半實(shí)物仿真技術(shù)在流星突發(fā)通信中的應(yīng)用

于曉磊，王昕羽，宋建明，侯 靜

(1.中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081；2.西北工業(yè)大學(xué) 電子信息學(xué)院，陜西 西安 710072)

半實(shí)物仿真技術(shù)在流星突發(fā)通信中的應(yīng)用

于曉磊1，王昕羽1，宋建明1，侯 靜2

(1.中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081；2.西北工業(yè)大學(xué) 電子信息學(xué)院，陜西 西安 710072)

針對網(wǎng)絡(luò)仿真工具在流星突發(fā)組網(wǎng)協(xié)議仿真方面的不足，提出了應(yīng)用OPNET的SITL模塊來構(gòu)建流星突發(fā)組網(wǎng)協(xié)議仿真平臺的設(shè)計。根據(jù)系統(tǒng)在環(huán)原理，對包從虛擬到真實(shí)和從真實(shí)到虛擬的過程進(jìn)行了分析，并針對流星突發(fā)通信信道和流星突發(fā)通信網(wǎng)協(xié)議的特殊性，對流星突發(fā)通信網(wǎng)采用OPNET軟件進(jìn)行建模仿真，實(shí)現(xiàn)了物理設(shè)備和OPNET仿真網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)。完成了仿真實(shí)驗(yàn)并收集了網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)包的傳輸時延和信息通過量，仿真結(jié)果表明，半實(shí)物仿真平臺對流星突發(fā)通信網(wǎng)的仿真真實(shí)、可信。

SITL；半實(shí)物仿真；流星突發(fā)通信；OPNET仿真建模

0 引言

半實(shí)物仿真技術(shù)在通信領(lǐng)域中發(fā)揮著越來越明顯的作用。半實(shí)物仿真是指在計算機(jī)仿真回路中融入物理設(shè)備或系統(tǒng)來進(jìn)行仿真，計算機(jī)仿真可以在不使用大量物理設(shè)備的前提下來模擬大規(guī)模物理系統(tǒng)，物理設(shè)備或系統(tǒng)為計算機(jī)仿真提供必要的條件和結(jié)果驗(yàn)證，很大程度上提高了計算機(jī)仿真的真實(shí)性和可靠性。

流星突發(fā)通信是利用流星高速進(jìn)入大氣層時摩擦、燃燒而形成的電離余跡對VHF電波的反射或散射作用而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離通信的一種超視距無線通信方式[1]。它不受電離層干擾、核爆和太陽黑子爆發(fā)等惡劣電磁環(huán)境的影響，可有效保障最低限度通信和應(yīng)急通信指揮[2]。以往對流星余跡通信的研究大多是信道特性分析，對組網(wǎng)方式的研究較少。

在流星余跡通信系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)研究的基礎(chǔ)上[3]，利用OPNET半實(shí)物仿真模塊SITL建立網(wǎng)絡(luò)模型，并在網(wǎng)絡(luò)模型中加入流星余跡信道模型，對采用退N重傳協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)輸入不同參數(shù)進(jìn)行仿真分析[4]，得到系統(tǒng)具有最大網(wǎng)絡(luò)吞吐量和最小發(fā)數(shù)據(jù)包時延的條件，為流星余跡通信系統(tǒng)的技術(shù)突破和設(shè)備研制提供可靠依據(jù)[5]。

1 SITL仿真原理

SITL模塊為OPNET上運(yùn)行的仿真網(wǎng)絡(luò)與物理網(wǎng)絡(luò)的連接提供了接口，它能擴(kuò)展OPNET的功能，分析物理硬件與OPNET離散時間仿真之間的相互作用。數(shù)據(jù)包以真實(shí)數(shù)據(jù)包與虛擬數(shù)據(jù)包的形式流轉(zhuǎn)于仿真網(wǎng)絡(luò)和物理網(wǎng)絡(luò)。通過SITL模塊，物理硬件和仿真軟件可以結(jié)合成統(tǒng)一的系統(tǒng)[6-7]。

SITL模塊通過虛擬網(wǎng)關(guān)模型和虛擬鏈路模型將真實(shí)的物理設(shè)備連接到虛擬的仿真環(huán)境中，使得真實(shí)的物理設(shè)備成為仿真系統(tǒng)的一部分，如圖1所示。對于發(fā)送給仿真系統(tǒng)的數(shù)據(jù)包，SITL模塊通過winpcap抓包軟件把它們從網(wǎng)卡捕獲，然后OPNET仿真核心把它們轉(zhuǎn)換成OPNET可識別處理的格式，當(dāng)SITL接收到完整的數(shù)據(jù)包，就把這些數(shù)據(jù)包的關(guān)鍵信息傳遞給仿真中的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。最后各個節(jié)點(diǎn)還可把自己的仿真結(jié)果或參數(shù)通過socket通信回傳給物理設(shè)備。

圖1 半實(shí)物仿真模擬

2 流星突發(fā)信道及流星突發(fā)通信網(wǎng)協(xié)議

2.1 流星突發(fā)信道

通常流星余跡分為欠密余跡和過密余跡2種[8]。雖然過密余跡(信號持續(xù)時間也較長，據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計約1～5 s)反射信號能力強(qiáng)，但由于欠密余跡(據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計，其信號持續(xù)時間約200 ms，其強(qiáng)度比過密型約低10 dB)的發(fā)生概率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于過密余跡；而且在任何輻射頻率下，都可以把欠密余跡看作是幾乎不使入射波波前畸變的、互不相關(guān)的能量散射體，所以流星余跡通信更多的是依靠欠密余跡的散射來實(shí)現(xiàn)的[9]。根據(jù)欠密流星信道公式(式(1))和流星等待時間公式(式(2))及長期試驗(yàn)數(shù)據(jù)得到的流星到達(dá)率(MR)和可以通信的時間百分比(DC)的值來設(shè)置信道突發(fā)時間間隔和突發(fā)持續(xù)時間，用Matlab生成24 h類似于流余信道的信道參數(shù)[10]，并根據(jù)這些參數(shù)設(shè)置OPNET仿真中無線信道的各項(xiàng)參數(shù)[11]。

(1)

式中，PR表示接收到的功率電平；P0表示接收到某個余跡反射電波的初始功率電平；τ表示功率電平衰減常數(shù)，由信道參數(shù)決定。

P=1-e-Mt。

(2)

式中，P為流星在時間t內(nèi)出現(xiàn)的概率；M為流星密度或每小時流星突發(fā)數(shù)量；t為時間。

2.2 流星突發(fā)通信網(wǎng)協(xié)議

2.2.1 主站和主站之間的全雙工通信

主站和主站之間采用全雙工通信模式[12]，2個主站可以同時發(fā)送探測，當(dāng)探測到信道存在后，根據(jù)通信協(xié)議發(fā)送數(shù)據(jù)信息；同時把收到的數(shù)據(jù)記錄到緩存中，把要發(fā)送的數(shù)據(jù)包放置到發(fā)送隊(duì)列中去。當(dāng)信道消失后，通信雙方又回到探測模式。

2.2.2 主站和從站之間的半雙工通信

主站和從站之間采用半雙工通信，主站主動發(fā)起探測，從站則只有在收到探測信號后才能回傳應(yīng)答和信息。

2.2.3 自適應(yīng)變數(shù)率算法

協(xié)議根據(jù)接收端的信噪比變化支持從4～64 kbit/s的自適應(yīng)變速率通信模式[13]。

2.2.4 退N重傳算法

假定仿真中每個通信時隙，節(jié)點(diǎn)發(fā)送一個數(shù)據(jù)分組，傳輸過程中分組3接收錯誤，則接收節(jié)點(diǎn)向發(fā)送節(jié)點(diǎn)回復(fù)錯誤標(biāo)志，發(fā)送節(jié)點(diǎn)接收到錯誤標(biāo)志后，無論已發(fā)送到哪個分組，都從錯誤分組3按順序重新發(fā)送[14]，如圖2所示。

圖2 退N重傳機(jī)制示意

3 OPNET仿真建模

根據(jù)流星余跡系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和OPNET建模方式，主要有主站節(jié)點(diǎn)和從站節(jié)點(diǎn)這2類節(jié)點(diǎn)，二者模型相同，只不過其中的協(xié)議不同。將流星余跡通信系統(tǒng)仿真模型分為數(shù)據(jù)源模塊、接收統(tǒng)計模塊、網(wǎng)絡(luò)層模塊、鏈路層模塊、發(fā)信機(jī)模塊、收信機(jī)模塊和天線這7個模塊。節(jié)點(diǎn)模型如圖3所示。

圖3 流星突發(fā)通信網(wǎng)節(jié)點(diǎn)模型

4 運(yùn)用監(jiān)控界面仿真分析驗(yàn)證

物理設(shè)備的監(jiān)控界面用以設(shè)置流星突發(fā)通信網(wǎng)協(xié)議參數(shù)并將參數(shù)組包通過socket通信發(fā)送到OPNET仿真設(shè)備，仿真設(shè)備通過SITL模塊將參數(shù)包解析成仿真軟件能讀取的包格式并運(yùn)行仿真程序。監(jiān)控界面如圖4所示。

圖4 參數(shù)設(shè)置界面

OPNET仿真設(shè)備運(yùn)行過程中可通過socket通信實(shí)時地將仿真統(tǒng)計數(shù)據(jù)發(fā)送到物理設(shè)備的監(jiān)控界面并成圖顯示，如圖5所示。

圖5 圖像顯示界面

圖5中最上段為端到端延遲，此次仿真最大值為600 s，即10 min，一條豎線的情況代表來了顆大流星；中間段為信息通過量，可見其隨著時間的變化而逐步增大，最終信息通過量為56 kbit；最下段為瞬時通過量，因?yàn)樽钚“膸L為120 bit，所以圖像為一條水平的直線，有點(diǎn)的時刻代表有流星通過。

5 結(jié)束語

本文主要研究了半實(shí)物網(wǎng)絡(luò)仿真中真實(shí)數(shù)據(jù)包與仿真數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)換接口的原理，介紹了利用SITL進(jìn)行數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)換的方法，并以流星突發(fā)通信網(wǎng)協(xié)議為基礎(chǔ)，按照物理設(shè)備—仿真網(wǎng)絡(luò)模式構(gòu)建半實(shí)物仿真平臺，在物理設(shè)備端向虛擬網(wǎng)絡(luò)端發(fā)送各種參數(shù)數(shù)據(jù)包并成功收到了仿真結(jié)果數(shù)據(jù)包，驗(yàn)證了物理設(shè)備可以與OPNET中的虛擬網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)通信。收集了流星突發(fā)通信網(wǎng)中數(shù)據(jù)包傳輸延遲和信息通過量，結(jié)果表明SITL半實(shí)物仿真有效地提高了流星突發(fā)通信網(wǎng)仿真的可信度，降低了實(shí)驗(yàn)、測試的成本，為大規(guī)模流星突發(fā)通信網(wǎng)系統(tǒng)的研究提供客觀、可靠的依據(jù)。

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于曉磊 男，(1983—)，工程師。主要研究方向：數(shù)字通信。

宋建明 男，(1982—)，碩士，高級工程師。主要研究方向：數(shù)字通信。

An Application of the Semi-physical Simulation Technique in Meteor Burst Communication

YU Xiao-lei1，WANG Xin-yu1，SONG Jian-ming1，HOU Jing2

(1.The54thResearchInstituteofCETC，ShijiazhuangHebei050081，China;2.SchoolofElectronicInformation，NorthwesternPolytechnicalUniversity，Xi’anShaanxi710072，China)

In order to overcome the deficiency of meteor burst network，this paper introduced a method of SITL construct simulation platform to support the network protocol of meteor burst.Based on the theory of system-in-loop，this paper analyses the packet from virtue to reality and its reverse process，models the network of meteor burst for the particularity of its protocol and the meteor channel，achieves the interconnection of physical equipment and OPNET simulation network.Finally,OPNET simulation experiment is performed and packet transmission delay and network throughput are collected.Simulation results indicate that our modelling results of the meteor burst network on the semi-physical simulation platform are true and trusted.

SITL;semi-physical simulation;meteor burst communication;OPNET modeling

10.3969/j.issn.1003-3106.2017.01.04

于曉磊,王昕羽,宋建明,等.半實(shí)物仿真技術(shù)在流星突發(fā)通信中的應(yīng)用[J].無線電工程,2017,47(1):16-18.

2016-11-22

國家部委基金資助項(xiàng)目。

TP391.9

A

1003-3106(2017)01-0016-03