基于Exata的數(shù)據(jù)鏈通信教學平臺設計

馬俊凱， 李麗華

(海軍工程大學 電子工程學院， 湖北 武漢 430033)

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基于Exata的數(shù)據(jù)鏈通信教學平臺設計

馬俊凱， 李麗華

(海軍工程大學 電子工程學院， 湖北 武漢 430033)

針對軍事院校數(shù)據(jù)鏈通信課程中實際操作裝備較少的問題，研究并設計了一種基于Exata的數(shù)據(jù)鏈半實物網(wǎng)絡仿真平臺。首先介紹了Exata的網(wǎng)路仿真工具的結(jié)構(gòu)與特點，然后通過設計一種基于TMDA協(xié)議、多節(jié)點的Link16的數(shù)據(jù)鏈半實物網(wǎng)絡模型過程，詳細論述了基于Exata仿真平臺的大規(guī)模、半實物數(shù)據(jù)鏈通信裝備組網(wǎng)過程，得到了實驗結(jié)果。仿真結(jié)果表明，該平臺滿足了數(shù)據(jù)鏈通信教學中的應用，可以通過觀看網(wǎng)絡運行動畫、分析組網(wǎng)仿真數(shù)據(jù)，讓學生更容易、更深入地理解數(shù)據(jù)鏈通信傳輸?shù)牧鞒蹋行岣吡私虒W效果。

Exata仿真； 數(shù)據(jù)鏈通信； 半實物仿真； TDMA協(xié)議

0 引 言

數(shù)據(jù)鏈通信是指互通數(shù)據(jù)的鏈路，而在軍事上所說的數(shù)據(jù)鏈就是一張數(shù)據(jù)網(wǎng)，就像互聯(lián)網(wǎng)一樣，只要你有一個數(shù)據(jù)終端就可以從這個數(shù)據(jù)鏈里獲得自己所需要的信息[1]。本課程以掌握數(shù)據(jù)鏈通信基本原理和實際組織運用方法為基本要求，在此基礎(chǔ)上著力培養(yǎng)學員的創(chuàng)新能力及后續(xù)學習高層次理論的能力，適應軍事通信科學技術(shù)發(fā)展對高質(zhì)量軍事通信人才的需求。但是長時間以來，很多學員反映數(shù)據(jù)鏈通信的原理的教學很枯燥，老師對原理講解比較難，學生真正學懂也難。主要原因是由于“數(shù)據(jù)鏈通信”課程是一門計算機網(wǎng)絡、短波通信和指揮控制等多類學科綜合的課程，但教員通過PPT、黑板板書的傳統(tǒng)教學方法，會使教師的進行繁瑣的數(shù)學推導占用大量時間，學員對于概念的理解和掌握不清楚；另外，數(shù)據(jù)鏈教學中面臨著硬件設備缺乏問題，許多數(shù)據(jù)鏈裝備價格昂貴、保密級別較高，在高校教學實驗中難以實現(xiàn)大規(guī)模的數(shù)據(jù)鏈通信組網(wǎng)。因此，為提高教學效果，將Exata軟件引入到數(shù)據(jù)鏈課程設計中來，學員可以在Exata仿真平臺上構(gòu)建了各種類型的數(shù)據(jù)鏈組網(wǎng)的模型，例如：Link4數(shù)據(jù)鏈模型，Link16數(shù)據(jù)鏈模型等，有效的解決數(shù)據(jù)鏈通信課程實施過程中重理論、輕實踐的現(xiàn)狀，提高學生的積極性。

1 基于Exata的半實物網(wǎng)絡仿真原理

1.1 Exata簡介

Exata 是一套適用于仿真大型有線網(wǎng)絡和無線網(wǎng)絡提供完整平臺的仿真軟件。Exata平臺通過先進的模擬和仿真技術(shù)，可以預測復雜的網(wǎng)絡行為和性能表現(xiàn)，從而提高網(wǎng)絡在設計、運營和管理方面的效率[2]。Exata平臺主要由:主軟件、模擬內(nèi)核與仿真內(nèi)核、 連接管理器、外部工具接口和協(xié)議模型庫5部分組成，具體Exata仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 Exata仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

Exata仿真平臺主要特點：① 實現(xiàn)了仿真網(wǎng)絡與現(xiàn)有的真實網(wǎng)絡、網(wǎng)絡業(yè)務和網(wǎng)絡設備相連接；② 可以運行在集群式計算系統(tǒng)(cluster)、多內(nèi)核計算系統(tǒng)、或多處理器計算系統(tǒng)上，可模擬上千個節(jié)點的復雜大型網(wǎng)絡[3];③ 擁有豐富的、符合標準的協(xié)議模型庫，包括許多先進的無線網(wǎng)絡環(huán)境所需用到的模型，使用戶可以更加精確的模擬真實的無線網(wǎng)絡;④ 支持實時仿真，可將不同的軟件、硬件、網(wǎng)絡行為引入系統(tǒng)作半實物仿真。⑤ 具有強大的評估分析復雜網(wǎng)絡的性能的能力。

1.2 半實物仿真原理

半實物仿真，將仿真系統(tǒng)中接入實物替換部分仿真模型，是一種重要的網(wǎng)絡仿真研究方法。在半實物仿真中，節(jié)點分為普通的仿真節(jié)點和半實物節(jié)點。普通仿真節(jié)點是指由仿真軟件生成的虛擬節(jié)點；半實物節(jié)點是實裝設備在仿真網(wǎng)絡中的映射節(jié)點。Exata 仿真軟件安裝在一臺主機中，另外有兩臺實裝設備通過以太網(wǎng)與 Exata 主機連接在一起。我們在 Exata 軟件中構(gòu)造虛擬的仿真網(wǎng)絡作為仿真場景，并在仿真配置文件中創(chuàng)建半實物節(jié)點和實裝設備的映射關(guān)系[4]。

Exata 仿真軟件提供了與其他網(wǎng)絡設備進行數(shù)據(jù)交互的接口IPNE(IP Network Emulator)。IPNE能夠從真實網(wǎng)絡中獲取需要的數(shù)據(jù)包，也能將仿真數(shù)據(jù)包發(fā)送到真實網(wǎng)絡中，支持以太網(wǎng)數(shù)據(jù)和 Exata 中的虛擬網(wǎng)絡數(shù)據(jù)進行交互[5]。同時還能控制仿真速度，使仿真時間與實際時間一致。半實物仿真中的數(shù)據(jù)傳輸如圖2所示。

圖2 半實物仿真結(jié)構(gòu)圖

2 基于Exata數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡半實物教學平臺設計與實現(xiàn)

2.1 系統(tǒng)總體設計

本文以實現(xiàn)基于TDMA協(xié)議Link16數(shù)據(jù)鏈半實物通信網(wǎng)絡，利用Exata仿真平臺構(gòu)建一個典型的Link16戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈通信網(wǎng)絡。在Exata仿真模型和實裝設備網(wǎng)絡物理連接的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)了半實物混合建模仿真。系統(tǒng)仿真主要完成外部模擬指控的模擬、實裝數(shù)據(jù)鏈與數(shù)據(jù)鏈仿真虛擬映射和TDMA協(xié)議組網(wǎng)等設計工作，實現(xiàn)將語音、電傳、數(shù)據(jù)等低速業(yè)務在數(shù)據(jù)鏈通信仿真網(wǎng)絡中傳輸，達到與真實環(huán)境傳輸體制一致功能[6]。具體基于TDMA協(xié)議戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈組網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

圖3 基于TDMA協(xié)議戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈組網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖

2.2 基于TDMA協(xié)議數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡仿真設計

基于Exata仿真平臺構(gòu)建了基于TDMA協(xié)議的Link16數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡平臺，包括：網(wǎng)絡拓撲的建模、網(wǎng)絡節(jié)點模型建模、消息源建模和信道模型建模等。本設計采用了Exata協(xié)議庫中現(xiàn)有TDMA協(xié)議模型，根據(jù)教學中特定作戰(zhàn)想定環(huán)境[7]，進行仿真參數(shù)的合理配置，建立基于TDMA協(xié)議的Link16數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡半實物仿真環(huán)境，實現(xiàn)了對MAC端到端時延、成功接收分組率、系統(tǒng)響應時間、信道利用率指標的仿真與分析。

基于Exata的數(shù)據(jù)鏈通信教學平臺設計時，其數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡仿真模型主要包括以下幾個方面。

(1) 網(wǎng)絡初始化[8]。① 讀入網(wǎng)絡參數(shù)：信道傳輸速率、發(fā)射功率、接收靈敏度、仿真時間、物理層模型等。② 設置協(xié)議狀態(tài)：幀長、時隙長度、發(fā)送/接收/空閑、協(xié)議開銷、分組容量等。③ 創(chuàng)建各種記錄文件：丟失消息數(shù)、成功發(fā)送接收消息數(shù)、隊列剩余消息數(shù)、系統(tǒng)響應時間、MAC端到端時延等。④ 創(chuàng)建各種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：TDMA協(xié)議數(shù)據(jù)、消息隊列數(shù)據(jù)、網(wǎng)絡成員表等。

(2) 消息入隊。當組網(wǎng)協(xié)議接收到應用層(或者經(jīng)網(wǎng)絡層轉(zhuǎn)發(fā)下來)的消息分組后，逐條解析消息，并根據(jù)消息類型將其存入相應的消息隊列，等待發(fā)送。

(3) 消息發(fā)送。消息發(fā)送是指將消息隊列中緩存的消息取出，組成TDMA協(xié)議分組，然后將分組發(fā)送至物理層，再由物理層發(fā)送到信道上[9]。

(4) 消息接收。消息接收是指TDMA協(xié)議接收物理層送來的分組(即接收其它節(jié)點發(fā)送來的消息)。MAC層接收到物理層分組后做以下處理;

在接收完數(shù)據(jù)分組后，首先去掉MAC分組頭，調(diào)用函數(shù) MESSAGE_Send，將消息正文發(fā)往上一層;另一方面，逐條解析接收到分組中的消息，根據(jù)消息類型判斷應答方式，產(chǎn)生應答消息[10]。圖4為建模流程圖。

圖4 建模流程圖

2.3 基于Exata的數(shù)據(jù)鏈半實物網(wǎng)絡仿真模型實現(xiàn)

根據(jù)以上設計, 基于Exata仿真平臺建立中、小規(guī)模數(shù)據(jù)鏈組網(wǎng)仿真環(huán)境:由地面岸基數(shù)據(jù)鏈通信網(wǎng)、水面艦艇組成的水面數(shù)據(jù)鏈通信網(wǎng)和空中飛機組成的空中數(shù)據(jù)鏈通信網(wǎng)構(gòu)成數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡。Link16數(shù)據(jù)鏈聯(lián)合通信網(wǎng)絡主要依托于TDMA協(xié)議模型，主要包括協(xié)議初始化、消息入隊、隊列維護、消息發(fā)送、消息接收、定時器更新、事件及其處理等模塊[11]。

2.3.1 TDMA協(xié)議網(wǎng)絡拓撲參數(shù)配置

利用Exata中自帶的TDMA協(xié)議模塊：主要包括時隙大小、保護時間、幀間時間填充、次序列表、時隙/每幀、MAC層延遲混雜、MAC層混雜模式、MAC邏輯鏈路控制、配置MAC層地址等參數(shù)設置即可搭建仿真模型，如圖5，6所示。

圖5 MAC層TDMA協(xié)議網(wǎng)絡參數(shù)配置

圖6 MAC層TDMA協(xié)議節(jié)點參數(shù)配置

2.3.2 半實物仿真設置

要想完成半實物仿真則需要將模擬網(wǎng)絡接入真實網(wǎng)絡，使得虛擬網(wǎng)絡與真實網(wǎng)絡聯(lián)合起來成為一個整合的半實物網(wǎng)絡，進行網(wǎng)絡數(shù)據(jù)流的交互。將其他電腦控制端映射到模擬戰(zhàn)術(shù)通信網(wǎng)絡中來，這樣才能完成對戰(zhàn)術(shù)通信網(wǎng)的半實物仿真。

表1 IP設置

2.3.3 仿真場景建立

Exata環(huán)境下場景設置如下：

(1) 仿真范圍:5 000 m×5 000 m；

(2) 仿真時間:179 min；

(3) 工作頻率:將戰(zhàn)場網(wǎng)絡劃分為下列子網(wǎng):① 子網(wǎng)1:節(jié)點7、8、10、11、12,工作頻率設為0.4 GHz；② 子網(wǎng)2:節(jié)點13、14、15、16、17、18、22、23、24、25、26、28,工作頻率設為0.45 GHz；③ 子網(wǎng)3:節(jié)點20、30、21、19、29,工作頻率設為0.5 GHz；

(4) 節(jié)點數(shù):24個,其中節(jié)點9、13、14、15、16、17、18、19為基站,9、19、23、26處于靜止狀態(tài), 25、27、28處于運動狀態(tài),節(jié)點9為地面骨干網(wǎng)絡中繼中心,聯(lián)通兩個地面網(wǎng)絡。節(jié)點31是衛(wèi)星中繼，機載移動速度200 m/s,艦載移動速度15 m/s,車載移動速度10 m/s,士兵移動速度1 m/s;

(5) 通信協(xié)議:IEEE 802.11;

(6) 路徑衰耗模型:自由空間；

(7) 業(yè)務類型:CBR(恒定比特率),分別設定了6個CBR服務,分別為7-8、11-12、20-19、21-19、29-19、30-19信息傳輸量為默認值。

具體仿真場景如圖7所示。

圖7 基于硬件在環(huán)數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡模型圖

3 網(wǎng)絡仿真結(jié)果與分析

利用Exata自帶的結(jié)果分析器可以對仿真結(jié)果進行統(tǒng)計分析。本小節(jié)統(tǒng)計了MAC端到端時延、成功接收分組率、系統(tǒng)響應時間、信道利用率等指標[12]。

3.1 MAC端到端時延

各個節(jié)點的MAC端到端時延平均值如圖8所示，可以看出機載節(jié)點的時延在4 s左右，其中節(jié)點6的時延達到了5.5 s，岸基節(jié)點和車載節(jié)點時延穩(wěn)定在1 s附近，這是因為在網(wǎng)絡參數(shù)配置中，機載節(jié)點移動速度是艦載節(jié)點的13倍，與實際情況相符[13]。

圖8 各節(jié)點的MAC端到端時延

3.2 系統(tǒng)響應時間

系統(tǒng)響應時間圖9顯示了各節(jié)點的系統(tǒng)響應時間，隨著仿真時間的推移，各節(jié)點的時延基本保持穩(wěn)定， 0點處理時延最小，符合其作為網(wǎng)絡時間基準點的客觀要求。在移動速度和方向、地理位置等因素的影響下，機載節(jié)點的處理時延比較大，其中節(jié)點6的處理時延達到了0.25 s以上，而且穩(wěn)定性也不佳。和上述各節(jié)點的MAC端到端時延特點基本保持吻合[14]。

圖9 各節(jié)點系統(tǒng)響應時間

3.3 成功接收分組率

圖10表示的是經(jīng)過接收判決后，剔除了噪聲包和錯誤包后成功傳送到MAC層的分組數(shù)。

圖10 各節(jié)點成功接收分組數(shù)

將上圖中數(shù)據(jù)和向節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)包總數(shù)導入Matlab中可以得到各個節(jié)點的成功接收分組率如圖11所示。

圖11 各個節(jié)點成功接收分組率

充當網(wǎng)絡時間基準的節(jié)點0和岸基節(jié)點9的接收分組率達到了65%以上，而另一個岸基節(jié)點14在參數(shù)配置時設置為背向基準點運動，因此隨著時間的推移，其離網(wǎng)絡中心距離越來越遠，接收的錯包和漏包都會相應的增加，成功接收分組率降低到50%左右；艦載節(jié)點和車載節(jié)點距離和移動的范圍有細微差別外，其他參數(shù)都一致，因此其分組接收率比較相近；總體趨勢來看，整個數(shù)據(jù)鏈仿真網(wǎng)絡的成功接收分組率在50%左右，保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃訹15]。

3.4 信道利用率

信道上發(fā)生碰撞和傳輸錯誤時，導致幀的丟失，信道時間被浪費。從信道時間利用率角度，把有效傳輸所占的信道時間與實際信息傳輸所占信道時間定義為信道利用率；或者從信息量角度，把吞吐量與信道容量之比定義為息道利用率。圖12給出了網(wǎng)絡規(guī)模為15個節(jié)點時整個網(wǎng)絡的信道利用率。

圖12 15個節(jié)點時整個網(wǎng)絡的信道利用率

由圖可知，隨著仿真時間的推移和記錄的次數(shù)的增加，從主站發(fā)出的數(shù)據(jù)包到應答入網(wǎng)，再到網(wǎng)絡運行的穩(wěn)定，信道利用率逐漸增加，最終穩(wěn)定在67%左右。這和信道中信息量的逐步增加變化趨勢保持一致，網(wǎng)絡穩(wěn)定后，傳輸?shù)男畔⒘恳糙呌诜€(wěn)定。

依次增加仿真節(jié)點數(shù)量，直到仿真規(guī)模達到50，得到信道利用率隨網(wǎng)絡負載的變化規(guī)律如圖13所示，可見信道利用率隨網(wǎng)絡負載的變化規(guī)律為：在從站節(jié)點數(shù)達到35個前，趨向直線增長；直到從站數(shù)為35時

圖13 信道利用率隨網(wǎng)絡負載變化曲線

出現(xiàn)極值85.3%，而后在80%上下波動。說明Link16網(wǎng)絡最佳負載在35，信道最大利用率在80%左右，此時對應于信道的最大吞吐量。

4 結(jié) 語

將Exata引入到數(shù)據(jù)鏈通信課程設計中來，通過實踐發(fā)現(xiàn)，大部分同學在規(guī)定的時間內(nèi)完成了設計，達到了綜合性設計的目的，既鞏固、訓練了學生的專業(yè)知識，又促進了學生其他技能的提高，對后續(xù)課程的學習以及學生適應日后工作都大有裨益?；贓xata仿真數(shù)據(jù)鏈教學平臺的引入，極大地改善了原來用數(shù)據(jù)鏈實裝設備不足、難以實現(xiàn)數(shù)據(jù)鏈組網(wǎng)的狀況，增強了實驗的多樣性，擴大了實驗范圍，使學生在學習中揚長避短，這對培養(yǎng)學生思維能力是有效的不但將數(shù)據(jù)鏈通信課程中較難理解的內(nèi)容，通過軟件仿真形象生動地展現(xiàn)出來，使學生對知識的理解更加透徹，而且能有效地提高學生學習的興趣和熱情，培養(yǎng)學生自我學習、創(chuàng)新學習的能力。

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Research and Design on Data Link Communication Teaching Platform Based on Exata

MAJun-kai，LILi-hua

(School of Electronic Engineering, Naval University of Engineering, PLA, Wuhan 430033, China)

For lack of practical operation equipment in the course of data link communications in military academies, this paper designs a data link hardware-in-the-loop network simulation platform. Firstly, it introduces the structure and characteristics of network simulation tool of Exata, and then designs a multimodal Link 16 data link hardware-in-the-loop network simulation based on TMDA protocol. Also, it elaborates on the process of hardware-in-the-loop data link communication equipment of large-scale which is based on Exata, and arrived at a conclusion. According to the simulation result, this platform can meet the requirement of data link communication in teaching, and can make students get a deeper understanding of the data link communication transmission process through watching network operation animation and analyzing network simulation data. It greatly improves the teaching efficiency.

Exata simulation; data link communication; hardware-in-the-loop simulation; TDMA protocol

2014-11-10

海軍工程大學科學研究基金資助項目(HGDQNJJ020)

馬俊凱(1983-)，男，回族，河南信陽人，碩士，講師，主要研究方向：無線通信。

Tel.：18162625305; E-mail：752968873@qq.com

TP 391.9

A

1006-7167(2015)10-0124-05