數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡系統(tǒng)的評價方法研究

李航 北京航空航天大學電子信息工程學院 100191

數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡系統(tǒng)的評價方法研究

李航 北京航空航天大學電子信息工程學院 100191

數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡系統(tǒng)屬于高效的數(shù)字通信系統(tǒng)。通過對網(wǎng)絡性能需求的介紹，說明了數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡系統(tǒng)應具備的通信能力，以及系統(tǒng)能夠提供技術支持，并結(jié)合網(wǎng)絡系統(tǒng)的性能需求和應用技術歸納了系統(tǒng)的評價內(nèi)容。在得到了系統(tǒng)評價內(nèi)容基礎上，總結(jié)出重點考察的衡量指標及其評估方法。

數(shù)據(jù)鏈；網(wǎng)絡性能；評價

1.引言

數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡系統(tǒng)實現(xiàn)平臺間信息交互的功能，可用作軍用設施，能夠在不同的作戰(zhàn)平臺間形成緊密的戰(zhàn)術鏈接關系。由于該系統(tǒng)應用于復雜地理環(huán)境和電磁環(huán)境，系統(tǒng)應具有可靠的通信質(zhì)量，一定的實時性，以及穩(wěn)定的網(wǎng)絡結(jié)構等特性。但是，單純從定性的角度分析很難反映網(wǎng)絡系統(tǒng)的實際性能，更需要從定量的角度給出系統(tǒng)的性能參數(shù)，使得評價更加客觀，更具備說服力。網(wǎng)絡的評價準則因網(wǎng)絡類型的不同而方法各異，而且對于此類具有特定用途的無線網(wǎng)絡更無統(tǒng)一的評價標準。本文所研究的評價方法針對數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡系統(tǒng)，旨在為搭建網(wǎng)絡系統(tǒng)模型以及評估模型質(zhì)量提供一定的衡量依據(jù)。

2.網(wǎng)絡性能需求和關鍵技術

數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡系統(tǒng)是應用于戰(zhàn)場環(huán)境下的網(wǎng)絡信息系統(tǒng)，從使用者的角度出發(fā)，系統(tǒng)應提供持續(xù)的、可靠的通信服務，并且能夠?qū)τ脩魯?shù)量的變化，位置的移動，通信需求等級的不同做出快速反應，保證使用者對網(wǎng)絡性能的需求。網(wǎng)絡性能需求可分為生存能力，互通性和網(wǎng)絡安全性三方面[1]，按此方法分類，基本可以涵蓋網(wǎng)絡使用者大部分的通信需求。

2.1 生存能力

生存能力主要包括保密性、入網(wǎng)可靠性和抗干擾性，并支持網(wǎng)內(nèi)成員實現(xiàn)視距通信，還可以通過中繼實現(xiàn)超視距通信。入網(wǎng)的可靠性體現(xiàn)在每個網(wǎng)絡成員能夠及時進入和退出網(wǎng)絡而不影響其他用戶，同時成員也可以不考慮與其他用戶的相對位置，網(wǎng)絡運作不會因一個成員丟失或損壞而受到影響。網(wǎng)絡接入采用同步時分多址(TDMA，Time Division Media Access)這種無節(jié)點接入方式，每個網(wǎng)絡成員根據(jù)網(wǎng)絡管理規(guī)定，輪流占用一定的時隙，廣播自身平臺所產(chǎn)生的信息；在不廣播時，則根據(jù)網(wǎng)絡管理規(guī)定，接收其他成員廣播信息。這種網(wǎng)絡接入方式不需要主站，只要以網(wǎng)絡中某個指定的成員為時間基準，其他成員可以自由接入。

保密性和抗干擾性均需要系統(tǒng)保證持續(xù)提供通信服務，抵抗確定性干擾，常采用的技術措施包括檢錯編碼、直序擴頻、前向糾錯編碼(FEC)等。前向糾錯編碼方式是指發(fā)送端發(fā)送能夠被糾錯的數(shù)據(jù)即經(jīng)過編碼的數(shù)據(jù)，接收端收到這些數(shù)據(jù)后，通過糾錯譯碼器自動發(fā)現(xiàn)錯誤并自動糾正在傳輸過程中因干擾而產(chǎn)生的錯誤，最終實現(xiàn)傳輸信息恢復，達到可靠通信目的[2]。屬于FEC之一的RS(Reed Solomon)碼是一種很好的線性分組糾錯碼，其糾錯能力很強，特別是在短的和中等碼長下的性能很接近理論值，且構造方便，編譯碼設備也不復雜，因此新一代的數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)采用了RS的編碼方法。此外系統(tǒng)還在發(fā)射信號生成過程中還采用交織技術和CCSK編碼技術[3]，進一步提高系統(tǒng)傳輸數(shù)據(jù)的可靠性和安全性。

2.2 互通性

良好的互通性主要包括兼容性和消息標準，從而使網(wǎng)絡成員之間實現(xiàn)可識別的數(shù)據(jù)交換。由于系統(tǒng)需要實現(xiàn)擴頻通信，將會影響到頻譜使用的兼容性問題及網(wǎng)絡成員環(huán)境的兼容性問題，此時需要合理選擇波形特征來匹配選定的頻帶；消息標準是成員之間數(shù)據(jù)交換的通信規(guī)范，對網(wǎng)絡的通信效率有著重要影響。

保證互通性的技術包括時隙分配和消息封裝結(jié)構等。以北約Link16數(shù)據(jù)鏈為例，時隙的分配主要是從網(wǎng)內(nèi)成員所承擔的任務考慮的。網(wǎng)內(nèi)成員分成以下三種[4]：第一種任務執(zhí)行成員，特點是數(shù)量多，但發(fā)射的消息很少；第二種監(jiān)視、控制和指揮成員，它們數(shù)量很少，但數(shù)據(jù)發(fā)射次數(shù)要頻繁得多，典型例子包括地面上的戰(zhàn)斗報告中心和預警機；第三種空中接力成員，也是占用時隙最多的成員，占用的時隙相當于系統(tǒng)內(nèi)其它成員所占用的時隙數(shù)總和。消息封裝結(jié)構是網(wǎng)絡成員之間相互通信遵循的統(tǒng)一消息生成格式，一種典型的封裝結(jié)構如圖1所示，這種封裝結(jié)構稱為STDP封裝結(jié)構[1]。

數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡系統(tǒng)可對不同的應用需求提供不同的通信能力，如果需要高速、大數(shù)據(jù)量的通信，除了硬件設備需要做出更改之外，封裝結(jié)構也要適當增加數(shù)據(jù)段的長度，以適應高速大容量的通信要求。

2.3 網(wǎng)絡安全

在這里網(wǎng)絡安全指的是保障網(wǎng)絡安全運行，網(wǎng)絡的安全弱點將會使網(wǎng)絡的防御能力降低，導致網(wǎng)絡癱瘓。網(wǎng)絡安全性的關鍵技術在不斷的更新中，在這里只涉及一些已公開的技術手段，包括編碼技術、網(wǎng)絡接入方式等。這兩項技術與生存能力的關鍵技術類似，因此不再重述。

3.網(wǎng)絡性能評價內(nèi)容及方法

評價內(nèi)容根據(jù)網(wǎng)絡性能需求的不同，有不同的衡量指標來評定系統(tǒng)的性能。下面分別對性能需求的三方面內(nèi)容做出評價分析：

生存能力：網(wǎng)絡生存能力以誤碼率，丟包率，吞吐量和延遲四項指標來衡量。為了實現(xiàn)特定條件下的通信需求，網(wǎng)絡系統(tǒng)需要保證數(shù)據(jù)的可靠性，即信息經(jīng)過帶有干擾影響的信道抵達目的節(jié)點后，信息能夠完整地恢復(誤碼率)；在鏈路受到干擾條件下，網(wǎng)絡是否依然能夠保證數(shù)據(jù)的傳輸(丟包率和吞吐量)；端機對消息進行處理的時間不能過長(延遲)；系統(tǒng)采用TDMA接入方式，各網(wǎng)絡成員和網(wǎng)絡同步，在各自的時隙接收和發(fā)送數(shù)據(jù)，要保證一定的實時性要求(延遲)。

互通性：網(wǎng)絡的帶寬利用率、時隙占空系數(shù)(TSDF)和消息結(jié)構是網(wǎng)絡互通性的重要性能指標。由于時分多址接入方式允許用戶共享傳輸頻帶，在通信中要對網(wǎng)絡占用的頻帶加以嚴格限制，以防止相互沖突。如何充分利用所劃分好的頻帶資源，是網(wǎng)絡互通性的體現(xiàn)之一；時隙分配情況需要靠時隙占空系數(shù)來反映；消息結(jié)構既規(guī)定了網(wǎng)絡中各平臺的消息封裝方法，也對數(shù)據(jù)率有著決定性影響。需要說明的是，互通性的這三項指標與網(wǎng)絡的整體設計直接相關，應在系統(tǒng)測試之前確定。

網(wǎng)絡安全：網(wǎng)絡安全的衡量以網(wǎng)絡脆弱性分析為主要方法，采用網(wǎng)絡能夠在一個給定的邏輯環(huán)境下正常運作的邏輯分析值為衡量指標。網(wǎng)絡脆弱性分析是一種主動的網(wǎng)絡安全防御方法，通過對特定網(wǎng)絡拓撲結(jié)構的分析，得到網(wǎng)絡整體防御狀態(tài)、網(wǎng)絡結(jié)點狀態(tài)等信息，為網(wǎng)絡管理員提供構建網(wǎng)絡安全策略的重要信息。本系統(tǒng)通過對網(wǎng)絡建立加權網(wǎng)絡拓撲模型，評估網(wǎng)絡的脆弱性來反映網(wǎng)絡安全性能。

以上所提及的衡量指標的評估方法將在第4節(jié)中給出，其中時隙占空系數(shù)雖然在系統(tǒng)測試前確定，但是其概念和計算方法需要特殊說明，具體解釋請看第4.4節(jié)。由于帶寬利用率和消息結(jié)構并非通過實驗確定，故指標評估方法的討論中不包含這兩項指標。

4.衡量指標的評估方法

本小節(jié)對第3節(jié)中提及的衡量指標進行較為詳細的說明，同時給出了評估的具體實施方法。本小節(jié)介紹的誤碼率、吞吐量和丟包率、延遲均為量化指標。關于網(wǎng)絡安全性也通過建模加以量化，以網(wǎng)絡安全性能值作為量化指標。

4.1 誤碼率

誤碼率指的是接收到的消息中錯誤碼元個數(shù)所占消息總碼元數(shù)的比例，誤比特率是接收到的消息中錯誤比特個數(shù)所占消息總比特數(shù)的比例，二者并無本質(zhì)區(qū)別，可根據(jù)不同的仿真環(huán)境和需要而選擇方便計算的衡量指標。

評估過程采用蒙特卡羅(Monte Carlo)方法，考察點對點傳輸過程的誤碼(比特)率。原始數(shù)據(jù)為一組限定好長度的隨機二進制消息，經(jīng)過源節(jié)點處理后產(chǎn)生發(fā)射數(shù)據(jù)，然后通過信道抵達目的節(jié)點，再對數(shù)據(jù)進行復原，將復原后的數(shù)據(jù)同原始數(shù)據(jù)比較，統(tǒng)計出誤碼(比特)率。

表1中給出了評估參考仿真條件。

4.2 吞吐量和丟包率

吞吐量(Throughput)指的是在沒有幀丟失的情況下，設備能夠接受的最大速率。

丟包率(Loss Tolerance或packet loss rate)是指測試中所丟失數(shù)據(jù)包數(shù)量占所發(fā)送數(shù)據(jù)包的比率，通常在吞吐量范圍內(nèi)測試。

圖1 STDP封裝結(jié)構

指標在不同的仿真環(huán)境下的測量方法不同。在如OPNET等網(wǎng)絡仿真軟件環(huán)境下，根據(jù)搭建的網(wǎng)絡模型，在仿真之后吞吐量和丟包率會自動統(tǒng)計出結(jié)果，有選擇地作為橫縱坐標，得到性能曲線。在VC++仿真環(huán)境下，需要編寫專門用來計算的函數(shù)，實現(xiàn)吞吐量和丟包率的測量：根據(jù)吞吐量的定義，函數(shù)統(tǒng)計網(wǎng)絡各成員節(jié)點在一個指定時間周期內(nèi)的發(fā)送或接收的數(shù)據(jù)量，得出單位時間發(fā)送或接收的數(shù)據(jù)量；根據(jù)丟包率的定義，函數(shù)以幀為單位統(tǒng)計丟失幀的個數(shù)占總消息幀個數(shù)的比例，丟失幀的確認標準可規(guī)定為一個數(shù)據(jù)幀內(nèi)部多大比例的數(shù)據(jù)遭到破壞則認為該幀丟失。

表2中給出了吞吐量和丟包率的一些影響因素

表2 衡量指標的影響因素

4.3 延遲

延遲以時間作為統(tǒng)計單位，可以是秒，毫秒，微秒等。在本網(wǎng)絡系統(tǒng)中延遲基本以秒(second)為單位，衡量指標分為兩大類，即處理延遲和網(wǎng)絡接入延遲。

表1 系統(tǒng)評估參考仿真條件

(1)處理延遲

處理延遲指系統(tǒng)從應用層接收到原始數(shù)據(jù)開始，一直到生成待發(fā)送數(shù)據(jù)的處理時間。處理延遲可根據(jù)發(fā)射信號的生成過程進行測量，即計算整個過程所耗費的時間。在V C++仿真環(huán)境下，可利用仿真軟件本身的功能或自帶的函數(shù)進行統(tǒng)計。類似地，信息的接收處理延遲同樣采用此方法進行計算。

(2)網(wǎng)絡接入延遲

網(wǎng)絡接入延遲包含四個衡量指標，基本覆蓋了網(wǎng)絡應用所關注的延遲問題。

表3列出了四個延遲參數(shù)及它們的組成和影響因素，延遲時間的大小均可以通過仿真實驗計算出在一定的應用條件下的具體數(shù)值。網(wǎng)絡循環(huán)周期還可以根據(jù)定義，利用分析法得到。

4.4 時隙占空系數(shù)[1]

時隙占空系數(shù)(TSDF，Time Slot Duty Factor)，是一種時隙使用約束，限制在單位時間內(nèi)發(fā)射的脈沖數(shù)量。T S D F是量化終端發(fā)射的一種方法，通常是由兩個因數(shù)表示的一個數(shù)字，寫成一個分數(shù)，如100/50。第一個數(shù)字表示在一個地域內(nèi)潛在脈沖數(shù)的總百分比，第二個數(shù)字表示發(fā)射最多的單個平臺發(fā)射脈沖所占的百分比。對于Link16數(shù)據(jù)鏈來說，每個數(shù)字都是基于一個基準值的百分比，這個基準值是每12s中發(fā)射396288個脈沖。

其中n為平臺所分配的時隙數(shù)，M為時隙所包含的脈沖總數(shù)，可以是72、258或者444。

網(wǎng)絡的TSDF是由單個平臺TSDF相加計算得到的。表4給出了網(wǎng)絡中兩個平臺的TSDF的表格。

表4 TSDF表

那么網(wǎng)絡的TSDF為10%+50%=60%，則此網(wǎng)絡可以表示為60/40。

4.5 網(wǎng)絡安全性能值

網(wǎng)絡安全性能值用于衡量網(wǎng)絡的脆弱性。首先根據(jù)網(wǎng)絡的拓撲結(jié)構、結(jié)點的功能特性、結(jié)點情報存取權限以及結(jié)點之間的協(xié)同狀態(tài)構建一個網(wǎng)絡加權的拓撲結(jié)構。其中各個結(jié)點將用通信等級、結(jié)點功能綜合程度、戰(zhàn)略功能屬性、結(jié)點防御能力以及態(tài)勢情報存取權限5項預先量化好的數(shù)據(jù)進行描述，并利用以上數(shù)據(jù)，根據(jù)構建的邏輯網(wǎng)絡拓撲結(jié)構進行數(shù)據(jù)分析，得到網(wǎng)絡中結(jié)點的重要性指數(shù)、邊的安全性指數(shù)以及網(wǎng)絡整體安全性能的綜合分析值[7]。

5.結(jié)論

根據(jù)第3、4小節(jié)的分析，評價多平臺數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡的性能指標主要包括誤碼率，丟包率，吞吐量，延遲，帶寬利用率，時隙占空系數(shù)，消息結(jié)構和網(wǎng)絡安全性能值。然而需要指出的是，以上的評價指標是為了全面地評估網(wǎng)絡系統(tǒng)而提出的，其中相對重要的，且需要在系統(tǒng)測試中評定的只是其中的一部分。根據(jù)數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡系統(tǒng)的應用環(huán)境，各指標的重要性如表5所示。

表3 延遲的組成及影響因素

表5 衡量指標等級

結(jié)合各指標的重要等級，得出多平臺數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡系統(tǒng)的性能評價準則：評價準則以誤碼率，延遲，消息結(jié)構和網(wǎng)絡安全性能值為評價指標，通過網(wǎng)絡設計和第4節(jié)所介紹的方法對系統(tǒng)性能做出評價。該評價方法可應用在系統(tǒng)仿真測試中，根據(jù)此方法得到系統(tǒng)的性能參數(shù)，考慮系統(tǒng)模型是否滿足實際需求。

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