基于QualNet的无人机数据链时延仿真✴

黄永兢，王玉文，黄超，刘济铭，柏华威

基于QualNet的无人机数据链时延仿真✴

黄永兢，王玉文，黄超，刘济铭，柏华威

（电子科技大学空天科学技术研究院，成都611731）

概述了无人机数据链的网络组成，介绍了通信网络仿真软件QualNet的功能特点及其架构，并在该软件平台下建立无人机数据链时延仿真模型，分析远近程无人机在不同MAC信道接入协议下的平均端到端时延和平均抖动。仿真结果表明，设计无人机数据链时可优先采用TDMA接入协议。

无人机数据链；QualNet仿真；平均端到端时延；平均抖动

1 引言

现代高技术战争具有作战规模大、战场环境复杂、人员伤亡少等特点，无人机具有质量小、机动性好、环境适应性强的优点，在实战中也体现出越来越重要的地位。通常，无人机靠数据链与外界进行信息交换，因此，数据链的应用水平在很大程度上决定着无人机作战水平和能力。

由于物理距离以及其他一些因素，信息通过数据链传输时必然会存在时延。造成数据链通信时延的主要原因有通信报文结构、通信速率、通信容量、通信距离以及多路通信方式。此外，还有传感器时延、运算时延和显示时延等硬件物理时延。无人机数据链的终端载体一般处在相对快速的运动中，其跟踪、捕获、定位和攻击的对象也是时敏目标，因此，时间的延迟对整个无人作战系统的作战效能影响特别大，数据链信息传输的低时延性是无人机数据链有别于其他数据链的重要特性。

对数据链性能的验证通常通过通信网络仿真软件仿真实现，目前常用的软件有OPNET Technology Inc.公司的OPNET和LSBL网络研究组开发的NS-2等。在这些软件平台下对无人机数据链进行仿真，有着各自的优势，同时也存在着不足。本文主要结合QualNet的一些优势特点，在QualNet平台下对无人机数据链的时延进行仿真，为下一步的研究提供参考。

2 无人机数据链网络组成

从广义上来说，无人机数据链的实质就是通信网络系统，其关键技术之一就是网络组成的体系结构，如图1表示。研究表明，处于同温层以内的任何一个空中平台，都无法实现“单跳”覆盖1 000 km以上的超视距中继［1］。因此，作为后方与前线战区的超视距通信中继必须采取多链路中继的方式。从无人机网络体系结构中可看出，地面控制指挥中心离战区较远时，需要采用中继卫星与高空长航时无人机相结合的方式。当地面指挥控制中心离战区相对不是很远时，可直接采用高空长航时无人机的中继方式。高空长航时中继无人机的下一层就是作战无人机群，它们由飞行速度快、作战能力强的无人机组成。当无人机的作战地离地面控制站比较近时，地面控制站可直接与作战无人机进行通信，不必通过中继的方式指挥无人机作战。

3 QualNet的架构

QualNet是一款高性能的网络仿真软件，具有对各种应用和使用要求的网络性能进行准确的预测能力，从有线LAN和WAN，到蜂窝、卫星、WLAN和移动Ad Hoc网络。

QualNet协议栈采用5层网络协议体系结构，如图2所示，协议栈从上往下分别为应用层、传输层、网络层、MAC层和物理层，用户还可以根据自己需求删除和添加相对应的层。

应用层是QualNet协议栈中的最高层，它提供网络端上应用程序之间的接口，在QualNet中提供了大量的协议，如CBR、VBR、FTP、RIP、HTTP等。QualNet协议栈中的传输层处于应用层和网络层之间，它为服务器和客户的应用层之间传送数据提供服务，传输层的协议主要有TCP、UDP、RSVP-TE等。Qual-Net协议栈中的网络层介于传输层和MAC层之间，主要功能是向传输层提供最基本的端到端的数据传送服务，网络层的主要协议有IPv4、IPv6、OSPF、DSR等。MAC层在QualNet协议栈中介于网络层和物理层之间，MAC层的主要功能是在物理层提供的服务的基础上向网络层提供服务，MAC层向用户提供的协议有MAC802.16、MAC802.3、CSMA等。物理层处于QualNet协议栈中的最底层，物理层是网络节点间的接口，提供网络上的数据传输服务。QualNet中物理层向用户提供的协议主要有针对有线传输介质的Bus、Point-to-point等和针对无线传输介质的Radio、Free space等协议。

网络中的节点向外传输信息时，通常由应用层开始。当数据由应用层向下传输时，QualNet首先会调用MESSAGE-Alloc函数为要传输的数据分配一个新的消息结构，接着调用MESSAGE-PacketAlloc函数在新分配的消息结构中申请一个新的数据包空间，最后调用MESSAGE-Send函数将要发送的数据封装到新申请到的数据包空间中，向传输层传送。相反，当传输层向应用层传送信息时，应用层会调用MESSAGEFree函数处理由传输层发送过来的数据包，同时释放发送过来的消息结构空间，将最终的数据传送到应用层中。同样，当传输层、网络层、MAC层收到上一层或下一层的数据包时，都会调用相应的函数添加或去除相对应的报头，然后再发送出去［2］。

4 基于QualNet的无人机数据链时延测试的实现

4.1 仿真模型的建立

4.1.1 网络节点的设置

根据前面对无人机数据链的概述和QualNet功能特点与架构的介绍，本文设计出的基于QualNet软件平台的无人机数据链时延仿真模型如图3所示。

采用笛卡尔坐标系，设置仿真区域的水平方向大小为5 000 km×5 000 km。在仿真区域中依次放入网络节点，其中各网络节点的水平位置、高度及各网络节点代表的实际意义如表1所示。

在仿真模型图中，设地面控制站在海平面上，所以节点［1］的高度为0，即Z坐标的值为0；对于目前可采用中继卫星，我们知道，GPS的卫星运行的轨道在距地表20 200 km的上空，“伽利略”的卫星高度为24 126 km，“格洛纳斯”的卫星轨道高度为19 100 km，而“北斗”二号的卫星则在高度为21 500 km的轨道运行，所以这里设置的中继卫星的高度为离地面20 000 km的高空；高空长航时中继无人机飞行高度要尽可能地高，这是因为其执行任务时要躲避地面高空防御系统及战斗机的攻击，同时也要获得更大范围的侦查视角和通信覆盖率，但飞行高度越高，就需要更大的动力，目前的高空长航时无人机飞行高度一般在18～20 km之间，所以这里设置节点［4］的高度为18 km；而对于远近程作战无人机，其作战时，飞行高度一般在几百米到一千米之间，所以这里设置节点［3］、［5］、［6］、［7］的高度都为250 m。

当无人机作战区域离地面控制站较近时无需采用中继平台，所以在模型图中，近程无人机组成子网直接与地面控制站通信，为方便后面仿真对近程无人机定性的说明，设置两架近程作战无人机离地面控制站的距离一样，所以这里设置节点［3］、［7］的水平方向坐标分别为（1 000 km，1 020 km）、（1 020 km，

1 000 km），它们离地面控制站的距离都为20 km左右。当地面控制站要控制远程作战无人机执行任务时，需要通过中继平台进行通信，所以在模型图中，远程作战无人机组成子网采用高空长航时中继无人机和中继卫星相结合的通信链路与地面控制站进行无线通信，同样为方便仿真时对远程无人机定性的说明，设置两架远程作战无人机离高空长航时中继无人机的距离一样，通常，无人机与上一级通信平台或控制站的距离一般不超过200 km，这里设置节点［5］、［6］的坐标分别为（2 950 km，3 950 km）、（3 050 km，3 950 km），而高空长航时中继无人机的水平方向坐标为（3 000 km，4 000 km），这样远程作战无人机距高空长航时中继无人机70 km左右，在其通信覆盖范围内。

4.1.2 网络节点的运动轨迹设置

无人机在实际执行任务时，一般处于高速运动的状态中，所以在进行网络仿真时，要把相关网络节点的运动特性考虑进去。一般来说，地面控制站（包括车载控制台）移动的速度相对较慢，其移动对网络仿真的结果影响较小，所以地面控制站在仿真过程中设置为静止状态。中继卫星由于处于高空，其移动对地面或低空网络节点造成的影响也较小，在仿真中也设置其为静止状态。对于高空长航时中继无人机来说，其执行任务时，巡航速度可以为650 km／h左右，所以设置节点［2］以180 m／s的速度作随机移动。作战无人机执行任务时，其移动速度和方向最为多变，但其飞行时速一般在200～500 km之间，所以这里设置作战无人机对应的网络节点以最小60 m／s、最大120 m／s的速度作随机移动。

4.1.3 数据传输类型及参数的设置

在实际中，无人机向控制站发送信息时，通常将要发送的数据打成若干个包，然后再将数据包逐个发送出去，所以在仿真模型中设定各作战无人机与地面控制站应用层间采用恒定比特速率（CBR）协议传送数据，同样方便对仿真作定性讨论，在仿真过程中，设定所有作战无人机向控制站发送200个大小为64 byte的数据包，而每个数据包的发送时间间隔为10 ms。

4.1.4 无线移动子网MAC的接入协议设置

在仿真模型中，远近程作战无人机都各自组成了无线移动子网，而无线移动子网的MAC信道接入协议的功能是控制节点的报文传输对无线媒体的占用，保证网络的整体性能，可以说十分重要。目前，国内外对有关无人机数据链子网的MAC接入协议都做了不少的研究，这里主要是在QualNet软件平台仿真中，对作战无人机的移动无线子网分别采用Aloha和TDMA这两种MAC信道接入协议进行仿真讨论，分析作战无人机向地面控制站回传数据时的时延特性。

4.2 仿真结果与分析

所有环境参数等设置好之后，近程和远程作战无人机的数量分别为2，3，5，6，8，10，20，30，40，50，60和2，3，6，8，10，12，14，15，16，20，30，40，50，60。为更能准确反映仿真模型中无人机数据链性能随终端节点数的变化特性，新增加节点与一级通信平台的距离都在200 km以内且距离与原有节点一致。仿真结束后，切换结果分析界面，查看仿真结果。

4.2.1 控制站接收数据包成功率的结果

控制站接收到远、近程无人机数据包成功率随作战无人机的数量的关系曲线如图4所示。

从图4中可知，当近程作战无人机采用TDMA接入协议时，地面控制站接收数据包的成功率不受无人机网络规模影响，在设定的节点内成功率始终保持为100%。而远程作战无人机采用TDMA接入协议时传送数据包的成功率随网络规模的扩大而下降，但下降不明显。在实际作战中，无人机向控制站传送的大多是图像和视频数据，这些数据假如丢失不多，通常可以通过某些处理方法把原信息还原出来，这里假设传输数据包的成功率在90%以内时信息都是可以还原回来的。从图4中可以看出在节点数为35以内，远程无人机采用TDMA接入协议时，传输数据成功率始终保持在90%以内。在采用Aloha信道接入协议时，远近程作战无人机传输数据的丢包率都随网络节点的数量增加而明显变大，其中近程无人机在网络节点大于20时，成功率跌出90%，近程无人机在网络节点不到15时成功率就低于90%。

4.2.2 作战无人机向控制站发送数据包的应用层平均端到端时延结果

远、近程作战无人机向控制站传输数据的应用层平均端到端时延随网络规模的变化如图5所示。

从时延仿真结果可得，作战无人机在传输数据成功率90%以内的情况下平均端到端时延都随作战无人机的数量增加而增大，其中采用Aloha信道协议下时，时延上升的波动性比较大，而采用TDMA接入协议下时，时延的上升接近于线性。

4.2.3 作战无人机向控制站发送数据包的应用层平均时延抖动结果

远、近程作战无人机应用层向控制站传输数据的平均时延抖动随网络规模的变化如图6所示。

从图6可看出，作战无人机在传输数据成功率90%以内的情况下平均时延抖动都随作战无人机的数量增加而增大。

4.2.4 仿真结果分析

我们都知道，端到端时延是指数据包从离开源点时算起一直到抵达终点时为止一共经历了多长时间的时延，可以简单地表示为

式中，Ts为数据包的发送时延，Tdw为处理时延（包括中继和接收节点处理数据的时延），Tp为传播时延。而平均时延抖动直接反映的是传输数据时延的变化大小，抖动越大，表示传输数据越不稳定。

仿真结果表明，在相同网络节点数和MAC信道接入协议情况下时，远程作战无人机向地面控制站传输数据，由于要通过中继平台的转发以及经过距离较长的物理媒介，即受Tp和Tdw的影响，平均端到端时延及平均时延抖动都比近程无人机稍大一些，且随着网络节点的增多，数据链的性能恶化程度也要比近程无人机大。

从MAC信道接入协议上看，当网络节点数较少时，采用TDMA和Aloha的时延和抖动程度相差不大，但随着节点的增多，可以看出TDMA的性能明显优于后者，TDMA的数据包发送时延和处理时延特性比Aloha优越。从协议本身的思想上来分析，Aloha协议的思想是，当节点想要发送数据时，就直接发送，当检测到无线信道上有冲突时，Aloha系统采用的重发策略是让各站等待一段随机的时间，然后再进行重发，由于移动无线网中的节点是移动的，网络拓扑结构也是不断变化的，因此Aloha协议在网络节点非常多时，受“隐终端问题”和“暴露终端问题”［3］的影响特别大，所以就造成了网节点较多时，性能严重恶化的现象。TDMA是把时间分割成周期性的帧，每一个帧再分割成若干个时隙（分为固定时隙和预留时隙［4］）向控制站发送信号，在满足定时和同步的条件下，控制站可以分别在各时隙中接收到各无人机的信号而不混扰。同时，控制站发向多个无人机的信号都按顺序安排在指定的时隙中传输，各无人机只要在指定的时隙内接收，就能在合路的信号中把发给它的信号区分并接收下来，TDMA有效地克服了Aloha的不足，其性能不随网络规模的扩大而急剧恶化。设计无人机数据链时可优先采用TDMA接入协议。

5 结论

随着各国对无人机重视程度的增加，无人机数据链技术也在不断地提高着，比如数据链的组网形式、抗干扰能力及路由协议等都在朝着智能化的方向发展［5］。对数据链网络性能的仿真，目前可用的软件有QualNet、NS-2、OPNET、SPW、GloMosim等。QualNet与其他软件相比，网络体系中的各层常用协议都封装在其中，用户可以通过操作界面直接调用这些协议和设置相关参数，执行起来方便灵活；同时，可以通过QualNet软件的半实物接口接入外部的实际环境中的音频信号、视频信号以及信道噪声等信息，能更真实地模拟出无人机数据链所处的战场环境，为我们进一步分析和优化影响无人机数据链性能提供非常大的帮助，这也是下一步将要做的重点。

本文主要通过在QualNet软件平台下构建无人机数据链模型，研究无人机数据链的时延受无人机网络节点数、物理距离、子网信道接入协议类型等因素的影响程度，提出的模型在网络协议和算法上没有进行过多深入的研究与探讨，但填补了无人机数据链在QualNet软件平台下仿真的空白。

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HUANG Yong-jing was born in Guangxi Zhuang Automomous Region，in 1987.He received the B.S.degree from University of Electronic Science and Technology of China in 2011.He is now a graduate student.His research concerns wireless network technology and signal processing.

Email：uestchuang＠163.com，uestchuang＠yeah.net

王玉文（1962—），男，吉林人，电子科技大学空天科学技术研究院副总工程师、副教授，主要从事航天航空电子领域的研究工作；

WANG Yu-wen was born in Jilin Province，in 1962.He is now an associate professor and associate chief engineer.His research concerns aerospace electronic.

黄超（1987—），男，四川人，2010年于电子科技大学获学士学位，现为硕士研究生，主要从事为通信协议研究仿真工作；

HUANG Chao was born in Sichuan Province，in 1987.He received the B.S.degree from University of Electronic Science and Technology of China in 2010.He is now a graduate student.His research concerns communication protocol simulation.

刘济铭（1987—），男，四川人，2010年于中南大学获学士学位，现为硕士研究生，主要研究方向为无线网络技术与仿真；

LIU Ji-ming was born in Sichuan Province，in 1987.He received the B.S.degree from Central South University in 2010.He is now a graduate student.His research concerns wireless network technology and simulation.

柏华威（1986—），男，安徽人，2009年于四川大学获学士学位，现为硕士研究生，主要研究方向为电磁频谱管理。

BAI Hua-wei was born in Anhui Province，in 1986.He received the B.S.degree from Sichuan University in 2009.He is now a graduate student.His research concerns electromagnetic spectrum management.

UAV Data Link Time Delay Simulation Based on QualNet

HUANG Yong-jing，WANG Yun-wen，HUANG Chao，LIU Ji-ming，BAI Hua-wei
（Institute of Astronautics＆Aeronautics，University of Electronic Science and Technology of China，Chengdu 611731，China）

The network structure of UAV（Unmanned Aerial Vehicle）data link is outlined and then the features and architecture of the communication network simulation software QualNet are introduced.At the same time，the simulation of UAV data link time delay based on QualNet is modeled and the average end to end delay and average jitter of long-range and short-range UAV at the different MAC channel access protocols are analysed. According to simulation result，TDMA protocol is a priority in design of UAV data link.

UAV data link；QualNet simulation；end to end delay；average jitter

TN915.02

A

10.3969／j.issn.1001-893x.2012.07.034

黄永兢（1987—），男，广西人，2011年于电子科技大学获学士学位，现为硕士研究生，主要研究方向为无线网络技术与信号处理；

1001-893X（2012）07-1210-06

2011-10-31；

2012-03-15