流星余跡通信網(wǎng)絡(luò)建模與仿真

黎慶, 朱立東

(電子科技大學(xué) 通信抗干擾技術(shù)國家級重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,四川 成都 611731)

0 引言

流星余跡通信就是利用流星余跡對 VHF頻段無線電波的反射而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離通信的一種超視距無線通信方式[1]。流星余跡通信的主要特點(diǎn)是：①通信距離遠(yuǎn)、覆蓋范圍大;②通信信道不受電離層騷擾、極光和太陽黑子爆發(fā)等惡劣自然電磁環(huán)境的影響;③隱蔽性強(qiáng),不易被竊聽;④可實(shí)現(xiàn)移動通信,通信設(shè)備可搭載在移動平臺上;⑤運(yùn)行維護(hù)方便,成本低,從站間歇工作,耗電小。這些特點(diǎn)使得流星余跡通信在應(yīng)急通信中具有特殊的地位。在軍事上具有極大的應(yīng)用價值,在可能出現(xiàn)的戰(zhàn)爭中,流星余跡通信無疑是一種可選的通信手段。在實(shí)際中,流星余跡通信系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性受流星余跡信道特性的影響非常大,如何提高其穩(wěn)定性和數(shù)據(jù)傳輸效率成為流星余跡通信的關(guān)鍵技術(shù)之一。在常見的多基站環(huán)狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上,將各基站用高速有線鏈路連成全連通網(wǎng)絡(luò)以克服環(huán)狀網(wǎng)絡(luò)可靠性低的缺點(diǎn)。在此基礎(chǔ)上,從工程實(shí)現(xiàn)的角度構(gòu)建了一種基于停等協(xié)議的流星余跡通信網(wǎng)絡(luò),并利用 Opnet搭建了網(wǎng)絡(luò)仿真模型,分析了發(fā)包速率以及包長度對網(wǎng)絡(luò)性能的影響,得出了在該網(wǎng)絡(luò)模型中的最優(yōu)發(fā)包速率及包長度。

1 流星余跡通信系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

1.1 單基站星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

流星余跡通信系統(tǒng)[2]最基本的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)是星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),如圖 1所示,其構(gòu)成包括一個中心節(jié)點(diǎn)和若干個子節(jié)點(diǎn)。其中心節(jié)點(diǎn)是整個網(wǎng)絡(luò)的核心,子節(jié)點(diǎn)只能與中心節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信。中心節(jié)點(diǎn)不斷發(fā)射探測信號,當(dāng)該信號通過流星余跡反射到子節(jié)點(diǎn)時,子節(jié)點(diǎn)立即發(fā)射應(yīng)答信號,中心節(jié)點(diǎn)收到應(yīng)答后就向子節(jié)點(diǎn)發(fā)送確認(rèn)信息,然后基站與移動臺之間根據(jù)需要持續(xù)發(fā)送報文,直到報文發(fā)送完畢或鏈路中斷為止。

圖 1 單基站星狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

1.2 多基站環(huán)形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

如圖 2所示,環(huán)形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)由網(wǎng)絡(luò)中若干節(jié)點(diǎn)通過點(diǎn)到點(diǎn)的鏈路首尾相連形成一個閉合的環(huán),數(shù)據(jù)在環(huán)路中沿著一個方向在各個節(jié)點(diǎn)間傳輸,信息從一個節(jié)點(diǎn)傳到另一個節(jié)點(diǎn)。

圖 2 多基站環(huán)狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

1.3 樹形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

樹型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是一種層次結(jié)構(gòu),節(jié)點(diǎn)按層次連接,信息交換主要在上下節(jié)點(diǎn)之間進(jìn)行,相鄰節(jié)點(diǎn)或同層節(jié)點(diǎn)之間一般不進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。優(yōu)點(diǎn)：連接簡單,維護(hù)方便,適用于匯集信息的應(yīng)用要求。缺點(diǎn)：資源共享能力較低,可靠性不高,任何一個工作站或鏈路的故障都會影響整個網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行。

2 流星余跡通信系統(tǒng)的系統(tǒng)組成

流星余跡通信系統(tǒng)每個站包括發(fā)射機(jī)、接收機(jī)、發(fā)射和接收天線系統(tǒng)、計算機(jī)控制系統(tǒng)及終端設(shè)備。發(fā)射機(jī)和接收機(jī)與超短波通信設(shè)備沒有什么區(qū)別;天線多用五元八木天線;計算機(jī)控制系統(tǒng)為計算機(jī)或微處理機(jī)設(shè)備及磁盤系統(tǒng);終端設(shè)備多為數(shù)據(jù)終端與電傳報機(jī)或漢字中文通信機(jī)。

流星余跡通信系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)[3]經(jīng)歷了數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò),數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò),固定通信網(wǎng)絡(luò),先進(jìn)通信網(wǎng)絡(luò)到互操作網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展歷程。采取的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)為改進(jìn)的多基站環(huán)狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),即將圖 2所示的多基站環(huán)狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的基站用有限鏈路兩兩互聯(lián)。該網(wǎng)絡(luò)是一個兼容了有線通信和無線通信兩種通信方式,可以同時實(shí)現(xiàn)網(wǎng)內(nèi)通信和網(wǎng)間通信的星形網(wǎng)網(wǎng)間互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)。

3 基于停等協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)仿真模型

3.1 網(wǎng)絡(luò)仿真場景

不失一般性,這里設(shè)計了一個由四個星形網(wǎng)相互連接的網(wǎng)絡(luò)模型,其中每個星形網(wǎng)由一個主站和五個從站組成,在每個星形網(wǎng)內(nèi),從站可以通過主站實(shí)現(xiàn)與網(wǎng)內(nèi)其它從站之間的通信,通信方式為無線通信,通信信道采用的是流星余跡信道,通過主站之間的互聯(lián),可以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)間通信,其中主站之間采用的是有線通信方式互聯(lián),即該網(wǎng)絡(luò)是一個兼容了有線通信和無線通信兩種通信方式,可以同時實(shí)現(xiàn)網(wǎng)內(nèi)通信和網(wǎng)間通信的星形網(wǎng)網(wǎng)間互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)。

星形網(wǎng)絡(luò)模型采用了停 -等式的ARQ協(xié)議[4],它的工作原理為：中心節(jié)點(diǎn)通過輪詢的方式分別與五個子節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信(在仿真模型中,假設(shè)中心節(jié)點(diǎn)在一個小時內(nèi)完成一次輪詢。即在一小時內(nèi)中心節(jié)點(diǎn)與每個子節(jié)點(diǎn)只通信 12分鐘)。中心節(jié)點(diǎn)在與子節(jié)點(diǎn)通信前應(yīng)發(fā)送探測信號,與該子節(jié)點(diǎn)對應(yīng)的流星余跡信道節(jié)點(diǎn)在接到探測信號后向子節(jié)點(diǎn)通告流星余跡信道的狀態(tài)。如果此時流星余跡信道可用,那么子節(jié)點(diǎn)立即從它的緩沖隊列中取出數(shù)據(jù)包發(fā)送給中心節(jié)點(diǎn)。當(dāng)中心節(jié)點(diǎn)需要與下一個節(jié)點(diǎn)通信時,它會先向該節(jié)點(diǎn)發(fā)送通信終止信號,與該子節(jié)點(diǎn)對應(yīng)的流星余跡信道節(jié)點(diǎn)在接到通信終止信號后通知子節(jié)點(diǎn)流星余跡信道不可用。此時中心節(jié)點(diǎn)與該節(jié)點(diǎn)間的通信關(guān)閉,該節(jié)點(diǎn)只能在中心節(jié)點(diǎn)輪詢完其余節(jié)點(diǎn)后才能再次與中心節(jié)點(diǎn)通信。

3.2 網(wǎng)絡(luò)仿真參數(shù)設(shè)置

網(wǎng)絡(luò)模型中節(jié)點(diǎn)間的距離并不代表實(shí)際的距離。修改了管道階段中的傳播延時階段,修改后的傳播延時階段使用了實(shí)際的距離。圖 5給出了流星余跡通信的示意圖。

圖 3 流星余跡通信距離示意

從中可得：

其中 L為 Tx與 Rx間的距離;h為流星距地面的高度,一般認(rèn)為 h=80～120km;Re為地球半徑。在我們的模型中,假設(shè) L定為 L=1 000 km,h為 h=100 km。

在圖 4所示的網(wǎng)絡(luò)仿真場景中,channel節(jié)點(diǎn)是用來模擬流星信道特性的節(jié)點(diǎn)模型,以考查主站與從站之間通信質(zhì)量的方法來建立信道模型如下：

其中P(t)是在時刻 t接收到的接收信號功率,P0是在信道建立之初的接收功率,τ是接收功率衰減常數(shù)。不同流星產(chǎn)生的信道特性不同,所以P0和τ具有隨機(jī)性,但在某一流星產(chǎn)生的信道中,它們是常數(shù)。P0由發(fā)射機(jī)本身的參數(shù),兩點(diǎn)間距離,流星電離的強(qiáng)度共同決定;τ的經(jīng)驗(yàn)典型值為 0.2～0.4 s[5],選取 τ值為 0.3 s。

將在仿真中需要用到的參數(shù)設(shè)置如下：確認(rèn)包 ACK和NCK長度均為 24 bit、數(shù)據(jù)包包頭長度為 32 bit、根據(jù)通信距離傳播時延設(shè)置為 0.034 s。

3.3 網(wǎng)絡(luò)仿真結(jié)果

進(jìn)行仿真的主要目的是統(tǒng)計包發(fā)送時延(即從發(fā)包開始到收到目的地址發(fā)送的成功接收確認(rèn)包的時間間隔)和吞吐量(即單位時間內(nèi)去除掉包頭開銷成功發(fā)送的比特數(shù)),通過改變包長度以及發(fā)包速率等參數(shù),收集多個仿真結(jié)果,并對統(tǒng)計結(jié)果進(jìn)行分析,得出結(jié)論。

3.3.1 包長度對網(wǎng)絡(luò)吞吐率的影響

首先將發(fā)包速率設(shè)為固定值 5 120b/s,通過改變包長度得到包發(fā)送時延和網(wǎng)絡(luò)吞吐率兩個統(tǒng)計量的不同值。每個包發(fā)送時延以及網(wǎng)絡(luò)吞吐率隨包長度變化的關(guān)系分別如圖 6和圖 7所示。

從圖 4和圖 5可以看出,在發(fā)包速率固定的情況下,包發(fā)送時延和網(wǎng)絡(luò)吞吐率都隨著包長度的增加而增加,由于考慮了流星余跡通信信道的間歇性、時變性以及有效通信時間短的特點(diǎn),同時由于這些特點(diǎn)流星余跡通信的確認(rèn)包以及數(shù)據(jù)包包頭開銷較大,導(dǎo)致包發(fā)送時延增加和網(wǎng)絡(luò)吞吐率下降。

圖 4 包發(fā)送時延與包長度的關(guān)系

圖 5 網(wǎng)絡(luò)吞吐率與包長度的關(guān)系

3.3.2 速率對網(wǎng)絡(luò)吞吐率的影響

將發(fā)包長度設(shè)為固定值256 bit,通過改變發(fā)包速率得到包發(fā)送時延和網(wǎng)絡(luò)吞吐率兩個統(tǒng)計量的不同值。每個包發(fā)送時延以及網(wǎng)絡(luò)吞吐率隨包發(fā)送速率變化的關(guān)系分別如圖 6和圖 7所示。

從圖 6可以看出,在包長度固定的情況下,包發(fā)送時延有隨發(fā)包速率的增加而逐漸減小的趨勢。從圖 7可以看出,在包長度固定的情況下,網(wǎng)絡(luò)吞吐率有隨發(fā)包速率增加而逐漸增大的趨勢。同樣由于考慮了流星余跡通信信道的特點(diǎn)以及確認(rèn)包以及數(shù)據(jù)包包頭的開銷,導(dǎo)致包發(fā)送時延的增加和網(wǎng)絡(luò)吞吐率的下降。

圖 6 包發(fā)送時延與包發(fā)送速率的關(guān)系

圖 7 網(wǎng)絡(luò)吞吐率與包發(fā)送速率的關(guān)系

4 結(jié)語

綜合仿真結(jié)果,得出如下結(jié)論：考慮流星余跡通信信道特點(diǎn),包發(fā)送時延大大增加,網(wǎng)絡(luò)吞吐率有所下降。搭建的流星余跡通信網(wǎng)絡(luò)模型是符合實(shí)際情況的,當(dāng)包長度為 256bits,發(fā)包速率為 5Kb/s時,得到最小發(fā)包時延及最大網(wǎng)絡(luò)吞吐率。

[1]劉志斌,陳家松.流星余跡猝發(fā)通信分析[J].艦船電子工程,2006,135(04)：125-128.

[2]武廣友.流星余跡通信系統(tǒng)與網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)[J].移動通信,2004(03)：149-152.

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