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    數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的評(píng)價(jià)方法研究

    2010-10-26 08:09:58李航北京航空航天大學(xué)電子信息工程學(xué)院100191
    中國(guó)科技信息 2010年3期
    關(guān)鍵詞:包率數(shù)據(jù)鏈時(shí)隙

    李航 北京航空航天大學(xué)電子信息工程學(xué)院 100191

    數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的評(píng)價(jià)方法研究

    李航 北京航空航天大學(xué)電子信息工程學(xué)院 100191

    數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)屬于高效的數(shù)字通信系統(tǒng)。通過(guò)對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能需求的介紹,說(shuō)明了數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)應(yīng)具備的通信能力,以及系統(tǒng)能夠提供技術(shù)支持,并結(jié)合網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的性能需求和應(yīng)用技術(shù)歸納了系統(tǒng)的評(píng)價(jià)內(nèi)容。在得到了系統(tǒng)評(píng)價(jià)內(nèi)容基礎(chǔ)上,總結(jié)出重點(diǎn)考察的衡量指標(biāo)及其評(píng)估方法。

    數(shù)據(jù)鏈;網(wǎng)絡(luò)性能;評(píng)價(jià)

    1.引言

    數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)平臺(tái)間信息交互的功能,可用作軍用設(shè)施,能夠在不同的作戰(zhàn)平臺(tái)間形成緊密的戰(zhàn)術(shù)鏈接關(guān)系。由于該系統(tǒng)應(yīng)用于復(fù)雜地理環(huán)境和電磁環(huán)境,系統(tǒng)應(yīng)具有可靠的通信質(zhì)量,一定的實(shí)時(shí)性,以及穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)等特性。但是,單純從定性的角度分析很難反映網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的實(shí)際性能,更需要從定量的角度給出系統(tǒng)的性能參數(shù),使得評(píng)價(jià)更加客觀,更具備說(shuō)服力。網(wǎng)絡(luò)的評(píng)價(jià)準(zhǔn)則因網(wǎng)絡(luò)類型的不同而方法各異,而且對(duì)于此類具有特定用途的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)更無(wú)統(tǒng)一的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。本文所研究的評(píng)價(jià)方法針對(duì)數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng),旨在為搭建網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)模型以及評(píng)估模型質(zhì)量提供一定的衡量依據(jù)。

    2.網(wǎng)絡(luò)性能需求和關(guān)鍵技術(shù)

    數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)是應(yīng)用于戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境下的網(wǎng)絡(luò)信息系統(tǒng),從使用者的角度出發(fā),系統(tǒng)應(yīng)提供持續(xù)的、可靠的通信服務(wù),并且能夠?qū)τ脩魯?shù)量的變化,位置的移動(dòng),通信需求等級(jí)的不同做出快速反應(yīng),保證使用者對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能的需求。網(wǎng)絡(luò)性能需求可分為生存能力,互通性和網(wǎng)絡(luò)安全性三方面[1],按此方法分類,基本可以涵蓋網(wǎng)絡(luò)使用者大部分的通信需求。

    2.1 生存能力

    生存能力主要包括保密性、入網(wǎng)可靠性和抗干擾性,并支持網(wǎng)內(nèi)成員實(shí)現(xiàn)視距通信,還可以通過(guò)中繼實(shí)現(xiàn)超視距通信。入網(wǎng)的可靠性體現(xiàn)在每個(gè)網(wǎng)絡(luò)成員能夠及時(shí)進(jìn)入和退出網(wǎng)絡(luò)而不影響其他用戶,同時(shí)成員也可以不考慮與其他用戶的相對(duì)位置,網(wǎng)絡(luò)運(yùn)作不會(huì)因一個(gè)成員丟失或損壞而受到影響。網(wǎng)絡(luò)接入采用同步時(shí)分多址(TDMA,Time Division Media Access)這種無(wú)節(jié)點(diǎn)接入方式,每個(gè)網(wǎng)絡(luò)成員根據(jù)網(wǎng)絡(luò)管理規(guī)定,輪流占用一定的時(shí)隙,廣播自身平臺(tái)所產(chǎn)生的信息;在不廣播時(shí),則根據(jù)網(wǎng)絡(luò)管理規(guī)定,接收其他成員廣播信息。這種網(wǎng)絡(luò)接入方式不需要主站,只要以網(wǎng)絡(luò)中某個(gè)指定的成員為時(shí)間基準(zhǔn),其他成員可以自由接入。

    保密性和抗干擾性均需要系統(tǒng)保證持續(xù)提供通信服務(wù),抵抗確定性干擾,常采用的技術(shù)措施包括檢錯(cuò)編碼、直序擴(kuò)頻、前向糾錯(cuò)編碼(FEC)等。前向糾錯(cuò)編碼方式是指發(fā)送端發(fā)送能夠被糾錯(cuò)的數(shù)據(jù)即經(jīng)過(guò)編碼的數(shù)據(jù),接收端收到這些數(shù)據(jù)后,通過(guò)糾錯(cuò)譯碼器自動(dòng)發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤并自動(dòng)糾正在傳輸過(guò)程中因干擾而產(chǎn)生的錯(cuò)誤,最終實(shí)現(xiàn)傳輸信息恢復(fù),達(dá)到可靠通信目的[2]。屬于FEC之一的RS(Reed Solomon)碼是一種很好的線性分組糾錯(cuò)碼,其糾錯(cuò)能力很強(qiáng),特別是在短的和中等碼長(zhǎng)下的性能很接近理論值,且構(gòu)造方便,編譯碼設(shè)備也不復(fù)雜,因此新一代的數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)采用了RS的編碼方法。此外系統(tǒng)還在發(fā)射信號(hào)生成過(guò)程中還采用交織技術(shù)和CCSK編碼技術(shù)[3],進(jìn)一步提高系統(tǒng)傳輸數(shù)據(jù)的可靠性和安全性。

    2.2 互通性

    良好的互通性主要包括兼容性和消息標(biāo)準(zhǔn),從而使網(wǎng)絡(luò)成員之間實(shí)現(xiàn)可識(shí)別的數(shù)據(jù)交換。由于系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)擴(kuò)頻通信,將會(huì)影響到頻譜使用的兼容性問(wèn)題及網(wǎng)絡(luò)成員環(huán)境的兼容性問(wèn)題,此時(shí)需要合理選擇波形特征來(lái)匹配選定的頻帶;消息標(biāo)準(zhǔn)是成員之間數(shù)據(jù)交換的通信規(guī)范,對(duì)網(wǎng)絡(luò)的通信效率有著重要影響。

    保證互通性的技術(shù)包括時(shí)隙分配和消息封裝結(jié)構(gòu)等。以北約Link16數(shù)據(jù)鏈為例,時(shí)隙的分配主要是從網(wǎng)內(nèi)成員所承擔(dān)的任務(wù)考慮的。網(wǎng)內(nèi)成員分成以下三種[4]:第一種任務(wù)執(zhí)行成員,特點(diǎn)是數(shù)量多,但發(fā)射的消息很少;第二種監(jiān)視、控制和指揮成員,它們數(shù)量很少,但數(shù)據(jù)發(fā)射次數(shù)要頻繁得多,典型例子包括地面上的戰(zhàn)斗報(bào)告中心和預(yù)警機(jī);第三種空中接力成員,也是占用時(shí)隙最多的成員,占用的時(shí)隙相當(dāng)于系統(tǒng)內(nèi)其它成員所占用的時(shí)隙數(shù)總和。消息封裝結(jié)構(gòu)是網(wǎng)絡(luò)成員之間相互通信遵循的統(tǒng)一消息生成格式,一種典型的封裝結(jié)構(gòu)如圖1所示,這種封裝結(jié)構(gòu)稱為STDP封裝結(jié)構(gòu)[1]。

    數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)可對(duì)不同的應(yīng)用需求提供不同的通信能力,如果需要高速、大數(shù)據(jù)量的通信,除了硬件設(shè)備需要做出更改之外,封裝結(jié)構(gòu)也要適當(dāng)增加數(shù)據(jù)段的長(zhǎng)度,以適應(yīng)高速大容量的通信要求。

    2.3 網(wǎng)絡(luò)安全

    在這里網(wǎng)絡(luò)安全指的是保障網(wǎng)絡(luò)安全運(yùn)行,網(wǎng)絡(luò)的安全弱點(diǎn)將會(huì)使網(wǎng)絡(luò)的防御能力降低,導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)癱瘓。網(wǎng)絡(luò)安全性的關(guān)鍵技術(shù)在不斷的更新中,在這里只涉及一些已公開(kāi)的技術(shù)手段,包括編碼技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)接入方式等。這兩項(xiàng)技術(shù)與生存能力的關(guān)鍵技術(shù)類似,因此不再重述。

    3.網(wǎng)絡(luò)性能評(píng)價(jià)內(nèi)容及方法

    評(píng)價(jià)內(nèi)容根據(jù)網(wǎng)絡(luò)性能需求的不同,有不同的衡量指標(biāo)來(lái)評(píng)定系統(tǒng)的性能。下面分別對(duì)性能需求的三方面內(nèi)容做出評(píng)價(jià)分析:

    生存能力:網(wǎng)絡(luò)生存能力以誤碼率,丟包率,吞吐量和延遲四項(xiàng)指標(biāo)來(lái)衡量。為了實(shí)現(xiàn)特定條件下的通信需求,網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)需要保證數(shù)據(jù)的可靠性,即信息經(jīng)過(guò)帶有干擾影響的信道抵達(dá)目的節(jié)點(diǎn)后,信息能夠完整地恢復(fù)(誤碼率);在鏈路受到干擾條件下,網(wǎng)絡(luò)是否依然能夠保證數(shù)據(jù)的傳輸(丟包率和吞吐量);端機(jī)對(duì)消息進(jìn)行處理的時(shí)間不能過(guò)長(zhǎng)(延遲);系統(tǒng)采用TDMA接入方式,各網(wǎng)絡(luò)成員和網(wǎng)絡(luò)同步,在各自的時(shí)隙接收和發(fā)送數(shù)據(jù),要保證一定的實(shí)時(shí)性要求(延遲)。

    互通性:網(wǎng)絡(luò)的帶寬利用率、時(shí)隙占空系數(shù)(TSDF)和消息結(jié)構(gòu)是網(wǎng)絡(luò)互通性的重要性能指標(biāo)。由于時(shí)分多址接入方式允許用戶共享傳輸頻帶,在通信中要對(duì)網(wǎng)絡(luò)占用的頻帶加以嚴(yán)格限制,以防止相互沖突。如何充分利用所劃分好的頻帶資源,是網(wǎng)絡(luò)互通性的體現(xiàn)之一;時(shí)隙分配情況需要靠時(shí)隙占空系數(shù)來(lái)反映;消息結(jié)構(gòu)既規(guī)定了網(wǎng)絡(luò)中各平臺(tái)的消息封裝方法,也對(duì)數(shù)據(jù)率有著決定性影響。需要說(shuō)明的是,互通性的這三項(xiàng)指標(biāo)與網(wǎng)絡(luò)的整體設(shè)計(jì)直接相關(guān),應(yīng)在系統(tǒng)測(cè)試之前確定。

    網(wǎng)絡(luò)安全:網(wǎng)絡(luò)安全的衡量以網(wǎng)絡(luò)脆弱性分析為主要方法,采用網(wǎng)絡(luò)能夠在一個(gè)給定的邏輯環(huán)境下正常運(yùn)作的邏輯分析值為衡量指標(biāo)。網(wǎng)絡(luò)脆弱性分析是一種主動(dòng)的網(wǎng)絡(luò)安全防御方法,通過(guò)對(duì)特定網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的分析,得到網(wǎng)絡(luò)整體防御狀態(tài)、網(wǎng)絡(luò)結(jié)點(diǎn)狀態(tài)等信息,為網(wǎng)絡(luò)管理員提供構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)安全策略的重要信息。本系統(tǒng)通過(guò)對(duì)網(wǎng)絡(luò)建立加權(quán)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淠P?,評(píng)估網(wǎng)絡(luò)的脆弱性來(lái)反映網(wǎng)絡(luò)安全性能。

    以上所提及的衡量指標(biāo)的評(píng)估方法將在第4節(jié)中給出,其中時(shí)隙占空系數(shù)雖然在系統(tǒng)測(cè)試前確定,但是其概念和計(jì)算方法需要特殊說(shuō)明,具體解釋請(qǐng)看第4.4節(jié)。由于帶寬利用率和消息結(jié)構(gòu)并非通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定,故指標(biāo)評(píng)估方法的討論中不包含這兩項(xiàng)指標(biāo)。

    4.衡量指標(biāo)的評(píng)估方法

    本小節(jié)對(duì)第3節(jié)中提及的衡量指標(biāo)進(jìn)行較為詳細(xì)的說(shuō)明,同時(shí)給出了評(píng)估的具體實(shí)施方法。本小節(jié)介紹的誤碼率、吞吐量和丟包率、延遲均為量化指標(biāo)。關(guān)于網(wǎng)絡(luò)安全性也通過(guò)建模加以量化,以網(wǎng)絡(luò)安全性能值作為量化指標(biāo)。

    4.1 誤碼率

    誤碼率指的是接收到的消息中錯(cuò)誤碼元個(gè)數(shù)所占消息總碼元數(shù)的比例,誤比特率是接收到的消息中錯(cuò)誤比特個(gè)數(shù)所占消息總比特?cái)?shù)的比例,二者并無(wú)本質(zhì)區(qū)別,可根據(jù)不同的仿真環(huán)境和需要而選擇方便計(jì)算的衡量指標(biāo)。

    評(píng)估過(guò)程采用蒙特卡羅(Monte Carlo)方法,考察點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸過(guò)程的誤碼(比特)率。原始數(shù)據(jù)為一組限定好長(zhǎng)度的隨機(jī)二進(jìn)制消息,經(jīng)過(guò)源節(jié)點(diǎn)處理后產(chǎn)生發(fā)射數(shù)據(jù),然后通過(guò)信道抵達(dá)目的節(jié)點(diǎn),再對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行復(fù)原,將復(fù)原后的數(shù)據(jù)同原始數(shù)據(jù)比較,統(tǒng)計(jì)出誤碼(比特)率。

    表1中給出了評(píng)估參考仿真條件。

    4.2 吞吐量和丟包率

    吞吐量(Throughput)指的是在沒(méi)有幀丟失的情況下,設(shè)備能夠接受的最大速率。

    丟包率(Loss Tolerance或packet loss rate)是指測(cè)試中所丟失數(shù)據(jù)包數(shù)量占所發(fā)送數(shù)據(jù)包的比率,通常在吞吐量范圍內(nèi)測(cè)試。

    圖1 STDP封裝結(jié)構(gòu)

    指標(biāo)在不同的仿真環(huán)境下的測(cè)量方法不同。在如OPNET等網(wǎng)絡(luò)仿真軟件環(huán)境下,根據(jù)搭建的網(wǎng)絡(luò)模型,在仿真之后吞吐量和丟包率會(huì)自動(dòng)統(tǒng)計(jì)出結(jié)果,有選擇地作為橫縱坐標(biāo),得到性能曲線。在VC++仿真環(huán)境下,需要編寫專門用來(lái)計(jì)算的函數(shù),實(shí)現(xiàn)吞吐量和丟包率的測(cè)量:根據(jù)吞吐量的定義,函數(shù)統(tǒng)計(jì)網(wǎng)絡(luò)各成員節(jié)點(diǎn)在一個(gè)指定時(shí)間周期內(nèi)的發(fā)送或接收的數(shù)據(jù)量,得出單位時(shí)間發(fā)送或接收的數(shù)據(jù)量;根據(jù)丟包率的定義,函數(shù)以幀為單位統(tǒng)計(jì)丟失幀的個(gè)數(shù)占總消息幀個(gè)數(shù)的比例,丟失幀的確認(rèn)標(biāo)準(zhǔn)可規(guī)定為一個(gè)數(shù)據(jù)幀內(nèi)部多大比例的數(shù)據(jù)遭到破壞則認(rèn)為該幀丟失。

    表2中給出了吞吐量和丟包率的一些影響因素

    表2 衡量指標(biāo)的影響因素

    4.3 延遲

    延遲以時(shí)間作為統(tǒng)計(jì)單位,可以是秒,毫秒,微秒等。在本網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中延遲基本以秒(second)為單位,衡量指標(biāo)分為兩大類,即處理延遲和網(wǎng)絡(luò)接入延遲。

    表1 系統(tǒng)評(píng)估參考仿真條件

    (1)處理延遲

    處理延遲指系統(tǒng)從應(yīng)用層接收到原始數(shù)據(jù)開(kāi)始,一直到生成待發(fā)送數(shù)據(jù)的處理時(shí)間。處理延遲可根據(jù)發(fā)射信號(hào)的生成過(guò)程進(jìn)行測(cè)量,即計(jì)算整個(gè)過(guò)程所耗費(fèi)的時(shí)間。在V C++仿真環(huán)境下,可利用仿真軟件本身的功能或自帶的函數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。類似地,信息的接收處理延遲同樣采用此方法進(jìn)行計(jì)算。

    (2)網(wǎng)絡(luò)接入延遲

    網(wǎng)絡(luò)接入延遲包含四個(gè)衡量指標(biāo),基本覆蓋了網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用所關(guān)注的延遲問(wèn)題。

    表3列出了四個(gè)延遲參數(shù)及它們的組成和影響因素,延遲時(shí)間的大小均可以通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)計(jì)算出在一定的應(yīng)用條件下的具體數(shù)值。網(wǎng)絡(luò)循環(huán)周期還可以根據(jù)定義,利用分析法得到。

    4.4 時(shí)隙占空系數(shù)[1]

    時(shí)隙占空系數(shù)(TSDF,Time Slot Duty Factor),是一種時(shí)隙使用約束,限制在單位時(shí)間內(nèi)發(fā)射的脈沖數(shù)量。T S D F是量化終端發(fā)射的一種方法,通常是由兩個(gè)因數(shù)表示的一個(gè)數(shù)字,寫成一個(gè)分?jǐn)?shù),如100/50。第一個(gè)數(shù)字表示在一個(gè)地域內(nèi)潛在脈沖數(shù)的總百分比,第二個(gè)數(shù)字表示發(fā)射最多的單個(gè)平臺(tái)發(fā)射脈沖所占的百分比。對(duì)于Link16數(shù)據(jù)鏈來(lái)說(shuō),每個(gè)數(shù)字都是基于一個(gè)基準(zhǔn)值的百分比,這個(gè)基準(zhǔn)值是每12s中發(fā)射396288個(gè)脈沖。

    其中n為平臺(tái)所分配的時(shí)隙數(shù),M為時(shí)隙所包含的脈沖總數(shù),可以是72、258或者444。

    網(wǎng)絡(luò)的TSDF是由單個(gè)平臺(tái)TSDF相加計(jì)算得到的。表4給出了網(wǎng)絡(luò)中兩個(gè)平臺(tái)的TSDF的表格。

    表4 TSDF表

    那么網(wǎng)絡(luò)的TSDF為10%+50%=60%,則此網(wǎng)絡(luò)可以表示為60/40。

    4.5 網(wǎng)絡(luò)安全性能值

    網(wǎng)絡(luò)安全性能值用于衡量網(wǎng)絡(luò)的脆弱性。首先根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、結(jié)點(diǎn)的功能特性、結(jié)點(diǎn)情報(bào)存取權(quán)限以及結(jié)點(diǎn)之間的協(xié)同狀態(tài)構(gòu)建一個(gè)網(wǎng)絡(luò)加權(quán)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。其中各個(gè)結(jié)點(diǎn)將用通信等級(jí)、結(jié)點(diǎn)功能綜合程度、戰(zhàn)略功能屬性、結(jié)點(diǎn)防御能力以及態(tài)勢(shì)情報(bào)存取權(quán)限5項(xiàng)預(yù)先量化好的數(shù)據(jù)進(jìn)行描述,并利用以上數(shù)據(jù),根據(jù)構(gòu)建的邏輯網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析,得到網(wǎng)絡(luò)中結(jié)點(diǎn)的重要性指數(shù)、邊的安全性指數(shù)以及網(wǎng)絡(luò)整體安全性能的綜合分析值[7]。

    5.結(jié)論

    根據(jù)第3、4小節(jié)的分析,評(píng)價(jià)多平臺(tái)數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò)的性能指標(biāo)主要包括誤碼率,丟包率,吞吐量,延遲,帶寬利用率,時(shí)隙占空系數(shù),消息結(jié)構(gòu)和網(wǎng)絡(luò)安全性能值。然而需要指出的是,以上的評(píng)價(jià)指標(biāo)是為了全面地評(píng)估網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)而提出的,其中相對(duì)重要的,且需要在系統(tǒng)測(cè)試中評(píng)定的只是其中的一部分。根據(jù)數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的應(yīng)用環(huán)境,各指標(biāo)的重要性如表5所示。

    表3 延遲的組成及影響因素

    表5 衡量指標(biāo)等級(jí)

    結(jié)合各指標(biāo)的重要等級(jí),得出多平臺(tái)數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的性能評(píng)價(jià)準(zhǔn)則:評(píng)價(jià)準(zhǔn)則以誤碼率,延遲,消息結(jié)構(gòu)和網(wǎng)絡(luò)安全性能值為評(píng)價(jià)指標(biāo),通過(guò)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)和第4節(jié)所介紹的方法對(duì)系統(tǒng)性能做出評(píng)價(jià)。該評(píng)價(jià)方法可應(yīng)用在系統(tǒng)仿真測(cè)試中,根據(jù)此方法得到系統(tǒng)的性能參數(shù),考慮系統(tǒng)模型是否滿足實(shí)際需求。

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