基于OPNET的区域综合通信网设计与分析

杨迎辉，李建华，马 闯，王 刚

（空军工程大学 电讯工程学院，陕西 西安，710077）

0 引 言

通信网是部队指挥、控制、情报等信息传输的平台，是基于信息系统体系作战能力生成的基础。随着军队信息化建设的不断深入，部队遂行任务的种类日趋多样化，作战指挥、军事训练和重大活动保障等任务对通信网的依赖性越来越大。能否依据部队任务要求和地理环境特点，科学规划、合理构建快速高效、安全保密的区域综合通信网，满足部队情报获取、指挥控制、综合保障及作战打击等需要至关重要。

以有线光缆为主体的光通信以其传输损耗低、容量大、通信质量高等优点，目前已成为军事战略通信的核心平台，在通信网的信息传输中发挥了重要作用。为有效实现野固结合、军民结合，尽可能降低决策者主观因素对通信网规划设计的影响，本文主要针对以有线光缆为基础的区域综合通信网的规划设计和性能仿真进行探讨。

本文提出了网络规划设计的总体目标、准则和基本流程，以区域综合通信网建设费用为目标函数，以网络平均时延要求为约束条件，建立网络拓扑结构优化模型，借助启发式算法中的最小生成树（（MST）分析法求解模型，并结合通信网运用实际，对网络拓扑结构进一步优化。基于OPNET仿真平台建立区域综合通信网的网络仿真模型，通过设置仿真参数，选取数据收集量，对比分析仿真结果，验证了模型的可行性和网络规划设计方法的有效性。

1 区域综合通信网规划设计

1.1 区域综合通信网规划设计总体目标

区域综合通信网是指在一定区域内，为保障作战指挥、军事训练、重大活动保障和抢险救灾等具体任务，基于已有通信节点进行扩建或者新建全部节点，临时布设用于保障信息传输的基础网络。

区域综合通信网规划设计的总体目标是在满足网络性能指标要求的基础上，合理设计网络结构和工作路由等，有效降低通信网建设费用，以实现整体效益最大化。

1.2 区域综合通信网规划设计准则

（1）性能准则。建设区域综合通信网目的是为满足部队多样化任务中信息传输的需要，因而在规划设计过程中，必须从网络技术体制上加以全面考虑，优先满足在部队实际运用中切实需求的性能指标。区域综合通信网规划涉及性能指标多而复杂，例如流量控制、网络管理、链路利用率、平均时延、响应时间等，其中有定性和定量之分，也量纲不同之别。

（2）经济准则（最小费用准则）。由于区域综合通信网的目的是为保障部队的某一次具体任务，临时布设通信网络，以满足信息传输需要。因而，其规划设计在注重满足任务需求的同时，也应力求经济代价的最小化。在规划设计的过程中，要以最经济（即最小费用）的网络构成，来满足规定的网络战技性能要求，以寻求最佳的建设效益。

设区域综合通信网的性能指标参数集为X，对应各指标参数为xi，性能指标函数为P，性能指标设计要求集为P0，各设计要求分量为Pi0，经济代价函数为F。其中，性能指标函数P和经济代价函数F均为性能指标参数xi的函数。在网络环境参量均为常量的条件下，区域综合通信网规划设计总体目标的数学表达式为

其中xi∈X，对具体指标参数xi的选择不同，约束条件中不等式符号会根据性能指标的要求相应改变。

1.3 区域综合通信网规划设计基本流程

区域综合通信网规划设计一般包括需求分析、抽象模型、仿真实验、结果分析、优化调整和决策方案六步，其中仿真结果分析是进行优化调整的依据，而优化调整对抽象模型具有反馈作用，基本流程如图1所示［1－2］。

图1 区域综合通信网规划设计基本流程

（1）需求分析。提出区域综合通信网规划设计的概念模型，主要是依据具体任务特点，确定所需业务类型。需求分析对网络规划设计具有决策性、方向性和策略性作用。

（2）抽象模型。包括区域综合通信网规划设计的结构模型、数学模型和仿真模型。结构模型是通过运筹学的相关理论，将网络规划设计的概念模型转化为图论的问题；数学模型是通过最优化理论，将结构模型转化为线性规划问题；仿真模型是基于OPNET仿真平台，将数学模型的求解结果转化为网络仿真模型。

（3）仿真实验。主要是在已搭建的网络仿真模型中，选取所需的仿真结果统计量，设置仿真参数并运行仿真。

（4）结果分析。主要是分析网络仿真模型性能指标的仿真结果，验证规划设计方案的合理性，为网络拓扑结构的优化调整提供依据。

（5）优化调整。依据对仿真结果的分析，进一步调整网络拓扑结构，为得到通信网更加合理的抽象模型提供参考。

（6）决策方案。针对具体任务，依据仿真结果，形成决策方案，作为决策机构科学决策的依据。

2 区域综合通信网规划设计实例

为完成某一任务，在某一地区，指挥机构和作战部队的部署如图2所示（单位：公里）。

图2 作战地域中节点分布

2.1 实例网络拓扑结构设计分析

在通信网拓扑结构设计中，一般要根据网络性能指标的不同，选择相应的优化目标。对于区域综合通信网的规划设计而言，其主要决策目标有抗毁性、可靠性、综合互通性、安全保密性和组网建设费用等。

针对区域综合通信网实际运用的特点，过大的时延会导致业务无法正常开通，影响部队任务的完成效果，较高的建设费用会造成较低的经济效益，并结合其覆盖面较大，通信节点分散和通信传输距离较远等特点，选择建设费用作为目标，网络平均时延作为约束条件，建立优化模型。

2.2 网络拓扑结构优化模型

2.2.1 目标函数

设D为区域综合通信网中节点间的距离矩阵，元素dij为节点i到节点j的距离。则有

引入0－1变量aij，设定如下

则区域综合通信网中光纤通路总长度可以表述为

式中：i，j——节点编号，N——节点个数。

设单位长度光纤通路建设费用为λ，则网络总体建设费用为

以区域综合通信网建设费用为优化目标，即有网络拓扑结构优化模型的目标函数为

2.2.2 约束条件

通信网络平均时延由传输时延和排队时延两部分组成。在区域综合通信网中，由于光纤通道中的负载远小于链路最大容量，排队时延很小，基本可以忽略，故平均时延一般只考虑传输时延。对于单位长度光纤而言，传输时延为一常数，因而传输时延正比于传输距离。

设单位长度光纤传输时延为t，节点i和节点j之间传输时延为则有

式中：n——节点i，j之间的节点个数。

2.2.3 网络拓扑结构优化模型

结合上述分析，建立网路拓扑结构优化模型，如下所示

2.2.4 模型求解

对于上述网络拓扑结构优化模型，有直接求解法和启发式算法求解法两种。直接求解法适合对小规模网络精确求解，但随着网络规模增加，求解运算的复杂度会迅速增大。鉴于此，对于中、大规模通信网络的拓扑结构优化模型求解问题，常常需选用启发式算法。为不失一般性，本实例模型采用启发式算法中的最小生成树（MST）分析法进行求解。

最小生成树分析法实质是已知固定节点集来求树，使其总链路权值达到最小，利用该方法可以找到网络线路里程中最小的网络结构。其算法基本思想是：以网络中任一节点为起点，选取与余下的n－1个节点中权值最小者相连，接着再从余下的n－2个节点中选取与之权值最小者相连，以此类推直至把全部节点连完，连接过程中不能出现环线。

所求任意两个节点i和j间的连接应满足权值最小的原则，即

式中：Ω——所有节点构成的集合，Ω－Ω′——差集。节点i属于集合Ω′，节点j属于集合Ω而不属于集合Ω′。上式表示，从子集Ω′中任一节点i到差集Ω－Ω′中任一节点j所有可能的链路中，该链路（i，j）具有最小的权值。

一般而言，某一地域的环境条件、施工费用、机线造价等均是常量，当选取节点间距离作为链路权值时，所得的最小生成树不仅对应路由里程最小值，同时也是区域综合通信网建设费用最小时对应的网络拓扑结构，即网络拓扑结构优化模型的最优解。由最小生成树（MST）分析法，可以求解得到该区域综合通信网的最小生成树，如图3所示，其光纤通路建设总里程为90km。

图3 区域综合通信网的最小生成树

2.3 网络拓扑结构的进一步优化

网络拓扑结构优化模型将区域综合通信网中各个节点等同看待，未考虑各节点在整个通信网络中的不同地位和作用，因而求出的网络拓扑呈现单一的链式结构，如图3所示。图中网络拓扑结构路由单一，节点间相互依赖性大，网络抗毁性差。例如一旦驻地B遭到敌方破坏，将直接导致驻地C和驻地D通信连接中断，对整个部队的行动产生严重影响。

对区域综合通信网拓扑结构的进一步优化是建立在网络拓扑结构优化模型最优解的基础上，通过改变网络中部分节点间的连接方式，建立各个部队驻地和指挥所之间的直达路由，实现通信网拓扑结构的全局最优。经过进一步优化，得到区域综合通信网的网络拓扑结构如图4所示，其光纤通路建设总里程为105km。

图4 区域综合通信网进一步优化后的网络拓扑结构

3 基于OPNET的网络仿真实现

OPNET是一款用于网络仿真和建模的工具，支持面向对象的建模方式，并提供图形化的编辑界面，在新网络的规划设计以及对现有网络的性能分析方面有着卓越表现［3－6］。它能够为网络拓扑结构设计、通信协议仿真和路由算法研究提供与真实网络相同的环境，其功能完善的结果分析器又为网络性能的分析提供了有效且直观的工具。

3.1 仿真模型建立

基于OPNET仿真平台建立工程Topology＿Design和仿真场景Optimization0。在建立网络仿真模型过程中，采取分层建模法，将每一个部队驻地都看成是一个子网，通过仿真软件中局域网的总体定义方式来定义子网内部的实现，以此屏蔽子网内部的实现细节［7－10］。

各子网按照网络拓扑结构进行布局，内部连接采用10BaseT，交换机选择ethernet16＿switch，指挥所和驻地A、B、C和D内部分别定义有100，15，30，50和25个工作站。指挥所子网内部配置3台ethernet＿server服务器，分别提供电话、数据、电报、电视会议和静态图像等服务，以提高网络处理数据能力，有效降低网络平均时延。指挥所ZHS与部队驻地ZD＿A、ZD＿B、ZD＿C和ZD＿D之间采用100BaseT进行连接，并在仿真场景中配置相关业务［11］。建成后的区域综合通信网的网络仿真模型如图5所示。

3.2 仿真参数设置

图5 区域综合通信网的网络仿真模型

针对区域综合通信网的业务需求，选择网络平均时延（ethernet delay）、链路排队时延（queuing delay）、吞吐量（throughput）和链路利用率（utilization）四个统计量进行数据收集，选择optimized优化核心，设置仿真时间为1h，随机种子为128个，运行仿真并分析结果［12－13］。

3.3 仿真结果分析

3.3.1 网络平均时延

网络平均时延是指信息从网络的一端传送到另一端所需的总时间，主要由发送时延、传输时延和处理时延组成，是度量网络实时性的重要指标［14］。区域综合通信网的网络平均时延仿真结果如图6所示。其中，横轴代表仿真时间，纵轴代表时延。从图中可以看出，网络平均时延随仿真时间不断增大，在16min左右达到稳定状态，约为1.2ms。网络平均时延很小，信息传输实时性良好。

图6 区域综合通信网的网络平均时延

3.3.2 链路排队时延

链路排队时延是指在包交换网络中漫游的包必须在包交换中等待的总时间，与网络的拥塞程度有关［15］。区域综合通信网中四条链路的排队时延仿真结果如图7所示。从图中可以看出，链路ZD＿A→ZD＿D和ZD＿A→ZHS的排队时延随仿真时间变化不停发生抖动。其中，链路ZD＿A→ZD＿D的排队时延基本稳定在15μs，链路ZD＿A→ZHS的排队时延基本稳定在30μs。链路ZHS→ZD＿B和ZHS→ZD＿C的排队时延曲线抖动较小，基本稳定在70μs左右。总体而言，各链路的端到端排队时延较小，不会对信息传输造成很大影响。

图7 区域综合通信网各链路的排队时延

3.3.3 吞吐量

吞吐量是指数据在链路上的传输速率，其大小取决于链路特性（带宽和出错率等）和节点特性（缓冲区容量和处理机能力等），是衡量网络整体性能的重要指标。区域综合通信网中四条链路的吞吐量仿真结果如图8所示。由图易知，链路ZD＿A→ZD＿D和ZD＿A→ZHS吞吐量较小，分别稳定在3800bits/sec和13000bits/sec，链路ZHS→ZD＿B和ZHS→ZD＿C吞吐量较大，分别稳定在31000bits/sec和52000bits/sec。

图8 区域综合通信网各链路的吞吐量

3.3.4 链路利用率

链路利用率是指单位时间内发送数据量与带宽的比值，是反映网络运行状态的重要指标。区域综合通信网中各链路的链路利用率仿真结果如图9所示。从图中可以看出，链路ZHS→ZD＿C的链路利用率最高，稳定状态达到5.2%，链路ZHS→ZD＿B和ZD＿A→ZHS次之，链路ZD＿A→ZD＿D的利用率最小仅为0.4%。较小的链路利用率表明链路性能没有得到充分发挥，区域综合通信网的性能还有很大的提升空间。

3.4 生成决策方案

本文主要讨论了网络平均时延、链路排队时延、吞吐量和链路利用率4个主要性能指标。在实际的区域综合通信网规划设计中，针对具体任务要求的不同，性能指标的分析也有所侧重，例如网络拥塞率、响应时间、端到端丢包率等。依据仿真结果，可以形成针对具体任务的区域综合通信网规划设计的方案，作为决策者实施科学决策的参考依据。

图9 区域综合通信网各链路利用率

4 结束语

转变战斗力生成模式，提高基于信息系统的体系作战能力是当前军队建设发展的战略任务。科学构建区域综合通信网是部队有效遂行多样化任务的重要支撑。本文首先提出区域综合通信网规划设计的总体目标、原则和基本流程，其次通过建立网络拓扑结构优化模型对区域综合通信网的拓扑结构进行了初始化，结合网络节点特征和实际运用要求对拓扑结构进一步优化，最后基于OPNET仿真平台进行仿真分析，验证了模型的可行性和网络规划设计方法的有效性。

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