基于OPNET动态调度时隙分配数据链研究及仿真*

(海军工程大学电子工程学院 武汉 430033)

基于OPNET动态调度时隙分配数据链研究及仿真*

熊诗成周安栋杨路刚

(海军工程大学电子工程学院 武汉 430033)

战术数据链是数字通信技术在军事方面的典型应用,时分多址接入技术是数据链里面的核心技术。针对战术数据链网络中传统时隙分配算法无法适应战场多变环境,时隙资源浪费严重,无法动态分配等问题,提出一种基于优先级调度策略的动态时隙分配算法,利用OPNET仿真平台设计实现基于此算法的舰艇海上通信仿真系统,对应用系统进行了详细网络规划,并对系统网络性能进行仿真分析和比较。

数据链;OPNET;仿真

ClassNumberTP391

1 引言

针对数据链网络系统中传统时隙分配算法中存在对战场多变环境适应力差,无法动态分配,浪费时隙严重等问题。在海上舰艇通信网应用场景基础上,引入马尔可夫调制泊松过程MMPP(Markov Modulated Poisson Process)模式对时隙数据源进行模拟,针对海上舰艇协同作战通信的需求提出一种基于优先级分配策略的动态时隙算法,最大程度上保证战术数据的传输性能。

2 动态时隙分配算法

2.1 算法改进思路

在目前的战术数据链中,大多数用户预先分配固定的时隙。因此,如果某些用户当前未使用分配给他们的带宽,那么这些资源必然会被浪费。如果其他用户可接入(使用)这些未用时隙,则能够以更高的速率发送信息,从而提高信道利用率,进而提高网络吞吐量。传统的动态时隙分配算法主要通过对系统响应时间性能的控制,通过对响应时间的处理来提高动态时隙分配的利用率和时延等性能。

在动态时隙分配过程中,假定数据链通过网络参与组(NPG)的时隙块的时隙数为L,而打包方式为每时隙传报文k个字。其中第i条报文的字数和服务时间分别用Ji和Si来表示,那么在动态时隙分配过程中系统单位时间发送报文字数为

在式中T表示为帧的时间长度,针对Link 16中T=12s。那么报文i的服务时间则为

而系统中报文服务的平均时间则为

式中S为每一报文服务的平均时间,J为每一报文的平均字数。 假设数据链网络参与组中成员的数量为N, 各个成员产生报文的概率服从泊松分布。每个成员产生报文的过程中,产生优先级别报文的概率为λ1,产生非优先级别报文的概率为λ2。网络中优先队列报文平均到达的概率为M1,非优先队列报文平均到达的概率为M2。整个网络系统在单位时间内进行处理的报文数量与所有成员产生的报文数量之间需要满足如下要求:

如果公式中P<0,就说明在单位时间内所有成员产生的报文信息不能得到及时处理,整个系统网络所需要的响应时间将不能够满足当前网络时隙分配的需求,因此整个系统的时隙分配需要重新规划。

2.2 具体算法流程

在动态时隙分配算法中,时隙分配主要是对节点冲突,报文响应以及优先级排列进行处理,算法流程图具体如图1所示。设计思想在时帧内确定最优的时隙分配方案的过程；时隙分配方案动态调整与优化阶段主要是根据时隙分配状态,通过合并或者分解时隙块,进行时隙分配方案调整优化的过程。

一旦有新用户加入系统,首先需要侦听一段足够长的时间,以获取其两跳范围内用户的时隙分配等相关信息,用于建立时隙状态表以及时帧长度的确定。为了提高用户的接入性能,根据收集到的信息,选择优先级高用户的最长时帧作为其初始时帧。依据自身维护的时隙状态表,用户试图抢占一个空闲时隙以广播入网信息。如果一次抢占不成功,可多次反复尝试,直到成功加入。

图1 算法流程图

3 海上舰艇数据链仿真构架设计

根据数据链仿真模型的设计思想,结合实际的网络条件和舰艇海上作战网络数据链传输需求,对舰艇作战网络仿真系统的功能架构进行如下设计。把舰艇作战网络仿真系统的功能架构主要划分成三个部分,分别为场景层,网络控制层以及数据层。具体如图2所示。其中场景层主要分为岸站节点、舰艇节点、作战地图以及无线军事网络中心节点四部分。网络控制层主要是OPNET通过协议对相关节点进行网络控制和调度,完成系统作战通信任务,是系统的核心层。数据层主要用于确定数据采集和网络性能分析的具体项目。

图2 系统功能构架图

4 仿真与数据统计

4.1 仿真配置设定

在基于动态时隙分配算法的舰艇海上通信仿真系统中场景通过subnet嵌套方式进行场景设计。在舰艇海上通信仿真系统场景中的涉及到的节点都属于无线网络通信中的节点范畴范围内。主场景中主要有无线军事网络控制服务器一个,舰艇舰队两个。舰艇舰队分别分布于区域1和区域2。在场景细节图中,区域1中舰艇编队有舰艇节点两个和一个岸站节点。区域2中舰艇编队有两个岸站节点和四个舰艇节点。以上节点和服务器组成整个舰艇海上通信仿真系统的场景。

图3 场景细节图

4.2 数据统计

在仿真系统中从图4～图7所示的分别是吞吐量、信道利用率、数据包中断时间、时延。从以下四个图中可以看出仿真系统舰艇舰队1里面的单个舰艇和舰艇舰队2里面单个舰艇的吞吐量总体上差距不大,平均吞吐量大概50000bit～60000bit之间,但是东海舰队由于岸站节点较多,处理能力较强,吞吐量整体波动比黄海舰队要稍微好点。两个舰艇编队信道利用率整体上波动很小,较为平均。数据包中断时间由于舰队2的数据量较大,节点较多,因此波动相对较大。但是整体每秒控制在0.20下。时延两个舰艇基本上维持在0.010s左右,而且较为稳定,波动很小。从整体看仿真结果较为理想,基本达到预期目标。

图4 吞吐量性能结果图

图5 信道利用率

图6 数据包中断时间

图7 时延结果图

5 结语

通过OPNET对基于优先级调度时隙分配的海上舰艇数据链进行建模仿真,由仿真结果可看出,所组建通信网中的网络吞吐性能、信道利用率、数据包中断时间、和时延都能达到通信的基本要求。本文对舰艇数据链的评估还不够全面,有待进一步的分析和验证。

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DynamicSchedulingSlotAllocationofDataLinkResearchandSimulationBasedonOPNET

XIONG Shicheng ZHOU Andong YANG Lugang

(School of Information and Electrical Science, Naval University of Engineering, Wuhan 430033)

The tactical data link is a digital communications technology in the military aspects of a typical application, time division multiple access technology is the core technology inside the data link.Tactical data link network for traditional slot allocation algorithms is unable to adapt to changing battlefield environment, the slot serious waste of resources, and other issues can not be dynamically allocated.A priority-based scheduling policy dynamic slot allocation algorithm is proposed, using OPNET simulation platform designed and implemented based on this algorithm naval maritime communications simulation system, the application system carries out a detailed network planning, network performance and system simulation analysis and comparison.

data link, OPNET, simulation

2014年1月4日,

:2014年2月23日

熊诗成,男,硕士研究生,研究方向:数字通信技术。周安栋,男,副教授,研究方向:无线通信。杨路刚,男,讲师,研究方向:无线通信。

TP391DOI:10.3969/j.issn1672-9730.2014.07.029