基于OPNET的區域綜合通信網設計與分析

楊迎輝，李建華，馬 闖，王 剛

（空軍工程大學 電訊工程學院，陜西 西安，710077）

0 引 言

通信網是部隊指揮、控制、情報等信息傳輸的平臺，是基于信息系統體系作戰能力生成的基礎。隨著軍隊信息化建設的不斷深入，部隊遂行任務的種類日趨多樣化，作戰指揮、軍事訓練和重大活動保障等任務對通信網的依賴性越來越大。能否依據部隊任務要求和地理環境特點，科學規劃、合理構建快速高效、安全保密的區域綜合通信網，滿足部隊情報獲取、指揮控制、綜合保障及作戰打擊等需要至關重要。

以有線光纜為主體的光通信以其傳輸損耗低、容量大、通信質量高等優點，目前已成為軍事戰略通信的核心平臺，在通信網的信息傳輸中發揮了重要作用。為有效實現野固結合、軍民結合，盡可能降低決策者主觀因素對通信網規劃設計的影響，本文主要針對以有線光纜為基礎的區域綜合通信網的規劃設計和性能仿真進行探討。

本文提出了網絡規劃設計的總體目標、準則和基本流程，以區域綜合通信網建設費用為目標函數，以網絡平均時延要求為約束條件，建立網絡拓撲結構優化模型，借助啟發式算法中的最小生成樹（（MST）分析法求解模型，并結合通信網運用實際，對網絡拓撲結構進一步優化?；贠PNET仿真平臺建立區域綜合通信網的網絡仿真模型，通過設置仿真參數，選取數據收集量，對比分析仿真結果，驗證了模型的可行性和網絡規劃設計方法的有效性。

1 區域綜合通信網規劃設計

1.1 區域綜合通信網規劃設計總體目標

區域綜合通信網是指在一定區域內，為保障作戰指揮、軍事訓練、重大活動保障和搶險救災等具體任務，基于已有通信節點進行擴建或者新建全部節點，臨時布設用于保障信息傳輸的基礎網絡。

區域綜合通信網規劃設計的總體目標是在滿足網絡性能指標要求的基礎上，合理設計網絡結構和工作路由等，有效降低通信網建設費用，以實現整體效益最大化。

1.2 區域綜合通信網規劃設計準則

（1）性能準則。建設區域綜合通信網目的是為滿足部隊多樣化任務中信息傳輸的需要，因而在規劃設計過程中，必須從網絡技術體制上加以全面考慮，優先滿足在部隊實際運用中切實需求的性能指標。區域綜合通信網規劃涉及性能指標多而復雜，例如流量控制、網絡管理、鏈路利用率、平均時延、響應時間等，其中有定性和定量之分，也量綱不同之別。

（2）經濟準則（最小費用準則）。由于區域綜合通信網的目的是為保障部隊的某一次具體任務，臨時布設通信網絡，以滿足信息傳輸需要。因而，其規劃設計在注重滿足任務需求的同時，也應力求經濟代價的最小化。在規劃設計的過程中，要以最經濟（即最小費用）的網絡構成，來滿足規定的網絡戰技性能要求，以尋求最佳的建設效益。

設區域綜合通信網的性能指標參數集為X，對應各指標參數為xi，性能指標函數為P，性能指標設計要求集為P0，各設計要求分量為Pi0，經濟代價函數為F。其中，性能指標函數P和經濟代價函數F均為性能指標參數xi的函數。在網絡環境參量均為常量的條件下，區域綜合通信網規劃設計總體目標的數學表達式為

其中xi∈X，對具體指標參數xi的選擇不同，約束條件中不等式符號會根據性能指標的要求相應改變。

1.3 區域綜合通信網規劃設計基本流程

區域綜合通信網規劃設計一般包括需求分析、抽象模型、仿真實驗、結果分析、優化調整和決策方案六步，其中仿真結果分析是進行優化調整的依據，而優化調整對抽象模型具有反饋作用，基本流程如圖1所示［1－2］。

圖1 區域綜合通信網規劃設計基本流程

（1）需求分析。提出區域綜合通信網規劃設計的概念模型，主要是依據具體任務特點，確定所需業務類型。需求分析對網絡規劃設計具有決策性、方向性和策略性作用。

（2）抽象模型。包括區域綜合通信網規劃設計的結構模型、數學模型和仿真模型。結構模型是通過運籌學的相關理論，將網絡規劃設計的概念模型轉化為圖論的問題；數學模型是通過最優化理論，將結構模型轉化為線性規劃問題；仿真模型是基于OPNET仿真平臺，將數學模型的求解結果轉化為網絡仿真模型。

（3）仿真實驗。主要是在已搭建的網絡仿真模型中，選取所需的仿真結果統計量，設置仿真參數并運行仿真。

（4）結果分析。主要是分析網絡仿真模型性能指標的仿真結果，驗證規劃設計方案的合理性，為網絡拓撲結構的優化調整提供依據。

（5）優化調整。依據對仿真結果的分析，進一步調整網絡拓撲結構，為得到通信網更加合理的抽象模型提供參考。

（6）決策方案。針對具體任務，依據仿真結果，形成決策方案，作為決策機構科學決策的依據。

2 區域綜合通信網規劃設計實例

為完成某一任務，在某一地區，指揮機構和作戰部隊的部署如圖2所示（單位：公里）。

圖2 作戰地域中節點分布

2.1 實例網絡拓撲結構設計分析

在通信網拓撲結構設計中，一般要根據網絡性能指標的不同，選擇相應的優化目標。對于區域綜合通信網的規劃設計而言，其主要決策目標有抗毀性、可靠性、綜合互通性、安全保密性和組網建設費用等。

針對區域綜合通信網實際運用的特點，過大的時延會導致業務無法正常開通，影響部隊任務的完成效果，較高的建設費用會造成較低的經濟效益，并結合其覆蓋面較大，通信節點分散和通信傳輸距離較遠等特點，選擇建設費用作為目標，網絡平均時延作為約束條件，建立優化模型。

2.2 網絡拓撲結構優化模型

2.2.1 目標函數

設D為區域綜合通信網中節點間的距離矩陣，元素dij為節點i到節點j的距離。則有

引入0－1變量aij，設定如下

則區域綜合通信網中光纖通路總長度可以表述為

式中：i，j——節點編號，N——節點個數。

設單位長度光纖通路建設費用為λ，則網絡總體建設費用為

以區域綜合通信網建設費用為優化目標，即有網絡拓撲結構優化模型的目標函數為

2.2.2 約束條件

通信網絡平均時延由傳輸時延和排隊時延兩部分組成。在區域綜合通信網中，由于光纖通道中的負載遠小于鏈路最大容量，排隊時延很小，基本可以忽略，故平均時延一般只考慮傳輸時延。對于單位長度光纖而言，傳輸時延為一常數，因而傳輸時延正比于傳輸距離。

設單位長度光纖傳輸時延為t，節點i和節點j之間傳輸時延為則有

式中：n——節點i，j之間的節點個數。

2.2.3 網絡拓撲結構優化模型

結合上述分析，建立網路拓撲結構優化模型，如下所示

2.2.4 模型求解

對于上述網絡拓撲結構優化模型，有直接求解法和啟發式算法求解法兩種。直接求解法適合對小規模網絡精確求解，但隨著網絡規模增加，求解運算的復雜度會迅速增大。鑒于此，對于中、大規模通信網絡的拓撲結構優化模型求解問題，常常需選用啟發式算法。為不失一般性，本實例模型采用啟發式算法中的最小生成樹（MST）分析法進行求解。

最小生成樹分析法實質是已知固定節點集來求樹，使其總鏈路權值達到最小，利用該方法可以找到網絡線路里程中最小的網絡結構。其算法基本思想是：以網絡中任一節點為起點，選取與余下的n－1個節點中權值最小者相連，接著再從余下的n－2個節點中選取與之權值最小者相連，以此類推直至把全部節點連完，連接過程中不能出現環線。

所求任意兩個節點i和j間的連接應滿足權值最小的原則，即

式中：Ω——所有節點構成的集合，Ω－Ω′——差集。節點i屬于集合Ω′，節點j屬于集合Ω而不屬于集合Ω′。上式表示，從子集Ω′中任一節點i到差集Ω－Ω′中任一節點j所有可能的鏈路中，該鏈路（i，j）具有最小的權值。

一般而言，某一地域的環境條件、施工費用、機線造價等均是常量，當選取節點間距離作為鏈路權值時，所得的最小生成樹不僅對應路由里程最小值，同時也是區域綜合通信網建設費用最小時對應的網絡拓撲結構，即網絡拓撲結構優化模型的最優解。由最小生成樹（MST）分析法，可以求解得到該區域綜合通信網的最小生成樹，如圖3所示，其光纖通路建設總里程為90km。

圖3 區域綜合通信網的最小生成樹

2.3 網絡拓撲結構的進一步優化

網絡拓撲結構優化模型將區域綜合通信網中各個節點等同看待，未考慮各節點在整個通信網絡中的不同地位和作用，因而求出的網絡拓撲呈現單一的鏈式結構，如圖3所示。圖中網絡拓撲結構路由單一，節點間相互依賴性大，網絡抗毀性差。例如一旦駐地B遭到敵方破壞，將直接導致駐地C和駐地D通信連接中斷，對整個部隊的行動產生嚴重影響。

對區域綜合通信網拓撲結構的進一步優化是建立在網絡拓撲結構優化模型最優解的基礎上，通過改變網絡中部分節點間的連接方式，建立各個部隊駐地和指揮所之間的直達路由，實現通信網拓撲結構的全局最優。經過進一步優化，得到區域綜合通信網的網絡拓撲結構如圖4所示，其光纖通路建設總里程為105km。

圖4 區域綜合通信網進一步優化后的網絡拓撲結構

3 基于OPNET的網絡仿真實現

OPNET是一款用于網絡仿真和建模的工具，支持面向對象的建模方式，并提供圖形化的編輯界面，在新網絡的規劃設計以及對現有網絡的性能分析方面有著卓越表現［3－6］。它能夠為網絡拓撲結構設計、通信協議仿真和路由算法研究提供與真實網絡相同的環境，其功能完善的結果分析器又為網絡性能的分析提供了有效且直觀的工具。

3.1 仿真模型建立

基于OPNET仿真平臺建立工程Topology＿Design和仿真場景Optimization0。在建立網絡仿真模型過程中，采取分層建模法，將每一個部隊駐地都看成是一個子網，通過仿真軟件中局域網的總體定義方式來定義子網內部的實現，以此屏蔽子網內部的實現細節［7－10］。

各子網按照網絡拓撲結構進行布局，內部連接采用10BaseT，交換機選擇ethernet16＿switch，指揮所和駐地A、B、C和D內部分別定義有100，15，30，50和25個工作站。指揮所子網內部配置3臺ethernet＿server服務器，分別提供電話、數據、電報、電視會議和靜態圖像等服務，以提高網絡處理數據能力，有效降低網絡平均時延。指揮所ZHS與部隊駐地ZD＿A、ZD＿B、ZD＿C和ZD＿D之間采用100BaseT進行連接，并在仿真場景中配置相關業務［11］。建成后的區域綜合通信網的網絡仿真模型如圖5所示。

3.2 仿真參數設置

圖5 區域綜合通信網的網絡仿真模型

針對區域綜合通信網的業務需求，選擇網絡平均時延（ethernet delay）、鏈路排隊時延（queuing delay）、吞吐量（throughput）和鏈路利用率（utilization）四個統計量進行數據收集，選擇optimized優化核心，設置仿真時間為1h，隨機種子為128個，運行仿真并分析結果［12－13］。

3.3 仿真結果分析

3.3.1 網絡平均時延

網絡平均時延是指信息從網絡的一端傳送到另一端所需的總時間，主要由發送時延、傳輸時延和處理時延組成，是度量網絡實時性的重要指標［14］。區域綜合通信網的網絡平均時延仿真結果如圖6所示。其中，橫軸代表仿真時間，縱軸代表時延。從圖中可以看出，網絡平均時延隨仿真時間不斷增大，在16min左右達到穩定狀態，約為1.2ms。網絡平均時延很小，信息傳輸實時性良好。

圖6 區域綜合通信網的網絡平均時延

3.3.2 鏈路排隊時延

鏈路排隊時延是指在包交換網絡中漫游的包必須在包交換中等待的總時間，與網絡的擁塞程度有關［15］。區域綜合通信網中四條鏈路的排隊時延仿真結果如圖7所示。從圖中可以看出，鏈路ZD＿A→ZD＿D和ZD＿A→ZHS的排隊時延隨仿真時間變化不停發生抖動。其中，鏈路ZD＿A→ZD＿D的排隊時延基本穩定在15μs，鏈路ZD＿A→ZHS的排隊時延基本穩定在30μs。鏈路ZHS→ZD＿B和ZHS→ZD＿C的排隊時延曲線抖動較小，基本穩定在70μs左右?？傮w而言，各鏈路的端到端排隊時延較小，不會對信息傳輸造成很大影響。

圖7 區域綜合通信網各鏈路的排隊時延

3.3.3 吞吐量

吞吐量是指數據在鏈路上的傳輸速率，其大小取決于鏈路特性（帶寬和出錯率等）和節點特性（緩沖區容量和處理機能力等），是衡量網絡整體性能的重要指標。區域綜合通信網中四條鏈路的吞吐量仿真結果如圖8所示。由圖易知，鏈路ZD＿A→ZD＿D和ZD＿A→ZHS吞吐量較小，分別穩定在3800bits/sec和13000bits/sec，鏈路ZHS→ZD＿B和ZHS→ZD＿C吞吐量較大，分別穩定在31000bits/sec和52000bits/sec。

圖8 區域綜合通信網各鏈路的吞吐量

3.3.4 鏈路利用率

鏈路利用率是指單位時間內發送數據量與帶寬的比值，是反映網絡運行狀態的重要指標。區域綜合通信網中各鏈路的鏈路利用率仿真結果如圖9所示。從圖中可以看出，鏈路ZHS→ZD＿C的鏈路利用率最高，穩定狀態達到5.2%，鏈路ZHS→ZD＿B和ZD＿A→ZHS次之，鏈路ZD＿A→ZD＿D的利用率最小僅為0.4%。較小的鏈路利用率表明鏈路性能沒有得到充分發揮，區域綜合通信網的性能還有很大的提升空間。

3.4 生成決策方案

本文主要討論了網絡平均時延、鏈路排隊時延、吞吐量和鏈路利用率4個主要性能指標。在實際的區域綜合通信網規劃設計中，針對具體任務要求的不同，性能指標的分析也有所側重，例如網絡擁塞率、響應時間、端到端丟包率等。依據仿真結果，可以形成針對具體任務的區域綜合通信網規劃設計的方案，作為決策者實施科學決策的參考依據。

圖9 區域綜合通信網各鏈路利用率

4 結束語

轉變戰斗力生成模式，提高基于信息系統的體系作戰能力是當前軍隊建設發展的戰略任務?？茖W構建區域綜合通信網是部隊有效遂行多樣化任務的重要支撐。本文首先提出區域綜合通信網規劃設計的總體目標、原則和基本流程，其次通過建立網絡拓撲結構優化模型對區域綜合通信網的拓撲結構進行了初始化，結合網絡節點特征和實際運用要求對拓撲結構進一步優化，最后基于OPNET仿真平臺進行仿真分析，驗證了模型的可行性和網絡規劃設計方法的有效性。

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