基于OPNET動態調度時隙分配數據鏈研究及仿真*

(海軍工程大學電子工程學院 武漢 430033)

基于OPNET動態調度時隙分配數據鏈研究及仿真*

熊詩成周安棟楊路剛

(海軍工程大學電子工程學院 武漢 430033)

戰術數據鏈是數字通信技術在軍事方面的典型應用,時分多址接入技術是數據鏈里面的核心技術。針對戰術數據鏈網絡中傳統時隙分配算法無法適應戰場多變環境,時隙資源浪費嚴重,無法動態分配等問題,提出一種基于優先級調度策略的動態時隙分配算法,利用OPNET仿真平臺設計實現基于此算法的艦艇海上通信仿真系統,對應用系統進行了詳細網絡規劃,并對系統網絡性能進行仿真分析和比較。

數據鏈;OPNET;仿真

ClassNumberTP391

1 引言

針對數據鏈網絡系統中傳統時隙分配算法中存在對戰場多變環境適應力差,無法動態分配,浪費時隙嚴重等問題。在海上艦艇通信網應用場景基礎上,引入馬爾可夫調制泊松過程MMPP(Markov Modulated Poisson Process)模式對時隙數據源進行模擬,針對海上艦艇協同作戰通信的需求提出一種基于優先級分配策略的動態時隙算法,最大程度上保證戰術數據的傳輸性能。

2 動態時隙分配算法

2.1 算法改進思路

在目前的戰術數據鏈中,大多數用戶預先分配固定的時隙。因此,如果某些用戶當前未使用分配給他們的帶寬,那么這些資源必然會被浪費。如果其他用戶可接入(使用)這些未用時隙,則能夠以更高的速率發送信息,從而提高信道利用率,進而提高網絡吞吐量。傳統的動態時隙分配算法主要通過對系統響應時間性能的控制,通過對響應時間的處理來提高動態時隙分配的利用率和時延等性能。

在動態時隙分配過程中,假定數據鏈通過網絡參與組(NPG)的時隙塊的時隙數為L,而打包方式為每時隙傳報文k個字。其中第i條報文的字數和服務時間分別用Ji和Si來表示,那么在動態時隙分配過程中系統單位時間發送報文字數為

在式中T表示為幀的時間長度,針對Link 16中T=12s。那么報文i的服務時間則為

而系統中報文服務的平均時間則為

式中S為每一報文服務的平均時間,J為每一報文的平均字數。 假設數據鏈網絡參與組中成員的數量為N, 各個成員產生報文的概率服從泊松分布。每個成員產生報文的過程中,產生優先級別報文的概率為λ1,產生非優先級別報文的概率為λ2。網絡中優先隊列報文平均到達的概率為M1,非優先隊列報文平均到達的概率為M2。整個網絡系統在單位時間內進行處理的報文數量與所有成員產生的報文數量之間需要滿足如下要求:

如果公式中P<0,就說明在單位時間內所有成員產生的報文信息不能得到及時處理,整個系統網絡所需要的響應時間將不能夠滿足當前網絡時隙分配的需求,因此整個系統的時隙分配需要重新規劃。

2.2 具體算法流程

在動態時隙分配算法中,時隙分配主要是對節點沖突,報文響應以及優先級排列進行處理,算法流程圖具體如圖1所示。設計思想在時幀內確定最優的時隙分配方案的過程；時隙分配方案動態調整與優化階段主要是根據時隙分配狀態,通過合并或者分解時隙塊,進行時隙分配方案調整優化的過程。

一旦有新用戶加入系統,首先需要偵聽一段足夠長的時間,以獲取其兩跳范圍內用戶的時隙分配等相關信息,用于建立時隙狀態表以及時幀長度的確定。為了提高用戶的接入性能,根據收集到的信息,選擇優先級高用戶的最長時幀作為其初始時幀。依據自身維護的時隙狀態表,用戶試圖搶占一個空閑時隙以廣播入網信息。如果一次搶占不成功,可多次反復嘗試,直到成功加入。

圖1 算法流程圖

3 海上艦艇數據鏈仿真構架設計

根據數據鏈仿真模型的設計思想,結合實際的網絡條件和艦艇海上作戰網絡數據鏈傳輸需求,對艦艇作戰網絡仿真系統的功能架構進行如下設計。把艦艇作戰網絡仿真系統的功能架構主要劃分成三個部分,分別為場景層,網絡控制層以及數據層。具體如圖2所示。其中場景層主要分為岸站節點、艦艇節點、作戰地圖以及無線軍事網絡中心節點四部分。網絡控制層主要是OPNET通過協議對相關節點進行網絡控制和調度,完成系統作戰通信任務,是系統的核心層。數據層主要用于確定數據采集和網絡性能分析的具體項目。

圖2 系統功能構架圖

4 仿真與數據統計

4.1 仿真配置設定

在基于動態時隙分配算法的艦艇海上通信仿真系統中場景通過subnet嵌套方式進行場景設計。在艦艇海上通信仿真系統場景中的涉及到的節點都屬于無線網絡通信中的節點范疇范圍內。主場景中主要有無線軍事網絡控制服務器一個,艦艇艦隊兩個。艦艇艦隊分別分布于區域1和區域2。在場景細節圖中,區域1中艦艇編隊有艦艇節點兩個和一個岸站節點。區域2中艦艇編隊有兩個岸站節點和四個艦艇節點。以上節點和服務器組成整個艦艇海上通信仿真系統的場景。

圖3 場景細節圖

4.2 數據統計

在仿真系統中從圖4～圖7所示的分別是吞吐量、信道利用率、數據包中斷時間、時延。從以下四個圖中可以看出仿真系統艦艇艦隊1里面的單個艦艇和艦艇艦隊2里面單個艦艇的吞吐量總體上差距不大,平均吞吐量大概50000bit～60000bit之間,但是東海艦隊由于岸站節點較多,處理能力較強,吞吐量整體波動比黃海艦隊要稍微好點。兩個艦艇編隊信道利用率整體上波動很小,較為平均。數據包中斷時間由于艦隊2的數據量較大,節點較多,因此波動相對較大。但是整體每秒控制在0.20下。時延兩個艦艇基本上維持在0.010s左右,而且較為穩定,波動很小。從整體看仿真結果較為理想,基本達到預期目標。

圖4 吞吐量性能結果圖

圖5 信道利用率

圖6 數據包中斷時間

圖7 時延結果圖

5 結語

通過OPNET對基于優先級調度時隙分配的海上艦艇數據鏈進行建模仿真,由仿真結果可看出,所組建通信網中的網絡吞吐性能、信道利用率、數據包中斷時間、和時延都能達到通信的基本要求。本文對艦艇數據鏈的評估還不夠全面,有待進一步的分析和驗證。

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DynamicSchedulingSlotAllocationofDataLinkResearchandSimulationBasedonOPNET

XIONG Shicheng ZHOU Andong YANG Lugang

(School of Information and Electrical Science, Naval University of Engineering, Wuhan 430033)

The tactical data link is a digital communications technology in the military aspects of a typical application, time division multiple access technology is the core technology inside the data link.Tactical data link network for traditional slot allocation algorithms is unable to adapt to changing battlefield environment, the slot serious waste of resources, and other issues can not be dynamically allocated.A priority-based scheduling policy dynamic slot allocation algorithm is proposed, using OPNET simulation platform designed and implemented based on this algorithm naval maritime communications simulation system, the application system carries out a detailed network planning, network performance and system simulation analysis and comparison.

data link, OPNET, simulation

2014年1月4日,

:2014年2月23日

熊詩成,男,碩士研究生,研究方向:數字通信技術。周安棟,男,副教授,研究方向:無線通信。楊路剛,男,講師,研究方向:無線通信。

TP391DOI:10.3969/j.issn1672-9730.2014.07.029