流星余迹通信网络建模与仿真

黎庆, 朱立东

(电子科技大学 通信抗干扰技术国家级重点实验室,四川 成都 611731)

0 引言

流星余迹通信就是利用流星余迹对 VHF频段无线电波的反射而实现远距离通信的一种超视距无线通信方式[1]。流星余迹通信的主要特点是：①通信距离远、覆盖范围大;②通信信道不受电离层骚扰、极光和太阳黑子爆发等恶劣自然电磁环境的影响;③隐蔽性强,不易被窃听;④可实现移动通信,通信设备可搭载在移动平台上;⑤运行维护方便,成本低,从站间歇工作,耗电小。这些特点使得流星余迹通信在应急通信中具有特殊的地位。在军事上具有极大的应用价值,在可能出现的战争中,流星余迹通信无疑是一种可选的通信手段。在实际中,流星余迹通信系统的网络稳定性受流星余迹信道特性的影响非常大,如何提高其稳定性和数据传输效率成为流星余迹通信的关键技术之一。在常见的多基站环状网络结构的基础上,将各基站用高速有线链路连成全连通网络以克服环状网络可靠性低的缺点。在此基础上,从工程实现的角度构建了一种基于停等协议的流星余迹通信网络,并利用 Opnet搭建了网络仿真模型,分析了发包速率以及包长度对网络性能的影响,得出了在该网络模型中的最优发包速率及包长度。

1 流星余迹通信系统的网络结构

1.1 单基站星型拓扑结构

流星余迹通信系统[2]最基本的网络结构是星型拓扑结构,如图 1所示,其构成包括一个中心节点和若干个子节点。其中心节点是整个网络的核心,子节点只能与中心节点进行通信。中心节点不断发射探测信号,当该信号通过流星余迹反射到子节点时,子节点立即发射应答信号,中心节点收到应答后就向子节点发送确认信息,然后基站与移动台之间根据需要持续发送报文,直到报文发送完毕或链路中断为止。

图 1 单基站星状网络结构

1.2 多基站环形拓扑结构

如图 2所示,环形拓扑结构由网络中若干节点通过点到点的链路首尾相连形成一个闭合的环,数据在环路中沿着一个方向在各个节点间传输,信息从一个节点传到另一个节点。

图 2 多基站环状网络结构

1.3 树形拓扑结构

树型拓扑结构是一种层次结构,节点按层次连接,信息交换主要在上下节点之间进行,相邻节点或同层节点之间一般不进行数据交换。优点：连接简单,维护方便,适用于汇集信息的应用要求。缺点：资源共享能力较低,可靠性不高,任何一个工作站或链路的故障都会影响整个网络的运行。

2 流星余迹通信系统的系统组成

流星余迹通信系统每个站包括发射机、接收机、发射和接收天线系统、计算机控制系统及终端设备。发射机和接收机与超短波通信设备没有什么区别;天线多用五元八木天线;计算机控制系统为计算机或微处理机设备及磁盘系统;终端设备多为数据终端与电传报机或汉字中文通信机。

流星余迹通信系统的网络结构[3]经历了数据采集网络,数据通信网络,固定通信网络,先进通信网络到互操作网络的发展历程。采取的网络结构为改进的多基站环状网络结构,即将图 2所示的多基站环状网络结构的基站用有限链路两两互联。该网络是一个兼容了有线通信和无线通信两种通信方式,可以同时实现网内通信和网间通信的星形网网间互联网络。

3 基于停等协议的网络仿真模型

3.1 网络仿真场景

不失一般性,这里设计了一个由四个星形网相互连接的网络模型,其中每个星形网由一个主站和五个从站组成,在每个星形网内,从站可以通过主站实现与网内其它从站之间的通信,通信方式为无线通信,通信信道采用的是流星余迹信道,通过主站之间的互联,可以实现网间通信,其中主站之间采用的是有线通信方式互联,即该网络是一个兼容了有线通信和无线通信两种通信方式,可以同时实现网内通信和网间通信的星形网网间互联网络。

星形网络模型采用了停 -等式的ARQ协议[4],它的工作原理为：中心节点通过轮询的方式分别与五个子节点进行通信(在仿真模型中,假设中心节点在一个小时内完成一次轮询。即在一小时内中心节点与每个子节点只通信 12分钟)。中心节点在与子节点通信前应发送探测信号,与该子节点对应的流星余迹信道节点在接到探测信号后向子节点通告流星余迹信道的状态。如果此时流星余迹信道可用,那么子节点立即从它的缓冲队列中取出数据包发送给中心节点。当中心节点需要与下一个节点通信时,它会先向该节点发送通信终止信号,与该子节点对应的流星余迹信道节点在接到通信终止信号后通知子节点流星余迹信道不可用。此时中心节点与该节点间的通信关闭,该节点只能在中心节点轮询完其余节点后才能再次与中心节点通信。

3.2 网络仿真参数设置

网络模型中节点间的距离并不代表实际的距离。修改了管道阶段中的传播延时阶段,修改后的传播延时阶段使用了实际的距离。图 5给出了流星余迹通信的示意图。

图 3 流星余迹通信距离示意

从中可得：

其中 L为 Tx与 Rx间的距离;h为流星距地面的高度,一般认为 h=80～120km;Re为地球半径。在我们的模型中,假设 L定为 L=1 000 km,h为 h=100 km。

在图 4所示的网络仿真场景中,channel节点是用来模拟流星信道特性的节点模型,以考查主站与从站之间通信质量的方法来建立信道模型如下：

其中P(t)是在时刻 t接收到的接收信号功率,P0是在信道建立之初的接收功率,τ是接收功率衰减常数。不同流星产生的信道特性不同,所以P0和τ具有随机性,但在某一流星产生的信道中,它们是常数。P0由发射机本身的参数,两点间距离,流星电离的强度共同决定;τ的经验典型值为 0.2～0.4 s[5],选取 τ值为 0.3 s。

将在仿真中需要用到的参数设置如下：确认包 ACK和NCK长度均为 24 bit、数据包包头长度为 32 bit、根据通信距离传播时延设置为 0.034 s。

3.3 网络仿真结果

进行仿真的主要目的是统计包发送时延(即从发包开始到收到目的地址发送的成功接收确认包的时间间隔)和吞吐量(即单位时间内去除掉包头开销成功发送的比特数),通过改变包长度以及发包速率等参数,收集多个仿真结果,并对统计结果进行分析,得出结论。

3.3.1 包长度对网络吞吐率的影响

首先将发包速率设为固定值 5 120b/s,通过改变包长度得到包发送时延和网络吞吐率两个统计量的不同值。每个包发送时延以及网络吞吐率随包长度变化的关系分别如图 6和图 7所示。

从图 4和图 5可以看出,在发包速率固定的情况下,包发送时延和网络吞吐率都随着包长度的增加而增加,由于考虑了流星余迹通信信道的间歇性、时变性以及有效通信时间短的特点,同时由于这些特点流星余迹通信的确认包以及数据包包头开销较大,导致包发送时延增加和网络吞吐率下降。

图 4 包发送时延与包长度的关系

图 5 网络吞吐率与包长度的关系

3.3.2 速率对网络吞吐率的影响

将发包长度设为固定值256 bit,通过改变发包速率得到包发送时延和网络吞吐率两个统计量的不同值。每个包发送时延以及网络吞吐率随包发送速率变化的关系分别如图 6和图 7所示。

从图 6可以看出,在包长度固定的情况下,包发送时延有随发包速率的增加而逐渐减小的趋势。从图 7可以看出,在包长度固定的情况下,网络吞吐率有随发包速率增加而逐渐增大的趋势。同样由于考虑了流星余迹通信信道的特点以及确认包以及数据包包头的开销,导致包发送时延的增加和网络吞吐率的下降。

图 6 包发送时延与包发送速率的关系

图 7 网络吞吐率与包发送速率的关系

4 结语

综合仿真结果,得出如下结论：考虑流星余迹通信信道特点,包发送时延大大增加,网络吞吐率有所下降。搭建的流星余迹通信网络模型是符合实际情况的,当包长度为 256bits,发包速率为 5Kb/s时,得到最小发包时延及最大网络吞吐率。

[1]刘志斌,陈家松.流星余迹猝发通信分析[J].舰船电子工程,2006,135(04)：125-128.

[2]武广友.流星余迹通信系统与网络结构[J].移动通信,2004(03)：149-152.

[3]DAVRAS YAVUZ.Meteor Burst Communications[J].IEEE Communications Magazine,1990(09)：40-48.

[4]TANG ZY,GARCIA-LUNA-ACEVESJJ.A Protocol for Topology-Dependent Transmission Scheduling in Wireless Networks[C].USA：IEEE,1999：20-25.

[5]ABEL M W.Meteor Burst Communications：Bits Per Burst Performance Bounds[J].IEEE Transactions on Communications,1986,34(09)：927-936.