Link22數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò)的仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)

劉浩然,宋福曉,方洪俊

(北京跟蹤與通信技術(shù)研究所,北京100094)

0 引言

美國海軍和北約國家在20世紀(jì)80年代發(fā)起“北約改進(jìn)Link11”(NILE)項(xiàng)目,計(jì)劃研發(fā)新型戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈以取代Link11并補(bǔ)充完善Link16的戰(zhàn)術(shù)功能,共同定義出下一代戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈,命名為Link22。Link22適應(yīng)現(xiàn)代戰(zhàn)場(chǎng)復(fù)雜的電磁環(huán)境,支持海上、空中預(yù)警以及陸基作戰(zhàn)中的戰(zhàn)術(shù)圖像編輯、武器使用、狀態(tài)管理和指揮控制,從2003年起已經(jīng)開始裝備美國海軍及北約部分國家的海軍。根據(jù)部分已掌握的Link22情報(bào)信息結(jié)合已知的系統(tǒng)功能特點(diǎn),從數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò)的角度對(duì)Link22進(jìn)行了仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)Link22基本的信息傳輸功能,模擬其技術(shù)特點(diǎn),并獲取相關(guān)的技術(shù)性能參數(shù)。

1 Link22系統(tǒng)組成與關(guān)鍵技術(shù)

1.1 網(wǎng)絡(luò)組成與系統(tǒng)配置

Link 22網(wǎng)絡(luò)是裝備Link22單元的作戰(zhàn)平臺(tái)(簡(jiǎn)稱NU)的集合,使用超級(jí)網(wǎng)絡(luò)(Super Network)的概念進(jìn)行組網(wǎng),超級(jí)網(wǎng)絡(luò)可由1個(gè)或多個(gè)網(wǎng)絡(luò)組成,最多可以包括8個(gè)子網(wǎng)絡(luò),各子網(wǎng)絡(luò)使用各自不同的射頻信道進(jìn)行通信。Link22的每個(gè)NU都有能力在一個(gè)單網(wǎng)中運(yùn)行,一個(gè)NU最多可以同時(shí)參與到4個(gè)網(wǎng)絡(luò)中去。

1.2 Link22系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

Link22使用TDMA結(jié)構(gòu),將系統(tǒng)時(shí)間分割成微時(shí)隙(Minislot,MS),微時(shí)隙長度與系統(tǒng)通信介質(zhì)有關(guān)。一次信息傳輸時(shí)機(jī)是由1個(gè)或多個(gè)微時(shí)隙組成,亦稱為時(shí)隙(Timeslot),時(shí)隙長度取決于信息傳輸?shù)囊蟆６鄶?shù)時(shí)隙被分配給指定的NU單元,稱為分配時(shí)隙(AS),所有NU單元只能在它分配的時(shí)隙里發(fā)送數(shù)據(jù)。少數(shù)時(shí)隙被指定為中斷時(shí)隙(IS),各NU單元競(jìng)爭(zhēng)訪問中斷時(shí)隙,以便傳輸高優(yōu)先級(jí)數(shù)據(jù)或進(jìn)行遲入網(wǎng)(LNE)。

Link22使用的消息是面向戰(zhàn)術(shù)功能的、固定格式的字符串,包括F系列和FJ系列2類消息。F系列消息是Link22專用格式消息,FJ系列報(bào)文是在Link16的J系列報(bào)文再加上2 bit的報(bào)頭而成,報(bào)文Link16的J系列報(bào)文再加上2 bit的報(bào)頭而成,報(bào)文長度都是72 bit。每條F消息或FJ消息為1個(gè)消息字,每個(gè)完整的Link22消息最小長度是1個(gè)字,最多是8個(gè)字。

Link22系統(tǒng)對(duì)TDMA結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)時(shí)間中中斷時(shí)隙的使用是基于競(jìng)爭(zhēng)接入機(jī)制的,任何NU都有機(jī)會(huì)在中斷時(shí)隙內(nèi)傳輸數(shù)據(jù)。

遲入網(wǎng)協(xié)議用于后來的NU加入超網(wǎng)中的某個(gè)或幾個(gè)網(wǎng)絡(luò),由操作員發(fā)起,之后自動(dòng)完成。

2 基于OPNET的Link22仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)

使用OPNET軟件設(shè)計(jì)Link22數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò)仿真系統(tǒng)。OPNET是當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)仿真領(lǐng)域性能較好的軟件,為解決通信網(wǎng)絡(luò)的仿真和優(yōu)化以及高效的網(wǎng)絡(luò)管理提供了整套的解決方案。OPNET所采用的是3層建模機(jī)制:最上層為網(wǎng)絡(luò)域,反映了網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)和組成;其次為節(jié)點(diǎn)域,由設(shè)備相應(yīng)的模塊構(gòu)成,反映了設(shè)備的各組成部分;最底層為進(jìn)程域,以狀態(tài)機(jī)的形式來描述,反映了協(xié)議及具體功能如何實(shí)現(xiàn)。OPNET的3層模型建模與實(shí)際的網(wǎng)絡(luò)、設(shè)備和協(xié)議完全對(duì)應(yīng),能夠全面反映網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)特性。

2.1 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣M成

在OPNET環(huán)境下,搭建Link22仿真系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淠Ｐ?共有3種類型的節(jié)點(diǎn),分別是運(yùn)動(dòng)模型配置節(jié)點(diǎn)(Mobility Config)、網(wǎng)絡(luò)配置節(jié)點(diǎn)(Configure)和NU節(jié)點(diǎn)(Mobile-Node)。

運(yùn)動(dòng)模型配置節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)絡(luò)配置節(jié)點(diǎn)都不對(duì)應(yīng)于實(shí)際的系統(tǒng)設(shè)備。運(yùn)動(dòng)模型配置節(jié)點(diǎn)通過直接調(diào)用OPNET模型庫中的隨機(jī)(Random Waypoint)模型完成,用于對(duì)網(wǎng)絡(luò)中各NU節(jié)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)進(jìn)行配置,并控制普通NU節(jié)點(diǎn)按照運(yùn)動(dòng)模型進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。通過該節(jié)點(diǎn)可完成的參數(shù)配置包括:運(yùn)動(dòng)的范圍、區(qū)域和運(yùn)動(dòng)的時(shí)間等。網(wǎng)絡(luò)配置節(jié)點(diǎn)主要完成對(duì)Link22網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)配置,可配置的參數(shù)包括:網(wǎng)絡(luò)ID號(hào)、物理層媒介類型、總的時(shí)隙數(shù)量、中斷時(shí)隙數(shù)和網(wǎng)絡(luò)丟包率。

NU節(jié)點(diǎn)則表征了網(wǎng)絡(luò)中裝備了Link22的武器平臺(tái),下面詳細(xì)介紹NU節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)。

2.2 NU節(jié)點(diǎn)模型設(shè)計(jì)

2.2.1 NU節(jié)點(diǎn)模型的組成

NU節(jié)點(diǎn)則對(duì)應(yīng)于Link22網(wǎng)絡(luò)中的武器平臺(tái),可以根據(jù)實(shí)際NU的情況對(duì)仿真系統(tǒng)中的NU節(jié)點(diǎn)進(jìn)行相關(guān)的參數(shù)配置,包括:節(jié)點(diǎn)位置、節(jié)點(diǎn)高度、運(yùn)動(dòng)模型及網(wǎng)絡(luò)參數(shù)、所參與的業(yè)務(wù)類型和消息格式、所需的時(shí)隙資源、是否具備中繼功能等。由無線收發(fā)模塊和3個(gè)功能模塊系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)控制器(SNC)、數(shù)據(jù)鏈處理器(DLP)、人機(jī)界面(HMI)組成。

2.2.2 功能模塊間的信息交互

SNC與DLP之間信息交互的目的是完成F消息的產(chǎn)生發(fā)送和接收解讀。當(dāng)DLP產(chǎn)生F消息后,向SNC發(fā)傳輸服務(wù)請(qǐng)求(TSR),SNC則根據(jù)請(qǐng)求回復(fù)相應(yīng)的傳輸指示,DLP根據(jù)指示把消息傳送給SNC,并由無線收發(fā)模塊完成發(fā)送;無線收發(fā)模塊收到的給本NU的F消息也將由SNC傳給DLP。

SNC與HMI之間信息交互的目的主要是完成系統(tǒng)初始化配置。在系統(tǒng)開機(jī)運(yùn)行時(shí),HMI模塊通過網(wǎng)絡(luò)配置節(jié)點(diǎn)來獲取各種配置參數(shù),SNC根據(jù)HMI傳來的參數(shù)進(jìn)行系統(tǒng)配置,并將配置結(jié)果告知HMI。功能模塊之間信息交互示意圖如圖1所示。

圖1 功能模塊之間信息交互示意圖

2.3 功能模塊設(shè)計(jì)

2.3.1 SNC模塊

仿真系統(tǒng)中SNC模塊的主要功能包括:接受DLP的服務(wù)請(qǐng)求并選擇有效的傳輸方式;根據(jù)DLP提供的參數(shù),為每一個(gè)可以傳輸數(shù)據(jù)的時(shí)隙選擇和打包消息;實(shí)現(xiàn)LNE功能;維護(hù)最新的NCS;分發(fā)收到的消息。

SNC模塊在系統(tǒng)配置成功后開始工作,根據(jù)所收到的不同信息而采取相應(yīng)的處理,要處理的信息分為中斷(包括各種功能請(qǐng)求)和數(shù)據(jù)包(要發(fā)送的數(shù)據(jù)包和接收到的數(shù)據(jù)包)2類。根據(jù)SNC的工作流程和協(xié)議,設(shè)計(jì)OPNET環(huán)境下SNC模塊的協(xié)議處理流程,如圖2所示。

圖2 SNC模塊進(jìn)程域狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖

2.3.2 DLP模塊

仿真系統(tǒng)中DLP模塊的主要功能包括:產(chǎn)生和解釋所有F消息;分配和更新戰(zhàn)術(shù)消息的優(yōu)先等級(jí);指定數(shù)據(jù)包的目的地址等。

DLP模塊根據(jù)收到的流中斷和自中斷分別進(jìn)行不同的動(dòng)作:流中斷主要是來自SNC模塊的各類消息指令和收到的消息;自中斷則用來指示DLP對(duì)本節(jié)點(diǎn)的F消息進(jìn)行處理。根據(jù)DLP的工作流程和協(xié)議,設(shè)計(jì)OPNET環(huán)境下DLP模塊的協(xié)議處理流程如圖3所示。

圖3 DLP模塊進(jìn)程域狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖

2.3.3 HMI模塊

HMI模塊的主要功能是從配置模塊中獲取系統(tǒng)配置信息并發(fā)送給SNC,從而完成相應(yīng)的系統(tǒng)初始化配置。

HMI模塊在仿真系統(tǒng)開始運(yùn)行后進(jìn)行如下的動(dòng)作:首先從配置節(jié)點(diǎn)和普通節(jié)點(diǎn)獲取網(wǎng)絡(luò)初始化參數(shù);然后將獲取的配置參數(shù)發(fā)送到SNC模塊;最后接收到來自SNC的配置結(jié)果報(bào)告,HMI根據(jù)配置結(jié)果進(jìn)行處理:如果配置成功則進(jìn)入等待狀態(tài);如果配置失敗則在人機(jī)界面顯示錯(cuò)誤并返回配置狀態(tài)。根據(jù)HMI的工作流程,設(shè)計(jì)OPNET環(huán)境下HMI模塊的協(xié)議處理流程如圖4所示。

圖4 HMI模塊進(jìn)程域狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖

3 系統(tǒng)仿真結(jié)果

在OPNET環(huán)境下,設(shè)定Link22系統(tǒng)仿真的基本場(chǎng)景如下:節(jié)點(diǎn)(NU)數(shù)量為17個(gè),由6個(gè)地面節(jié)點(diǎn)、4個(gè)水面節(jié)點(diǎn)和7個(gè)空中節(jié)點(diǎn)組成,地面、水面和空中節(jié)點(diǎn)高度分別設(shè)置為15 m、30 m和8 000 m,地面節(jié)點(diǎn)保持靜止不動(dòng)狀態(tài),水面和空中節(jié)點(diǎn)都在指定的區(qū)域內(nèi)按Random Waypoint模型運(yùn)動(dòng)。每個(gè)節(jié)點(diǎn)都產(chǎn)生F消息的業(yè)務(wù),消息傳輸方式包括廣播、單播和泛洪等。超網(wǎng)中包含的網(wǎng)絡(luò)數(shù)為3個(gè),網(wǎng)絡(luò)配置參數(shù)如表1所示。

表1 仿真場(chǎng)景中網(wǎng)絡(luò)的配置參數(shù)

3.1 網(wǎng)絡(luò)DLP吞吐量

Link22超網(wǎng)中節(jié)點(diǎn)DLP發(fā)送端和接收端吞吐量的統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖5和圖6所示。

圖5 網(wǎng)絡(luò)DLP每秒發(fā)包個(gè)數(shù)

圖6 網(wǎng)絡(luò)DLP每秒收包個(gè)數(shù)

3.2 端到端平均延遲

Link22超網(wǎng)中節(jié)點(diǎn)接收端收到包的端到端平均延遲統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖7所示。

圖7 端到端平均延遲

3.3 空口接收速率

Link22超網(wǎng)中節(jié)點(diǎn)SNC空口接收速率統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖8所示。

圖8 空口接收速率

由仿真結(jié)果可以看出,Link22網(wǎng)絡(luò)DLP每秒平均發(fā)送1.5～2個(gè)F消息包,約975～1 300 bit/s;網(wǎng)絡(luò)DLP每秒平均接收12.5～17.5個(gè)F消息包,約8 125～11 375 bit/s;端到端平均延遲為1～1.5 s左右;而空口接收速率為10000～15 000bit/s。

4 結(jié)束語

Link22在美軍未來的軍事裝備中將逐步取代Link11,與Link16共同成為戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)和全球信息柵格的重要組成部分。通過開展Link22的系統(tǒng)仿真工作可以為Link22研究相關(guān)工作提供重要的仿真驗(yàn)證平臺(tái),對(duì)開展針對(duì)數(shù)據(jù)鏈以及GIG等外軍數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)的研究工作有一定的參考價(jià)值和指導(dǎo)作用。

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