基于OPNET動(dòng)態(tài)調(diào)度時(shí)隙分配數(shù)據(jù)鏈研究及仿真*

(海軍工程大學(xué)電子工程學(xué)院 武漢 430033)

基于OPNET動(dòng)態(tài)調(diào)度時(shí)隙分配數(shù)據(jù)鏈研究及仿真*

熊詩(shī)成周安棟楊路剛

(海軍工程大學(xué)電子工程學(xué)院 武漢 430033)

戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈?zhǔn)菙?shù)字通信技術(shù)在軍事方面的典型應(yīng)用,時(shí)分多址接入技術(shù)是數(shù)據(jù)鏈里面的核心技術(shù)。針對(duì)戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò)中傳統(tǒng)時(shí)隙分配算法無(wú)法適應(yīng)戰(zhàn)場(chǎng)多變環(huán)境,時(shí)隙資源浪費(fèi)嚴(yán)重,無(wú)法動(dòng)態(tài)分配等問(wèn)題,提出一種基于優(yōu)先級(jí)調(diào)度策略的動(dòng)態(tài)時(shí)隙分配算法,利用OPNET仿真平臺(tái)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)基于此算法的艦艇海上通信仿真系統(tǒng),對(duì)應(yīng)用系統(tǒng)進(jìn)行了詳細(xì)網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃,并對(duì)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)性能進(jìn)行仿真分析和比較。

數(shù)據(jù)鏈;OPNET;仿真

ClassNumberTP391

1 引言

針對(duì)數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中傳統(tǒng)時(shí)隙分配算法中存在對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)多變環(huán)境適應(yīng)力差,無(wú)法動(dòng)態(tài)分配,浪費(fèi)時(shí)隙嚴(yán)重等問(wèn)題。在海上艦艇通信網(wǎng)應(yīng)用場(chǎng)景基礎(chǔ)上,引入馬爾可夫調(diào)制泊松過(guò)程MMPP(Markov Modulated Poisson Process)模式對(duì)時(shí)隙數(shù)據(jù)源進(jìn)行模擬,針對(duì)海上艦艇協(xié)同作戰(zhàn)通信的需求提出一種基于優(yōu)先級(jí)分配策略的動(dòng)態(tài)時(shí)隙算法,最大程度上保證戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)的傳輸性能。

2 動(dòng)態(tài)時(shí)隙分配算法

2.1 算法改進(jìn)思路

在目前的戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈中,大多數(shù)用戶預(yù)先分配固定的時(shí)隙。因此,如果某些用戶當(dāng)前未使用分配給他們的帶寬,那么這些資源必然會(huì)被浪費(fèi)。如果其他用戶可接入(使用)這些未用時(shí)隙,則能夠以更高的速率發(fā)送信息,從而提高信道利用率,進(jìn)而提高網(wǎng)絡(luò)吞吐量。傳統(tǒng)的動(dòng)態(tài)時(shí)隙分配算法主要通過(guò)對(duì)系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間性能的控制,通過(guò)對(duì)響應(yīng)時(shí)間的處理來(lái)提高動(dòng)態(tài)時(shí)隙分配的利用率和時(shí)延等性能。

在動(dòng)態(tài)時(shí)隙分配過(guò)程中,假定數(shù)據(jù)鏈通過(guò)網(wǎng)絡(luò)參與組(NPG)的時(shí)隙塊的時(shí)隙數(shù)為L(zhǎng),而打包方式為每時(shí)隙傳報(bào)文k個(gè)字。其中第i條報(bào)文的字?jǐn)?shù)和服務(wù)時(shí)間分別用Ji和Si來(lái)表示,那么在動(dòng)態(tài)時(shí)隙分配過(guò)程中系統(tǒng)單位時(shí)間發(fā)送報(bào)文字?jǐn)?shù)為

在式中T表示為幀的時(shí)間長(zhǎng)度,針對(duì)Link 16中T=12s。那么報(bào)文i的服務(wù)時(shí)間則為

而系統(tǒng)中報(bào)文服務(wù)的平均時(shí)間則為

式中S為每一報(bào)文服務(wù)的平均時(shí)間,J為每一報(bào)文的平均字?jǐn)?shù)。 假設(shè)數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò)參與組中成員的數(shù)量為N, 各個(gè)成員產(chǎn)生報(bào)文的概率服從泊松分布。每個(gè)成員產(chǎn)生報(bào)文的過(guò)程中,產(chǎn)生優(yōu)先級(jí)別報(bào)文的概率為λ1,產(chǎn)生非優(yōu)先級(jí)別報(bào)文的概率為λ2。網(wǎng)絡(luò)中優(yōu)先隊(duì)列報(bào)文平均到達(dá)的概率為M1,非優(yōu)先隊(duì)列報(bào)文平均到達(dá)的概率為M2。整個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)在單位時(shí)間內(nèi)進(jìn)行處理的報(bào)文數(shù)量與所有成員產(chǎn)生的報(bào)文數(shù)量之間需要滿足如下要求:

如果公式中P<0,就說(shuō)明在單位時(shí)間內(nèi)所有成員產(chǎn)生的報(bào)文信息不能得到及時(shí)處理,整個(gè)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)所需要的響應(yīng)時(shí)間將不能夠滿足當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)時(shí)隙分配的需求,因此整個(gè)系統(tǒng)的時(shí)隙分配需要重新規(guī)劃。

2.2 具體算法流程

在動(dòng)態(tài)時(shí)隙分配算法中,時(shí)隙分配主要是對(duì)節(jié)點(diǎn)沖突,報(bào)文響應(yīng)以及優(yōu)先級(jí)排列進(jìn)行處理,算法流程圖具體如圖1所示。設(shè)計(jì)思想在時(shí)幀內(nèi)確定最優(yōu)的時(shí)隙分配方案的過(guò)程；時(shí)隙分配方案動(dòng)態(tài)調(diào)整與優(yōu)化階段主要是根據(jù)時(shí)隙分配狀態(tài),通過(guò)合并或者分解時(shí)隙塊,進(jìn)行時(shí)隙分配方案調(diào)整優(yōu)化的過(guò)程。

一旦有新用戶加入系統(tǒng),首先需要偵聽一段足夠長(zhǎng)的時(shí)間,以獲取其兩跳范圍內(nèi)用戶的時(shí)隙分配等相關(guān)信息,用于建立時(shí)隙狀態(tài)表以及時(shí)幀長(zhǎng)度的確定。為了提高用戶的接入性能,根據(jù)收集到的信息,選擇優(yōu)先級(jí)高用戶的最長(zhǎng)時(shí)幀作為其初始時(shí)幀。依據(jù)自身維護(hù)的時(shí)隙狀態(tài)表,用戶試圖搶占一個(gè)空閑時(shí)隙以廣播入網(wǎng)信息。如果一次搶占不成功,可多次反復(fù)嘗試,直到成功加入。

圖1 算法流程圖

3 海上艦艇數(shù)據(jù)鏈仿真構(gòu)架設(shè)計(jì)

根據(jù)數(shù)據(jù)鏈仿真模型的設(shè)計(jì)思想,結(jié)合實(shí)際的網(wǎng)絡(luò)條件和艦艇海上作戰(zhàn)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)鏈傳輸需求,對(duì)艦艇作戰(zhàn)網(wǎng)絡(luò)仿真系統(tǒng)的功能架構(gòu)進(jìn)行如下設(shè)計(jì)。把艦艇作戰(zhàn)網(wǎng)絡(luò)仿真系統(tǒng)的功能架構(gòu)主要?jiǎng)澐殖扇齻€(gè)部分,分別為場(chǎng)景層,網(wǎng)絡(luò)控制層以及數(shù)據(jù)層。具體如圖2所示。其中場(chǎng)景層主要分為岸站節(jié)點(diǎn)、艦艇節(jié)點(diǎn)、作戰(zhàn)地圖以及無(wú)線軍事網(wǎng)絡(luò)中心節(jié)點(diǎn)四部分。網(wǎng)絡(luò)控制層主要是OPNET通過(guò)協(xié)議對(duì)相關(guān)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)控制和調(diào)度,完成系統(tǒng)作戰(zhàn)通信任務(wù),是系統(tǒng)的核心層。數(shù)據(jù)層主要用于確定數(shù)據(jù)采集和網(wǎng)絡(luò)性能分析的具體項(xiàng)目。

圖2 系統(tǒng)功能構(gòu)架圖

4 仿真與數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

4.1 仿真配置設(shè)定

在基于動(dòng)態(tài)時(shí)隙分配算法的艦艇海上通信仿真系統(tǒng)中場(chǎng)景通過(guò)subnet嵌套方式進(jìn)行場(chǎng)景設(shè)計(jì)。在艦艇海上通信仿真系統(tǒng)場(chǎng)景中的涉及到的節(jié)點(diǎn)都屬于無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信中的節(jié)點(diǎn)范疇范圍內(nèi)。主場(chǎng)景中主要有無(wú)線軍事網(wǎng)絡(luò)控制服務(wù)器一個(gè),艦艇艦隊(duì)兩個(gè)。艦艇艦隊(duì)分別分布于區(qū)域1和區(qū)域2。在場(chǎng)景細(xì)節(jié)圖中,區(qū)域1中艦艇編隊(duì)有艦艇節(jié)點(diǎn)兩個(gè)和一個(gè)岸站節(jié)點(diǎn)。區(qū)域2中艦艇編隊(duì)有兩個(gè)岸站節(jié)點(diǎn)和四個(gè)艦艇節(jié)點(diǎn)。以上節(jié)點(diǎn)和服務(wù)器組成整個(gè)艦艇海上通信仿真系統(tǒng)的場(chǎng)景。

圖3 場(chǎng)景細(xì)節(jié)圖

4.2 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

在仿真系統(tǒng)中從圖4～圖7所示的分別是吞吐量、信道利用率、數(shù)據(jù)包中斷時(shí)間、時(shí)延。從以下四個(gè)圖中可以看出仿真系統(tǒng)艦艇艦隊(duì)1里面的單個(gè)艦艇和艦艇艦隊(duì)2里面單個(gè)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(duì)由于岸站節(jié)點(diǎn)較多,處理能力較強(qiáng),吞吐量整體波動(dòng)比黃海艦隊(duì)要稍微好點(diǎn)。兩個(gè)艦艇編隊(duì)信道利用率整體上波動(dòng)很小,較為平均。數(shù)據(jù)包中斷時(shí)間由于艦隊(duì)2的數(shù)據(jù)量較大,節(jié)點(diǎn)較多,因此波動(dòng)相對(duì)較大。但是整體每秒控制在0.20下。時(shí)延兩個(gè)艦艇基本上維持在0.010s左右,而且較為穩(wěn)定,波動(dòng)很小。從整體看仿真結(jié)果較為理想,基本達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。

圖4 吞吐量性能結(jié)果圖

圖5 信道利用率

圖6 數(shù)據(jù)包中斷時(shí)間

圖7 時(shí)延結(jié)果圖

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)OPNET對(duì)基于優(yōu)先級(jí)調(diào)度時(shí)隙分配的海上艦艇數(shù)據(jù)鏈進(jìn)行建模仿真,由仿真結(jié)果可看出,所組建通信網(wǎng)中的網(wǎng)絡(luò)吞吐性能、信道利用率、數(shù)據(jù)包中斷時(shí)間、和時(shí)延都能達(dá)到通信的基本要求。本文對(duì)艦艇數(shù)據(jù)鏈的評(píng)估還不夠全面,有待進(jìn)一步的分析和驗(yàn)證。

[1]張敏,竇赫蕾,常春藤.OPNET Modeler與網(wǎng)絡(luò)仿真[M].北京:人民郵電出版社,2007:1-171.

[2]見永剛,王治強(qiáng),呂從民.基于OMNeT++的衛(wèi)星數(shù)據(jù)流仿真[J].計(jì)算機(jī)仿真,2008,25(1):70-73.

[3]梅文華,蔡善法.戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈/Link 16數(shù)據(jù)鏈[M].北京:國(guó)防工業(yè)出版社,2007:31-284.

[4]Pahlavan K.無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信原理與應(yīng)用[M].北京:清華大學(xué)出版社,2002:134-256.

[5]黃強(qiáng),李有才,劉茂立.數(shù)據(jù)鏈對(duì)艦艇編隊(duì)作戰(zhàn)指揮效能影響分析[J].艦船電子工程,2010,33(6):74-77.

[6]劉銳寧.Visual C++開發(fā)典型模塊大全[M].北京:人民郵電出版社,2009:1-228.

[7]謝希仁.計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)[M].北京:電子工業(yè)出版社,2008:23-107.

[8]陳衛(wèi)衛(wèi),李悅.LINK-16數(shù)據(jù)鏈作戰(zhàn)效能評(píng)估研究[J].無(wú)線電工程,2009,39(11):26-28.

[9]孫繼銀.戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈技術(shù)與系統(tǒng)[M].北京:國(guó)防工業(yè)出版社,2007:1-29.

[10]李衛(wèi),王彬,魏急波.基于OPNET的Link 16建模與仿真[J].系統(tǒng)工程與電子技術(shù),2006,28(12):1916-1918.

[11]邢智,戴浩.基于OPNET的Link 16數(shù)據(jù)鏈建模與仿真[J].軍事運(yùn)籌與系統(tǒng)工程,2005,19(1):62-66.

[12]何健輝,饒志宏.基于OPNET的Link 22建模與仿真[J].通信技術(shù),2009,42(10):97-99.

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(shī)成,男,碩士研究生,研究方向:數(shù)字通信技術(shù)。周安棟,男,副教授,研究方向:無(wú)線通信。楊路剛,男,講師,研究方向:無(wú)線通信。

TP391DOI:10.3969/j.issn1672-9730.2014.07.029