基于Exata的數據鏈通信教學平臺設計

馬俊凱， 李麗華

(海軍工程大學 電子工程學院， 湖北 武漢 430033)

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基于Exata的數據鏈通信教學平臺設計

馬俊凱， 李麗華

(海軍工程大學 電子工程學院， 湖北 武漢 430033)

針對軍事院校數據鏈通信課程中實際操作裝備較少的問題，研究并設計了一種基于Exata的數據鏈半實物網絡仿真平臺。首先介紹了Exata的網路仿真工具的結構與特點，然后通過設計一種基于TMDA協議、多節點的Link16的數據鏈半實物網絡模型過程，詳細論述了基于Exata仿真平臺的大規模、半實物數據鏈通信裝備組網過程，得到了實驗結果。仿真結果表明，該平臺滿足了數據鏈通信教學中的應用，可以通過觀看網絡運行動畫、分析組網仿真數據，讓學生更容易、更深入地理解數據鏈通信傳輸的流程，有效提高了教學效果。

Exata仿真； 數據鏈通信； 半實物仿真； TDMA協議

0 引 言

數據鏈通信是指互通數據的鏈路，而在軍事上所說的數據鏈就是一張數據網，就像互聯網一樣，只要你有一個數據終端就可以從這個數據鏈里獲得自己所需要的信息[1]。本課程以掌握數據鏈通信基本原理和實際組織運用方法為基本要求，在此基礎上著力培養學員的創新能力及后續學習高層次理論的能力，適應軍事通信科學技術發展對高質量軍事通信人才的需求。但是長時間以來，很多學員反映數據鏈通信的原理的教學很枯燥，老師對原理講解比較難，學生真正學懂也難。主要原因是由于“數據鏈通信”課程是一門計算機網絡、短波通信和指揮控制等多類學科綜合的課程，但教員通過PPT、黑板板書的傳統教學方法，會使教師的進行繁瑣的數學推導占用大量時間，學員對于概念的理解和掌握不清楚；另外，數據鏈教學中面臨著硬件設備缺乏問題，許多數據鏈裝備價格昂貴、保密級別較高，在高校教學實驗中難以實現大規模的數據鏈通信組網。因此，為提高教學效果，將Exata軟件引入到數據鏈課程設計中來，學員可以在Exata仿真平臺上構建了各種類型的數據鏈組網的模型，例如：Link4數據鏈模型，Link16數據鏈模型等，有效的解決數據鏈通信課程實施過程中重理論、輕實踐的現狀，提高學生的積極性。

1 基于Exata的半實物網絡仿真原理

1.1 Exata簡介

Exata 是一套適用于仿真大型有線網絡和無線網絡提供完整平臺的仿真軟件。Exata平臺通過先進的模擬和仿真技術，可以預測復雜的網絡行為和性能表現，從而提高網絡在設計、運營和管理方面的效率[2]。Exata平臺主要由:主軟件、模擬內核與仿真內核、 連接管理器、外部工具接口和協議模型庫5部分組成，具體Exata仿真系統結構如圖1所示。

圖1 Exata仿真系統結構

Exata仿真平臺主要特點：① 實現了仿真網絡與現有的真實網絡、網絡業務和網絡設備相連接；② 可以運行在集群式計算系統(cluster)、多內核計算系統、或多處理器計算系統上，可模擬上千個節點的復雜大型網絡[3];③ 擁有豐富的、符合標準的協議模型庫，包括許多先進的無線網絡環境所需用到的模型，使用戶可以更加精確的模擬真實的無線網絡;④ 支持實時仿真，可將不同的軟件、硬件、網絡行為引入系統作半實物仿真。⑤ 具有強大的評估分析復雜網絡的性能的能力。

1.2 半實物仿真原理

半實物仿真，將仿真系統中接入實物替換部分仿真模型，是一種重要的網絡仿真研究方法。在半實物仿真中，節點分為普通的仿真節點和半實物節點。普通仿真節點是指由仿真軟件生成的虛擬節點；半實物節點是實裝設備在仿真網絡中的映射節點。Exata 仿真軟件安裝在一臺主機中，另外有兩臺實裝設備通過以太網與 Exata 主機連接在一起。我們在 Exata 軟件中構造虛擬的仿真網絡作為仿真場景，并在仿真配置文件中創建半實物節點和實裝設備的映射關系[4]。

Exata 仿真軟件提供了與其他網絡設備進行數據交互的接口IPNE(IP Network Emulator)。IPNE能夠從真實網絡中獲取需要的數據包，也能將仿真數據包發送到真實網絡中，支持以太網數據和 Exata 中的虛擬網絡數據進行交互[5]。同時還能控制仿真速度，使仿真時間與實際時間一致。半實物仿真中的數據傳輸如圖2所示。

圖2 半實物仿真結構圖

2 基于Exata數據鏈網絡半實物教學平臺設計與實現

2.1 系統總體設計

本文以實現基于TDMA協議Link16數據鏈半實物通信網絡，利用Exata仿真平臺構建一個典型的Link16戰術數據鏈通信網絡。在Exata仿真模型和實裝設備網絡物理連接的基礎上，實現了半實物混合建模仿真。系統仿真主要完成外部模擬指控的模擬、實裝數據鏈與數據鏈仿真虛擬映射和TDMA協議組網等設計工作，實現將語音、電傳、數據等低速業務在數據鏈通信仿真網絡中傳輸，達到與真實環境傳輸體制一致功能[6]。具體基于TDMA協議戰術數據鏈組網結構圖如圖3所示。

圖3 基于TDMA協議戰術數據鏈組網結構圖

2.2 基于TDMA協議數據鏈網絡仿真設計

基于Exata仿真平臺構建了基于TDMA協議的Link16數據鏈網絡平臺，包括：網絡拓撲的建模、網絡節點模型建模、消息源建模和信道模型建模等。本設計采用了Exata協議庫中現有TDMA協議模型，根據教學中特定作戰想定環境[7]，進行仿真參數的合理配置，建立基于TDMA協議的Link16數據鏈網絡半實物仿真環境，實現了對MAC端到端時延、成功接收分組率、系統響應時間、信道利用率指標的仿真與分析。

基于Exata的數據鏈通信教學平臺設計時，其數據鏈網絡仿真模型主要包括以下幾個方面。

(1) 網絡初始化[8]。① 讀入網絡參數：信道傳輸速率、發射功率、接收靈敏度、仿真時間、物理層模型等。② 設置協議狀態：幀長、時隙長度、發送/接收/空閑、協議開銷、分組容量等。③ 創建各種記錄文件：丟失消息數、成功發送接收消息數、隊列剩余消息數、系統響應時間、MAC端到端時延等。④ 創建各種數據結構：TDMA協議數據、消息隊列數據、網絡成員表等。

(2) 消息入隊。當組網協議接收到應用層(或者經網絡層轉發下來)的消息分組后，逐條解析消息，并根據消息類型將其存入相應的消息隊列，等待發送。

(3) 消息發送。消息發送是指將消息隊列中緩存的消息取出，組成TDMA協議分組，然后將分組發送至物理層，再由物理層發送到信道上[9]。

(4) 消息接收。消息接收是指TDMA協議接收物理層送來的分組(即接收其它節點發送來的消息)。MAC層接收到物理層分組后做以下處理;

在接收完數據分組后，首先去掉MAC分組頭，調用函數 MESSAGE_Send，將消息正文發往上一層;另一方面，逐條解析接收到分組中的消息，根據消息類型判斷應答方式，產生應答消息[10]。圖4為建模流程圖。

圖4 建模流程圖

2.3 基于Exata的數據鏈半實物網絡仿真模型實現

根據以上設計, 基于Exata仿真平臺建立中、小規模數據鏈組網仿真環境:由地面岸基數據鏈通信網、水面艦艇組成的水面數據鏈通信網和空中飛機組成的空中數據鏈通信網構成數據鏈網絡。Link16數據鏈聯合通信網絡主要依托于TDMA協議模型，主要包括協議初始化、消息入隊、隊列維護、消息發送、消息接收、定時器更新、事件及其處理等模塊[11]。

2.3.1 TDMA協議網絡拓撲參數配置

利用Exata中自帶的TDMA協議模塊：主要包括時隙大小、保護時間、幀間時間填充、次序列表、時隙/每幀、MAC層延遲混雜、MAC層混雜模式、MAC邏輯鏈路控制、配置MAC層地址等參數設置即可搭建仿真模型，如圖5，6所示。

圖5 MAC層TDMA協議網絡參數配置

圖6 MAC層TDMA協議節點參數配置

2.3.2 半實物仿真設置

要想完成半實物仿真則需要將模擬網絡接入真實網絡，使得虛擬網絡與真實網絡聯合起來成為一個整合的半實物網絡，進行網絡數據流的交互。將其他電腦控制端映射到模擬戰術通信網絡中來，這樣才能完成對戰術通信網的半實物仿真。

表1 IP設置

2.3.3 仿真場景建立

Exata環境下場景設置如下：

(1) 仿真范圍:5 000 m×5 000 m；

(2) 仿真時間:179 min；

(3) 工作頻率:將戰場網絡劃分為下列子網:① 子網1:節點7、8、10、11、12,工作頻率設為0.4 GHz；② 子網2:節點13、14、15、16、17、18、22、23、24、25、26、28,工作頻率設為0.45 GHz；③ 子網3:節點20、30、21、19、29,工作頻率設為0.5 GHz；

(4) 節點數:24個,其中節點9、13、14、15、16、17、18、19為基站,9、19、23、26處于靜止狀態, 25、27、28處于運動狀態,節點9為地面骨干網絡中繼中心,聯通兩個地面網絡。節點31是衛星中繼，機載移動速度200 m/s,艦載移動速度15 m/s,車載移動速度10 m/s,士兵移動速度1 m/s;

(5) 通信協議:IEEE 802.11;

(6) 路徑衰耗模型:自由空間；

(7) 業務類型:CBR(恒定比特率),分別設定了6個CBR服務,分別為7-8、11-12、20-19、21-19、29-19、30-19信息傳輸量為默認值。

具體仿真場景如圖7所示。

圖7 基于硬件在環數據鏈網絡模型圖

3 網絡仿真結果與分析

利用Exata自帶的結果分析器可以對仿真結果進行統計分析。本小節統計了MAC端到端時延、成功接收分組率、系統響應時間、信道利用率等指標[12]。

3.1 MAC端到端時延

各個節點的MAC端到端時延平均值如圖8所示，可以看出機載節點的時延在4 s左右，其中節點6的時延達到了5.5 s，岸基節點和車載節點時延穩定在1 s附近，這是因為在網絡參數配置中，機載節點移動速度是艦載節點的13倍，與實際情況相符[13]。

圖8 各節點的MAC端到端時延

3.2 系統響應時間

系統響應時間圖9顯示了各節點的系統響應時間，隨著仿真時間的推移，各節點的時延基本保持穩定， 0點處理時延最小，符合其作為網絡時間基準點的客觀要求。在移動速度和方向、地理位置等因素的影響下，機載節點的處理時延比較大，其中節點6的處理時延達到了0.25 s以上，而且穩定性也不佳。和上述各節點的MAC端到端時延特點基本保持吻合[14]。

圖9 各節點系統響應時間

3.3 成功接收分組率

圖10表示的是經過接收判決后，剔除了噪聲包和錯誤包后成功傳送到MAC層的分組數。

圖10 各節點成功接收分組數

將上圖中數據和向節點發送的數據包總數導入Matlab中可以得到各個節點的成功接收分組率如圖11所示。

圖11 各個節點成功接收分組率

充當網絡時間基準的節點0和岸基節點9的接收分組率達到了65%以上，而另一個岸基節點14在參數配置時設置為背向基準點運動，因此隨著時間的推移，其離網絡中心距離越來越遠，接收的錯包和漏包都會相應的增加，成功接收分組率降低到50%左右；艦載節點和車載節點距離和移動的范圍有細微差別外，其他參數都一致，因此其分組接收率比較相近；總體趨勢來看，整個數據鏈仿真網絡的成功接收分組率在50%左右，保證了數據傳輸的可靠性[15]。

3.4 信道利用率

信道上發生碰撞和傳輸錯誤時，導致幀的丟失，信道時間被浪費。從信道時間利用率角度，把有效傳輸所占的信道時間與實際信息傳輸所占信道時間定義為信道利用率；或者從信息量角度，把吞吐量與信道容量之比定義為息道利用率。圖12給出了網絡規模為15個節點時整個網絡的信道利用率。

圖12 15個節點時整個網絡的信道利用率

由圖可知，隨著仿真時間的推移和記錄的次數的增加，從主站發出的數據包到應答入網，再到網絡運行的穩定，信道利用率逐漸增加，最終穩定在67%左右。這和信道中信息量的逐步增加變化趨勢保持一致，網絡穩定后，傳輸的信息量也趨于穩定。

依次增加仿真節點數量，直到仿真規模達到50，得到信道利用率隨網絡負載的變化規律如圖13所示，可見信道利用率隨網絡負載的變化規律為：在從站節點數達到35個前，趨向直線增長；直到從站數為35時

圖13 信道利用率隨網絡負載變化曲線

出現極值85.3%，而后在80%上下波動。說明Link16網絡最佳負載在35，信道最大利用率在80%左右，此時對應于信道的最大吞吐量。

4 結 語

將Exata引入到數據鏈通信課程設計中來，通過實踐發現，大部分同學在規定的時間內完成了設計，達到了綜合性設計的目的，既鞏固、訓練了學生的專業知識，又促進了學生其他技能的提高，對后續課程的學習以及學生適應日后工作都大有裨益?；贓xata仿真數據鏈教學平臺的引入，極大地改善了原來用數據鏈實裝設備不足、難以實現數據鏈組網的狀況，增強了實驗的多樣性，擴大了實驗范圍，使學生在學習中揚長避短，這對培養學生思維能力是有效的不但將數據鏈通信課程中較難理解的內容，通過軟件仿真形象生動地展現出來，使學生對知識的理解更加透徹，而且能有效地提高學生學習的興趣和熱情，培養學生自我學習、創新學習的能力。

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Research and Design on Data Link Communication Teaching Platform Based on Exata

MAJun-kai，LILi-hua

(School of Electronic Engineering, Naval University of Engineering, PLA, Wuhan 430033, China)

For lack of practical operation equipment in the course of data link communications in military academies, this paper designs a data link hardware-in-the-loop network simulation platform. Firstly, it introduces the structure and characteristics of network simulation tool of Exata, and then designs a multimodal Link 16 data link hardware-in-the-loop network simulation based on TMDA protocol. Also, it elaborates on the process of hardware-in-the-loop data link communication equipment of large-scale which is based on Exata, and arrived at a conclusion. According to the simulation result, this platform can meet the requirement of data link communication in teaching, and can make students get a deeper understanding of the data link communication transmission process through watching network operation animation and analyzing network simulation data. It greatly improves the teaching efficiency.

Exata simulation; data link communication; hardware-in-the-loop simulation; TDMA protocol

2014-11-10

海軍工程大學科學研究基金資助項目(HGDQNJJ020)

馬俊凱(1983-)，男，回族，河南信陽人，碩士，講師，主要研究方向：無線通信。

Tel.：18162625305; E-mail：752968873@qq.com

TP 391.9

A

1006-7167(2015)10-0124-05