李航 北京航空航天大學(xué)電子信息工程學(xué)院 100191

數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的評價方法研究

李航 北京航空航天大學(xué)電子信息工程學(xué)院 100191

數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)屬于高效的數(shù)字通信系統(tǒng)。通過對網(wǎng)絡(luò)性能需求的介紹，說明了數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)應(yīng)具備的通信能力，以及系統(tǒng)能夠提供技術(shù)支持，并結(jié)合網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的性能需求和應(yīng)用技術(shù)歸納了系統(tǒng)的評價內(nèi)容。在得到了系統(tǒng)評價內(nèi)容基礎(chǔ)上，總結(jié)出重點(diǎn)考察的衡量指標(biāo)及其評估方法。

數(shù)據(jù)鏈；網(wǎng)絡(luò)性能；評價

1.引言

數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)平臺間信息交互的功能，可用作軍用設(shè)施，能夠在不同的作戰(zhàn)平臺間形成緊密的戰(zhàn)術(shù)鏈接關(guān)系。由于該系統(tǒng)應(yīng)用于復(fù)雜地理環(huán)境和電磁環(huán)境，系統(tǒng)應(yīng)具有可靠的通信質(zhì)量，一定的實(shí)時性，以及穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)等特性。但是，單純從定性的角度分析很難反映網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的實(shí)際性能，更需要從定量的角度給出系統(tǒng)的性能參數(shù)，使得評價更加客觀，更具備說服力。網(wǎng)絡(luò)的評價準(zhǔn)則因網(wǎng)絡(luò)類型的不同而方法各異，而且對于此類具有特定用途的無線網(wǎng)絡(luò)更無統(tǒng)一的評價標(biāo)準(zhǔn)。本文所研究的評價方法針對數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，旨在為搭建網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)模型以及評估模型質(zhì)量提供一定的衡量依據(jù)。

2.網(wǎng)絡(luò)性能需求和關(guān)鍵技術(shù)

數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)是應(yīng)用于戰(zhàn)場環(huán)境下的網(wǎng)絡(luò)信息系統(tǒng)，從使用者的角度出發(fā)，系統(tǒng)應(yīng)提供持續(xù)的、可靠的通信服務(wù)，并且能夠?qū)τ脩魯?shù)量的變化，位置的移動，通信需求等級的不同做出快速反應(yīng)，保證使用者對網(wǎng)絡(luò)性能的需求。網(wǎng)絡(luò)性能需求可分為生存能力，互通性和網(wǎng)絡(luò)安全性三方面[1]，按此方法分類，基本可以涵蓋網(wǎng)絡(luò)使用者大部分的通信需求。

2.1 生存能力

生存能力主要包括保密性、入網(wǎng)可靠性和抗干擾性，并支持網(wǎng)內(nèi)成員實(shí)現(xiàn)視距通信，還可以通過中繼實(shí)現(xiàn)超視距通信。入網(wǎng)的可靠性體現(xiàn)在每個網(wǎng)絡(luò)成員能夠及時進(jìn)入和退出網(wǎng)絡(luò)而不影響其他用戶，同時成員也可以不考慮與其他用戶的相對位置，網(wǎng)絡(luò)運(yùn)作不會因一個成員丟失或損壞而受到影響。網(wǎng)絡(luò)接入采用同步時分多址(TDMA，Time Division Media Access)這種無節(jié)點(diǎn)接入方式，每個網(wǎng)絡(luò)成員根據(jù)網(wǎng)絡(luò)管理規(guī)定，輪流占用一定的時隙，廣播自身平臺所產(chǎn)生的信息；在不廣播時，則根據(jù)網(wǎng)絡(luò)管理規(guī)定，接收其他成員廣播信息。這種網(wǎng)絡(luò)接入方式不需要主站，只要以網(wǎng)絡(luò)中某個指定的成員為時間基準(zhǔn)，其他成員可以自由接入。

保密性和抗干擾性均需要系統(tǒng)保證持續(xù)提供通信服務(wù)，抵抗確定性干擾，常采用的技術(shù)措施包括檢錯編碼、直序擴(kuò)頻、前向糾錯編碼(FEC)等。前向糾錯編碼方式是指發(fā)送端發(fā)送能夠被糾錯的數(shù)據(jù)即經(jīng)過編碼的數(shù)據(jù)，接收端收到這些數(shù)據(jù)后，通過糾錯譯碼器自動發(fā)現(xiàn)錯誤并自動糾正在傳輸過程中因干擾而產(chǎn)生的錯誤，最終實(shí)現(xiàn)傳輸信息恢復(fù)，達(dá)到可靠通信目的[2]。屬于FEC之一的RS(Reed Solomon)碼是一種很好的線性分組糾錯碼，其糾錯能力很強(qiáng)，特別是在短的和中等碼長下的性能很接近理論值，且構(gòu)造方便，編譯碼設(shè)備也不復(fù)雜，因此新一代的數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)采用了RS的編碼方法。此外系統(tǒng)還在發(fā)射信號生成過程中還采用交織技術(shù)和CCSK編碼技術(shù)[3]，進(jìn)一步提高系統(tǒng)傳輸數(shù)據(jù)的可靠性和安全性。

2.2 互通性

良好的互通性主要包括兼容性和消息標(biāo)準(zhǔn)，從而使網(wǎng)絡(luò)成員之間實(shí)現(xiàn)可識別的數(shù)據(jù)交換。由于系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)擴(kuò)頻通信，將會影響到頻譜使用的兼容性問題及網(wǎng)絡(luò)成員環(huán)境的兼容性問題，此時需要合理選擇波形特征來匹配選定的頻帶；消息標(biāo)準(zhǔn)是成員之間數(shù)據(jù)交換的通信規(guī)范，對網(wǎng)絡(luò)的通信效率有著重要影響。

保證互通性的技術(shù)包括時隙分配和消息封裝結(jié)構(gòu)等。以北約Link16數(shù)據(jù)鏈為例，時隙的分配主要是從網(wǎng)內(nèi)成員所承擔(dān)的任務(wù)考慮的。網(wǎng)內(nèi)成員分成以下三種[4]：第一種任務(wù)執(zhí)行成員，特點(diǎn)是數(shù)量多，但發(fā)射的消息很少；第二種監(jiān)視、控制和指揮成員，它們數(shù)量很少，但數(shù)據(jù)發(fā)射次數(shù)要頻繁得多，典型例子包括地面上的戰(zhàn)斗報告中心和預(yù)警機(jī)；第三種空中接力成員，也是占用時隙最多的成員，占用的時隙相當(dāng)于系統(tǒng)內(nèi)其它成員所占用的時隙數(shù)總和。消息封裝結(jié)構(gòu)是網(wǎng)絡(luò)成員之間相互通信遵循的統(tǒng)一消息生成格式，一種典型的封裝結(jié)構(gòu)如圖1所示，這種封裝結(jié)構(gòu)稱為STDP封裝結(jié)構(gòu)[1]。

數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)可對不同的應(yīng)用需求提供不同的通信能力，如果需要高速、大數(shù)據(jù)量的通信，除了硬件設(shè)備需要做出更改之外，封裝結(jié)構(gòu)也要適當(dāng)增加數(shù)據(jù)段的長度，以適應(yīng)高速大容量的通信要求。

2.3 網(wǎng)絡(luò)安全

在這里網(wǎng)絡(luò)安全指的是保障網(wǎng)絡(luò)安全運(yùn)行，網(wǎng)絡(luò)的安全弱點(diǎn)將會使網(wǎng)絡(luò)的防御能力降低，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)癱瘓。網(wǎng)絡(luò)安全性的關(guān)鍵技術(shù)在不斷的更新中，在這里只涉及一些已公開的技術(shù)手段，包括編碼技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)接入方式等。這兩項(xiàng)技術(shù)與生存能力的關(guān)鍵技術(shù)類似，因此不再重述。

3.網(wǎng)絡(luò)性能評價內(nèi)容及方法

評價內(nèi)容根據(jù)網(wǎng)絡(luò)性能需求的不同，有不同的衡量指標(biāo)來評定系統(tǒng)的性能。下面分別對性能需求的三方面內(nèi)容做出評價分析：

生存能力：網(wǎng)絡(luò)生存能力以誤碼率，丟包率，吞吐量和延遲四項(xiàng)指標(biāo)來衡量。為了實(shí)現(xiàn)特定條件下的通信需求，網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)需要保證數(shù)據(jù)的可靠性，即信息經(jīng)過帶有干擾影響的信道抵達(dá)目的節(jié)點(diǎn)后，信息能夠完整地恢復(fù)(誤碼率)；在鏈路受到干擾條件下，網(wǎng)絡(luò)是否依然能夠保證數(shù)據(jù)的傳輸(丟包率和吞吐量)；端機(jī)對消息進(jìn)行處理的時間不能過長(延遲)；系統(tǒng)采用TDMA接入方式，各網(wǎng)絡(luò)成員和網(wǎng)絡(luò)同步，在各自的時隙接收和發(fā)送數(shù)據(jù)，要保證一定的實(shí)時性要求(延遲)。

互通性：網(wǎng)絡(luò)的帶寬利用率、時隙占空系數(shù)(TSDF)和消息結(jié)構(gòu)是網(wǎng)絡(luò)互通性的重要性能指標(biāo)。由于時分多址接入方式允許用戶共享傳輸頻帶，在通信中要對網(wǎng)絡(luò)占用的頻帶加以嚴(yán)格限制，以防止相互沖突。如何充分利用所劃分好的頻帶資源，是網(wǎng)絡(luò)互通性的體現(xiàn)之一；時隙分配情況需要靠時隙占空系數(shù)來反映；消息結(jié)構(gòu)既規(guī)定了網(wǎng)絡(luò)中各平臺的消息封裝方法，也對數(shù)據(jù)率有著決定性影響。需要說明的是，互通性的這三項(xiàng)指標(biāo)與網(wǎng)絡(luò)的整體設(shè)計直接相關(guān)，應(yīng)在系統(tǒng)測試之前確定。

網(wǎng)絡(luò)安全：網(wǎng)絡(luò)安全的衡量以網(wǎng)絡(luò)脆弱性分析為主要方法，采用網(wǎng)絡(luò)能夠在一個給定的邏輯環(huán)境下正常運(yùn)作的邏輯分析值為衡量指標(biāo)。網(wǎng)絡(luò)脆弱性分析是一種主動的網(wǎng)絡(luò)安全防御方法，通過對特定網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的分析，得到網(wǎng)絡(luò)整體防御狀態(tài)、網(wǎng)絡(luò)結(jié)點(diǎn)狀態(tài)等信息，為網(wǎng)絡(luò)管理員提供構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)安全策略的重要信息。本系統(tǒng)通過對網(wǎng)絡(luò)建立加權(quán)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淠Ｐ停u估網(wǎng)絡(luò)的脆弱性來反映網(wǎng)絡(luò)安全性能。

以上所提及的衡量指標(biāo)的評估方法將在第4節(jié)中給出，其中時隙占空系數(shù)雖然在系統(tǒng)測試前確定，但是其概念和計算方法需要特殊說明，具體解釋請看第4.4節(jié)。由于帶寬利用率和消息結(jié)構(gòu)并非通過實(shí)驗(yàn)確定，故指標(biāo)評估方法的討論中不包含這兩項(xiàng)指標(biāo)。

4.衡量指標(biāo)的評估方法

本小節(jié)對第3節(jié)中提及的衡量指標(biāo)進(jìn)行較為詳細(xì)的說明，同時給出了評估的具體實(shí)施方法。本小節(jié)介紹的誤碼率、吞吐量和丟包率、延遲均為量化指標(biāo)。關(guān)于網(wǎng)絡(luò)安全性也通過建模加以量化，以網(wǎng)絡(luò)安全性能值作為量化指標(biāo)。

4.1 誤碼率

誤碼率指的是接收到的消息中錯誤碼元個數(shù)所占消息總碼元數(shù)的比例，誤比特率是接收到的消息中錯誤比特個數(shù)所占消息總比特數(shù)的比例，二者并無本質(zhì)區(qū)別，可根據(jù)不同的仿真環(huán)境和需要而選擇方便計算的衡量指標(biāo)。

評估過程采用蒙特卡羅(Monte Carlo)方法，考察點(diǎn)對點(diǎn)傳輸過程的誤碼(比特)率。原始數(shù)據(jù)為一組限定好長度的隨機(jī)二進(jìn)制消息，經(jīng)過源節(jié)點(diǎn)處理后產(chǎn)生發(fā)射數(shù)據(jù)，然后通過信道抵達(dá)目的節(jié)點(diǎn)，再對數(shù)據(jù)進(jìn)行復(fù)原，將復(fù)原后的數(shù)據(jù)同原始數(shù)據(jù)比較，統(tǒng)計出誤碼(比特)率。

表1中給出了評估參考仿真條件。

4.2 吞吐量和丟包率

吞吐量(Throughput)指的是在沒有幀丟失的情況下，設(shè)備能夠接受的最大速率。

丟包率(Loss Tolerance或packet loss rate)是指測試中所丟失數(shù)據(jù)包數(shù)量占所發(fā)送數(shù)據(jù)包的比率，通常在吞吐量范圍內(nèi)測試。

圖1 STDP封裝結(jié)構(gòu)

指標(biāo)在不同的仿真環(huán)境下的測量方法不同。在如OPNET等網(wǎng)絡(luò)仿真軟件環(huán)境下，根據(jù)搭建的網(wǎng)絡(luò)模型，在仿真之后吞吐量和丟包率會自動統(tǒng)計出結(jié)果，有選擇地作為橫縱坐標(biāo)，得到性能曲線。在VC++仿真環(huán)境下，需要編寫專門用來計算的函數(shù)，實(shí)現(xiàn)吞吐量和丟包率的測量：根據(jù)吞吐量的定義，函數(shù)統(tǒng)計網(wǎng)絡(luò)各成員節(jié)點(diǎn)在一個指定時間周期內(nèi)的發(fā)送或接收的數(shù)據(jù)量，得出單位時間發(fā)送或接收的數(shù)據(jù)量；根據(jù)丟包率的定義，函數(shù)以幀為單位統(tǒng)計丟失幀的個數(shù)占總消息幀個數(shù)的比例，丟失幀的確認(rèn)標(biāo)準(zhǔn)可規(guī)定為一個數(shù)據(jù)幀內(nèi)部多大比例的數(shù)據(jù)遭到破壞則認(rèn)為該幀丟失。

表2中給出了吞吐量和丟包率的一些影響因素

表2 衡量指標(biāo)的影響因素

4.3 延遲

延遲以時間作為統(tǒng)計單位，可以是秒，毫秒，微秒等。在本網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中延遲基本以秒(second)為單位，衡量指標(biāo)分為兩大類，即處理延遲和網(wǎng)絡(luò)接入延遲。

表1 系統(tǒng)評估參考仿真條件

(1)處理延遲

處理延遲指系統(tǒng)從應(yīng)用層接收到原始數(shù)據(jù)開始，一直到生成待發(fā)送數(shù)據(jù)的處理時間。處理延遲可根據(jù)發(fā)射信號的生成過程進(jìn)行測量，即計算整個過程所耗費(fèi)的時間。在V C++仿真環(huán)境下，可利用仿真軟件本身的功能或自帶的函數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計。類似地，信息的接收處理延遲同樣采用此方法進(jìn)行計算。

(2)網(wǎng)絡(luò)接入延遲

網(wǎng)絡(luò)接入延遲包含四個衡量指標(biāo)，基本覆蓋了網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用所關(guān)注的延遲問題。

表3列出了四個延遲參數(shù)及它們的組成和影響因素，延遲時間的大小均可以通過仿真實(shí)驗(yàn)計算出在一定的應(yīng)用條件下的具體數(shù)值。網(wǎng)絡(luò)循環(huán)周期還可以根據(jù)定義，利用分析法得到。

4.4 時隙占空系數(shù)[1]

時隙占空系數(shù)(TSDF，Time Slot Duty Factor)，是一種時隙使用約束，限制在單位時間內(nèi)發(fā)射的脈沖數(shù)量。T S D F是量化終端發(fā)射的一種方法，通常是由兩個因數(shù)表示的一個數(shù)字，寫成一個分?jǐn)?shù)，如100/50。第一個數(shù)字表示在一個地域內(nèi)潛在脈沖數(shù)的總百分比，第二個數(shù)字表示發(fā)射最多的單個平臺發(fā)射脈沖所占的百分比。對于Link16數(shù)據(jù)鏈來說，每個數(shù)字都是基于一個基準(zhǔn)值的百分比，這個基準(zhǔn)值是每12s中發(fā)射396288個脈沖。

其中n為平臺所分配的時隙數(shù)，M為時隙所包含的脈沖總數(shù)，可以是72、258或者444。

網(wǎng)絡(luò)的TSDF是由單個平臺TSDF相加計算得到的。表4給出了網(wǎng)絡(luò)中兩個平臺的TSDF的表格。

表4 TSDF表

那么網(wǎng)絡(luò)的TSDF為10%+50%=60%，則此網(wǎng)絡(luò)可以表示為60/40。

4.5 網(wǎng)絡(luò)安全性能值

網(wǎng)絡(luò)安全性能值用于衡量網(wǎng)絡(luò)的脆弱性。首先根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、結(jié)點(diǎn)的功能特性、結(jié)點(diǎn)情報存取權(quán)限以及結(jié)點(diǎn)之間的協(xié)同狀態(tài)構(gòu)建一個網(wǎng)絡(luò)加權(quán)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。其中各個結(jié)點(diǎn)將用通信等級、結(jié)點(diǎn)功能綜合程度、戰(zhàn)略功能屬性、結(jié)點(diǎn)防御能力以及態(tài)勢情報存取權(quán)限5項(xiàng)預(yù)先量化好的數(shù)據(jù)進(jìn)行描述，并利用以上數(shù)據(jù)，根據(jù)構(gòu)建的邏輯網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，得到網(wǎng)絡(luò)中結(jié)點(diǎn)的重要性指數(shù)、邊的安全性指數(shù)以及網(wǎng)絡(luò)整體安全性能的綜合分析值[7]。

5.結(jié)論

根據(jù)第3、4小節(jié)的分析，評價多平臺數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò)的性能指標(biāo)主要包括誤碼率，丟包率，吞吐量，延遲，帶寬利用率，時隙占空系數(shù)，消息結(jié)構(gòu)和網(wǎng)絡(luò)安全性能值。然而需要指出的是，以上的評價指標(biāo)是為了全面地評估網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)而提出的，其中相對重要的，且需要在系統(tǒng)測試中評定的只是其中的一部分。根據(jù)數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的應(yīng)用環(huán)境，各指標(biāo)的重要性如表5所示。

表3 延遲的組成及影響因素

表5 衡量指標(biāo)等級

結(jié)合各指標(biāo)的重要等級，得出多平臺數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的性能評價準(zhǔn)則：評價準(zhǔn)則以誤碼率，延遲，消息結(jié)構(gòu)和網(wǎng)絡(luò)安全性能值為評價指標(biāo)，通過網(wǎng)絡(luò)設(shè)計和第4節(jié)所介紹的方法對系統(tǒng)性能做出評價。該評價方法可應(yīng)用在系統(tǒng)仿真測試中，根據(jù)此方法得到系統(tǒng)的性能參數(shù)，考慮系統(tǒng)模型是否滿足實(shí)際需求。

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