戰術通信子網建模及仿真研究

盧穎,鐘聯炯

摘? 要： 針對戰術通信網中信息傳遞的層級關系特征，采用多頻分層技術對該網絡進行仿真建模。通過引入營連級通信場景，給出子網成員節點和簇首節點的仿真模型及實現描述，并提出了一種簡單有效的路由表數據結構，在模型節點域中進行加載。實驗結果證明：該仿真建模方法具有一定可行性，用其搭建仿真網絡可有效客觀地反映通信子網的各項性能指標。

關鍵詞： 通信子網； 多頻分層； 分層分布式； 節點建模

中圖分類號： TN915?34?????????????????????? 文獻標識碼： A??????????????????????? 文章編號： 1004?373X（2014）23?0044?03

Abstract：For?the?characteristics?of?hierarchical?relationship?of?information?transfer?in?tactical?communication?sub?network， multi?frequency hierarchical technology is used to implement simulation modeling. The?simulation?model?and?description?of?member?nodes and?the?cluster?head?node?are offered?through introducing battalion?level?communication?scenario. A simple and effective routing data structure is proposed， which can loaded in node fields of model. The?experiment?result?demonstrates?the?methods?mentioned above are?feasible.?The simulation?network built with this method???can?effectively?reflect?the?performance?indicators?of?the communication?sub?network.

Keywords：?communication?sub?network； multi?frequency hierarchy； hierarchical distribution； node modeling

0? 引? 言

戰術通信網的組網結構包括戰區到各級機動部隊的作戰指揮通信。按照戰時需求，建立能在復雜環境下提供安全、可靠、高效的通信服務網絡，是戰時通信的關鍵保障[1]。采用合適的體系結構，對于保障通信可靠性和網絡性能極為重要。戰術網絡中信息的傳遞呈現出一種“縱向化”的特征[2]。指揮控制信息一般自上而下，而態勢感知信息一般由下而上，每一級中心節點都必須對這些信息統一匯總，分析處理后再向上級轉發或向下級單元分發，節點之間存在著一定的隸屬關系。根據這種作戰指揮的特點及數據采集和發布的層級關系，其網絡構建模式應采用分層分級的網絡體系結構。本文根據戰術通信網體系結構特點，重點研究如何有效進行多層分布式體系結構的仿真建模。通過在網絡各層的終端節點模型中分別創建單、雙收發信機，結合分頻的方法建立了多層結構模型，從而有效實現了對該網絡的仿真。

1? 多層分布式結構建模及實現

1.1? 多層分布式模型

多層分布式結構網絡可被劃分為多個簇，簇內包括一個簇首節點和若干成員，只有簇首才能進行數據轉發和維護網絡的路由信息。若干簇首節點可以形成高一級的子網，高一級子網的簇首又可再次分簇[3?4]。戰術通信網本身擁有復雜的結構，仿真模型的分層分布多是參考部隊編制及組網功能的層次關系。根據子網通信的需求，該體系結構可以通過多頻分層組網技術實現。模型中可通過為子網簇首節點設置雙收發信機來實現這種多層次的組網結構。

具體建模時可設置子網中非簇首節點為單收發信機節點，只擁有一對收發信機，同一子網的各站點收發信機采用相同通信頻率；簇首節點則設置為雙收發信機節點，擁有收發信機0和收發信機1。收發信機0負責與本子網內其他節點進行通信，因此采用的通信頻率與本子網內節點相同；收發信機1負責與上層子網通信，因此其頻率同上層子網一致。

當節點發送數據幀時，如果是發往本子網內地址，則通過其發信機直接發送；如果要發往其他子網，則先要發往簇首節點，簇首節點通過收發信機0接收到數據幀，再利用發信機1進行轉發。采用上述方法，能解決網絡中任意兩點之間相互通信的需求。仿真實現時需要設置模型中收發信機的通信頻率、數據發送速率、支持的數據包格式、帶寬等，而以上參數需根據戰術通信網的實際經驗而定。

1.2? 單收發信機節點的建模

單收發信機節點是多層分布式戰術通信網中最底層子網的組成元素。此類節點只能與同一網絡中的其他節點通信，若要與其他子網節點通信則需要經過簇首節點轉發。由于所研究戰術通信網是采用OPNET仿真軟件搭建其網絡模型的，因此本文將介紹采用OPNET Modeler創建單收發信機節點模型的方法，如圖1（a）所示。

該節點模型包含數據源模塊、MAC層接口模塊、MAC層模塊、信宿模塊、發射機和接收機模塊，每個模塊都有相應的進程模型支持[5?6]。其中，wlan_port_tx0是無線發射機，負責將節點所要發送的數據幀發送到無線信道上；wlan_port_rx0是無線接收機，負責接收檢測信道的使用情況并獲取信道上的數據幀[7]。

<；E：＼2014年23期＼2014年23期＼Image＼39t1.tif>；

圖1 單、雙收發信機節點模型

1.3? 雙收發信機節點建模

雙收發信機節點是構成多層分布式戰術通信網高層子網的組成元素，也正是通過為該層節點模型的兩對收發信機設置不同的頻段，從而實現戰術通信網的分層。該節點擁有兩對收發信機，一對負責和底層網絡通信，另一對負責和上層網絡通信。在OPNET 節點模型編輯器中建立雙收發信機節點模型，如圖1（b）所示。

雙收發信機節點模型能使得同一站點與兩個子網之間進行通信，具體實現過程需要在wlan_mac_intf進程模型中加載網絡的路由信息，站點在接收到上層數據幀或下層數據幀后，將根據路由表將數據幀分發到相應的進程模型進行處理。過程如下：當wlan_mac_intf接收到數據幀時，首先判斷其目標地址，如果是自身則直接發往Sink模塊進行銷毀，否則根據路由信息計算出應發向的目標地址。若為下層子網，則發向wireless_lan_mac競爭信道，然后通過wlan_port_tx0發送；若為上層子網，則先發向wireless_lan_mac1，再通過wlan_port_tx1進行轉發。

2? 仿真網絡模型建立

2.1? 仿真場景描述

建立網絡仿真模型如下：仿真場景為一個兩級分布式通信網絡，如圖2所示。該網絡包含四個“連”網：company_subnet1～company_subnet4；一個“營”網：company_subnet0。每個“連”網內設置四個通信終端，而營層子網由一個營網的簇首節點和四個連網的簇首組成。該通信網的分層結構由簇首節點的雙收發信機來實現。

<；E：＼2014年23期＼2014年23期＼Image＼39t2.tif>；

圖2 仿真網絡結構

以company_subnet1為例，其中的node1.0～node_1.2為單收發機站點，每個節點有一對收發信機，每個站點的收發信機采用同一頻段。node_1.3為簇首，設置雙收發信機，它負責將node_1.0～node_1.3發往其他子網站點的數據幀準確轉發。node_1.3所設置的收發信機0采用的頻率和node_1.0～node_1.2相同，子網中的其他站點要發送數據幀，首先查看該數據幀的目標地址，如果目標地址是node_1.0～node_1.2中的某一個，則不接收該數據幀；如果該數據幀的目標地址是node_1.3，則進行接收，并做相應處理；如果目標地址是本子網以外站點，則接收該數據幀，同時由收發信機1轉發到該目標地址所在子網的簇首節點，再由簇首節點發送到目標站點。具體實現時雙收發信機站點接收到數據幀后，根據目標站點發往相應的節點stream，分別有三個stream處理：如果數據幀目標地址域是本站點則通過stream0，將數據幀發送給sink模塊處理；如果數據幀的目標地址是本子網內站點，則由與stream1所對應的與底層站點通信的收發信機處理；如果數據幀的目標地址為其他子網的站點，則由與stream2所對應的與高層站點通信的收發信機處理。

2.2? 路由表結構設計

實驗在節點模型的“wlan_mac_intf”模塊加載了自定義的轉發路由表。所提出的路由表數據結構設計具體如圖3所示，其中Group0～Group4代表子網company_subnet0～company_subnet4。全網各站點MAC地址統一編號從0～20，每個群首有兩個MAC地址，分網內和網外，如3，7，11，15號節點在上層子網中對應的MAC地址為17，18，19，20。矩陣的第一列表示節點所處網絡層級（0為連級節點，1為營級節點）；第二列表示節點在子網內的MAC地址；第三列表示所對應群首的MAC地址；第四列表示所對應群首的上層MAC地址。

<；E：＼2014年23期＼2014年23期＼Image＼39t3.tif>；

圖3 路由信息數據組織結構

表1，表2舉例說明了網絡中各節點所發送數據的具體路由傳遞關系。

表1 營長節點16的路由表

[src_address＼&；dest_address＼&；行為＼&；*＼&；16＼&；接收＼&；16＼&；*＼&；發往對應群首（3，7，11，15）＼&；]

注：*表示除16號節點之外的其他節點。

表2 連長站點3的路由表

[src_address＼&；dest_address＼&；行為＼&；3＼&；0，1，2＼&；通過發信機0發送＼&；0，1，2＼&；3＼&；通過收信機1接收＼&；3＼&；4～16＼&；通過發信機1發送＼&；4～16＼&；3＼&；通過收信機1接收＼&；4～16＼&；0，1，2＼&；通過收信機1接收，通過發信機0

轉發給對應節點（0，1，2）＼&；0，1，2＼&；4～16＼&；通過收信機0接收，通過發信機1

轉發給對應節點群首（7，11，15，16）＼&；]

3? 仿真實例與模型驗證

3.1? 業務模型參數

（1） 平均業務量強度

如表3所示，仿真時分別加載三種不同的網絡業務強度[S1，][S2，][S3。]

表3 三種不同業務強度

[業務強度[S1]/（Kb/s）＼&；業務強度[S2]/（Kb/s）＼&；業務強度[S3]/（Kb/s）＼&；44.14＼&；25.78＼&；6.65＼&；]

三種業務流量的產生模型包括話音業務流模型和數據、視頻業務模型。話音業務采用的是兩態馬爾科夫過程模型[8]，平均包大小為80 B；數據和視頻業務采用的是自相似過程[9]，包大小服從均值為512 B的指數分布。

3.2? 仿真實驗及分析

在三種業務流量強度下，通信帶寬為128 Kb，256 Kb，512 Kb時，仿真軟件運行60 min。圖4（a）和（b）分別給出了三種帶寬下網絡的平均延遲和平均丟包率性能指標。橫軸為仿真時間（單位為s），縱軸為平均延遲（單位為s）和丟包率。

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圖4 512 Kb/256 Kb/128 Kb帶寬下延遲和丟包率性能

由圖4可知，三種帶寬下的網絡延遲和丟包率是隨著業務量強度的增加而逐漸遞增的。512 Kb通信帶寬，業務強度達[S1]時，網絡平均端到端延遲為2.46 s，丟包率達32.55%；[S2]時為0.58 s，丟包率為2.8%；[S3]時為0.41 s，丟包率為0.7%。根據結果分析可知，[S1]強度下，延遲時間上升較快且丟包率過高，不符合戰術指標要求，而[S3]時情況較為理想。256 Kb帶寬，[S1]業務強度時端到端延遲為4.4 s，丟包率達56.6%；[S2]時為3.6 s，丟包率達35.03%；[S3]時，延遲0.48 s，丟包率達0.08%。[S1，][S2]強度下的仿真統計結果均超出技術指標范圍，無法滿足需求。128 Kb帶寬下，[S1，][S2]強度時丟包率非常高；[S3]下延遲為0.41 s，由于負載較輕丟包現象幾乎未明顯看到。同樣，[S1，][S2]強度下的仿真統計結果也無法達到戰術指標要求。

隨著業務流量的強度遞增，網絡負荷愈來愈重，鏈路利用率不斷提高，由此吞吐量增大并趨于飽和，同時由終端節點對信道訪問競爭的越發激烈，使得數據包的延遲和排隊情況惡化，進而加劇了網絡的丟包現象。根據上述分析，該兩層分布式通信子網在通信帶寬為512 Kb，業務流量強度為[S3]時，各項性能指標較為理想。

4? 結? 語

本文對戰術通信子網仿真建模過程中所涉及到的網絡體系結構建模問題進行了研究及探討。給出在網絡節點模型中分別設置單、雙收發信機采用分頻分層技術來實現網絡分層的具體方案，為戰術通信網網絡規劃、設計及性能分析提供了技術依據。

參考文獻

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轉發給對應節點（0，1，2）＼&；0，1，2＼&；4～16＼&；通過收信機0接收，通過發信機1

轉發給對應節點群首（7，11，15，16）＼&；]

3? 仿真實例與模型驗證

3.1? 業務模型參數

（1） 平均業務量強度

如表3所示，仿真時分別加載三種不同的網絡業務強度[S1，][S2，][S3。]

表3 三種不同業務強度

[業務強度[S1]/（Kb/s）＼&；業務強度[S2]/（Kb/s）＼&；業務強度[S3]/（Kb/s）＼&；44.14＼&；25.78＼&；6.65＼&；]

三種業務流量的產生模型包括話音業務流模型和數據、視頻業務模型。話音業務采用的是兩態馬爾科夫過程模型[8]，平均包大小為80 B；數據和視頻業務采用的是自相似過程[9]，包大小服從均值為512 B的指數分布。

3.2? 仿真實驗及分析

在三種業務流量強度下，通信帶寬為128 Kb，256 Kb，512 Kb時，仿真軟件運行60 min。圖4（a）和（b）分別給出了三種帶寬下網絡的平均延遲和平均丟包率性能指標。橫軸為仿真時間（單位為s），縱軸為平均延遲（單位為s）和丟包率。

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圖4 512 Kb/256 Kb/128 Kb帶寬下延遲和丟包率性能

由圖4可知，三種帶寬下的網絡延遲和丟包率是隨著業務量強度的增加而逐漸遞增的。512 Kb通信帶寬，業務強度達[S1]時，網絡平均端到端延遲為2.46 s，丟包率達32.55%；[S2]時為0.58 s，丟包率為2.8%；[S3]時為0.41 s，丟包率為0.7%。根據結果分析可知，[S1]強度下，延遲時間上升較快且丟包率過高，不符合戰術指標要求，而[S3]時情況較為理想。256 Kb帶寬，[S1]業務強度時端到端延遲為4.4 s，丟包率達56.6%；[S2]時為3.6 s，丟包率達35.03%；[S3]時，延遲0.48 s，丟包率達0.08%。[S1，][S2]強度下的仿真統計結果均超出技術指標范圍，無法滿足需求。128 Kb帶寬下，[S1，][S2]強度時丟包率非常高；[S3]下延遲為0.41 s，由于負載較輕丟包現象幾乎未明顯看到。同樣，[S1，][S2]強度下的仿真統計結果也無法達到戰術指標要求。

隨著業務流量的強度遞增，網絡負荷愈來愈重，鏈路利用率不斷提高，由此吞吐量增大并趨于飽和，同時由終端節點對信道訪問競爭的越發激烈，使得數據包的延遲和排隊情況惡化，進而加劇了網絡的丟包現象。根據上述分析，該兩層分布式通信子網在通信帶寬為512 Kb，業務流量強度為[S3]時，各項性能指標較為理想。

4? 結? 語

本文對戰術通信子網仿真建模過程中所涉及到的網絡體系結構建模問題進行了研究及探討。給出在網絡節點模型中分別設置單、雙收發信機采用分頻分層技術來實現網絡分層的具體方案，為戰術通信網網絡規劃、設計及性能分析提供了技術依據。

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轉發給對應節點（0，1，2）＼&；0，1，2＼&；4～16＼&；通過收信機0接收，通過發信機1

轉發給對應節點群首（7，11，15，16）＼&；]

3? 仿真實例與模型驗證

3.1? 業務模型參數

（1） 平均業務量強度

如表3所示，仿真時分別加載三種不同的網絡業務強度[S1，][S2，][S3。]

表3 三種不同業務強度

[業務強度[S1]/（Kb/s）＼&；業務強度[S2]/（Kb/s）＼&；業務強度[S3]/（Kb/s）＼&；44.14＼&；25.78＼&；6.65＼&；]

三種業務流量的產生模型包括話音業務流模型和數據、視頻業務模型。話音業務采用的是兩態馬爾科夫過程模型[8]，平均包大小為80 B；數據和視頻業務采用的是自相似過程[9]，包大小服從均值為512 B的指數分布。

3.2? 仿真實驗及分析

在三種業務流量強度下，通信帶寬為128 Kb，256 Kb，512 Kb時，仿真軟件運行60 min。圖4（a）和（b）分別給出了三種帶寬下網絡的平均延遲和平均丟包率性能指標。橫軸為仿真時間（單位為s），縱軸為平均延遲（單位為s）和丟包率。

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圖4 512 Kb/256 Kb/128 Kb帶寬下延遲和丟包率性能

由圖4可知，三種帶寬下的網絡延遲和丟包率是隨著業務量強度的增加而逐漸遞增的。512 Kb通信帶寬，業務強度達[S1]時，網絡平均端到端延遲為2.46 s，丟包率達32.55%；[S2]時為0.58 s，丟包率為2.8%；[S3]時為0.41 s，丟包率為0.7%。根據結果分析可知，[S1]強度下，延遲時間上升較快且丟包率過高，不符合戰術指標要求，而[S3]時情況較為理想。256 Kb帶寬，[S1]業務強度時端到端延遲為4.4 s，丟包率達56.6%；[S2]時為3.6 s，丟包率達35.03%；[S3]時，延遲0.48 s，丟包率達0.08%。[S1，][S2]強度下的仿真統計結果均超出技術指標范圍，無法滿足需求。128 Kb帶寬下，[S1，][S2]強度時丟包率非常高；[S3]下延遲為0.41 s，由于負載較輕丟包現象幾乎未明顯看到。同樣，[S1，][S2]強度下的仿真統計結果也無法達到戰術指標要求。

隨著業務流量的強度遞增，網絡負荷愈來愈重，鏈路利用率不斷提高，由此吞吐量增大并趨于飽和，同時由終端節點對信道訪問競爭的越發激烈，使得數據包的延遲和排隊情況惡化，進而加劇了網絡的丟包現象。根據上述分析，該兩層分布式通信子網在通信帶寬為512 Kb，業務流量強度為[S3]時，各項性能指標較為理想。

4? 結? 語

本文對戰術通信子網仿真建模過程中所涉及到的網絡體系結構建模問題進行了研究及探討。給出在網絡節點模型中分別設置單、雙收發信機采用分頻分層技術來實現網絡分層的具體方案，為戰術通信網網絡規劃、設計及性能分析提供了技術依據。

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[9] ADDIER R， ZUKERMAN M， NEAME T. Fractal traffic measurement， modeling and performance evaluation [C]// Proceedings of INFOCOM95. Boston， MA： [s.n.]， 1995： 977?984.