基于QualNet的Link 16网络仿真研究*

2016-04-15肖延年

舰船电子工程 2016年3期

关键词：数据链时隙战术

李　超　肖延年　方　标

(1.海军装备研究院　北京　100161)(2.91566部队　旅顺　116043)(3.92723部队　北京　100841)

基于QualNet的Link 16网络仿真研究*

李超1肖延年2方标3

(1.海军装备研究院北京100161)(2.91566部队旅顺116043)(3.92723部队北京100841)

摘要针对Link 16数据链的时分多址传输特性,参考战术数据链分层模型,设计了Link 16协议体系参考模型。结合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,对Link16进行模拟仿真。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

Link 16 Network Research and Simulation Based on QualNet

LI Chao1XIAO Yannian2FANG Biao3

(1. Naval Academy of Aymament, Beijing100161)

(2. No. 91566 Troops of PLA, Lvshun116043)(3. No. 92723 Troops of PLA, Beijing100841)

AbstractBased on the format of receiving and sending out data in data traffic, combined with tactical data link reference model(TDLRM), the emphasis upon Link 16 protocol reference model is designed in this paper. Based on the systemic truss of QualNet and the pivotal simulative technology and modularization combining with TDL, the principle modeling of Link 16 is designed. As is shown by simulation results, the network performance is fine, which can keep real-time data-exchange and transportation reliability.

Key Wordsdata link, network simulation, QualNet, Link 16

Class NumberTP311

1引言

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一种行之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[3~4]。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网络仿真软件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。另一方面,通过仿真实验对系统典型参数与性能的制约关系进行深入分析,可以得出数据链系统设计、仿真、使用时应注意的问题。

2基于QualNet的Link 16网络仿真模型设计

2.1QualNet仿真的系统构架

QualNet[5]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。与其他网络仿真软件相比,QualNet的主要不同之处在于: 1) QualNet包含大量预设的模型、协议和算法,兼容移动模型、地形模型、地理模型,可实现对预定义节点轨迹的模拟; 2) 层和层之间都有开放接口,使现有代码的灵活性和集成度都达到最大化; 3) 拥有相当好的高度模块化设计,有一套非常清楚的建模范例; 4) 具有可用性、可修改性、可扩展性,自带200多个常用的C函数,支持纯C/C++开发,便于和用户自己编写的软件相连接; 5) 图形和算术工具便于实验建立、监视和后续数据处理; 6) 文档齐全,便于自主学习研究; 7) 可实现并行分布式仿真,使建模速度加快了几十倍。

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。

表1　QualNet分层定义、协议及功能

QualNet和其他网络仿真软件一样采用基于离散事件下的处理机制,事件可以是一个突发事件,如报文到达;也可以是一个在特定时间内发生的事件,如定时报警。即事件可理解成仿真器要执行或准备执行的某一个动作。事件是分级进行处理的,事件处理就是代码对事件的响应。QualNet的核心就是通过事件处理机制调用合适的函数来处理消息。事件多级处理[3]及其需要调用的源代码函数如下:

1) 确定属于这个节点的哪一层:/main/node.cpp: NODE_ProcessEvent

2) 确定属于这个层的哪个协议:/main/application.cpp: APP_ProcessEvent and /main/network.cpp: NETWORK_ProcessEvent

3) 确定属于这个协议中的哪个事件:/libraries/developer/src/app_cbr.cpp: AppLayerCbrClient and /libraries/developer/src/routing_rip.cpp: RipProcessEvent

（2）法制建设不健全，法制观念淡薄。尽管我国针对建筑市场的不正之风制定了一系列法律法规，但对一些违法行为缺乏相应的处罚条款，各方主体法制观念淡薄，一些单位和个人仍然知法犯法，有些人根本不学法、不守法，我行我素，胆子很大，没有丝毫规矩和约束，心存侥幸心理，以身试法。

2.2基于QualNet的Link 16网络仿真模型

Link 16是一种视距、广播、战术通信系统,它划分了十三个功能域,又进一步划分为二十四个网络参与组,各功能域的战术信息的业务统计特性有所不同,战术信息按照J系列格式化消息规范,采用STDP、P2SP、PSDP、P4SP四种消息封装格式封装为格式化消息,各种消息封装格式的信息容量不同。Link 16采用TDMA方式组网,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,通信信号工作在960MHz~1206MHz频段。Link 16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。

参考战术数据链参考模型(Tactical Data Link Reference Model,TDLRM)的六层模型(即任务层、应用层、服务层、网络层、链路层、物理层),结合QualNet的系统分层架构,针对各层的功能划分讨论Link 16的协议体系参考模型[6~7]。

· 任务层:使用统一的作战文书样式描述作战任务,将来自用户的作战任务进行分解,并能够将来自应用层的多种具体作战任务综合成战术或战略层面的作战任务。对于Link 16来说,即是为实现某一特定的军事任务调用Link 16的多项功能。可以看出:在Link 16中任务层功能比较简单,同时考虑到QualNet网络仿真软件设计时的层次特点,将任务层的功能合并到应用层;

· 应用层:针对特定的作战任务,采用抽象语法对作战任务进行描述,根据应用进程协议,实现各种战术数据的具体应用。在Link 16中,即十三种功能域的应用;

· 服务层:服务层将来自上层的战术数据封装为格式化报文,并将来自下层的格式化报文还原为战术数据信息送往应用层,也就是Link 16中的J系列格式化消息格式和消息交换协议。对应于QualNet中传输层;

· 网络层:实现Link 16的广播通信和消息的中继转发,对应于QualNet中网络层;

· 链路层:提供点到点的数据传输,在物理层提供比特流传输服务的基础上,在通信的实体之间建立数据链路,传送以帧为单位的数据,实现TDMA多址接入方式,并实现Link 16的时隙接入方式,包括专用接入以及竞争接入,对应于QualNet中链路/MAC层;

· 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。主要指跳频、扩频、编码、调制以及无线信道传输,对应于QualNet中物理层。

3仿真实验与性能分析

3.1搭建Link 16网络仿真模型

利用上述基于QualNet的Link 16网络仿真模型,对其工作过程进行原理性仿真[8~10]。利用仿真平台搭建的网络场景如图1所示,参数配置为:仿真范围5000m×5000m;仿真时间为100s;地图模型取为california_south_sky_light.jpg;网络中共有10个节点,无主从站之分,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200m/s,舰载移动速度15m/s,车载移动速度10m/s,士兵移动速度1m/s,所有节点的数据链业务类型均为MCBR(组播的恒定比特率)业务;通信协议:TDMA—采用时间片轮回机制,为整个网络中的10个节点分配一个均等的时隙,时隙持续时间5ms,时隙保护时间0.1ms,每时帧包含18个时隙,相邻时帧间隔1ms。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=1Mbps,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);业务类型为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5s,结束时间为90s。

场景设计图和运行演示图如图1、图2所示。

图1　Link16数据链仿真场景设计图

3.2性能参数分析

利用QualNet提供的结果分析器(Analyzer)对仿真实验结果进行统计和分析,图3显示了Link 16网络模型各节点的数据分组成功接收率,同时,还可以统计出以下性能指标:吞吐量、响应时间、入网时间、端到端时延、时隙利用率等,这里不依次作详细介绍。

图2　Link16数据链运行演示图

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3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,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。

图3　成功接收分组数

4结语

本文首先对QualNet的仿真特点和系统构架进行了阐述和介绍,在分析Link 16技术特性的基础上,参考了TDLRM六层模型,在QualNet下设计Link 16分层模型。为了统计和分析数据链中重要参数,搭建了实际军事网络场景,对所设计的Link 16模型进行了模拟仿真,并对仿真结果中数据包成功接收分组数这一参数进行了统计分析。下一步工作可以在得到的网络性能参数的基础上继续深入分析数据链的组网技术体制和跨层通信机制,同时针对数据链的多链情况和跨层协议继续研究,通过不断仿真实践,进一步提高和改善数据链网络的性能。

参考文献

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[3] 赵春芬,陈林星,卢建川.Link11系统的QualNet仿真[J].电讯技术,2008,48(2):86-91.

[4] 李云茹.战术数据链及其应用技术[J].中国电子科学研究院学报,2007,9(2):211-217.

[5] QualNet4.0 User’s Guide[S]. Scalable Network Technologies, Inc. January,2007:5-15.

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[7] Global Information Grid Architecture: Net-Centric Information Warfare Reference Model[EB/OL]. www.it.lockheedmartin.com.

[8] 刑智,戴浩.基于OPNET的Link16数据链建模与仿真[J].军事运筹与系统工程,2005,19(1):62-66.

[9] QualNet4.0 Model Library[S]. Scalable Network Technologies, Inc. December,2006:34-76.

[10] 王莹.战术数据链Link11的仿真研究[D].成都:西南交通大学,2008.

中图分类号TP311