用性，從而需要同步機制、自動更新和智能預取機制。此外，自適應性應是移動設備的基本功能之一，可在所有層次上以多種形式實現，包括改變分組大小、編碼方式、傳輸速率、用戶界面和服務質量等，目的是通過調整應用的某個層次來適應操作環境的變化。

1.3 路由選擇協議

由于UAV通信測控網的分層體系結構、備份中繼的存在，以及網絡拓撲的動態改變性，網絡節點之間可能存在多條可連通的通信鏈路，這就需要進行路由選擇。在研究開放最短路徑優先協議（OSPF）的基礎上，根據無人機鏈路的特點，使用分層呼叫協議和整體鏈路性能最優優先（Best Whole Channel Performance First）的路由選擇協議。

OSPF協議用于有線網絡的路由選擇時，一般將路由器之間的距離作為節點之間的權值。而對無人機網絡來講雖然距離是一個比較重要的參數，但是遠遠不能以距離來代替鏈路性能。另外由于OSPF中路由器的位置相對固定，不會發生經常性的變動，所以OSPF中的路由器僅僅是在發現自己的網際接口發生改變時，或者收到不同的鏈路通告時，才發送（轉發）鏈路通告。如果路由情況穩定，則間隔30min才發送一次鏈路通告，這在UAV網絡顯然是不能允許的。

在UAV通信測控網中，要考慮的不是SPF中的路徑最短，而是要做到快速準確地將地面指揮中心的指令發送到執行作戰任務的任務機群，以及將任務機的遙測信息和傳感器數據傳回到地面站，即考慮整體的鏈路最優。所以很難用一個參數來表示節點之間的權值，而是要根據傳輸信息的不同綜合考慮鏈路性能。在前面對UAV通信測控網的鏈路性能進行的探討中，可以得出整體鏈路的性能表現在吞吐率、時延和誤碼率上。地面站和中繼機根據其他節點（下層中繼機和任務機群）返回的遙測數據，可以得到節點之間的實時更新的位置信息、速度信息以及設備狀況。然后根據本文鏈路性能部分的討論，可以得到節點之間鏈路的情況。由此，本文提出一種基于整體鏈路性能最優的路由選擇協議。

與Dijkstra算法相比較，基于整體鏈路性能最優的協議考慮了通過中繼節點所引起的時延，以及不同的通信任務對鏈路的不同要求，如測控信息的數據量相對較小，但需要準確快速地發送到目節點，所以要求高的可靠性和盡量低的延遲，對鏈路的吞吐率要求就沒那么高。而任務機采集到的傳感器信息則數據量比較大，對鏈路吞吐率要求就要高很多，與測控信息相比即使出現少量的錯誤對視頻和圖像的整體效果影響也不是很大，而且相對于數據的傳輸時間來講，節點上的延遲基本可以忽略。所以該協議在搜索最優路徑時對于遙測遙控信息，認為所有連通的路徑均滿足測控信息的吞吐率需求，選擇可靠性最高（誤碼率低）的鏈路；如果出現誤碼率相差不多的情況，選擇時延小的路徑（經過中繼層數少的路徑）。對于圖像視頻等任務信息，在滿足最低誤碼率和延遲的要求的情況下，選取具有最大吞吐率的

路徑；如果吞吐率相等，選擇延遲小的路徑，最后才是選擇誤碼率低的鏈路。

在以上討論的基礎上，本文對最優鏈路性能的路由選擇算法進行了仿真研究。在直徑1 200km的范圍內，地面控制站處于中心位置，海拔高度為50m，分別指定不同數目的中繼機和任務機，使其數目比為 1∶ 3 ，所處位置隨機分布，具有通信中繼功能的無人機的高度在5 000m～8 000m之間隨機分布，無通信中繼功能的任務機群的高度在200m～5000m之間隨機分布。

仿真程序采用 C+ + 語言編寫， VC+ + 6.0環境編譯。

運行環境為Pentium 4 2.8GHz處理器， Windows XP操作系統。仿真結果列于表1。

結果分析表明，當UAV通信測控網中的節點數目較少時，基于最優鏈路性能的路由選擇算

法的運算時間是比較短的，如維護更新由100節點組成的網絡的路由表需要22.39ms。如果將來鏈路性能計算和路由選擇模塊可以采用硬件來實現的話，速度還可能提高。但是，當網絡節點增加時，路由算法需要的時間迅速增加，與節點數目成二次曲線關系。說明大部分時間消耗在鏈路性能的計算中，隨著節點的增加，鄰接矩陣成二次關系擴大。實際中UAV通信測控網的節點數目不會太大，所以從效率上判斷，整體鏈路性能最優優先的路由選擇算法是可行的。

1.4 安全模型

無人機網絡的信息安全方面包括數據的安全性和網絡結構的安全性。無人機通信網絡正是這樣一個介質共享的無線開放網絡，因此如何對數據進行加密以使得敵方截獲數據之后無用武之處，以及如何對數據進行校驗以確保接收到的數據沒有被竄改就成為了數據安全的關鍵問題。在無人機通信網絡中，抗截獲性能主要通過信息的保密性和完整性來衡量。信息的保密性是指保證信息只讓合法用戶訪問，通信網絡系統不被非授權使用，信息不泄露給非授權的個人和實體。數據的完整性則指信息及其處理方法的準確性、完全性，是信息在存儲或傳輸過程中保持不被修改、不被破壞和不丟失的特性。在無人機通信網絡中，可以通過帶有認證的端到端加密來實現數據的私密性。通過仿真可以給出了一些常見的加密認證算法執行速度的結果比較[7]，如表2所示。

仿真環境為Pentium4 2.1GHz處理器， Windows XP操作系統，采用 C+ + 編程， 使用 VC+ + .NET編譯器。網絡結構安全方面采用分層的密鑰管理結構[8]，使網絡內部整體的安全健壯性有較大的提高。

2 仿真實現

無人機通信測控系統仿真平臺是研究和驗證無人機通信系統的一種仿真環境，可以實現無人機通信系統的全數學仿真、半實物仿真以及系統的性能評估。該系統從功能上可以分為三大模塊：（1）網絡模型仿真模塊。該模塊是整個仿真系統的核心，包括鏈路性能計算子模塊、路由選擇算法子模塊、加密認證子模塊、數據調度子模塊等，用于實現無人機通信鏈路計算、路由選擇、加密認證等前面提到的相關部件的數學仿真。每個子模塊采用類庫的方式實現，可以提供其他平臺使用。

（2）界面顯示模塊。該模塊主要用于顯示戰場無人機的飛行態勢圖，路由拓撲圖以及各種主要參數的顯示。

（3）性能評估模塊。對仿真過程中記錄的各種數據進行評估，包括鏈路性能的統計、路由算法的評估等。

三大功能模塊分別由局域網環境下的網絡模型仿真計算機、網絡數據庫和性能評估計算機以及參數界面顯示計算機來完成。局域網采用星型網絡拓撲結構，網間通信采用基于TCP/IP協議的WinSock多線程技術，數據訪問采用客戶機/服務器（C/S）的結構。系統的功能框圖如圖1所示。

2.1 模型解算部分

模型仿真計算機主要進行數學模型的解算以及數據的采樣、網絡通信和控制指令的輸入處理等。仿真的實時性主要體現在模型仿真計算機上。由于PC機運算速度的限制，采用單臺計算機完成全系統所有仿真功能，很難滿足實時性要求，這也是采用分布式仿真系統的主要原因之一。

測控通信網仿真通常采用的方法為離散事件仿真。應用離散事件仿真時，測控通信網的運行被抽象為一系列帶有隨機性質的數據包的產生、排隊、處理和消亡；仿真運行過程就是按照測控通信網實際工作流程在特定的時間產生離散事件，從而引起實體狀態的變化，然后用統計方法來分析測控通信網的性能。也就是說測控通信網仿真是基于消息的過程，是對消息的獲取、傳遞、匯集、處理和消息應用的描述，并由此產生系統行為的效果。

該系統中設計的離散事件（消息）可為外部輸入控制的消息，主要有“人為控制命令”、“運動控制命令”等。這些消息作本仿真子系統的外部激勵，引起系統的內部變化，從而使系統不斷更新其通信態勢、鏈路和路由狀態等信息。系統由模型仿真計算機執行時間推進，由于核心仿真處理均在模型仿真進程中實現，因此并不需要考慮很復雜的分布式網絡仿真的時間同步機制。系統運行簡化流程圖如圖2所示。

2.2 界面顯示模塊

軟件界面是人機交互的接口，良好的軟件界面應該提供用戶直觀的輸出顯示以及方便用戶進行數據輸入。界面顯示模塊中采用了虛擬儀表的方式，從而使動態的數據顯示更加直觀化。另外，用戶通過命令按鈕來輸入仿真控制命令，并且能夠在仿真結束后產生評估結果。該顯示效果圖如圖3所示。

2.3 性能評估模塊

性能評估模塊利用仿真過程中記錄的各種數據進行評估，以便評判對于某一子模塊采用不同算法的效果進行檢驗，給用戶進行提供評判的數據，包括鏈路性能的統計、動態拓撲下的最佳路由選擇的效果、高負載下數據調度的情況、網絡擁塞后的自我恢復等。

3 結束語

該仿真系統是為無人機通信測控網絡設計的全數字仿 真系統，在通信系統的數學模型上，考慮了無人機的無線鏈路情況，實現對鏈路層和網絡層上的仿真，體現出了通信仿真的特性。同時在基于局域網的有線網絡連接方式下，將其模塊間的通信透明化。無線鏈路性能計算、最優路由選擇、加密認證等模型均是基于應用層上實現的，使得該系統有較強的功能可擴展性和重用性，從而使其具備了仿真驗證平臺的功能。另外采用了先進的界面設計技術，不僅界面友好，而且能夠實現快速設計。最后，系統構建于基于PC的局域網，功能上可以部分取代實物模型，大大降低了仿真系統的研制和維護成本。同時在接下來的系統改造中，擬采用基于HLA的分布式仿真構架，從而使平臺具有更大的靈活性和擴展能力。

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作者簡介：王宇(1981－)，男，河南平頂山人，博士研究生，主要研究方向為通信網絡技術、據傳輸理論；王永生(1941－)，男，陜西西安人，教授，博導，主要研究方向為無線電通信、導航與測控系統的信息傳輸與處理技術；葛睍睍(1982－)，女，安徽蚌埠人，碩士研究生，主要研究方向為視頻編碼、多媒體通信；封立斌(1979－)，男，山東德州人，碩士研究生，主要研究方向為無線通信網絡及其仿真。

注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內容請以PDF格式閱讀原文。