王 瑩,高 軼,馮 微

(1.海軍指揮所指揮自動(dòng)化工作站,北京100841;2.中國(guó)電子設(shè)備系統(tǒng)工程公司研究所,北京100141)

0 引言

流星余跡通信是利用流星進(jìn)入大氣層產(chǎn)生的電離拖尾反射無(wú)線電信號(hào)實(shí)現(xiàn)通信的一種超視距無(wú)線通信方式,可工作在核爆和太陽(yáng)黑子爆發(fā)等惡劣電磁環(huán)境條件下,是保障最低限度通信和應(yīng)急通信指揮的有效手段。

以往對(duì)流星余跡通信研究大多是信道特性分析,對(duì)組網(wǎng)方式研究較少,對(duì)組網(wǎng)方式與信道結(jié)合研究更少。在流星余跡信道處理方法研究的基礎(chǔ)上,分析流星余跡信道觀測(cè)數(shù)據(jù),得出信道分布規(guī)律,建立信道模型;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,利用OPNET仿真工具建立網(wǎng)絡(luò)模型;將信道模型應(yīng)用到網(wǎng)絡(luò)模型中,對(duì)采用退N協(xié)議的星型網(wǎng)絡(luò)在不同的輸入?yún)?shù)下進(jìn)行仿真分析,得到系統(tǒng)具有最小發(fā)包時(shí)延和最大網(wǎng)絡(luò)吞吐量的條件,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)。

1 信道數(shù)據(jù)分析和建模

針對(duì)流星余跡隨機(jī)變參信道,以點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的方式,在不同時(shí)間、季節(jié)、地理位置對(duì)流星發(fā)生的頻率、速度、方向、到達(dá)率、等待時(shí)間、持續(xù)時(shí)間、空間分布及年/日變化等指標(biāo)進(jìn)行觀測(cè)試驗(yàn),采集測(cè)試數(shù)據(jù)。對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理和信道仿真,建立流星余跡信道模型。

1.1 信道數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)分析處理通過(guò)對(duì)流星余跡信道數(shù)據(jù)的分析,提取信道分布和參數(shù)信息,數(shù)據(jù)分析處理的工作由4個(gè)階段構(gòu)成:

①有效數(shù)據(jù)記錄的讀入:數(shù)據(jù)處理程序以4 s為時(shí)間窗口讀入數(shù)據(jù),在讀入的過(guò)程中對(duì)10個(gè)點(diǎn)的信號(hào)功率求平均并進(jìn)行初步平滑處理,將采樣數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)量降低到原來(lái)的1/10,減少處理開(kāi)銷(xiāo)。當(dāng)采樣功率大于噪聲功率3 dB時(shí),觸發(fā)數(shù)據(jù)記錄,記錄當(dāng)前采樣功率值;

②數(shù)據(jù)記錄中主要傳播機(jī)制的判別:接收信號(hào)中包含欠密類(lèi)余跡、過(guò)密類(lèi)余跡和電離層反射信號(hào)等。采用“非此即彼”的判別方法對(duì)傳播機(jī)制進(jìn)行判斷,如果不滿足電離層反射信號(hào)的特征即認(rèn)為是流星余跡信號(hào);

③流星余跡類(lèi)型及特征參數(shù)的分析:如果數(shù)據(jù)記錄的主要傳播機(jī)制被判別為流星余跡,則對(duì)記錄中可能的流星余跡進(jìn)行類(lèi)型識(shí)別并對(duì)余跡的特征參數(shù)進(jìn)行分析和擬合;

④假設(shè)檢驗(yàn)結(jié)果的輸出和顯示:數(shù)據(jù)分析處理得出的參數(shù)包括余跡到達(dá)時(shí)刻的泊松分布均值、余跡發(fā)生頻率、地面通信距離和發(fā)生高度的高斯分布均值等。參數(shù)信息通過(guò)文件形式輸出給信道建模仿真使用,同時(shí)通過(guò)用戶界面進(jìn)行顯示。

1.2 信道仿真

信道建模仿真利用數(shù)據(jù)分析處理得到的參數(shù)信息恢復(fù)出信道規(guī)律,生成信道模型。信道建模仿真的工作由2個(gè)階段構(gòu)成:

①泊松過(guò)程的產(chǎn)生:以數(shù)據(jù)分析處理得出的分布參數(shù)作為輸入,利用隨機(jī)產(chǎn)生泊松流的方法產(chǎn)生數(shù)據(jù);

②相對(duì)于每個(gè)泊松過(guò)程進(jìn)行計(jì)算:以階段1的一個(gè)泊松流到達(dá)時(shí)刻作為起點(diǎn),以下一個(gè)到達(dá)時(shí)刻為終點(diǎn),計(jì)算相應(yīng)參數(shù),循環(huán)執(zhí)行直到最后一個(gè)泊松流結(jié)束。

2 網(wǎng)絡(luò)仿真和性能分析

在研究流星余跡網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上,采用OPNET工具建立流星余跡網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)模型及通信協(xié)議模型,對(duì)采用退N協(xié)議的星型網(wǎng)絡(luò)仿真結(jié)果進(jìn)行分析,驗(yàn)證協(xié)議性能。

2.1 網(wǎng)絡(luò)仿真

2.1.1 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)模型

流星余跡通信系統(tǒng)常用的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)有星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、環(huán)型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、樹(shù)型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和混合型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),節(jié)點(diǎn)包括中心節(jié)點(diǎn)、信道節(jié)點(diǎn)、中轉(zhuǎn)節(jié)點(diǎn)、遠(yuǎn)端站和主站等。

星型拓?fù)浒?個(gè)中心節(jié)點(diǎn)和若干個(gè)子節(jié)點(diǎn)。中心節(jié)點(diǎn)不斷發(fā)射探測(cè)信號(hào),當(dāng)該信號(hào)通過(guò)流星余跡反射到子節(jié)點(diǎn)時(shí),子節(jié)點(diǎn)立即發(fā)射應(yīng)答信號(hào),中心節(jié)點(diǎn)收到應(yīng)答后就向子節(jié)點(diǎn)發(fā)送確認(rèn)信息,節(jié)點(diǎn)之間根據(jù)需要持續(xù)發(fā)送報(bào)文,直到發(fā)送完畢或鏈路中斷。星型拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和控制簡(jiǎn)單,便于管理和組網(wǎng),網(wǎng)絡(luò)延遲較小,傳輸誤差較低。但缺點(diǎn)是成本高、可靠性低、資源共享能力較差。

環(huán)型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)由若干節(jié)點(diǎn)通過(guò)點(diǎn)到點(diǎn)的鏈路首尾相連形成一個(gè)閉合環(huán),數(shù)據(jù)在環(huán)路中沿著一個(gè)方向在各個(gè)節(jié)點(diǎn)間傳輸。環(huán)型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)控制簡(jiǎn)單,但網(wǎng)絡(luò)響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)、可靠性低、維護(hù)和故障定位困難。

樹(shù)型拓?fù)渲泄?jié)點(diǎn)按層次連結(jié),信息交換主要在上下節(jié)點(diǎn)之間進(jìn)行,相鄰節(jié)點(diǎn)或同層節(jié)點(diǎn)之間一般不進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。樹(shù)型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、維護(hù)方便,適用于匯集信息的應(yīng)用要求,但資源共享能力較低,可靠性不高。

混合型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)同時(shí)使用2種或2種以上的拓?fù)?可以對(duì)網(wǎng)絡(luò)的基本拓?fù)淙￠L(zhǎng)補(bǔ)短,但網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜度增大。

對(duì)幾種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行對(duì)比,星型拓?fù)浔阌诠芾砗徒M網(wǎng),網(wǎng)絡(luò)延遲小,傳輸誤差低,并且通過(guò)星型拓?fù)渲行墓?jié)點(diǎn)之間的互聯(lián),容易實(shí)現(xiàn)網(wǎng)間通信,所以選擇星型拓?fù)錇榱餍怯噗E研究的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

2.1.2 通信協(xié)議模型

流星余跡通信系統(tǒng)常用的通信協(xié)議為自動(dòng)請(qǐng)求重傳(Automatic Repeat Request,ARQ)機(jī)制,在ARQ機(jī)制中可以使用停-等協(xié)議或退N協(xié)議。

ARQ機(jī)制的基本原理是:對(duì)發(fā)送端發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)包,接收端如果能正確接收,則返回確認(rèn)消息ACK;否則返回否認(rèn)消息NACK。若返回NACK消息,發(fā)送端會(huì)重發(fā)相應(yīng)的數(shù)據(jù)包。

在采用停-等協(xié)議的ARQ機(jī)制中,接收機(jī)周期性地發(fā)射探測(cè)信號(hào),流星余跡信道可用時(shí),發(fā)射機(jī)接收到探測(cè)信號(hào)并從緩沖隊(duì)列中取出數(shù)據(jù)包發(fā)送給接收機(jī)。接收機(jī)接收到數(shù)據(jù)包后發(fā)送ACK,發(fā)射機(jī)收到ACK且流星余跡信道仍然可用時(shí),從緩沖隊(duì)列中取出下一個(gè)數(shù)據(jù)包發(fā)送給接收機(jī)。如果由于流星余跡信道不可用導(dǎo)致發(fā)射機(jī)無(wú)法接收到接收機(jī)發(fā)送的ACK,那么發(fā)射機(jī)應(yīng)在流星余跡信道可用時(shí)重新發(fā)送該數(shù)據(jù)包,直到收到該數(shù)據(jù)包的ACK后,才繼續(xù)發(fā)送下一個(gè)數(shù)據(jù)包。

采用退N協(xié)議的ARQ機(jī)制中,發(fā)送端維護(hù)一個(gè)緩存表,保存已經(jīng)發(fā)送但是沒(méi)有收到ACK的數(shù)據(jù)包及序號(hào),接收端也維護(hù)一個(gè)對(duì)應(yīng)于正確接收數(shù)據(jù)包的接收緩存表。發(fā)送端發(fā)送完一個(gè)數(shù)據(jù)包后并不停下來(lái)等待響應(yīng),而是繼續(xù)發(fā)送新的數(shù)據(jù)包。如果正確接收,接收端返回ACK,發(fā)送端刪除對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)包;如果返回NACK,發(fā)送端將重傳從對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)包起到最后發(fā)送數(shù)據(jù)包之間的所有數(shù)據(jù)。

2.2 網(wǎng)絡(luò)性能分析

針對(duì)采用退N協(xié)議的星型網(wǎng)絡(luò),通過(guò)改變參數(shù)進(jìn)行一系列仿真,得出不同的統(tǒng)計(jì)量結(jié)果。

將發(fā)包速率設(shè)為固定值5 120 bps,通過(guò)改變包長(zhǎng)度得到包發(fā)送時(shí)延和吞吐率2個(gè)統(tǒng)計(jì)量的值,仿真結(jié)果如圖1和圖2所示。

圖1 發(fā)包速率固定時(shí)的發(fā)送時(shí)延

圖2 發(fā)包速率固定時(shí)的吞吐率

將發(fā)包長(zhǎng)度設(shè)為固定值256 bit,通過(guò)改變發(fā)包速率得到包發(fā)送時(shí)延和吞吐率2個(gè)統(tǒng)計(jì)量的值,仿真結(jié)果如圖3和圖4所示。

圖3 包長(zhǎng)度固定時(shí)的發(fā)送時(shí)延

圖4 包長(zhǎng)度固定時(shí)的吞吐率

在發(fā)包速率固定的情況下,包發(fā)送時(shí)延隨包長(zhǎng)度的增加而逐漸增加,網(wǎng)絡(luò)吞吐率隨包長(zhǎng)度增加而逐漸減小。在包長(zhǎng)度固定的情況下,包發(fā)送時(shí)延隨發(fā)包速率的增加逐漸減小,網(wǎng)絡(luò)吞吐率隨發(fā)包速率增加而逐漸增大。

綜合仿真數(shù)據(jù)和仿真結(jié)果,采用退N協(xié)議的星型網(wǎng)絡(luò)在實(shí)際數(shù)據(jù)的驅(qū)動(dòng)下,能夠滿足網(wǎng)絡(luò)性能指標(biāo)要求。當(dāng)包長(zhǎng)度大小為128 bit,發(fā)包速率為4 608 bps時(shí),得到最小發(fā)送時(shí)延及最大網(wǎng)絡(luò)吞吐量。

3 結(jié)束語(yǔ)

在處理和分析流星余跡實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上,建立流星余跡信道模型;針對(duì)流星余跡突發(fā)通信的特征,建立流星余跡通信網(wǎng)絡(luò)模型,利用OPNET工具在退N協(xié)議下對(duì)星型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模仿真和結(jié)果分析,得到流星余跡通信系統(tǒng)具有最小發(fā)包時(shí)延和最大網(wǎng)絡(luò)吞吐量的條件,并驗(yàn)證了采用退N協(xié)議的星型網(wǎng)絡(luò)在實(shí)際數(shù)據(jù)的驅(qū)動(dòng)下,能夠滿足網(wǎng)絡(luò)性能指標(biāo)要求。

[1]陳 敏.OPNET網(wǎng)絡(luò)仿真[M].北京:清華大學(xué)出版社,2004.

[2]張雅彬,金燕波,林樂(lè)科,等.流星余跡通信信道季節(jié)變化模型與仿真[J].無(wú)線電通信技術(shù),2009,35(4):1-3.