基于QualNet的數據鏈網絡仿真研究

方 標 王永斌 劉宏波

摘 要:在數據鏈系統的生命周期中,仿真是不可缺少的一個環節。為了統計和分析數據鏈網絡的重要參數指標,采用網絡實時動態仿真軟件QualNet的系統構架,分析了在QualNet環境下數據鏈系統仿真的關鍵技術,通過場景設計和功能設定對Link 16進行了性能參數仿真,得到了數據鏈網絡的網絡吞吐量、平均端到端時延、數據分組成功接收率等總體性能指標。仿真結果表明網絡性能良好,基本滿足了消息傳輸的實時性和可靠性,為我軍進一步研究數據鏈系統提供了參考。

關鍵詞:數據鏈;網絡仿真;QualNet;Link 16

中圖分類號:TP311 文獻標識碼:A

文章編號:1004-373X(2009)21-005-04

Research and Simulation of Tactical Data Link Network Based on QualNet

FANG Biao,WANG Yongbin,LIU Hongbo

(Naval University of Engineering,Wuhan,430033,China)

Abstract:In the life cycle of Tactical Data Link (TDL) system,the simulation is really an indispensable segment.With the purpose of researching important network parameters of TDL,this paper places emphasis upon the systemic truss of QualNet and the pivotal simulative technology combining with TDL.The simulation is performed by designing the principle modeling of Link16 through illustrations with detailed scenic installation and functional configuration.The overall system performance such as network throughout,network average end-to-end delay,total packets received rate and their analysis are obtained.As is shown by simulation results,the network performance is fine,which could keep real-time data-exchange and transportation reliability.

Keywords:data link;network simulation;QualNet;Link 16

0 引 言

數據鏈是數據通信技術在軍事方面的典型應用,能夠實現多平臺之間的情報信息交換,是信息化戰爭發展的重要標志之一。數據鏈網絡的構建和應用實現了戰場信息的實時傳輸和各作戰單元的無縫連接、情報共享。數據鏈網絡的仿真作為研究數據鏈網絡性能的┮恢中兄有效的手段正在受到越來越多的重視。在數據鏈系統的生命周期中,仿真也是不可缺少的一個環節,不論是系統技戰指標的論證、方案的選擇、關鍵技術的突破、協議的設計、網絡參數的選取,還是系統作戰效能的評估都必須通過仿真對其進行支撐[1]。精確的建模和仿真,詳細的網絡分析可以給決策者提供有力、可靠的參考。QualNet作為一套快速和精確的網絡仿真分析工具,能夠實現復雜的基礎設施間的通訊模擬和滿足數字化戰場網絡構架的需求。

本文在QualNet軟件資料的基礎上,介紹了QualNet的仿真特點和系統構架,總結了其在國內外的發展應用,設計分析了數據鏈網絡的分層參考模型和跨層實現,結合Link 16數據鏈的網絡特點和組網方式,搭建了實際的數據鏈網絡仿真場景,并利用QualNet提供的結果分析器對仿真實驗結果進行統計和分析,主要針對網絡模型的吞吐量、平均端到端時延和數據分組成功接收率進行了詳細的性能分析,給出了性能參數仿真的一般思路和方法,為我軍數據鏈網絡的研究和分析提供了參考。

1 QualNet仿真應用及數據鏈分層模型設計

1.1 QualNet軟件簡介及其在國內外的發展應用

QualNet[2]是一種應用于無線、有線以及動態網絡,具有快速、精確特性的網絡開發、仿真系統。QualNet網絡仿真工具在速度、可擴展性和模型保真度上具有較強優勢。協議模型的源代碼為開發者提供了一套完整的模型庫,可用于全新的網絡協議和算法,預測不同類型網絡的性能,網絡規?？蓴U展至上萬個無線移動節點,對戰場動態網絡的仿真提供了技術支持。美軍在無線網絡仿真方面已經基本完成了基礎仿真平臺的建設,對數據鏈系統進行了建模仿真及專用仿真軟件QualNet的開發。自QualNet對國內開放以來,它在網絡仿真中得到了越來越多的關注和重視。由于美方保留了部分模型庫,特別是軍用模型庫的源代碼,使得國內在軍用網絡的仿真方面受到了一定限制,需要用戶在構架中自行開發設計。

目前,國內針對數據鏈網絡的QualNet仿真尚處于研究發展階段。專門進行數據鏈仿真研究的機構主要有中國電子科技集團第十研究所,西南交通大學等。研究方向主要是基于輪詢協議下戰術數據鏈的鏈路性能仿真、數據鏈中重要參數的統計和分析、各性能指標之間的相互影響和制約關系、跨層通信機制等。而對數據鏈中的多鏈重疊聯合網絡、網絡層的仿真尚處于起步研究階段。

1.2 QualNet的系統構架及數據鏈分層參考模型

QualNet是基于層的構架進行組織的,各層定義有對應的協議,協議之間的通信使用定義好的應用編程接口API函數,每一個節點都有一個協議棧,協議就分布在相應功能層中。協議中服務的選擇、確定是通過QualNet的事件處理機制進行的。各層定義,功能和服務協議見表1。

針對數據鏈的仿真研究,需要實現其消息傳輸的機制,模擬消息數據在實際系統中傳輸的過程。為此,結合QualNet的系統構架,在建立數據鏈系統分層模型的基礎上,分析兩者在層次化體系的聯系和差別,以實現系統的近似模擬是數據鏈網絡仿真的關鍵性技術。

參考OSI模型、TCP/IP模型、GIG參考模型[3](GIG指全球信息柵格,是美軍數據鏈今后發展的重要方向,旨在解決系統的開放性問題,通過應用TCP/IP協議、QoS控制、智能代理、XML等技術,將封閉、專用、體系過時的數據鏈系統有機的融入到該框架中[3]),在強調數據鏈系統作為軍事通信系統特征的基礎上,根據“使各層功能盡量明確”的原則,結合TDLRM[4](Tactical Data Link Reference Model,戰術數據鏈參考模型),將數據鏈的參考分層模型設計如下:

任務層:完成一項具體軍事任務所必需的應用程序的特定集合體,如防空、導彈防御、遠程精確打擊等多種戰術及戰略層面的作戰任務,是與作戰單元直接對話交互的最高層。

應用層:提供通用的和特定任務的應用程序,實現各種戰術數據的具體應用,如監視、參與者精確定位和識別、任務管理、武器協同、保密話音等。

服務層:結合了OSI參考模型中會話層和表示層,是兩個系統之間交換信息的語義和語法。如Link4A中的V系列、R系列標準;Link 11中的M系列標準以及Link 16中的J系列標準。

網絡層:實現數據轉發、路由選擇、網絡互聯、傳輸控制及維護等功能,為多鏈網絡提供支持和服務。

鏈路層:提供節點到節點的數據傳輸,傳送以幀為單位的數據,定義數據鏈的時隙接入和復用方式等。

物理層:利用物理傳輸介質為數據鏈路層提供物理連接,以便透明地傳送比特流,定義編碼、調制、擴頻、傳輸方式等信息。

1.3 數據鏈網絡仿真中跨層通信的實現

通過比較QualNet的系統構架和數據鏈分層模型,可以發現兩者在網絡支持層面基本相同,但數據鏈分層模型中沒有將傳輸層單獨劃分,而是由網絡層承擔。這主要考慮到數據鏈網絡的傳輸大多采用無線方式,并且這種網絡拓撲結構簡單、數據傳輸量大、消息實時性要求高的特點,特別在戰情復雜時,需要大量的實時態勢信息交互,網絡控制信息增多,按照傳統的逐層通信將造成難以避免的遲滯,嚴重制約數據鏈的性能。為了盡可能提高模型的真實性,需要對QualNet的協議棧進行修改,設計跨層通信的機制滿足實際要求。

仿真中如何實現就成為一個難點,在國外不少學者以不同思路對跨層設計進行了理論研究,文獻[5]提出在保留現有協議棧模型的基礎上,通過建立新的消息結構實現底層與高層直接通信。國內趙玉亭等人針對Ad Hoc網絡在傳統協議?；A上從接口函數的修改方面做了一些有益的研究和探索[6]。以應用層恒定比特率(CBR)協議為例具體的消息處理流程[3]如下:應用層對CBR分組使用MESSAGE_Alloc()函數分配內存空間,并利用MESSAGE_PacketAlloc()函數將用戶信息拷貝到packet結構體指針,通過MESSAGE_Send()遞交給傳輸層,傳輸層利用MESSAGE_AddHeader()函數增加一個TCP頭或者是UDP頭,然后通過MESSAGE_Send()函數遞交給網絡層,網絡層通過路由選擇,增加了IP頭以后遞交給MAC子層,MAC子層增加MAC幀頭后遞交給物理層,經過相應的編碼、調制、天線發射出去,經過無線信道的傳輸,歷經了衰落、多徑、損耗,到達接收端,如果發生差錯就要根據MAC層的設置進行相應處理,如重傳或棄包。接收端的處理過程與發送端相反,經過MESSAGE_RemoveHeader()函數層層剝離協議頭,將消息遞交給上層進行相應的處理,最終到達目的應用協議,利用MESSAGE_Free()函數釋放掉由發送端使用的MESSAGE_Alloc()函數和MESSAGE_PacketAlloc()函數分配的內存空間。要實現跨層信息交互,就要在執行MESSAGE_Send()函數的時候,將原來的消息參數進行相應的更改,使得仿真器經過事件調度以后能夠將此消息遞交給期望的處理函數。

2 基于QualNet的Link 16網絡性能參數仿真

2.1 搭建Link 16數據鏈網絡仿真場景

Link 16[7]作為美軍目前應用最為廣泛的戰術數據鏈,采用TDMA通信協議實現陸、海、空間視距(也可通過中繼實現超視距通信)、廣播通信,工作在Lx波段。各網絡成員按照時隙分配方案采用專用、競爭或時隙重分配接入模式占用時隙發射消息,無線傳播采用跳頻、擴頻相結合的方式。Link 16數據鏈中,時隙資源以時隙塊的形式分配給各個參與組中的各網絡成員。此外,Link 16數據鏈主要采用成對時隙中繼技術擴展通信距離。下面對其工作過程進行性能仿真[8-10]。

場景中參數設置如下:

仿真范圍:5 000 m×5 000 m;仿真時間:100 s;工作頻率:設定為單一網絡結構下的969 MHz;節點數:10個,其中節點1為網絡時間基準(NTR)單元,處于靜止狀態,其余都是JTIDS網絡單元,都為移動節點,機載移動速度為200 m/s,艦載移動速度為15 m/s,車載移動速度為10 m/s,士兵移動速度為1 m/s;通信協議:TDMA-時隙持續時間5 ms,時隙保護時間0.1 ms,每時幀包含18個時隙,相鄰時幀間隔1 ms,采用時間片輪回機制,各個成員分配均等時隙;物理層模型:QualNet環境下的抽象模型,在此基礎上添加編碼、調制、跳擴頻、無線信道等處理,信道傳輸速率R=1 Mb/s,同時選擇全向天線模型(Omnidirectional)、雙徑傳播路徑損傷模型(Two Ray Pathloss Model)、瑞利衰減模型(Rayleigh Fading Model)和常數分布遮蔽陰影模型(Constract Shadowing Model);業務類型:CBR(恒定比特率),NTR向每個網絡成員發送60個CBR分組,且每個分組70個字節,傳輸起始時間為5 s,結束時間為90 s。

場景設計圖和運行演示圖如圖1,圖2所示。

2.2 Link 16數據鏈網絡性能分析

2.2.1 網絡平均吞吐量

當在信道上發生碰撞及傳輸錯誤時,必然導致幀的丟失,這使信道時間被浪費。信道時間浪費的程度可以反映MAC協議的優劣。把單位時間內在信道上成功傳輸的信息量定義為吞吐量。由于實驗中采用時間片輪回機制的單一網絡結構,不考慮發生碰撞的現象,節點間吞吐量的區別主要是因為物理層抽象模型中的誤碼隨傳輸距離、運動狀態而變化。假設幀長固定,長度為a比特,且單位時間內成功傳輸的幀數為n,則吞吐量可表示為n*a(b/s)。圖3給出各接收分組的網絡節點的吞吐量。

可見,節點2,3,4的吞吐量明顯高于其他節點,一方面作為陸基節點,距離設置上較NTR近,且基本上在NTR的廣播域內移動,而艦船節點5,6距離NTR較遠;另一方面運動速度較慢,相較之下,空中節點9,10速度較快,吞吐量明顯下降。計算上述數據的統計平均值為329.4 b/s,即為該數據鏈網絡的平均吞吐量。但相對于系統模型的系統容量,信道利用率太低,以后可以考慮引入競爭機制,提高時隙、信道的利用率。

2.2.2 網絡平均端到端時延

對于一條數據鏈,端到端時延是從其分組發送方將消息發送至傳輸媒介到接收方接收到分組為止的一段時間。本實驗中即為NTR發送分組的時刻到節點接收此消息的時間差。衡量網絡節點的端到端時延可以有效地說明一個通信網絡的實時性。作為戰術數據鏈,需要很高的實時性才能保證其實際應用需求。仿真結果如圖4所示。由圖可知,節點的時延主要集中在0.45 s附近,節點2,3,4時延較低,而節點10時延較高,產生較大偏差,主要是移動方向和移動速度因素的影響,時延較大導致信息傳輸的有效性降低,與吞吐量的結果相吻合。

2.2.3 網絡節點分組成功接收率

網絡節點分組成功接收率是指信宿成功接收分組的概率。通過仿真分析各節點的成功接收分組的概率可以檢測整個數據鏈路的信息傳輸可靠性,圖5為各節點的仿真結果。

由上節參數設置可知,NTR向每一個JTIDS單元共發送60個分組,則節點9,10的成功接收率較低,節點5,6,8基本在60%左右,空中節點移動速度較快,艦載由于移動距NTR越來越遠,導致了網絡性能的下降。總體趨勢來看,數據的成功接收概率基本保持在60%以上,保證了網絡的可靠性。

3 結 語

首先對QualNet的仿真特點和系統構架進行了闡述和介紹,分析了它在數據鏈仿真中的國內外應用、關鍵性技術和數據鏈分層參考模型,然后設計進行了Link 16的性能參數仿真,得到了網絡吞吐量、端到端延遲、數據包成功接收率等參數指標,實驗結果表明網絡性能良好,實際可行,數據鏈的這種性能仿真方法具有一定的通用性。下一步工作可以在得到的網絡性能參數的基礎上分析數據鏈的組網技術體制,同時針對數據鏈的多鏈情況和跨層協議深入研究,并通過和Matlab聯合仿真進一步提高網絡性能。

參考文獻

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[10]Scalable Network Technologies,Inc.QualNet 4.0 Programmer′s Guide[Z].2007.

作者簡介 方 標 男,1986年出生,江蘇儀征人,碩士生。主要研究方向為數字通信,網絡通信。

王永斌 男,1961年出生,山西壽陽人,教授。主要研究方向為無線通信。

劉宏波 男,1979年出生,黑龍江齊齊哈爾人,講師。主要研究方向為無線通信、網絡通信。