一種基于OPNET的時分多址無線通信網(wǎng)絡組網(wǎng)時間評估方法

李翰林,裴 江,陳傳良

(中國船舶集團有限公司第八研究院,南京 211153)

0 引 言

隨著軍事通信中信息化水平的提高和泛在互聯(lián)應用需求的增加,無線通信系統(tǒng)呈現(xiàn)出全方位、多元化、專業(yè)化趨勢。以往單純依靠設計經(jīng)驗對網(wǎng)絡進行規(guī)劃設計、開發(fā)網(wǎng)絡設備與網(wǎng)絡協(xié)議的方式效率較低,一體化的軍事信息系統(tǒng)需要能夠預測網(wǎng)絡性能、預估通信網(wǎng)絡中關鍵指標的技術(shù)手段,網(wǎng)絡仿真能夠根據(jù)應用要求和評價指標設計網(wǎng)絡模型,分析并驗證網(wǎng)絡設計方案,可為實物系統(tǒng)的研發(fā)提供很好的技術(shù)支撐,是目前得到廣泛應用的通信網(wǎng)絡規(guī)劃設計方法。

網(wǎng)絡仿真軟件OPNET是由美國OPNET Technology公司開發(fā)的大型通信與計算機網(wǎng)絡仿真軟件包,為通信網(wǎng)和分布式系統(tǒng)的模擬提供了全方位的支持,是目前先進的網(wǎng)絡仿真開發(fā)和應用平臺之一。大量研究使用基于該軟件的網(wǎng)絡仿真技術(shù)對通信網(wǎng)絡性能進行評估[1-4]。

在無線自組織網(wǎng)絡中,當各個節(jié)點獨立啟動后,按照協(xié)議與其他節(jié)點形成網(wǎng)絡,并展開通信;無線自組織網(wǎng)絡具有自組織和網(wǎng)絡拓撲動態(tài)變化的特點;可靠的組網(wǎng)時間對保證此類網(wǎng)絡有效運行十分重要。本文采用軟件OPNET,基于實物通信節(jié)點軟硬件建立了網(wǎng)絡仿真模型,利用仿真結(jié)果統(tǒng)計評估某項目中通信網(wǎng)絡的性能,預測該通信網(wǎng)絡的組網(wǎng)時間。

1 網(wǎng)絡協(xié)議概述

本文網(wǎng)絡采用基于TDMA接入的延遲確定性網(wǎng)絡協(xié)議,并通過自組織發(fā)現(xiàn)和搜索構(gòu)建集中式多跳網(wǎng)狀拓撲網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)。

網(wǎng)絡按照周期運行,每個執(zhí)行周期劃分為5個幀,每一幀劃分為固定個數(shù)的定長時隙,每個時隙劃分若干微時隙(Mini Slots),微時隙沒有固定長度,其長度由各個時隙擁有節(jié)點根據(jù)業(yè)務長度決定。

全網(wǎng)分為中心節(jié)點與普通節(jié)點2類。中心節(jié)點負責全網(wǎng)態(tài)勢統(tǒng)一、維護與下發(fā),同時根據(jù)統(tǒng)一態(tài)勢完成時隙資源的統(tǒng)一分配;當進行網(wǎng)絡融合時,由中心節(jié)點根據(jù)融合準則授權(quán)網(wǎng)間橋接節(jié)點進行融合流程;當組網(wǎng)完成后,全網(wǎng)只有一個中心節(jié)點存在。網(wǎng)絡中的其他節(jié)點為普通節(jié)點,具備中心節(jié)點的計算能力,但由于全網(wǎng)態(tài)勢等原因,主要用于完成信息收發(fā)及路由轉(zhuǎn)發(fā)任務。

中心節(jié)點根據(jù)業(yè)務需求及鏈路實際將時隙分配給所需的網(wǎng)內(nèi)節(jié)點,中心節(jié)點定期發(fā)送信標(beacon),以進行網(wǎng)絡管理和新節(jié)點掃描發(fā)現(xiàn)等功能。

網(wǎng)絡協(xié)議棧規(guī)劃采用網(wǎng)絡層、Mac層和物理層三層架構(gòu):網(wǎng)絡層主要負責態(tài)勢管理、網(wǎng)絡維護、路由管理以及資源調(diào)度,實際硬件系統(tǒng)中主要在CPU處理器中實現(xiàn);Mac層主要負責完成重傳機制、數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)、優(yōu)先級控制、傳輸隊列、時隙控制、收發(fā)控制以及波束控制,在實際硬件系統(tǒng)中通過CPU和FPGA聯(lián)合實現(xiàn);物理層主要負責完成控制信道、窄帶、寬帶信道的調(diào)制解調(diào)和編解碼等處理,在實際硬件系統(tǒng)中由FPGA和數(shù)字陣列天線實現(xiàn)。

2 節(jié)點組網(wǎng)流程

2.1 節(jié)點狀態(tài)與轉(zhuǎn)換規(guī)則

節(jié)點組網(wǎng)包含孤立節(jié)點入網(wǎng)與網(wǎng)絡融合兩種情況,在兩種組網(wǎng)情況下存在以下4種節(jié)點狀態(tài):

(1)孤立節(jié)點。節(jié)點開機時的默認狀態(tài),執(zhí)行入網(wǎng)流程;

(2)普通入網(wǎng)節(jié)點。節(jié)點已入網(wǎng),且不負責維護全網(wǎng)的時隙分配和態(tài)勢;

(3)中心節(jié)點。節(jié)點已入網(wǎng),且負責維護全網(wǎng)的時隙分配和態(tài)勢;

(4)休眠節(jié)點。節(jié)點已入網(wǎng),且處于網(wǎng)絡融合過程中,等待主網(wǎng)絡的激活beacon。

節(jié)點轉(zhuǎn)移規(guī)則如圖1所示。

2.2 節(jié)點入網(wǎng)流程

節(jié)點開機后進入孤立節(jié)點狀態(tài),孤立節(jié)點入網(wǎng)可分為兩種情況,如圖2所示。在圖2(a)中,孤立節(jié)點與中心節(jié)點完成認證流程,中心節(jié)點可直接為該孤立節(jié)點分配節(jié)點號和時隙;在圖2(b)中,孤立節(jié)點與普通入網(wǎng)節(jié)點完成認證流程,普通入網(wǎng)節(jié)點將認證結(jié)果發(fā)送給中心節(jié)點,中心節(jié)點為該孤立節(jié)點分配節(jié)點號和時隙。

節(jié)點開機自動進入孤立節(jié)點狀態(tài)。孤立節(jié)點入網(wǎng)時的包交互流程如圖3所示。待入網(wǎng)節(jié)點與網(wǎng)內(nèi)節(jié)點完成握手認證與態(tài)勢信息交互,收到網(wǎng)內(nèi)節(jié)點beacon包,按中心節(jié)點分配的時隙正常工作,表明入網(wǎng)成功。

圖3 孤立節(jié)點入網(wǎng)認證的包交互流程

2.3 網(wǎng)絡融合流程

若通信網(wǎng)絡中包含不同子網(wǎng),則兩個網(wǎng)絡須進行融合。網(wǎng)絡融合可分為4類,如圖4所示,圖中網(wǎng)絡①表示被融合網(wǎng)絡,網(wǎng)絡②表示融合網(wǎng)絡,(a)、(b)、(c)、(d)分別對應以下4種情況:被融合網(wǎng)絡中心節(jié)點與融合網(wǎng)絡中心節(jié)點交互;被融合網(wǎng)絡中心節(jié)點與融合網(wǎng)絡非中心節(jié)點交互;被融合網(wǎng)絡非中心節(jié)點與融合網(wǎng)絡中心節(jié)點交互;被融合網(wǎng)絡非中心節(jié)點與融合網(wǎng)絡非中心節(jié)點交互。

圖4 網(wǎng)絡融合的4種情況

網(wǎng)絡融合分為4個階段:

(1)網(wǎng)外信息收集階段。當普通入網(wǎng)節(jié)點收到網(wǎng)外beacon時,首先決策本網(wǎng)絡是否融入該網(wǎng)絡。如果決定融入,普通入網(wǎng)節(jié)點以數(shù)據(jù)包的形式將外網(wǎng)信息發(fā)送給中心節(jié)點。

(2)決策階段。最終的融合決策由中心節(jié)點給出。當中心節(jié)點自身收到網(wǎng)外beacon或收到網(wǎng)內(nèi)節(jié)點上報的beacon信息后,啟動定時器,并保存收到的信息,待定時器歸零時根據(jù)收到的網(wǎng)外beacon信息做出融合決策,決策的內(nèi)容包括是否融合、融合的目標網(wǎng)絡和發(fā)起融合的橋接節(jié)點。

(3)融合認證階段。中心節(jié)點做出融合決策之后,設定靜默標記位,在下次組建波控描述字時發(fā)送靜默beacon包。在組建好靜默beacon包之后設置節(jié)點狀態(tài)為休眠節(jié)點。靜默beacon包內(nèi)包含融合的目標網(wǎng)絡號和橋接節(jié)點地址。網(wǎng)內(nèi)其他節(jié)點收到靜默beacon包后設定靜默標記位,在下次組建波控描述字時發(fā)送靜默beacon包。與中心節(jié)點一樣,普通入網(wǎng)節(jié)點在組建好靜默beacon包之后設置節(jié)點狀態(tài)為休眠節(jié)點。所有節(jié)點在進入休眠狀態(tài)時設定休眠結(jié)束定時器,如果在定時器歸零之前仍未收到融合網(wǎng)絡的激活beacon,表明融合失敗,節(jié)點恢復以前的狀態(tài)。橋接節(jié)點偵聽目標節(jié)點的beacon包,并執(zhí)行認證流程。

(4)被融合網(wǎng)絡激活階段。融合網(wǎng)絡在完成融合認證后為被融合網(wǎng)絡內(nèi)節(jié)點分配節(jié)點號和時隙,并通過beacon廣播。休眠節(jié)點偵聽目標網(wǎng)絡的beacon,如果在其中找到自己的節(jié)點號和時隙,則表明該節(jié)點融合成功,修改狀態(tài)為普通入網(wǎng)節(jié)點,成為融合網(wǎng)絡的成員。

在網(wǎng)絡融合中,橋接節(jié)點和融合網(wǎng)絡內(nèi)的節(jié)點交互,分為兩種情況:若橋接節(jié)點與中心節(jié)點完成認證流程,中心節(jié)點可直接為被融合網(wǎng)絡的節(jié)點分配節(jié)點號和時隙,并更新態(tài)勢;若橋接節(jié)點與普通入網(wǎng)節(jié)點完成認證流程,普通入網(wǎng)節(jié)點需將被融合網(wǎng)絡的認證情況發(fā)送給中心節(jié)點,由中心節(jié)點為被融合網(wǎng)絡內(nèi)的節(jié)點分配節(jié)點號和時隙。

當被融合網(wǎng)絡中的休眠節(jié)點收到標志入網(wǎng)的beacon之后,轉(zhuǎn)換為普通入網(wǎng)節(jié)點狀態(tài)。如果在一定時間內(nèi)未收到標志入網(wǎng)的beacon包,則休眠節(jié)點轉(zhuǎn)為原始狀態(tài)(中心節(jié)點或普通入網(wǎng)節(jié)點)。

3 仿真建模

本文利用網(wǎng)絡仿真軟件OPNET,使用其三層建模機制,自頂向下建立通信網(wǎng)絡網(wǎng)絡域、節(jié)點域、進程域模型,并對節(jié)點開機組網(wǎng)流程進行模擬仿真。

3.1 網(wǎng)絡域模型建立

在網(wǎng)絡仿真中,網(wǎng)絡域模型定義各個通信節(jié)點位置和網(wǎng)絡拓撲。一般在OPNET中的子網(wǎng)層級內(nèi)完成網(wǎng)絡建模。子網(wǎng)的位置、大小可根據(jù)需求設定,子網(wǎng)內(nèi)包含若干節(jié)點,并可根據(jù)實際網(wǎng)絡仿真需要,設置網(wǎng)絡拓撲、節(jié)點初始位置及運動參數(shù)。本文在300 km×300 km范圍內(nèi),利用24個隨機分布的通信節(jié)點,組成無線通信網(wǎng)絡,如圖5所示。

圖5 節(jié)點網(wǎng)絡拓撲圖

3.2 節(jié)點域模型建立

節(jié)點模型由進程模型構(gòu)成,可以組成完整的協(xié)議棧,真實反映所建模設備的特性,其中節(jié)點代表實際網(wǎng)絡中各種計算和通信設備,節(jié)點參數(shù)代表設備可選用的協(xié)議模型和設備性能;各模塊間通過數(shù)據(jù)包和狀態(tài)信息的傳遞來進行各種操作,進而對設備功能進行模擬。

節(jié)點域建模如圖6所示。按照硬件形態(tài),將通信節(jié)點按照事務處理器、實時邏輯處理器和前端收發(fā)機3部分進行分解,并完成仿真建模:事務處理器部分通過使用自行編寫的進程域模型,構(gòu)建上層業(yè)務模塊、數(shù)據(jù)分發(fā)模塊、網(wǎng)絡管理模塊和資源調(diào)度模塊,模擬通信設備中事務處理器對網(wǎng)絡層與Mac層協(xié)議的實現(xiàn)。實時邏輯處理器部分通過使用自行編寫的進程域模型與仿真軟件自帶的無線收發(fā)信機模塊,構(gòu)建波控模塊、外部時間模塊、信號處理模塊、發(fā)射機和接收機,模擬通信設備中實時邏輯處理器對物理層與Mac層的實現(xiàn)。前端收發(fā)機部分包括陣列天線,結(jié)合真實硬件特點,編輯OPNET中自帶的天線模型,得到4個信號處理模塊對應的4組面陣天線。

圖6 節(jié)點域建模示意圖

3.3 進程域節(jié)點模型

進程模型的基礎是用有限狀態(tài)機來描述各種協(xié)議。有限狀態(tài)機中各個狀態(tài)的轉(zhuǎn)移可以描述節(jié)點中所含進程的行為,如協(xié)議和算法等。進程域包含節(jié)點域中各功能模塊的具體實現(xiàn)。

本文進程域主要包含如下核心進程模塊:信號處理模塊、波束控制模塊、資源調(diào)度模塊、數(shù)據(jù)分發(fā)模塊、網(wǎng)絡管理模塊等;借助中斷與狀態(tài)轉(zhuǎn)移機制,各進程模塊執(zhí)行各類功能函數(shù),實現(xiàn)對通信網(wǎng)絡節(jié)點行為的仿真,是仿真的核心。

信號處理模塊(sp)的功能包括:按照波束控制模塊所發(fā)送的事件描述字,控制發(fā)射機、發(fā)射信道、接收機、接收信道、天線模式、天線指向等,并將上行包發(fā)送到對應發(fā)射信道;對接收包進行地址過濾,判定接收包的有效性,向波束控制模塊發(fā)送下行包及各類附帶的通信包接收信息。

波束控制模塊(bc)的功能包括:維護節(jié)點的工作時序,向資源調(diào)度發(fā)送定時觸發(fā);按照資源調(diào)度發(fā)送的波控描述字生成事件描述字,及時傳遞給信號處理模塊以控制各面陣、各信道的收發(fā)狀態(tài)及其參數(shù);執(zhí)行自主應答,包括認證自主應答、測距測向自主應答和數(shù)據(jù)包自主應答;維護特定包的發(fā)送狀態(tài),等待期望回復包;組建Mac層包;執(zhí)行本地時間調(diào)整。

資源調(diào)度模塊(rs)控制著實時邏輯處理器和事務處理器之間的數(shù)據(jù)交互,控制節(jié)點的工作方式,主導節(jié)點入網(wǎng)與組網(wǎng)過程,在模型建立中處于核心地位。資源調(diào)度的功能包括:維護節(jié)點狀態(tài),執(zhí)行入網(wǎng)和網(wǎng)絡融合流程;管理時隙資源,編排波控描述字;向網(wǎng)絡管理發(fā)送測距測向信息和態(tài)勢信息;承接數(shù)據(jù)分發(fā)下發(fā)的數(shù)據(jù),向數(shù)據(jù)分發(fā)上傳收到的數(shù)據(jù)包。

數(shù)據(jù)分發(fā)(ddc)處于上層應用和下層數(shù)據(jù)處理之間,該模塊的功能包括:承接上層應用包,組建網(wǎng)絡層包;解析資源調(diào)度發(fā)送的下行包;維護數(shù)據(jù)發(fā)送隊列;包隊列優(yōu)先級管理;路由管理等。

網(wǎng)絡管理模塊(nm)與資源調(diào)度、數(shù)據(jù)分發(fā)模塊進行交互,主要負責網(wǎng)絡態(tài)勢的維護,具體功能如下:基于資源調(diào)度發(fā)送的態(tài)勢包和一跳態(tài)勢合成最新態(tài)勢并分發(fā)給資源調(diào)度和數(shù)據(jù)分發(fā);定時向資源調(diào)度發(fā)送觸發(fā),通知資源調(diào)度執(zhí)行態(tài)勢更新。

OPNET軟件采用離散事件驅(qū)動的模擬機理,仿真時間的推進靠事件與中斷來驅(qū)動。主要進程的初始化與狀態(tài)轉(zhuǎn)移過程如圖7所示。在開始仿真中斷后,各進程初始化狀態(tài)變量并注冊本進程,在等待各個進程完成Mac地址設定、初始事件設定、包流索引設定等步驟后,各進程轉(zhuǎn)入工作狀態(tài),開始組網(wǎng)與通信過程。

圖7 主要進程模塊狀態(tài)轉(zhuǎn)移流程

4 仿真試驗

為仿真驗證本通信網(wǎng)絡的組網(wǎng)時間,建立多節(jié)點任意拓撲組網(wǎng)場景如圖4所示。仿真分布在300 km×300 km的仿真區(qū)域內(nèi)。各節(jié)點在10 s內(nèi)開機(開機時間隨機分布)。其他部分主要仿真參數(shù)如表1所示。

表1 主要仿真參數(shù)

針對上述網(wǎng)絡場景,進行10組仿真,每組采用1 000次蒙特卡洛仿真,每組仿真基于不同的隨機數(shù)種子,從而隨機設定各節(jié)點的開機時間、面陣0的法線方向和系統(tǒng)時間。單節(jié)點入網(wǎng)時延定義如下:從節(jié)點開機算起,到節(jié)點組建至少包含兩個節(jié)點的網(wǎng)絡時為止,包含以下兩種情況:孤立節(jié)點變成普通入網(wǎng)節(jié)點;孤立節(jié)點變成中心節(jié)點,再接入另一個普通入網(wǎng)節(jié)點。單節(jié)點入網(wǎng)時延的累積概率密度函數(shù)如圖8所示。單個節(jié)點入網(wǎng)時延小于10 s的概率大于90%。

圖8 多節(jié)點場景單節(jié)點入網(wǎng)時延累積概率密度函數(shù)

上述某組仿真所形成的網(wǎng)絡拓撲如圖9所示。圖中8號節(jié)點是中心節(jié)點,其他節(jié)點通過孤立節(jié)點入網(wǎng)或網(wǎng)絡融合的形式加入主網(wǎng)絡。

圖9 某次仿真完整網(wǎng)絡態(tài)勢

10組仿真的組網(wǎng)時間如表2所示。本文的組網(wǎng)時間定義為從第一個節(jié)點開機算起,到所有節(jié)點融入一個網(wǎng)絡為止的時延。組網(wǎng)時延與節(jié)點的開機時間與網(wǎng)絡拓撲密切相關。由表2可知,最早于10.347 s內(nèi)即可組成完整網(wǎng)絡。其中中心節(jié)點位于網(wǎng)絡邊緣、組網(wǎng)流程中各類定時器初始值設置等均可能導致組網(wǎng)時延過大。

表2 多節(jié)點場景組網(wǎng)時延仿真結(jié)果

5 結(jié)束語

網(wǎng)絡仿真技術(shù)能為網(wǎng)絡的規(guī)劃設計和性能優(yōu)化提供定量化的分析評估依據(jù),提高通信網(wǎng)絡開發(fā)效率。本文中針對某通信網(wǎng)絡節(jié)點特性與通信協(xié)議,建立網(wǎng)絡仿真模型并進行仿真試驗,仿真結(jié)果表明,多節(jié)點的通信網(wǎng)絡,單節(jié)點可在90%概率下,于10 s內(nèi)與其他節(jié)點建立通信;各節(jié)點在15s內(nèi)可組成完整通信網(wǎng)絡。仿真結(jié)果可為該項目中的網(wǎng)絡通信協(xié)議開發(fā)與通信節(jié)點軟硬件研制提供設計參考。