半實物仿真技術在流星突發通信中的應用

于曉磊，王昕羽，宋建明，侯 靜

(1.中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081；2.西北工業大學 電子信息學院，陜西 西安 710072)

半實物仿真技術在流星突發通信中的應用

于曉磊1，王昕羽1，宋建明1，侯 靜2

(1.中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081；2.西北工業大學 電子信息學院，陜西 西安 710072)

針對網絡仿真工具在流星突發組網協議仿真方面的不足，提出了應用OPNET的SITL模塊來構建流星突發組網協議仿真平臺的設計。根據系統在環原理，對包從虛擬到真實和從真實到虛擬的過程進行了分析，并針對流星突發通信信道和流星突發通信網協議的特殊性，對流星突發通信網采用OPNET軟件進行建模仿真，實現了物理設備和OPNET仿真網絡的互聯。完成了仿真實驗并收集了網絡中數據包的傳輸時延和信息通過量，仿真結果表明，半實物仿真平臺對流星突發通信網的仿真真實、可信。

SITL；半實物仿真；流星突發通信；OPNET仿真建模

0 引言

半實物仿真技術在通信領域中發揮著越來越明顯的作用。半實物仿真是指在計算機仿真回路中融入物理設備或系統來進行仿真，計算機仿真可以在不使用大量物理設備的前提下來模擬大規模物理系統，物理設備或系統為計算機仿真提供必要的條件和結果驗證，很大程度上提高了計算機仿真的真實性和可靠性。

流星突發通信是利用流星高速進入大氣層時摩擦、燃燒而形成的電離余跡對VHF電波的反射或散射作用而實現遠距離通信的一種超視距無線通信方式[1]。它不受電離層干擾、核爆和太陽黑子爆發等惡劣電磁環境的影響，可有效保障最低限度通信和應急通信指揮[2]。以往對流星余跡通信的研究大多是信道特性分析，對組網方式的研究較少。

在流星余跡通信系統網絡結構研究的基礎上[3]，利用OPNET半實物仿真模塊SITL建立網絡模型，并在網絡模型中加入流星余跡信道模型，對采用退N重傳協議的網絡輸入不同參數進行仿真分析[4]，得到系統具有最大網絡吞吐量和最小發數據包時延的條件，為流星余跡通信系統的技術突破和設備研制提供可靠依據[5]。

1 SITL仿真原理

SITL模塊為OPNET上運行的仿真網絡與物理網絡的連接提供了接口，它能擴展OPNET的功能，分析物理硬件與OPNET離散時間仿真之間的相互作用。數據包以真實數據包與虛擬數據包的形式流轉于仿真網絡和物理網絡。通過SITL模塊，物理硬件和仿真軟件可以結合成統一的系統[6-7]。

SITL模塊通過虛擬網關模型和虛擬鏈路模型將真實的物理設備連接到虛擬的仿真環境中，使得真實的物理設備成為仿真系統的一部分，如圖1所示。對于發送給仿真系統的數據包，SITL模塊通過winpcap抓包軟件把它們從網卡捕獲，然后OPNET仿真核心把它們轉換成OPNET可識別處理的格式，當SITL接收到完整的數據包，就把這些數據包的關鍵信息傳遞給仿真中的網絡節點。最后各個節點還可把自己的仿真結果或參數通過socket通信回傳給物理設備。

圖1 半實物仿真模擬

2 流星突發信道及流星突發通信網協議

2.1 流星突發信道

通常流星余跡分為欠密余跡和過密余跡2種[8]。雖然過密余跡(信號持續時間也較長，據數據統計約1～5 s)反射信號能力強，但由于欠密余跡(據數據統計，其信號持續時間約200 ms，其強度比過密型約低10 dB)的發生概率遠遠大于過密余跡；而且在任何輻射頻率下，都可以把欠密余跡看作是幾乎不使入射波波前畸變的、互不相關的能量散射體，所以流星余跡通信更多的是依靠欠密余跡的散射來實現的[9]。根據欠密流星信道公式(式(1))和流星等待時間公式(式(2))及長期試驗數據得到的流星到達率(MR)和可以通信的時間百分比(DC)的值來設置信道突發時間間隔和突發持續時間，用Matlab生成24 h類似于流余信道的信道參數[10]，并根據這些參數設置OPNET仿真中無線信道的各項參數[11]。

(1)

式中，PR表示接收到的功率電平；P0表示接收到某個余跡反射電波的初始功率電平；τ表示功率電平衰減常數，由信道參數決定。

P=1-e-Mt。

(2)

式中，P為流星在時間t內出現的概率；M為流星密度或每小時流星突發數量；t為時間。

2.2 流星突發通信網協議

2.2.1 主站和主站之間的全雙工通信

主站和主站之間采用全雙工通信模式[12]，2個主站可以同時發送探測，當探測到信道存在后，根據通信協議發送數據信息；同時把收到的數據記錄到緩存中，把要發送的數據包放置到發送隊列中去。當信道消失后，通信雙方又回到探測模式。

2.2.2 主站和從站之間的半雙工通信

主站和從站之間采用半雙工通信，主站主動發起探測，從站則只有在收到探測信號后才能回傳應答和信息。

2.2.3 自適應變數率算法

協議根據接收端的信噪比變化支持從4～64 kbit/s的自適應變速率通信模式[13]。

2.2.4 退N重傳算法

假定仿真中每個通信時隙，節點發送一個數據分組，傳輸過程中分組3接收錯誤，則接收節點向發送節點回復錯誤標志，發送節點接收到錯誤標志后，無論已發送到哪個分組，都從錯誤分組3按順序重新發送[14]，如圖2所示。

圖2 退N重傳機制示意

3 OPNET仿真建模

根據流星余跡系統體系結構特點和OPNET建模方式，主要有主站節點和從站節點這2類節點，二者模型相同，只不過其中的協議不同。將流星余跡通信系統仿真模型分為數據源模塊、接收統計模塊、網絡層模塊、鏈路層模塊、發信機模塊、收信機模塊和天線這7個模塊。節點模型如圖3所示。

圖3 流星突發通信網節點模型

4 運用監控界面仿真分析驗證

物理設備的監控界面用以設置流星突發通信網協議參數并將參數組包通過socket通信發送到OPNET仿真設備，仿真設備通過SITL模塊將參數包解析成仿真軟件能讀取的包格式并運行仿真程序。監控界面如圖4所示。

圖4 參數設置界面

OPNET仿真設備運行過程中可通過socket通信實時地將仿真統計數據發送到物理設備的監控界面并成圖顯示，如圖5所示。

圖5 圖像顯示界面

圖5中最上段為端到端延遲，此次仿真最大值為600 s，即10 min，一條豎線的情況代表來了顆大流星；中間段為信息通過量，可見其隨著時間的變化而逐步增大，最終信息通過量為56 kbit；最下段為瞬時通過量，因為最小包的幀長為120 bit，所以圖像為一條水平的直線，有點的時刻代表有流星通過。

5 結束語

本文主要研究了半實物網絡仿真中真實數據包與仿真數據包轉換接口的原理，介紹了利用SITL進行數據包轉換的方法，并以流星突發通信網協議為基礎，按照物理設備—仿真網絡模式構建半實物仿真平臺，在物理設備端向虛擬網絡端發送各種參數數據包并成功收到了仿真結果數據包，驗證了物理設備可以與OPNET中的虛擬網絡互聯通信。收集了流星突發通信網中數據包傳輸延遲和信息通過量，結果表明SITL半實物仿真有效地提高了流星突發通信網仿真的可信度，降低了實驗、測試的成本，為大規模流星突發通信網系統的研究提供客觀、可靠的依據。

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[14] 荀立軍，楊 斌，王 偉，等.流星突發通信中的信道研究[J].無線電工程，2004，34(11)：48-50.

于曉磊 男，(1983—)，工程師。主要研究方向：數字通信。

宋建明 男，(1982—)，碩士，高級工程師。主要研究方向：數字通信。

An Application of the Semi-physical Simulation Technique in Meteor Burst Communication

YU Xiao-lei1，WANG Xin-yu1，SONG Jian-ming1，HOU Jing2

(1.The54thResearchInstituteofCETC，ShijiazhuangHebei050081，China;2.SchoolofElectronicInformation，NorthwesternPolytechnicalUniversity，Xi’anShaanxi710072，China)

In order to overcome the deficiency of meteor burst network，this paper introduced a method of SITL construct simulation platform to support the network protocol of meteor burst.Based on the theory of system-in-loop，this paper analyses the packet from virtue to reality and its reverse process，models the network of meteor burst for the particularity of its protocol and the meteor channel，achieves the interconnection of physical equipment and OPNET simulation network.Finally,OPNET simulation experiment is performed and packet transmission delay and network throughput are collected.Simulation results indicate that our modelling results of the meteor burst network on the semi-physical simulation platform are true and trusted.

SITL;semi-physical simulation;meteor burst communication;OPNET modeling

10.3969/j.issn.1003-3106.2017.01.04

于曉磊,王昕羽,宋建明,等.半實物仿真技術在流星突發通信中的應用[J].無線電工程,2017,47(1):16-18.

2016-11-22

國家部委基金資助項目。

TP391.9

A

1003-3106(2017)01-0016-03