基于QualNet的数据链网络仿真研究

方 标 王永斌 刘宏波

摘 要:在数据链系统的生命周期中,仿真是不可缺少的一个环节。为了统计和分析数据链网络的重要参数指标,采用网络实时动态仿真软件QualNet的系统构架,分析了在QualNet环境下数据链系统仿真的关键技术,通过场景设计和功能设定对Link 16进行了性能参数仿真,得到了数据链网络的网络吞吐量、平均端到端时延、数据分组成功接收率等总体性能指标。仿真结果表明网络性能良好,基本满足了消息传输的实时性和可靠性,为我军进一步研究数据链系统提供了参考。

关键词:数据链;网络仿真;QualNet;Link 16

中图分类号:TP311 文献标识码:A

文章编号:1004-373X(2009)21-005-04

Research and Simulation of Tactical Data Link Network Based on QualNet

FANG Biao,WANG Yongbin,LIU Hongbo

(Naval University of Engineering,Wuhan,430033,China)

Abstract:In the life cycle of Tactical Data Link (TDL) system,the simulation is really an indispensable segment.With the purpose of researching important network parameters of TDL,this paper places emphasis upon the systemic truss of QualNet and the pivotal simulative technology combining with TDL.The simulation is performed by designing the principle modeling of Link16 through illustrations with detailed scenic installation and functional configuration.The overall system performance such as network throughout,network average end-to-end delay,total packets received rate and their analysis are obtained.As is shown by simulation results,the network performance is fine,which could keep real-time data-exchange and transportation reliability.

Keywords:data link;network simulation;QualNet;Link 16

0 引 言

数据链是数据通信技术在军事方面的典型应用,能够实现多平台之间的情报信息交换,是信息化战争发展的重要标志之一。数据链网络的构建和应用实现了战场信息的实时传输和各作战单元的无缝连接、情报共享。数据链网络的仿真作为研究数据链网络性能的┮恢中兄有效的手段正在受到越来越多的重视。在数据链系统的生命周期中,仿真也是不可缺少的一个环节,不论是系统技战指标的论证、方案的选择、关键技术的突破、协议的设计、网络参数的选取,还是系统作战效能的评估都必须通过仿真对其进行支撑[1]。精确的建模和仿真,详细的网络分析可以给决策者提供有力、可靠的参考。QualNet作为一套快速和精确的网络仿真分析工具,能够实现复杂的基础设施间的通讯模拟和满足数字化战场网络构架的需求。

本文在QualNet软件资料的基础上,介绍了QualNet的仿真特点和系统构架,总结了其在国内外的发展应用,设计分析了数据链网络的分层参考模型和跨层实现,结合Link 16数据链的网络特点和组网方式,搭建了实际的数据链网络仿真场景,并利用QualNet提供的结果分析器对仿真实验结果进行统计和分析,主要针对网络模型的吞吐量、平均端到端时延和数据分组成功接收率进行了详细的性能分析,给出了性能参数仿真的一般思路和方法,为我军数据链网络的研究和分析提供了参考。

1 QualNet仿真应用及数据链分层模型设计

1.1 QualNet软件简介及其在国内外的发展应用

QualNet[2]是一种应用于无线、有线以及动态网络,具有快速、精确特性的网络开发、仿真系统。QualNet网络仿真工具在速度、可扩展性和模型保真度上具有较强优势。协议模型的源代码为开发者提供了一套完整的模型库,可用于全新的网络协议和算法,预测不同类型网络的性能,网络规模可扩展至上万个无线移动节点,对战场动态网络的仿真提供了技术支持。美军在无线网络仿真方面已经基本完成了基础仿真平台的建设,对数据链系统进行了建模仿真及专用仿真软件QualNet的开发。自QualNet对国内开放以来,它在网络仿真中得到了越来越多的关注和重视。由于美方保留了部分模型库,特别是军用模型库的源代码,使得国内在军用网络的仿真方面受到了一定限制,需要用户在构架中自行开发设计。

目前,国内针对数据链网络的QualNet仿真尚处于研究发展阶段。专门进行数据链仿真研究的机构主要有中国电子科技集团第十研究所,西南交通大学等。研究方向主要是基于轮询协议下战术数据链的链路性能仿真、数据链中重要参数的统计和分析、各性能指标之间的相互影响和制约关系、跨层通信机制等。而对数据链中的多链重叠联合网络、网络层的仿真尚处于起步研究阶段。

1.2 QualNet的系统构架及数据链分层参考模型

QualNet是基于层的构架进行组织的,各层定义有对应的协议,协议之间的通信使用定义好的应用编程接口API函数,每一个节点都有一个协议栈,协议就分布在相应功能层中。协议中服务的选择、确定是通过QualNet的事件处理机制进行的。各层定义,功能和服务协议见表1。

针对数据链的仿真研究,需要实现其消息传输的机制,模拟消息数据在实际系统中传输的过程。为此,结合QualNet的系统构架,在建立数据链系统分层模型的基础上,分析两者在层次化体系的联系和差别,以实现系统的近似模拟是数据链网络仿真的关键性技术。

参考OSI模型、TCP/IP模型、GIG参考模型[3](GIG指全球信息栅格,是美军数据链今后发展的重要方向,旨在解决系统的开放性问题,通过应用TCP/IP协议、QoS控制、智能代理、XML等技术,将封闭、专用、体系过时的数据链系统有机的融入到该框架中[3]),在强调数据链系统作为军事通信系统特征的基础上,根据“使各层功能尽量明确”的原则,结合TDLRM[4](Tactical Data Link Reference Model,战术数据链参考模型),将数据链的参考分层模型设计如下:

任务层:完成一项具体军事任务所必需的应用程序的特定集合体,如防空、导弹防御、远程精确打击等多种战术及战略层面的作战任务,是与作战单元直接对话交互的最高层。

应用层:提供通用的和特定任务的应用程序,实现各种战术数据的具体应用,如监视、参与者精确定位和识别、任务管理、武器协同、保密话音等。

服务层:结合了OSI参考模型中会话层和表示层,是两个系统之间交换信息的语义和语法。如Link4A中的V系列、R系列标准;Link 11中的M系列标准以及Link 16中的J系列标准。

网络层:实现数据转发、路由选择、网络互联、传输控制及维护等功能,为多链网络提供支持和服务。

链路层:提供节点到节点的数据传输,传送以帧为单位的数据,定义数据链的时隙接入和复用方式等。

物理层:利用物理传输介质为数据链路层提供物理连接,以便透明地传送比特流,定义编码、调制、扩频、传输方式等信息。

1.3 数据链网络仿真中跨层通信的实现

通过比较QualNet的系统构架和数据链分层模型,可以发现两者在网络支持层面基本相同,但数据链分层模型中没有将传输层单独划分,而是由网络层承担。这主要考虑到数据链网络的传输大多采用无线方式,并且这种网络拓扑结构简单、数据传输量大、消息实时性要求高的特点,特别在战情复杂时,需要大量的实时态势信息交互,网络控制信息增多,按照传统的逐层通信将造成难以避免的迟滞,严重制约数据链的性能。为了尽可能提高模型的真实性,需要对QualNet的协议栈进行修改,设计跨层通信的机制满足实际要求。

仿真中如何实现就成为一个难点,在国外不少学者以不同思路对跨层设计进行了理论研究,文献[5]提出在保留现有协议栈模型的基础上,通过建立新的消息结构实现底层与高层直接通信。国内赵玉亭等人针对Ad Hoc网络在传统协议栈基础上从接口函数的修改方面做了一些有益的研究和探索[6]。以应用层恒定比特率(CBR)协议为例具体的消息处理流程[3]如下:应用层对CBR分组使用MESSAGE_Alloc()函数分配内存空间,并利用MESSAGE_PacketAlloc()函数将用户信息拷贝到packet结构体指针,通过MESSAGE_Send()递交给传输层,传输层利用MESSAGE_AddHeader()函数增加一个TCP头或者是UDP头,然后通过MESSAGE_Send()函数递交给网络层,网络层通过路由选择,增加了IP头以后递交给MAC子层,MAC子层增加MAC帧头后递交给物理层,经过相应的编码、调制、天线发射出去,经过无线信道的传输,历经了衰落、多径、损耗,到达接收端,如果发生差错就要根据MAC层的设置进行相应处理,如重传或弃包。接收端的处理过程与发送端相反,经过MESSAGE_RemoveHeader()函数层层剥离协议头,将消息递交给上层进行相应的处理,最终到达目的应用协议,利用MESSAGE_Free()函数释放掉由发送端使用的MESSAGE_Alloc()函数和MESSAGE_PacketAlloc()函数分配的内存空间。要实现跨层信息交互,就要在执行MESSAGE_Send()函数的时候,将原来的消息参数进行相应的更改,使得仿真器经过事件调度以后能够将此消息递交给期望的处理函数。

2 基于QualNet的Link 16网络性能参数仿真

2.1 搭建Link 16数据链网络仿真场景

Link 16[7]作为美军目前应用最为广泛的战术数据链,采用TDMA通信协议实现陆、海、空间视距(也可通过中继实现超视距通信)、广播通信,工作在Lx波段。各网络成员按照时隙分配方案采用专用、竞争或时隙重分配接入模式占用时隙发射消息,无线传播采用跳频、扩频相结合的方式。Link 16数据链中,时隙资源以时隙块的形式分配给各个参与组中的各网络成员。此外,Link 16数据链主要采用成对时隙中继技术扩展通信距离。下面对其工作过程进行性能仿真[8-10]。

场景中参数设置如下:

仿真范围:5 000 m×5 000 m;仿真时间:100 s;工作频率:设定为单一网络结构下的969 MHz;节点数:10个,其中节点1为网络时间基准(NTR)单元,处于静止状态,其余都是JTIDS网络单元,都为移动节点,机载移动速度为200 m/s,舰载移动速度为15 m/s,车载移动速度为10 m/s,士兵移动速度为1 m/s;通信协议:TDMA-时隙持续时间5 ms,时隙保护时间0.1 ms,每时帧包含18个时隙,相邻时帧间隔1 ms,采用时间片轮回机制,各个成员分配均等时隙;物理层模型:QualNet环境下的抽象模型,在此基础上添加编码、调制、跳扩频、无线信道等处理,信道传输速率R=1 Mb/s,同时选择全向天线模型(Omnidirectional)、双径传播路径损伤模型(Two Ray Pathloss Model)、瑞利衰减模型(Rayleigh Fading Model)和常数分布遮蔽阴影模型(Constract Shadowing Model);业务类型:CBR(恒定比特率),NTR向每个网络成员发送60个CBR分组,且每个分组70个字节,传输起始时间为5 s,结束时间为90 s。

场景设计图和运行演示图如图1,图2所示。

2.2 Link 16数据链网络性能分析

2.2.1 网络平均吞吐量

当在信道上发生碰撞及传输错误时,必然导致帧的丢失,这使信道时间被浪费。信道时间浪费的程度可以反映MAC协议的优劣。把单位时间内在信道上成功传输的信息量定义为吞吐量。由于实验中采用时间片轮回机制的单一网络结构,不考虑发生碰撞的现象,节点间吞吐量的区别主要是因为物理层抽象模型中的误码随传输距离、运动状态而变化。假设帧长固定,长度为a比特,且单位时间内成功传输的帧数为n,则吞吐量可表示为n*a(b/s)。图3给出各接收分组的网络节点的吞吐量。

可见,节点2,3,4的吞吐量明显高于其他节点,一方面作为陆基节点,距离设置上较NTR近,且基本上在NTR的广播域内移动,而舰船节点5,6距离NTR较远;另一方面运动速度较慢,相较之下,空中节点9,10速度较快,吞吐量明显下降。计算上述数据的统计平均值为329.4 b/s,即为该数据链网络的平均吞吐量。但相对于系统模型的系统容量,信道利用率太低,以后可以考虑引入竞争机制,提高时隙、信道的利用率。

2.2.2 网络平均端到端时延

对于一条数据链,端到端时延是从其分组发送方将消息发送至传输媒介到接收方接收到分组为止的一段时间。本实验中即为NTR发送分组的时刻到节点接收此消息的时间差。衡量网络节点的端到端时延可以有效地说明一个通信网络的实时性。作为战术数据链,需要很高的实时性才能保证其实际应用需求。仿真结果如图4所示。由图可知,节点的时延主要集中在0.45 s附近,节点2,3,4时延较低,而节点10时延较高,产生较大偏差,主要是移动方向和移动速度因素的影响,时延较大导致信息传输的有效性降低,与吞吐量的结果相吻合。

2.2.3 网络节点分组成功接收率

网络节点分组成功接收率是指信宿成功接收分组的概率。通过仿真分析各节点的成功接收分组的概率可以检测整个数据链路的信息传输可靠性,图5为各节点的仿真结果。

由上节参数设置可知,NTR向每一个JTIDS单元共发送60个分组,则节点9,10的成功接收率较低,节点5,6,8基本在60%左右,空中节点移动速度较快,舰载由于移动距NTR越来越远,导致了网络性能的下降。总体趋势来看,数据的成功接收概率基本保持在60%以上,保证了网络的可靠性。

3 结 语

首先对QualNet的仿真特点和系统构架进行了阐述和介绍,分析了它在数据链仿真中的国内外应用、关键性技术和数据链分层参考模型,然后设计进行了Link 16的性能参数仿真,得到了网络吞吐量、端到端延迟、数据包成功接收率等参数指标,实验结果表明网络性能良好,实际可行,数据链的这种性能仿真方法具有一定的通用性。下一步工作可以在得到的网络性能参数的基础上分析数据链的组网技术体制,同时针对数据链的多链情况和跨层协议深入研究,并通过和Matlab联合仿真进一步提高网络性能。

参考文献

[1]赵春芬,陈林星,卢建川.Link 11系统的QualNet仿真[J].电讯技术,2008,48(2):86-91.

[2]Scalable Network Technologies Inc..QualNet4.0 User′s Guide[Z].2007.

[3]Global Information Grid Architecture:Net-Centric Information Warfare Reference Model.http://www.it.lockheedmartin.com.

[4]Leonard J Schiavone.Global Grid Architecture Concept,The MITRE Corporation.http:// www.ieeexplore.ieee.org.

[5]Sanjay Shakkottai,Theodore S Rappaport.Cross-Layer Design for Wireless Networks[J].IEEE Communications ㎝agazine,2003,41(10):74-80.

[6]赵玉亭,戴冠中,慕德俊,等.基于QualNet构建Ad Hoc网络跨层协议交互机制[J].计算机仿真,2007,24(6):106-108,234.

[7]梅文华,蔡善法.JTIDS/Link 16数据链[M].北京:国防工业出版社,2007.

[8]刑智,戴浩.基于OPNET的Link 16数据链建模与仿真[J].军事运筹与系统工程,2005,19(1):62-66.

[9]Scalable Network Technologies Inc..QualNet4.0 Model Library[Z].2006.

[10]Scalable Network Technologies,Inc.QualNet 4.0 Programmer′s Guide[Z].2007.

作者简介 方 标 男,1986年出生,江苏仪征人,硕士生。主要研究方向为数字通信,网络通信。

王永斌 男,1961年出生,山西寿阳人,教授。主要研究方向为无线通信。

刘宏波 男,1979年出生,黑龙江齐齐哈尔人,讲师。主要研究方向为无线通信、网络通信。