基于QualNet的無人機數(shù)據(jù)鏈時延仿真?

黃永兢，王玉文，黃超，劉濟銘，柏華威

基于QualNet的無人機數(shù)據(jù)鏈時延仿真?

黃永兢，王玉文，黃超，劉濟銘，柏華威

（電子科技大學空天科學技術(shù)研究院，成都611731）

概述了無人機數(shù)據(jù)鏈的網(wǎng)絡組成，介紹了通信網(wǎng)絡仿真軟件QualNet的功能特點及其架構(gòu)，并在該軟件平臺下建立無人機數(shù)據(jù)鏈時延仿真模型，分析遠近程無人機在不同MAC信道接入?yún)f(xié)議下的平均端到端時延和平均抖動。仿真結(jié)果表明，設計無人機數(shù)據(jù)鏈時可優(yōu)先采用TDMA接入?yún)f(xié)議。

無人機數(shù)據(jù)鏈；QualNet仿真；平均端到端時延；平均抖動

1 引言

現(xiàn)代高技術(shù)戰(zhàn)爭具有作戰(zhàn)規(guī)模大、戰(zhàn)場環(huán)境復雜、人員傷亡少等特點，無人機具有質(zhì)量小、機動性好、環(huán)境適應性強的優(yōu)點，在實戰(zhàn)中也體現(xiàn)出越來越重要的地位。通常，無人機靠數(shù)據(jù)鏈與外界進行信息交換，因此，數(shù)據(jù)鏈的應用水平在很大程度上決定著無人機作戰(zhàn)水平和能力。

由于物理距離以及其他一些因素，信息通過數(shù)據(jù)鏈傳輸時必然會存在時延。造成數(shù)據(jù)鏈通信時延的主要原因有通信報文結(jié)構(gòu)、通信速率、通信容量、通信距離以及多路通信方式。此外，還有傳感器時延、運算時延和顯示時延等硬件物理時延。無人機數(shù)據(jù)鏈的終端載體一般處在相對快速的運動中，其跟蹤、捕獲、定位和攻擊的對象也是時敏目標，因此，時間的延遲對整個無人作戰(zhàn)系統(tǒng)的作戰(zhàn)效能影響特別大，數(shù)據(jù)鏈信息傳輸?shù)牡蜁r延性是無人機數(shù)據(jù)鏈有別于其他數(shù)據(jù)鏈的重要特性。

對數(shù)據(jù)鏈性能的驗證通常通過通信網(wǎng)絡仿真軟件仿真實現(xiàn)，目前常用的軟件有OPNET Technology Inc.公司的OPNET和LSBL網(wǎng)絡研究組開發(fā)的NS-2等。在這些軟件平臺下對無人機數(shù)據(jù)鏈進行仿真，有著各自的優(yōu)勢，同時也存在著不足。本文主要結(jié)合QualNet的一些優(yōu)勢特點，在QualNet平臺下對無人機數(shù)據(jù)鏈的時延進行仿真，為下一步的研究提供參考。

2 無人機數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡組成

從廣義上來說，無人機數(shù)據(jù)鏈的實質(zhì)就是通信網(wǎng)絡系統(tǒng)，其關(guān)鍵技術(shù)之一就是網(wǎng)絡組成的體系結(jié)構(gòu)，如圖1表示。研究表明，處于同溫層以內(nèi)的任何一個空中平臺，都無法實現(xiàn)“單跳”覆蓋1 000 km以上的超視距中繼［1］。因此，作為后方與前線戰(zhàn)區(qū)的超視距通信中繼必須采取多鏈路中繼的方式。從無人機網(wǎng)絡體系結(jié)構(gòu)中可看出，地面控制指揮中心離戰(zhàn)區(qū)較遠時，需要采用中繼衛(wèi)星與高空長航時無人機相結(jié)合的方式。當?shù)孛嬷笓]控制中心離戰(zhàn)區(qū)相對不是很遠時，可直接采用高空長航時無人機的中繼方式。高空長航時中繼無人機的下一層就是作戰(zhàn)無人機群，它們由飛行速度快、作戰(zhàn)能力強的無人機組成。當無人機的作戰(zhàn)地離地面控制站比較近時，地面控制站可直接與作戰(zhàn)無人機進行通信，不必通過中繼的方式指揮無人機作戰(zhàn)。

3 QualNet的架構(gòu)

QualNet是一款高性能的網(wǎng)絡仿真軟件，具有對各種應用和使用要求的網(wǎng)絡性能進行準確的預測能力，從有線LAN和WAN，到蜂窩、衛(wèi)星、WLAN和移動Ad Hoc網(wǎng)絡。

QualNet協(xié)議棧采用5層網(wǎng)絡協(xié)議體系結(jié)構(gòu)，如圖2所示，協(xié)議棧從上往下分別為應用層、傳輸層、網(wǎng)絡層、MAC層和物理層，用戶還可以根據(jù)自己需求刪除和添加相對應的層。

應用層是QualNet協(xié)議棧中的最高層，它提供網(wǎng)絡端上應用程序之間的接口，在QualNet中提供了大量的協(xié)議，如CBR、VBR、FTP、RIP、HTTP等。QualNet協(xié)議棧中的傳輸層處于應用層和網(wǎng)絡層之間，它為服務器和客戶的應用層之間傳送數(shù)據(jù)提供服務，傳輸層的協(xié)議主要有TCP、UDP、RSVP-TE等。Qual-Net協(xié)議棧中的網(wǎng)絡層介于傳輸層和MAC層之間，主要功能是向傳輸層提供最基本的端到端的數(shù)據(jù)傳送服務，網(wǎng)絡層的主要協(xié)議有IPv4、IPv6、OSPF、DSR等。MAC層在QualNet協(xié)議棧中介于網(wǎng)絡層和物理層之間，MAC層的主要功能是在物理層提供的服務的基礎上向網(wǎng)絡層提供服務，MAC層向用戶提供的協(xié)議有MAC802.16、MAC802.3、CSMA等。物理層處于QualNet協(xié)議棧中的最底層，物理層是網(wǎng)絡節(jié)點間的接口，提供網(wǎng)絡上的數(shù)據(jù)傳輸服務。QualNet中物理層向用戶提供的協(xié)議主要有針對有線傳輸介質(zhì)的Bus、Point-to-point等和針對無線傳輸介質(zhì)的Radio、Free space等協(xié)議。

網(wǎng)絡中的節(jié)點向外傳輸信息時，通常由應用層開始。當數(shù)據(jù)由應用層向下傳輸時，QualNet首先會調(diào)用MESSAGE-Alloc函數(shù)為要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)分配一個新的消息結(jié)構(gòu)，接著調(diào)用MESSAGE-PacketAlloc函數(shù)在新分配的消息結(jié)構(gòu)中申請一個新的數(shù)據(jù)包空間，最后調(diào)用MESSAGE-Send函數(shù)將要發(fā)送的數(shù)據(jù)封裝到新申請到的數(shù)據(jù)包空間中，向傳輸層傳送。相反，當傳輸層向應用層傳送信息時，應用層會調(diào)用MESSAGEFree函數(shù)處理由傳輸層發(fā)送過來的數(shù)據(jù)包，同時釋放發(fā)送過來的消息結(jié)構(gòu)空間，將最終的數(shù)據(jù)傳送到應用層中。同樣，當傳輸層、網(wǎng)絡層、MAC層收到上一層或下一層的數(shù)據(jù)包時，都會調(diào)用相應的函數(shù)添加或去除相對應的報頭，然后再發(fā)送出去［2］。

4 基于QualNet的無人機數(shù)據(jù)鏈時延測試的實現(xiàn)

4.1 仿真模型的建立

4.1.1 網(wǎng)絡節(jié)點的設置

根據(jù)前面對無人機數(shù)據(jù)鏈的概述和QualNet功能特點與架構(gòu)的介紹，本文設計出的基于QualNet軟件平臺的無人機數(shù)據(jù)鏈時延仿真模型如圖3所示。

采用笛卡爾坐標系，設置仿真區(qū)域的水平方向大小為5 000 km×5 000 km。在仿真區(qū)域中依次放入網(wǎng)絡節(jié)點，其中各網(wǎng)絡節(jié)點的水平位置、高度及各網(wǎng)絡節(jié)點代表的實際意義如表1所示。

在仿真模型圖中，設地面控制站在海平面上，所以節(jié)點［1］的高度為0，即Z坐標的值為0；對于目前可采用中繼衛(wèi)星，我們知道，GPS的衛(wèi)星運行的軌道在距地表20 200 km的上空，“伽利略”的衛(wèi)星高度為24 126 km，“格洛納斯”的衛(wèi)星軌道高度為19 100 km，而“北斗”二號的衛(wèi)星則在高度為21 500 km的軌道運行，所以這里設置的中繼衛(wèi)星的高度為離地面20 000 km的高空；高空長航時中繼無人機飛行高度要盡可能地高，這是因為其執(zhí)行任務時要躲避地面高空防御系統(tǒng)及戰(zhàn)斗機的攻擊，同時也要獲得更大范圍的偵查視角和通信覆蓋率，但飛行高度越高，就需要更大的動力，目前的高空長航時無人機飛行高度一般在18～20 km之間，所以這里設置節(jié)點［4］的高度為18 km；而對于遠近程作戰(zhàn)無人機，其作戰(zhàn)時，飛行高度一般在幾百米到一千米之間，所以這里設置節(jié)點［3］、［5］、［6］、［7］的高度都為250 m。

當無人機作戰(zhàn)區(qū)域離地面控制站較近時無需采用中繼平臺，所以在模型圖中，近程無人機組成子網(wǎng)直接與地面控制站通信，為方便后面仿真對近程無人機定性的說明，設置兩架近程作戰(zhàn)無人機離地面控制站的距離一樣，所以這里設置節(jié)點［3］、［7］的水平方向坐標分別為（1 000 km，1 020 km）、（1 020 km，

1 000 km），它們離地面控制站的距離都為20 km左右。當?shù)孛婵刂普疽刂七h程作戰(zhàn)無人機執(zhí)行任務時，需要通過中繼平臺進行通信，所以在模型圖中，遠程作戰(zhàn)無人機組成子網(wǎng)采用高空長航時中繼無人機和中繼衛(wèi)星相結(jié)合的通信鏈路與地面控制站進行無線通信，同樣為方便仿真時對遠程無人機定性的說明，設置兩架遠程作戰(zhàn)無人機離高空長航時中繼無人機的距離一樣，通常，無人機與上一級通信平臺或控制站的距離一般不超過200 km，這里設置節(jié)點［5］、［6］的坐標分別為（2 950 km，3 950 km）、（3 050 km，3 950 km），而高空長航時中繼無人機的水平方向坐標為（3 000 km，4 000 km），這樣遠程作戰(zhàn)無人機距高空長航時中繼無人機70 km左右，在其通信覆蓋范圍內(nèi)。

4.1.2 網(wǎng)絡節(jié)點的運動軌跡設置

無人機在實際執(zhí)行任務時，一般處于高速運動的狀態(tài)中，所以在進行網(wǎng)絡仿真時，要把相關(guān)網(wǎng)絡節(jié)點的運動特性考慮進去。一般來說，地面控制站（包括車載控制臺）移動的速度相對較慢，其移動對網(wǎng)絡仿真的結(jié)果影響較小，所以地面控制站在仿真過程中設置為靜止狀態(tài)。中繼衛(wèi)星由于處于高空，其移動對地面或低空網(wǎng)絡節(jié)點造成的影響也較小，在仿真中也設置其為靜止狀態(tài)。對于高空長航時中繼無人機來說，其執(zhí)行任務時，巡航速度可以為650 km／h左右，所以設置節(jié)點［2］以180 m／s的速度作隨機移動。作戰(zhàn)無人機執(zhí)行任務時，其移動速度和方向最為多變，但其飛行時速一般在200～500 km之間，所以這里設置作戰(zhàn)無人機對應的網(wǎng)絡節(jié)點以最小60 m／s、最大120 m／s的速度作隨機移動。

4.1.3 數(shù)據(jù)傳輸類型及參數(shù)的設置

在實際中，無人機向控制站發(fā)送信息時，通常將要發(fā)送的數(shù)據(jù)打成若干個包，然后再將數(shù)據(jù)包逐個發(fā)送出去，所以在仿真模型中設定各作戰(zhàn)無人機與地面控制站應用層間采用恒定比特速率（CBR）協(xié)議傳送數(shù)據(jù)，同樣方便對仿真作定性討論，在仿真過程中，設定所有作戰(zhàn)無人機向控制站發(fā)送200個大小為64 byte的數(shù)據(jù)包，而每個數(shù)據(jù)包的發(fā)送時間間隔為10 ms。

4.1.4 無線移動子網(wǎng)MAC的接入?yún)f(xié)議設置

在仿真模型中，遠近程作戰(zhàn)無人機都各自組成了無線移動子網(wǎng)，而無線移動子網(wǎng)的MAC信道接入?yún)f(xié)議的功能是控制節(jié)點的報文傳輸對無線媒體的占用，保證網(wǎng)絡的整體性能，可以說十分重要。目前，國內(nèi)外對有關(guān)無人機數(shù)據(jù)鏈子網(wǎng)的MAC接入?yún)f(xié)議都做了不少的研究，這里主要是在QualNet軟件平臺仿真中，對作戰(zhàn)無人機的移動無線子網(wǎng)分別采用Aloha和TDMA這兩種MAC信道接入?yún)f(xié)議進行仿真討論，分析作戰(zhàn)無人機向地面控制站回傳數(shù)據(jù)時的時延特性。

4.2 仿真結(jié)果與分析

所有環(huán)境參數(shù)等設置好之后，近程和遠程作戰(zhàn)無人機的數(shù)量分別為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。為更能準確反映仿真模型中無人機數(shù)據(jù)鏈性能隨終端節(jié)點數(shù)的變化特性，新增加節(jié)點與一級通信平臺的距離都在200 km以內(nèi)且距離與原有節(jié)點一致。仿真結(jié)束后，切換結(jié)果分析界面，查看仿真結(jié)果。

4.2.1 控制站接收數(shù)據(jù)包成功率的結(jié)果

控制站接收到遠、近程無人機數(shù)據(jù)包成功率隨作戰(zhàn)無人機的數(shù)量的關(guān)系曲線如圖4所示。

從圖4中可知，當近程作戰(zhàn)無人機采用TDMA接入?yún)f(xié)議時，地面控制站接收數(shù)據(jù)包的成功率不受無人機網(wǎng)絡規(guī)模影響，在設定的節(jié)點內(nèi)成功率始終保持為100%。而遠程作戰(zhàn)無人機采用TDMA接入?yún)f(xié)議時傳送數(shù)據(jù)包的成功率隨網(wǎng)絡規(guī)模的擴大而下降，但下降不明顯。在實際作戰(zhàn)中，無人機向控制站傳送的大多是圖像和視頻數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)假如丟失不多，通?？梢酝ㄟ^某些處理方法把原信息還原出來，這里假設傳輸數(shù)據(jù)包的成功率在90%以內(nèi)時信息都是可以還原回來的。從圖4中可以看出在節(jié)點數(shù)為35以內(nèi)，遠程無人機采用TDMA接入?yún)f(xié)議時，傳輸數(shù)據(jù)成功率始終保持在90%以內(nèi)。在采用Aloha信道接入?yún)f(xié)議時，遠近程作戰(zhàn)無人機傳輸數(shù)據(jù)的丟包率都隨網(wǎng)絡節(jié)點的數(shù)量增加而明顯變大，其中近程無人機在網(wǎng)絡節(jié)點大于20時，成功率跌出90%，近程無人機在網(wǎng)絡節(jié)點不到15時成功率就低于90%。

4.2.2 作戰(zhàn)無人機向控制站發(fā)送數(shù)據(jù)包的應用層平均端到端時延結(jié)果

遠、近程作戰(zhàn)無人機向控制站傳輸數(shù)據(jù)的應用層平均端到端時延隨網(wǎng)絡規(guī)模的變化如圖5所示。

從時延仿真結(jié)果可得，作戰(zhàn)無人機在傳輸數(shù)據(jù)成功率90%以內(nèi)的情況下平均端到端時延都隨作戰(zhàn)無人機的數(shù)量增加而增大，其中采用Aloha信道協(xié)議下時，時延上升的波動性比較大，而采用TDMA接入?yún)f(xié)議下時，時延的上升接近于線性。

4.2.3 作戰(zhàn)無人機向控制站發(fā)送數(shù)據(jù)包的應用層平均時延抖動結(jié)果

遠、近程作戰(zhàn)無人機應用層向控制站傳輸數(shù)據(jù)的平均時延抖動隨網(wǎng)絡規(guī)模的變化如圖6所示。

從圖6可看出，作戰(zhàn)無人機在傳輸數(shù)據(jù)成功率90%以內(nèi)的情況下平均時延抖動都隨作戰(zhàn)無人機的數(shù)量增加而增大。

4.2.4 仿真結(jié)果分析

我們都知道，端到端時延是指數(shù)據(jù)包從離開源點時算起一直到抵達終點時為止一共經(jīng)歷了多長時間的時延，可以簡單地表示為

式中，Ts為數(shù)據(jù)包的發(fā)送時延，Tdw為處理時延（包括中繼和接收節(jié)點處理數(shù)據(jù)的時延），Tp為傳播時延。而平均時延抖動直接反映的是傳輸數(shù)據(jù)時延的變化大小，抖動越大，表示傳輸數(shù)據(jù)越不穩(wěn)定。

仿真結(jié)果表明，在相同網(wǎng)絡節(jié)點數(shù)和MAC信道接入?yún)f(xié)議情況下時，遠程作戰(zhàn)無人機向地面控制站傳輸數(shù)據(jù)，由于要通過中繼平臺的轉(zhuǎn)發(fā)以及經(jīng)過距離較長的物理媒介，即受Tp和Tdw的影響，平均端到端時延及平均時延抖動都比近程無人機稍大一些，且隨著網(wǎng)絡節(jié)點的增多，數(shù)據(jù)鏈的性能惡化程度也要比近程無人機大。

從MAC信道接入?yún)f(xié)議上看，當網(wǎng)絡節(jié)點數(shù)較少時，采用TDMA和Aloha的時延和抖動程度相差不大，但隨著節(jié)點的增多，可以看出TDMA的性能明顯優(yōu)于后者，TDMA的數(shù)據(jù)包發(fā)送時延和處理時延特性比Aloha優(yōu)越。從協(xié)議本身的思想上來分析，Aloha協(xié)議的思想是，當節(jié)點想要發(fā)送數(shù)據(jù)時，就直接發(fā)送，當檢測到無線信道上有沖突時，Aloha系統(tǒng)采用的重發(fā)策略是讓各站等待一段隨機的時間，然后再進行重發(fā)，由于移動無線網(wǎng)中的節(jié)點是移動的，網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)也是不斷變化的，因此Aloha協(xié)議在網(wǎng)絡節(jié)點非常多時，受“隱終端問題”和“暴露終端問題”［3］的影響特別大，所以就造成了網(wǎng)節(jié)點較多時，性能嚴重惡化的現(xiàn)象。TDMA是把時間分割成周期性的幀，每一個幀再分割成若干個時隙（分為固定時隙和預留時隙［4］）向控制站發(fā)送信號，在滿足定時和同步的條件下，控制站可以分別在各時隙中接收到各無人機的信號而不混擾。同時，控制站發(fā)向多個無人機的信號都按順序安排在指定的時隙中傳輸，各無人機只要在指定的時隙內(nèi)接收，就能在合路的信號中把發(fā)給它的信號區(qū)分并接收下來，TDMA有效地克服了Aloha的不足，其性能不隨網(wǎng)絡規(guī)模的擴大而急劇惡化。設計無人機數(shù)據(jù)鏈時可優(yōu)先采用TDMA接入?yún)f(xié)議。

5 結(jié)論

隨著各國對無人機重視程度的增加，無人機數(shù)據(jù)鏈技術(shù)也在不斷地提高著，比如數(shù)據(jù)鏈的組網(wǎng)形式、抗干擾能力及路由協(xié)議等都在朝著智能化的方向發(fā)展［5］。對數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡性能的仿真，目前可用的軟件有QualNet、NS-2、OPNET、SPW、GloMosim等。QualNet與其他軟件相比，網(wǎng)絡體系中的各層常用協(xié)議都封裝在其中，用戶可以通過操作界面直接調(diào)用這些協(xié)議和設置相關(guān)參數(shù)，執(zhí)行起來方便靈活；同時，可以通過QualNet軟件的半實物接口接入外部的實際環(huán)境中的音頻信號、視頻信號以及信道噪聲等信息，能更真實地模擬出無人機數(shù)據(jù)鏈所處的戰(zhàn)場環(huán)境，為我們進一步分析和優(yōu)化影響無人機數(shù)據(jù)鏈性能提供非常大的幫助，這也是下一步將要做的重點。

本文主要通過在QualNet軟件平臺下構(gòu)建無人機數(shù)據(jù)鏈模型，研究無人機數(shù)據(jù)鏈的時延受無人機網(wǎng)絡節(jié)點數(shù)、物理距離、子網(wǎng)信道接入?yún)f(xié)議類型等因素的影響程度，提出的模型在網(wǎng)絡協(xié)議和算法上沒有進行過多深入的研究與探討，但填補了無人機數(shù)據(jù)鏈在QualNet軟件平臺下仿真的空白。

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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，電子科技大學空天科學技術(shù)研究院副總工程師、副教授，主要從事航天航空電子領(lǐng)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.

黃超（1987—），男，四川人，2010年于電子科技大學獲學士學位，現(xiàn)為碩士研究生，主要從事為通信協(xié)議研究仿真工作；

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.

劉濟銘（1987—），男，四川人，2010年于中南大學獲學士學位，現(xiàn)為碩士研究生，主要研究方向為無線網(wǎng)絡技術(shù)與仿真；

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.

柏華威（1986—），男，安徽人，2009年于四川大學獲學士學位，現(xiàn)為碩士研究生，主要研究方向為電磁頻譜管理。

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

黃永兢（1987—），男，廣西人，2011年于電子科技大學獲學士學位，現(xiàn)為碩士研究生，主要研究方向為無線網(wǎng)絡技術(shù)與信號處理；

1001-893X（2012）07-1210-06

2011-10-31；

2012-03-15