基于QualNet的Link 16網(wǎng)絡(luò)仿真研究*

李　超　肖延年　方　標(biāo)

(1.海軍裝備研究院　北京　100161)(2.91566部隊(duì)　旅順　116043)(3.92723部隊(duì)　北京　100841)

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基于QualNet的Link 16網(wǎng)絡(luò)仿真研究*

李超1肖延年2方標(biāo)3

(1.海軍裝備研究院北京100161)(2.91566部隊(duì)旅順116043)(3.92723部隊(duì)北京100841)

摘要針對(duì)Link 16數(shù)據(jù)鏈的時(shí)分多址傳輸特性,參考戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈分層模型,設(shè)計(jì)了Link 16協(xié)議體系參考模型。結(jié)合網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)仿真軟件QualNet的系統(tǒng)構(gòu)架,分析了在QualNet環(huán)境下數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)仿真的關(guān)鍵技術(shù),對(duì)Link16進(jìn)行模擬仿真。仿真結(jié)果表明網(wǎng)絡(luò)性能良好,基本滿足了消息傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性和可靠性,為我軍進(jìn)一步研究數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)提供了參考。

關(guān)鍵詞數(shù)據(jù)鏈; 網(wǎng)絡(luò)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

數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建和應(yīng)用實(shí)現(xiàn)了戰(zhàn)場(chǎng)信息的實(shí)時(shí)傳輸和各作戰(zhàn)單元的無(wú)縫連接、情報(bào)共享。數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò)的仿真作為研究數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò)性能的一種行之有效的手段正在受到越來(lái)越多的重視。在數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)的生命周期中,仿真是不可缺少的一個(gè)環(huán)節(jié),不論是系統(tǒng)技戰(zhàn)指標(biāo)的論證、方案的選擇、關(guān)鍵技術(shù)的突破、協(xié)議的設(shè)計(jì)、網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的選取,還是系統(tǒng)作戰(zhàn)效能的評(píng)估都必須通過(guò)仿真對(duì)其進(jìn)行支撐[3~4]。精確的建模和仿真,詳細(xì)的網(wǎng)絡(luò)分析可以給決策者提供有力、可靠的參考。QualNet網(wǎng)絡(luò)仿真軟件作為一套快速和精確的網(wǎng)絡(luò)仿真分析工具,能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜的基礎(chǔ)設(shè)施間的通訊模擬和滿足數(shù)字化戰(zhàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架的需求。另一方面,通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)對(duì)系統(tǒng)典型參數(shù)與性能的制約關(guān)系進(jìn)行深入分析,可以得出數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)設(shè)計(jì)、仿真、使用時(shí)應(yīng)注意的問(wèn)題。

2基于QualNet的Link 16網(wǎng)絡(luò)仿真模型設(shè)計(jì)

2.1QualNet仿真的系統(tǒng)構(gòu)架

QualNet[5]是一種應(yīng)用于無(wú)線、有線以及動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò),具有快速、精確特性的網(wǎng)絡(luò)開(kāi)發(fā)、仿真系統(tǒng)。與其他網(wǎng)絡(luò)仿真軟件相比,QualNet的主要不同之處在于: 1) QualNet包含大量預(yù)設(shè)的模型、協(xié)議和算法,兼容移動(dòng)模型、地形模型、地理模型,可實(shí)現(xiàn)對(duì)預(yù)定義節(jié)點(diǎn)軌跡的模擬; 2) 層和層之間都有開(kāi)放接口,使現(xiàn)有代碼的靈活性和集成度都達(dá)到最大化; 3) 擁有相當(dāng)好的高度模塊化設(shè)計(jì),有一套非常清楚的建模范例; 4) 具有可用性、可修改性、可擴(kuò)展性,自帶200多個(gè)常用的C函數(shù),支持純C/C++開(kāi)發(fā),便于和用戶自己編寫(xiě)的軟件相連接; 5) 圖形和算術(shù)工具便于實(shí)驗(yàn)建立、監(jiān)視和后續(xù)數(shù)據(jù)處理; 6) 文檔齊全,便于自主學(xué)習(xí)研究; 7) 可實(shí)現(xiàn)并行分布式仿真,使建模速度加快了幾十倍。

QualNet是基于層的構(gòu)架進(jìn)行組織的,各層定義有對(duì)應(yīng)的協(xié)議,協(xié)議之間的通信使用定義好的應(yīng)用編程接口API函數(shù),每一個(gè)節(jié)點(diǎn)都有一個(gè)協(xié)議棧,協(xié)議就分布在相應(yīng)功能層中。協(xié)議中服務(wù)的選擇、確定是通過(guò)QualNet的事件處理機(jī)制進(jìn)行的。各層定義、功能和服務(wù)協(xié)議見(jiàn)表1。

表1　QualNet分層定義、協(xié)議及功能

QualNet和其他網(wǎng)絡(luò)仿真軟件一樣采用基于離散事件下的處理機(jī)制,事件可以是一個(gè)突發(fā)事件,如報(bào)文到達(dá);也可以是一個(gè)在特定時(shí)間內(nèi)發(fā)生的事件,如定時(shí)報(bào)警。即事件可理解成仿真器要執(zhí)行或準(zhǔn)備執(zhí)行的某一個(gè)動(dòng)作。事件是分級(jí)進(jìn)行處理的,事件處理就是代碼對(duì)事件的響應(yīng)。QualNet的核心就是通過(guò)事件處理機(jī)制調(diào)用合適的函數(shù)來(lái)處理消息。事件多級(jí)處理[3]及其需要調(diào)用的源代碼函數(shù)如下:

1) 確定屬于這個(gè)節(jié)點(diǎn)的哪一層:/main/node.cpp: NODE_ProcessEvent

2) 確定屬于這個(gè)層的哪個(gè)協(xié)議:/main/application.cpp: APP_ProcessEvent and /main/network.cpp: NETWORK_ProcessEvent

3) 確定屬于這個(gè)協(xié)議中的哪個(gè)事件:/libraries/developer/src/app_cbr.cpp: AppLayerCbrClient and /libraries/developer/src/routing_rip.cpp: RipProcessEvent

（2）法制建設(shè)不健全，法制觀念淡薄。盡管我國(guó)針對(duì)建筑市場(chǎng)的不正之風(fēng)制定了一系列法律法規(guī)，但對(duì)一些違法行為缺乏相應(yīng)的處罰條款，各方主體法制觀念淡薄，一些單位和個(gè)人仍然知法犯法，有些人根本不學(xué)法、不守法，我行我素，膽子很大，沒(méi)有絲毫規(guī)矩和約束，心存僥幸心理，以身試法。

2.2基于QualNet的Link 16網(wǎng)絡(luò)仿真模型

Link 16是一種視距、廣播、戰(zhàn)術(shù)通信系統(tǒng),它劃分了十三個(gè)功能域,又進(jìn)一步劃分為二十四個(gè)網(wǎng)絡(luò)參與組,各功能域的戰(zhàn)術(shù)信息的業(yè)務(wù)統(tǒng)計(jì)特性有所不同,戰(zhàn)術(shù)信息按照J(rèn)系列格式化消息規(guī)范,采用STDP、P2SP、PSDP、P4SP四種消息封裝格式封裝為格式化消息,各種消息封裝格式的信息容量不同。Link 16采用TDMA方式組網(wǎng),各網(wǎng)絡(luò)成員按照時(shí)隙分配方案采用專用、競(jìng)爭(zhēng)或時(shí)隙重分配接入模式占用時(shí)隙發(fā)射消息,無(wú)線傳播采用跳頻、擴(kuò)頻相結(jié)合的方式,通信信號(hào)工作在960MHz~1206MHz頻段。Link 16中,時(shí)隙資源以時(shí)隙塊的形式分配給各個(gè)參與組中的各網(wǎng)絡(luò)成員。

參考戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈參考模型(Tactical Data Link Reference Model,TDLRM)的六層模型(即任務(wù)層、應(yīng)用層、服務(wù)層、網(wǎng)絡(luò)層、鏈路層、物理層),結(jié)合QualNet的系統(tǒng)分層架構(gòu),針對(duì)各層的功能劃分討論Link 16的協(xié)議體系參考模型[6~7]。

· 任務(wù)層:使用統(tǒng)一的作戰(zhàn)文書(shū)樣式描述作戰(zhàn)任務(wù),將來(lái)自用戶的作戰(zhàn)任務(wù)進(jìn)行分解,并能夠?qū)?lái)自應(yīng)用層的多種具體作戰(zhàn)任務(wù)綜合成戰(zhàn)術(shù)或戰(zhàn)略層面的作戰(zhàn)任務(wù)。對(duì)于Link 16來(lái)說(shuō),即是為實(shí)現(xiàn)某一特定的軍事任務(wù)調(diào)用Link 16的多項(xiàng)功能?？梢钥闯?在Link 16中任務(wù)層功能比較簡(jiǎn)單,同時(shí)考慮到QualNet網(wǎng)絡(luò)仿真軟件設(shè)計(jì)時(shí)的層次特點(diǎn),將任務(wù)層的功能合并到應(yīng)用層;

· 應(yīng)用層:針對(duì)特定的作戰(zhàn)任務(wù),采用抽象語(yǔ)法對(duì)作戰(zhàn)任務(wù)進(jìn)行描述,根據(jù)應(yīng)用進(jìn)程協(xié)議,實(shí)現(xiàn)各種戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)的具體應(yīng)用。在Link 16中,即十三種功能域的應(yīng)用;

· 服務(wù)層:服務(wù)層將來(lái)自上層的戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)封裝為格式化報(bào)文,并將來(lái)自下層的格式化報(bào)文還原為戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)信息送往應(yīng)用層,也就是Link 16中的J系列格式化消息格式和消息交換協(xié)議。對(duì)應(yīng)于QualNet中傳輸層;

· 網(wǎng)絡(luò)層:實(shí)現(xiàn)Link 16的廣播通信和消息的中繼轉(zhuǎn)發(fā),對(duì)應(yīng)于QualNet中網(wǎng)絡(luò)層;

· 鏈路層:提供點(diǎn)到點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸,在物理層提供比特流傳輸服務(wù)的基礎(chǔ)上,在通信的實(shí)體之間建立數(shù)據(jù)鏈路,傳送以幀為單位的數(shù)據(jù),實(shí)現(xiàn)TDMA多址接入方式,并實(shí)現(xiàn)Link 16的時(shí)隙接入方式,包括專用接入以及競(jìng)爭(zhēng)接入,對(duì)應(yīng)于QualNet中鏈路/MAC層;

· 物理層:利用物理傳輸介質(zhì)為數(shù)據(jù)鏈路層提供物理連接,以便透明地傳送比特流。主要指跳頻、擴(kuò)頻、編碼、調(diào)制以及無(wú)線信道傳輸,對(duì)應(yīng)于QualNet中物理層。

3仿真實(shí)驗(yàn)與性能分析

3.1搭建Link 16網(wǎng)絡(luò)仿真模型

利用上述基于QualNet的Link 16網(wǎng)絡(luò)仿真模型,對(duì)其工作過(guò)程進(jìn)行原理性仿真[8~10]。利用仿真平臺(tái)搭建的網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景如圖1所示,參數(shù)配置為:仿真范圍5000m×5000m;仿真時(shí)間為100s;地圖模型取為california_south_sky_light.jpg;網(wǎng)絡(luò)中共有10個(gè)節(jié)點(diǎn),無(wú)主從站之分,其中節(jié)點(diǎn)1為網(wǎng)絡(luò)時(shí)間基準(zhǔn)(NTR)單元,處于靜止?fàn)顟B(tài),其余都是JTIDS網(wǎng)絡(luò)單元,都為移動(dòng)節(jié)點(diǎn),機(jī)載移動(dòng)速度200m/s,艦載移動(dòng)速度15m/s,車載移動(dòng)速度10m/s,士兵移動(dòng)速度1m/s,所有節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)鏈業(yè)務(wù)類型均為MCBR(組播的恒定比特率)業(yè)務(wù);通信協(xié)議:TDMA—采用時(shí)間片輪回機(jī)制,為整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中的10個(gè)節(jié)點(diǎn)分配一個(gè)均等的時(shí)隙,時(shí)隙持續(xù)時(shí)間5ms,時(shí)隙保護(hù)時(shí)間0.1ms,每時(shí)幀包含18個(gè)時(shí)隙,相鄰時(shí)幀間隔1ms。物理層模型:QualNet環(huán)境下的抽象模型,在此基礎(chǔ)上添加編碼、調(diào)制、跳擴(kuò)頻、無(wú)線信道等處理,信道傳輸速率R=1Mbps,同時(shí)選擇全向天線模型(Omnidirectional)、雙徑傳播路徑損傷模型(Two Ray Pathloss Model)、瑞利衰減模型(Rayleigh Fading Model)和常數(shù)分布遮蔽陰影模型(Constract Shadowing Model);業(yè)務(wù)類型為CBR(恒定比特率),NTR向每個(gè)網(wǎng)絡(luò)成員發(fā)送60個(gè)CBR分組,且每個(gè)分組70個(gè)字節(jié),傳輸起始時(shí)間為5s,結(jié)束時(shí)間為90s。

場(chǎng)景設(shè)計(jì)圖和運(yùn)行演示圖如圖1、圖2所示。

圖1　Link16數(shù)據(jù)鏈仿真場(chǎng)景設(shè)計(jì)圖

3.2性能參數(shù)分析

利用QualNet提供的結(jié)果分析器(Analyzer)對(duì)仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和分析,圖3顯示了Link 16網(wǎng)絡(luò)模型各節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)分組成功接收率,同時(shí),還可以統(tǒng)計(jì)出以下性能指標(biāo):吞吐量、響應(yīng)時(shí)間、入網(wǎng)時(shí)間、端到端時(shí)延、時(shí)隙利用率等,這里不依次作詳細(xì)介紹。

圖2　Link16數(shù)據(jù)鏈運(yùn)行演示圖

網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)分組成功接收率是指信宿成功接收分組的概率。通過(guò)仿真分析各節(jié)點(diǎn)的成功接收分組的概率可以檢測(cè)整個(gè)數(shù)據(jù)鏈路的信息傳輸可靠性,圖3為各節(jié)點(diǎn)的仿真結(jié)果。

由上節(jié)參數(shù)設(shè)置可知,NTR向每一個(gè)JTIDS單元共發(fā)送60個(gè)分組,則節(jié)點(diǎn)9、10的成功接收率較低,5、6、8基本在60%左右,空中節(jié)點(diǎn)移動(dòng)速度較快,艦載由于移動(dòng)距NTR越來(lái)越遠(yuǎn),導(dǎo)致了網(wǎng)絡(luò)性能的下降?？傮w趨勢(shì)來(lái)看,數(shù)據(jù)的成功接收概率基本保持在60%以上,保證了網(wǎng)絡(luò)的可靠性。

圖3　成功接收分組數(shù)

4結(jié)語(yǔ)

本文首先對(duì)QualNet的仿真特點(diǎn)和系統(tǒng)構(gòu)架進(jìn)行了闡述和介紹,在分析Link 16技術(shù)特性的基礎(chǔ)上,參考了TDLRM六層模型,在QualNet下設(shè)計(jì)Link 16分層模型。為了統(tǒng)計(jì)和分析數(shù)據(jù)鏈中重要參數(shù),搭建了實(shí)際軍事網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景,對(duì)所設(shè)計(jì)的Link 16模型進(jìn)行了模擬仿真,并對(duì)仿真結(jié)果中數(shù)據(jù)包成功接收分組數(shù)這一參數(shù)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析。下一步工作可以在得到的網(wǎng)絡(luò)性能參數(shù)的基礎(chǔ)上繼續(xù)深入分析數(shù)據(jù)鏈的組網(wǎng)技術(shù)體制和跨層通信機(jī)制,同時(shí)針對(duì)數(shù)據(jù)鏈的多鏈情況和跨層協(xié)議繼續(xù)研究,通過(guò)不斷仿真實(shí)踐,進(jìn)一步提高和改善數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò)的性能。

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中圖分類號(hào)TP311

DOI:10.3969/j.issn.1672-9730.2016.03.023

作者簡(jiǎn)介:李超,男,碩士,工程師,研究方向:電子信息系統(tǒng)、電磁兼容、標(biāo)準(zhǔn)化。肖延年,男,碩士,研究方向:航空通信。方標(biāo),男,博士,工程師,研究方向:數(shù)據(jù)鏈通信,盲信號(hào)處理。

收稿日期:2015年9月9日,修回日期:2015年10月25日