基于LTE的分布式無人作戰(zhàn)平臺星型網(wǎng)絡(luò)性能分析

羅鴻秋,胡圣波,2*,莫金容

(1.貴州師范大學(xué) 智能信息處理研究所，貴州 貴陽 550025；2.貴州省教育廳射頻識別與傳感網(wǎng)絡(luò)工程中心，貴州 貴陽 550025)

0 引言

從海灣戰(zhàn)爭、科索沃戰(zhàn)爭到阿富汗戰(zhàn)爭、伊拉克戰(zhàn)爭，再到敘利亞戰(zhàn)爭，無人戰(zhàn)車在信息化戰(zhàn)爭中成為戰(zhàn)場不可或缺的重要角色[1-2]。近年來，隨著無線通信與人工智能發(fā)展，分布式作戰(zhàn)成為一種新的作戰(zhàn)范式，代表著未來作戰(zhàn)的方向[3]，而無人戰(zhàn)車將成為這種新的作戰(zhàn)范式的主要裝備。分布式作戰(zhàn)的新范式對復(fù)雜地形環(huán)境下的自動化指揮系統(tǒng)(Command,control,communications,computers intelligence,surveillance and reconnaissance,C4ISR)提出了更高的要求，而這對分布式無人戰(zhàn)車(Distributed unmanned combat vehicle,D-UCV)上下級之間的指揮通信又提出了更嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。

截至目前，對于分布式無人作戰(zhàn)平臺已有大量研究。比如Long等[4]運用復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論對分布式戰(zhàn)斗網(wǎng)絡(luò)進行了研究；Fan等[5]根據(jù)協(xié)同作戰(zhàn)的實際情況，提出了基于復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的新型無人協(xié)同作戰(zhàn)網(wǎng)絡(luò)模式建設(shè)方法；劉詩瑤等[6]提出了無人作戰(zhàn)系統(tǒng)指控網(wǎng)絡(luò)可控性優(yōu)化方法等。盡管這些研究兼具多種類型的特點，然而并沒有考慮網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)對分布式無人作戰(zhàn)平臺通信的影響，本文擬解決此問題。

此外，近年以長期演進(Long term evolution,LTE)為主要內(nèi)容的5G無線通信已成為全球高技術(shù)領(lǐng)域競爭熱點。LTE技術(shù)具有傳輸速率高、頻譜效率高、抗衰落強等特點，是4G、5G通信的關(guān)鍵技術(shù)，具有很好的發(fā)展前景[7-8]。正因為如此，如將LTE應(yīng)用于分布式無人作戰(zhàn)平臺，則能夠滿足D-UCV對于復(fù)雜地形環(huán)境的通信需求。此外，采用LTE技術(shù)，也可為未來無線網(wǎng)絡(luò)與分布式無人作戰(zhàn)平臺之間數(shù)據(jù)傳輸提供重要支持[9]。

因此，本文通過搭建一個LTE無線基站和12輛D-UCV的分布式無人作戰(zhàn)平臺星型網(wǎng)絡(luò)拓撲，以模擬指揮車與D-UCV群之間通信與數(shù)據(jù)傳輸場景，并采用NS3研究該場景指揮車與D-UCV上下行鏈路通信的網(wǎng)絡(luò)性能，以為分布式無人作戰(zhàn)平臺無線通信系統(tǒng)的研究和設(shè)計提供一些理論支持[10-11]。

1 LTE基本原理

1.1 LTE網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

LTE系統(tǒng)與第三代合作伙伴計劃(3rd Generation partnership project,3GPP)系統(tǒng)相似，空中接口在無線接入網(wǎng)終止。LTE系統(tǒng)架構(gòu)主要分為兩部分，一是演進后的核心網(wǎng)，二是演進后的無線接入網(wǎng)[12]。LTE網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)了全IP路由，其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)趨近于IP帶寬結(jié)構(gòu)，最大優(yōu)勢在于低時延、低成本及高吞吐量等，又適用于分布式無人作戰(zhàn)平臺。

LTE網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖1所示。無線接入網(wǎng)管理無線資源，以保證傳輸數(shù)據(jù)的安全。無線基站連接到提供網(wǎng)絡(luò)空中接口的用戶設(shè)備。無線接入網(wǎng)和核心網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)組件通過標(biāo)準(zhǔn)接口連接。核心網(wǎng)能夠在保持給定的服務(wù)質(zhì)量(Quality of service,QoS)條件下，同時與網(wǎng)絡(luò)和用戶設(shè)備交換數(shù)據(jù)包。核心網(wǎng)包括家庭用戶服務(wù)、策略控制和計費規(guī)則功能、移動性管理實體、分組數(shù)據(jù)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)和服務(wù)網(wǎng)關(guān)。

圖1 LTE系統(tǒng)架構(gòu)Fig.1 System architecture for LTE

1.2 LTE協(xié)議架構(gòu)

LTE系統(tǒng)的接口協(xié)議可以分成用戶面和控制面兩部分[12]。用戶面保證數(shù)據(jù)流進行可靠性傳輸；控制面主要涉及控制和支撐用戶面功能，包括無線接入網(wǎng)的無線資源管理請求、控制網(wǎng)絡(luò)接入屬性等來滿足用戶需求的變化，控制面內(nèi)主要傳輸?shù)臑樾帕盍鳌?/p>

在分布式無人作戰(zhàn)通信的數(shù)據(jù)處理過程中，LTE系統(tǒng)可分解成不同的協(xié)議層，數(shù)據(jù)以IP形式傳送，通過多個協(xié)議層實體進行處理[13-14]。其中，物理層處理編譯碼、調(diào)制解調(diào)以及其他功能；媒體訪問層執(zhí)行重傳與上下行調(diào)度；無線鏈路控制層用來實現(xiàn)分段與連接、重傳處理以及高層數(shù)據(jù)的順序傳送；分組數(shù)據(jù)匯聚層執(zhí)行頭壓縮以減少無線接口必須傳送的比特流量。本文的仿真主要針對無線鏈路控制層進行數(shù)據(jù)分析。LTE系統(tǒng)用戶面?zhèn)鬏數(shù)目傮w協(xié)議架構(gòu)如圖2所示。

圖2 LTE系統(tǒng)用戶協(xié)議架構(gòu)Fig.2 User-plane protocol architecture for LTE system

圖3給出LTE系統(tǒng)控制面?zhèn)鬏數(shù)目傮w協(xié)議架構(gòu)。非接入層協(xié)議主要管理用戶設(shè)備和移動性管理實體之間的信息傳輸，無線資源控制層支持用戶設(shè)備和LTE無線基站間多種功能的最為關(guān)鍵的信令協(xié)議。

圖3 LTE系統(tǒng)控制協(xié)議架構(gòu)Fig.3 Control plane protocol architecture for LTE system

2 網(wǎng)絡(luò)拓撲

網(wǎng)絡(luò)拓撲是指用傳輸媒體互聯(lián)各種設(shè)備的物理布局。星型結(jié)構(gòu)是目前應(yīng)用最廣、實用性最好的一種拓撲結(jié)構(gòu)[15-16]。星型網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點通過點到點方式連接到中央節(jié)點，中央節(jié)點向目的節(jié)點傳送信息，執(zhí)行集中式通信控制策略。作為運用最為古老的連通結(jié)構(gòu)，星型網(wǎng)絡(luò)拓撲具有結(jié)構(gòu)簡單，網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)快、容易維護，故障容易檢測和隔離，可以很方便地排除故障節(jié)點等優(yōu)勢[15]，被廣泛應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)智能集中于中央節(jié)點的場合[17-18]，尤其受到軍事領(lǐng)域的青睞，用于滿足D-UCV對于復(fù)雜地形環(huán)境的數(shù)據(jù)通信需求。

因此，本文采用星型結(jié)構(gòu)作為仿真環(huán)境搭建的網(wǎng)絡(luò)拓撲，基于NS3構(gòu)建的LTE無線基站與12輛D-UCV之間的星型網(wǎng)絡(luò)拓撲如圖4所示。節(jié)點1-12分別對應(yīng)第1-12輛D-UCV，圖中坐標(biāo)(0.0,0.0)為LTE無線基站位置。

圖4 指揮車與分布式無人戰(zhàn)車星型網(wǎng)絡(luò)拓撲Fig.4 Star network topology between the command vehicle and the D-UCV

3 仿真環(huán)境和網(wǎng)絡(luò)參數(shù)

3.1 仿真工具NS3

目前對基于LTE的分布式無人作戰(zhàn)通信系統(tǒng)仿真主要有兩種途徑：第一種是采用通用計算機語言或?qū)ｉT用于離散事件仿真的計算機語言編程，實現(xiàn)對通信系統(tǒng)仿真；第二種是借助已有的仿真工具進行仿真，提供一種新的通信系統(tǒng)設(shè)計和優(yōu)化方法。采用第一種仿真方法難度大且通用性差，而借助專用仿真工具不需要大量編程，通用性好，很容易實現(xiàn)通信系統(tǒng)仿真，是通信系統(tǒng)仿真發(fā)展方向[19]。為了解基于LTE的分布式無人作戰(zhàn)平臺在整個網(wǎng)絡(luò)中的通信性能，需要考慮的不僅是通信系統(tǒng)的本身特性，更多的要考慮作為整體網(wǎng)絡(luò)的運行狀況[19-20]，所以本文將選擇通信網(wǎng)絡(luò)仿真工具，對基于LTE的D-UCV通信進行仿真。目前有一系列高質(zhì)量網(wǎng)絡(luò)仿真工具，主要包括兩種類型：一種基于大型網(wǎng)絡(luò)，例如作戰(zhàn)跟蹤網(wǎng)絡(luò)仿真技術(shù)軟件(Operational tracking network,OPNET)；二是基于小型網(wǎng)絡(luò)，例如網(wǎng)絡(luò)仿真器2(Network simulator 2,NS-2)、NS3等。

NS3是一個開放和可擴展的軟件[21]，是理想的分布式無人作戰(zhàn)網(wǎng)絡(luò)仿真工具，具有各種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，如TCP服務(wù)流、開/關(guān)服務(wù)流、分層路由、組播路由、靜態(tài)路由、動態(tài)路由等。它支持局域網(wǎng)、廣域網(wǎng)、無線移動網(wǎng)絡(luò)和衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的模擬。廣泛借鑒當(dāng)前主流仿真器NS2、YANS和GTNets的成功經(jīng)驗和其他新技術(shù)，該項目于2006年開始進行高效仿真；核心和各種功能模塊由C++代碼完成。本文仿真使用的是Linux平臺上的最新版本NS3.31。

3.2 仿真場景

仿真場景由一個LTE無線基站指揮車主節(jié)點及十二個D-UCV從節(jié)點組成，如圖5所示。LTE無線基站與D-UCV之間上下行通信鏈路的吞吐量、丟包率以及時延是不同的[22]，具體將在第四節(jié)進行分析。

圖5 仿真場景Fig.5 Simulation scenario

3.3 仿真參數(shù)設(shè)置

針對基于LTE的分布式無人作戰(zhàn)平臺星型網(wǎng)絡(luò)，NS3參數(shù)設(shè)置如表1所示：

表1 參數(shù)設(shè)置Tab.1 Parameter settings

4 仿真結(jié)果

需要說明的是，圖5場景中的每條鏈路情況相同。因此，為了分析方便，任選其中一條鏈路分析，并針對分布式無人作戰(zhàn)LTE星型網(wǎng)絡(luò)的吞吐量、丟包率和時延進行分析。

吞吐量是鏈路每秒成功傳送到目的節(jié)點的位數(shù)[23]。根據(jù)LTE無線基站與D-UCV之間的無線鏈路數(shù)據(jù)傳輸和接收的總字節(jié)分析了吞吐量，以Kb/s為單位。圖6給出LTE無線基站與D-UCV上下行鏈路0～1 s吞吐量曲線圖。結(jié)果表明，吞吐量均在0.5 s后接近飽和，其數(shù)值可達到5 000 Kpbs。吞吐量的數(shù)值越高，性能就越強。說明星型網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，LTE無線基站與D-UCV之間通信數(shù)據(jù)得到了有效傳輸，且傳輸性能較穩(wěn)定。

圖6 吞吐量Fig.6 Throughput

圖7顯示了指揮車與D-UCV上下行鏈路0～1 s丟包率變化情況。丟包率指鏈路通信丟失數(shù)據(jù)包數(shù)量占總發(fā)送數(shù)據(jù)的比率[23]。數(shù)字通信中，丟包被區(qū)分為3種主要的錯誤類型之一，另外兩種是比特錯誤和由于噪聲造成的假包?；贚TE的分布式無人作戰(zhàn)通信的丟包問題要復(fù)雜得多，因為無線鏈路會出現(xiàn)傳輸錯誤，而且網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)會動態(tài)變化。圖6中吞吐量曲線起伏的原因是由0～0.5 s丟包率曲線的波動引起的。吞吐量隨著丟包率的降低而增加，因為更多的數(shù)據(jù)包可以在沒有重傳的情況下被接收。重傳會延遲丟失數(shù)據(jù)包的交付時間，因此，降低了吞吐量。由圖7可見，丟包率保持在0.4 Kb/s左右的較低水平。結(jié)果表明，采取星型拓撲，LTE無線基站與D-UCV通信能夠有效實現(xiàn)較好的數(shù)據(jù)傳輸。

圖7 丟包率Fig.7 Packet loss rate

端到端時延指源節(jié)點產(chǎn)生的數(shù)據(jù)與其在目的地節(jié)點成功交付之間的平均時間間隔，定義為總時延與接收數(shù)據(jù)包的比率。圖8給出LTE無線基站與D-UCV上下行鏈路的端到端時延變化情況。由圖8可見，時延最終保持在0.003 s。較小的端到端時延可提高網(wǎng)絡(luò)性能。結(jié)果表明，LTE無線基站與D-UCV使用星型網(wǎng)絡(luò)拓，可使通信鏈路利用率高，網(wǎng)絡(luò)運行具有實時性和可靠性等優(yōu)良性能。

圖8 時延Fig.8 Delay

5 結(jié)論

網(wǎng)絡(luò)吞吐量、丟包率和時延反映傳輸鏈路的通信性能，在一定程度上會影響控制站對D-UCV的有效控制。本文在LTE無線基站與12輛D-UCV的星型網(wǎng)絡(luò)拓撲基礎(chǔ)上，研究了其上行、下行通信鏈路不同參數(shù)的網(wǎng)絡(luò)性能。仿真結(jié)果表明，采用LTE技術(shù)及星型拓撲，能夠為LTE無線基站與D-UCV的通信提供高吞吐量、低丟包率和低時延，可保證分布式無人作戰(zhàn)平臺星型網(wǎng)絡(luò)的高QoS，是未來分布式無人戰(zhàn)車無線通信組網(wǎng)的理想選擇。