黃永兢，王玉文，黃超，劉濟(jì)銘，柏華威

基于QualNet的無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)鏈時(shí)延仿真?

黃永兢，王玉文，黃超，劉濟(jì)銘，柏華威

（電子科技大學(xué)空天科學(xué)技術(shù)研究院，成都611731）

概述了無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)鏈的網(wǎng)絡(luò)組成，介紹了通信網(wǎng)絡(luò)仿真軟件QualNet的功能特點(diǎn)及其架構(gòu)，并在該軟件平臺(tái)下建立無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)鏈時(shí)延仿真模型，分析遠(yuǎn)近程無(wú)人機(jī)在不同MAC信道接入?yún)f(xié)議下的平均端到端時(shí)延和平均抖動(dòng)。仿真結(jié)果表明，設(shè)計(jì)無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)鏈時(shí)可優(yōu)先采用TDMA接入?yún)f(xié)議。

無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)鏈；QualNet仿真；平均端到端時(shí)延；平均抖動(dòng)

1 引言

現(xiàn)代高技術(shù)戰(zhàn)爭(zhēng)具有作戰(zhàn)規(guī)模大、戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境復(fù)雜、人員傷亡少等特點(diǎn)，無(wú)人機(jī)具有質(zhì)量小、機(jī)動(dòng)性好、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，在實(shí)戰(zhàn)中也體現(xiàn)出越來(lái)越重要的地位。通常，無(wú)人機(jī)靠數(shù)據(jù)鏈與外界進(jìn)行信息交換，因此，數(shù)據(jù)鏈的應(yīng)用水平在很大程度上決定著無(wú)人機(jī)作戰(zhàn)水平和能力。

由于物理距離以及其他一些因素，信息通過(guò)數(shù)據(jù)鏈傳輸時(shí)必然會(huì)存在時(shí)延。造成數(shù)據(jù)鏈通信時(shí)延的主要原因有通信報(bào)文結(jié)構(gòu)、通信速率、通信容量、通信距離以及多路通信方式。此外，還有傳感器時(shí)延、運(yùn)算時(shí)延和顯示時(shí)延等硬件物理時(shí)延。無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)鏈的終端載體一般處在相對(duì)快速的運(yùn)動(dòng)中，其跟蹤、捕獲、定位和攻擊的對(duì)象也是時(shí)敏目標(biāo)，因此，時(shí)間的延遲對(duì)整個(gè)無(wú)人作戰(zhàn)系統(tǒng)的作戰(zhàn)效能影響特別大，數(shù)據(jù)鏈信息傳輸?shù)牡蜁r(shí)延性是無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)鏈有別于其他數(shù)據(jù)鏈的重要特性。

對(duì)數(shù)據(jù)鏈性能的驗(yàn)證通常通過(guò)通信網(wǎng)絡(luò)仿真軟件仿真實(shí)現(xiàn)，目前常用的軟件有OPNET Technology Inc.公司的OPNET和LSBL網(wǎng)絡(luò)研究組開(kāi)發(fā)的NS-2等。在這些軟件平臺(tái)下對(duì)無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)鏈進(jìn)行仿真，有著各自的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)也存在著不足。本文主要結(jié)合QualNet的一些優(yōu)勢(shì)特點(diǎn)，在QualNet平臺(tái)下對(duì)無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)鏈的時(shí)延進(jìn)行仿真，為下一步的研究提供參考。

2 無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò)組成

從廣義上來(lái)說(shuō)，無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)鏈的實(shí)質(zhì)就是通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，其關(guān)鍵技術(shù)之一就是網(wǎng)絡(luò)組成的體系結(jié)構(gòu)，如圖1表示。研究表明，處于同溫層以內(nèi)的任何一個(gè)空中平臺(tái)，都無(wú)法實(shí)現(xiàn)“單跳”覆蓋1 000 km以上的超視距中繼［1］。因此，作為后方與前線戰(zhàn)區(qū)的超視距通信中繼必須采取多鏈路中繼的方式。從無(wú)人機(jī)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)中可看出，地面控制指揮中心離戰(zhàn)區(qū)較遠(yuǎn)時(shí)，需要采用中繼衛(wèi)星與高空長(zhǎng)航時(shí)無(wú)人機(jī)相結(jié)合的方式。當(dāng)?shù)孛嬷笓]控制中心離戰(zhàn)區(qū)相對(duì)不是很遠(yuǎn)時(shí)，可直接采用高空長(zhǎng)航時(shí)無(wú)人機(jī)的中繼方式。高空長(zhǎng)航時(shí)中繼無(wú)人機(jī)的下一層就是作戰(zhàn)無(wú)人機(jī)群，它們由飛行速度快、作戰(zhàn)能力強(qiáng)的無(wú)人機(jī)組成。當(dāng)無(wú)人機(jī)的作戰(zhàn)地離地面控制站比較近時(shí)，地面控制站可直接與作戰(zhàn)無(wú)人機(jī)進(jìn)行通信，不必通過(guò)中繼的方式指揮無(wú)人機(jī)作戰(zhàn)。

3 QualNet的架構(gòu)

QualNet是一款高性能的網(wǎng)絡(luò)仿真軟件，具有對(duì)各種應(yīng)用和使用要求的網(wǎng)絡(luò)性能進(jìn)行準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)能力，從有線LAN和WAN，到蜂窩、衛(wèi)星、WLAN和移動(dòng)Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)。

QualNet協(xié)議棧采用5層網(wǎng)絡(luò)協(xié)議體系結(jié)構(gòu)，如圖2所示，協(xié)議棧從上往下分別為應(yīng)用層、傳輸層、網(wǎng)絡(luò)層、MAC層和物理層，用戶還可以根據(jù)自己需求刪除和添加相對(duì)應(yīng)的層。

應(yīng)用層是QualNet協(xié)議棧中的最高層，它提供網(wǎng)絡(luò)端上應(yīng)用程序之間的接口，在QualNet中提供了大量的協(xié)議，如CBR、VBR、FTP、RIP、HTTP等。QualNet協(xié)議棧中的傳輸層處于應(yīng)用層和網(wǎng)絡(luò)層之間，它為服務(wù)器和客戶的應(yīng)用層之間傳送數(shù)據(jù)提供服務(wù)，傳輸層的協(xié)議主要有TCP、UDP、RSVP-TE等。Qual-Net協(xié)議棧中的網(wǎng)絡(luò)層介于傳輸層和MAC層之間，主要功能是向傳輸層提供最基本的端到端的數(shù)據(jù)傳送服務(wù)，網(wǎng)絡(luò)層的主要協(xié)議有IPv4、IPv6、OSPF、DSR等。MAC層在QualNet協(xié)議棧中介于網(wǎng)絡(luò)層和物理層之間，MAC層的主要功能是在物理層提供的服務(wù)的基礎(chǔ)上向網(wǎng)絡(luò)層提供服務(wù)，MAC層向用戶提供的協(xié)議有MAC802.16、MAC802.3、CSMA等。物理層處于QualNet協(xié)議棧中的最底層，物理層是網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)間的接口，提供網(wǎng)絡(luò)上的數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)。QualNet中物理層向用戶提供的協(xié)議主要有針對(duì)有線傳輸介質(zhì)的Bus、Point-to-point等和針對(duì)無(wú)線傳輸介質(zhì)的Radio、Free space等協(xié)議。

網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)向外傳輸信息時(shí)，通常由應(yīng)用層開(kāi)始。當(dāng)數(shù)據(jù)由應(yīng)用層向下傳輸時(shí)，QualNet首先會(huì)調(diào)用MESSAGE-Alloc函數(shù)為要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)分配一個(gè)新的消息結(jié)構(gòu)，接著調(diào)用MESSAGE-PacketAlloc函數(shù)在新分配的消息結(jié)構(gòu)中申請(qǐng)一個(gè)新的數(shù)據(jù)包空間，最后調(diào)用MESSAGE-Send函數(shù)將要發(fā)送的數(shù)據(jù)封裝到新申請(qǐng)到的數(shù)據(jù)包空間中，向傳輸層傳送。相反，當(dāng)傳輸層向應(yīng)用層傳送信息時(shí)，應(yīng)用層會(huì)調(diào)用MESSAGEFree函數(shù)處理由傳輸層發(fā)送過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)包，同時(shí)釋放發(fā)送過(guò)來(lái)的消息結(jié)構(gòu)空間，將最終的數(shù)據(jù)傳送到應(yīng)用層中。同樣，當(dāng)傳輸層、網(wǎng)絡(luò)層、MAC層收到上一層或下一層的數(shù)據(jù)包時(shí)，都會(huì)調(diào)用相應(yīng)的函數(shù)添加或去除相對(duì)應(yīng)的報(bào)頭，然后再發(fā)送出去［2］。

4 基于QualNet的無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)鏈時(shí)延測(cè)試的實(shí)現(xiàn)

4.1 仿真模型的建立

4.1.1 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的設(shè)置

根據(jù)前面對(duì)無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)鏈的概述和QualNet功能特點(diǎn)與架構(gòu)的介紹，本文設(shè)計(jì)出的基于QualNet軟件平臺(tái)的無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)鏈時(shí)延仿真模型如圖3所示。

采用笛卡爾坐標(biāo)系，設(shè)置仿真區(qū)域的水平方向大小為5 000 km×5 000 km。在仿真區(qū)域中依次放入網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，其中各網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的水平位置、高度及各網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)代表的實(shí)際意義如表1所示。

在仿真模型圖中，設(shè)地面控制站在海平面上，所以節(jié)點(diǎn)［1］的高度為0，即Z坐標(biāo)的值為0；對(duì)于目前可采用中繼衛(wèi)星，我們知道，GPS的衛(wèi)星運(yùn)行的軌道在距地表20 200 km的上空，“伽利略”的衛(wèi)星高度為24 126 km，“格洛納斯”的衛(wèi)星軌道高度為19 100 km，而“北斗”二號(hào)的衛(wèi)星則在高度為21 500 km的軌道運(yùn)行，所以這里設(shè)置的中繼衛(wèi)星的高度為離地面20 000 km的高空；高空長(zhǎng)航時(shí)中繼無(wú)人機(jī)飛行高度要盡可能地高，這是因?yàn)槠鋱?zhí)行任務(wù)時(shí)要躲避地面高空防御系統(tǒng)及戰(zhàn)斗機(jī)的攻擊，同時(shí)也要獲得更大范圍的偵查視角和通信覆蓋率，但飛行高度越高，就需要更大的動(dòng)力，目前的高空長(zhǎng)航時(shí)無(wú)人機(jī)飛行高度一般在18～20 km之間，所以這里設(shè)置節(jié)點(diǎn)［4］的高度為18 km；而對(duì)于遠(yuǎn)近程作戰(zhàn)無(wú)人機(jī)，其作戰(zhàn)時(shí)，飛行高度一般在幾百米到一千米之間，所以這里設(shè)置節(jié)點(diǎn)［3］、［5］、［6］、［7］的高度都為250 m。

當(dāng)無(wú)人機(jī)作戰(zhàn)區(qū)域離地面控制站較近時(shí)無(wú)需采用中繼平臺(tái)，所以在模型圖中，近程無(wú)人機(jī)組成子網(wǎng)直接與地面控制站通信，為方便后面仿真對(duì)近程無(wú)人機(jī)定性的說(shuō)明，設(shè)置兩架近程作戰(zhàn)無(wú)人機(jī)離地面控制站的距離一樣，所以這里設(shè)置節(jié)點(diǎn)［3］、［7］的水平方向坐標(biāo)分別為（1 000 km，1 020 km）、（1 020 km，

1 000 km），它們離地面控制站的距離都為20 km左右。當(dāng)?shù)孛婵刂普疽刂七h(yuǎn)程作戰(zhàn)無(wú)人機(jī)執(zhí)行任務(wù)時(shí)，需要通過(guò)中繼平臺(tái)進(jìn)行通信，所以在模型圖中，遠(yuǎn)程作戰(zhàn)無(wú)人機(jī)組成子網(wǎng)采用高空長(zhǎng)航時(shí)中繼無(wú)人機(jī)和中繼衛(wèi)星相結(jié)合的通信鏈路與地面控制站進(jìn)行無(wú)線通信，同樣為方便仿真時(shí)對(duì)遠(yuǎn)程無(wú)人機(jī)定性的說(shuō)明，設(shè)置兩架遠(yuǎn)程作戰(zhàn)無(wú)人機(jī)離高空長(zhǎng)航時(shí)中繼無(wú)人機(jī)的距離一樣，通常，無(wú)人機(jī)與上一級(jí)通信平臺(tái)或控制站的距離一般不超過(guò)200 km，這里設(shè)置節(jié)點(diǎn)［5］、［6］的坐標(biāo)分別為（2 950 km，3 950 km）、（3 050 km，3 950 km），而高空長(zhǎng)航時(shí)中繼無(wú)人機(jī)的水平方向坐標(biāo)為（3 000 km，4 000 km），這樣遠(yuǎn)程作戰(zhàn)無(wú)人機(jī)距高空長(zhǎng)航時(shí)中繼無(wú)人機(jī)70 km左右，在其通信覆蓋范圍內(nèi)。

4.1.2 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡設(shè)置

無(wú)人機(jī)在實(shí)際執(zhí)行任務(wù)時(shí)，一般處于高速運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)中，所以在進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)仿真時(shí)，要把相關(guān)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)特性考慮進(jìn)去。一般來(lái)說(shuō)，地面控制站（包括車(chē)載控制臺(tái)）移動(dòng)的速度相對(duì)較慢，其移動(dòng)對(duì)網(wǎng)絡(luò)仿真的結(jié)果影響較小，所以地面控制站在仿真過(guò)程中設(shè)置為靜止?fàn)顟B(tài)。中繼衛(wèi)星由于處于高空，其移動(dòng)對(duì)地面或低空網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)造成的影響也較小，在仿真中也設(shè)置其為靜止?fàn)顟B(tài)。對(duì)于高空長(zhǎng)航時(shí)中繼無(wú)人機(jī)來(lái)說(shuō)，其執(zhí)行任務(wù)時(shí)，巡航速度可以為650 km／h左右，所以設(shè)置節(jié)點(diǎn)［2］以180 m／s的速度作隨機(jī)移動(dòng)。作戰(zhàn)無(wú)人機(jī)執(zhí)行任務(wù)時(shí)，其移動(dòng)速度和方向最為多變，但其飛行時(shí)速一般在200～500 km之間，所以這里設(shè)置作戰(zhàn)無(wú)人機(jī)對(duì)應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)以最小60 m／s、最大120 m／s的速度作隨機(jī)移動(dòng)。

4.1.3 數(shù)據(jù)傳輸類(lèi)型及參數(shù)的設(shè)置

在實(shí)際中，無(wú)人機(jī)向控制站發(fā)送信息時(shí)，通常將要發(fā)送的數(shù)據(jù)打成若干個(gè)包，然后再將數(shù)據(jù)包逐個(gè)發(fā)送出去，所以在仿真模型中設(shè)定各作戰(zhàn)無(wú)人機(jī)與地面控制站應(yīng)用層間采用恒定比特速率（CBR）協(xié)議傳送數(shù)據(jù)，同樣方便對(duì)仿真作定性討論，在仿真過(guò)程中，設(shè)定所有作戰(zhàn)無(wú)人機(jī)向控制站發(fā)送200個(gè)大小為64 byte的數(shù)據(jù)包，而每個(gè)數(shù)據(jù)包的發(fā)送時(shí)間間隔為10 ms。

4.1.4 無(wú)線移動(dòng)子網(wǎng)MAC的接入?yún)f(xié)議設(shè)置

在仿真模型中，遠(yuǎn)近程作戰(zhàn)無(wú)人機(jī)都各自組成了無(wú)線移動(dòng)子網(wǎng)，而無(wú)線移動(dòng)子網(wǎng)的MAC信道接入?yún)f(xié)議的功能是控制節(jié)點(diǎn)的報(bào)文傳輸對(duì)無(wú)線媒體的占用，保證網(wǎng)絡(luò)的整體性能，可以說(shuō)十分重要。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)有關(guān)無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)鏈子網(wǎng)的MAC接入?yún)f(xié)議都做了不少的研究，這里主要是在QualNet軟件平臺(tái)仿真中，對(duì)作戰(zhàn)無(wú)人機(jī)的移動(dòng)無(wú)線子網(wǎng)分別采用Aloha和TDMA這兩種MAC信道接入?yún)f(xié)議進(jìn)行仿真討論，分析作戰(zhàn)無(wú)人機(jī)向地面控制站回傳數(shù)據(jù)時(shí)的時(shí)延特性。

4.2 仿真結(jié)果與分析

所有環(huán)境參數(shù)等設(shè)置好之后，近程和遠(yuǎn)程作戰(zhàn)無(wú)人機(jī)的數(shù)量分別為2，3，5，6，8，10，20，30，40，50，60和2，3，6，8，10，12，14，15，16，20，30，40，50，60。為更能準(zhǔn)確反映仿真模型中無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)鏈性能隨終端節(jié)點(diǎn)數(shù)的變化特性，新增加節(jié)點(diǎn)與一級(jí)通信平臺(tái)的距離都在200 km以內(nèi)且距離與原有節(jié)點(diǎn)一致。仿真結(jié)束后，切換結(jié)果分析界面，查看仿真結(jié)果。

4.2.1 控制站接收數(shù)據(jù)包成功率的結(jié)果

控制站接收到遠(yuǎn)、近程無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)包成功率隨作戰(zhàn)無(wú)人機(jī)的數(shù)量的關(guān)系曲線如圖4所示。

從圖4中可知，當(dāng)近程作戰(zhàn)無(wú)人機(jī)采用TDMA接入?yún)f(xié)議時(shí)，地面控制站接收數(shù)據(jù)包的成功率不受無(wú)人機(jī)網(wǎng)絡(luò)規(guī)模影響，在設(shè)定的節(jié)點(diǎn)內(nèi)成功率始終保持為100%。而遠(yuǎn)程作戰(zhàn)無(wú)人機(jī)采用TDMA接入?yún)f(xié)議時(shí)傳送數(shù)據(jù)包的成功率隨網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的擴(kuò)大而下降，但下降不明顯。在實(shí)際作戰(zhàn)中，無(wú)人機(jī)向控制站傳送的大多是圖像和視頻數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)假如丟失不多，通?？梢酝ㄟ^(guò)某些處理方法把原信息還原出來(lái)，這里假設(shè)傳輸數(shù)據(jù)包的成功率在90%以內(nèi)時(shí)信息都是可以還原回來(lái)的。從圖4中可以看出在節(jié)點(diǎn)數(shù)為35以內(nèi)，遠(yuǎn)程無(wú)人機(jī)采用TDMA接入?yún)f(xié)議時(shí)，傳輸數(shù)據(jù)成功率始終保持在90%以內(nèi)。在采用Aloha信道接入?yún)f(xié)議時(shí)，遠(yuǎn)近程作戰(zhàn)無(wú)人機(jī)傳輸數(shù)據(jù)的丟包率都隨網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的數(shù)量增加而明顯變大，其中近程無(wú)人機(jī)在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)大于20時(shí)，成功率跌出90%，近程無(wú)人機(jī)在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)不到15時(shí)成功率就低于90%。

4.2.2 作戰(zhàn)無(wú)人機(jī)向控制站發(fā)送數(shù)據(jù)包的應(yīng)用層平均端到端時(shí)延結(jié)果

遠(yuǎn)、近程作戰(zhàn)無(wú)人機(jī)向控制站傳輸數(shù)據(jù)的應(yīng)用層平均端到端時(shí)延隨網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的變化如圖5所示。

從時(shí)延仿真結(jié)果可得，作戰(zhàn)無(wú)人機(jī)在傳輸數(shù)據(jù)成功率90%以內(nèi)的情況下平均端到端時(shí)延都隨作戰(zhàn)無(wú)人機(jī)的數(shù)量增加而增大，其中采用Aloha信道協(xié)議下時(shí)，時(shí)延上升的波動(dòng)性比較大，而采用TDMA接入?yún)f(xié)議下時(shí)，時(shí)延的上升接近于線性。

4.2.3 作戰(zhàn)無(wú)人機(jī)向控制站發(fā)送數(shù)據(jù)包的應(yīng)用層平均時(shí)延抖動(dòng)結(jié)果

遠(yuǎn)、近程作戰(zhàn)無(wú)人機(jī)應(yīng)用層向控制站傳輸數(shù)據(jù)的平均時(shí)延抖動(dòng)隨網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的變化如圖6所示。

從圖6可看出，作戰(zhàn)無(wú)人機(jī)在傳輸數(shù)據(jù)成功率90%以內(nèi)的情況下平均時(shí)延抖動(dòng)都隨作戰(zhàn)無(wú)人機(jī)的數(shù)量增加而增大。

4.2.4 仿真結(jié)果分析

我們都知道，端到端時(shí)延是指數(shù)據(jù)包從離開(kāi)源點(diǎn)時(shí)算起一直到抵達(dá)終點(diǎn)時(shí)為止一共經(jīng)歷了多長(zhǎng)時(shí)間的時(shí)延，可以簡(jiǎn)單地表示為

式中，Ts為數(shù)據(jù)包的發(fā)送時(shí)延，Tdw為處理時(shí)延（包括中繼和接收節(jié)點(diǎn)處理數(shù)據(jù)的時(shí)延），Tp為傳播時(shí)延。而平均時(shí)延抖動(dòng)直接反映的是傳輸數(shù)據(jù)時(shí)延的變化大小，抖動(dòng)越大，表示傳輸數(shù)據(jù)越不穩(wěn)定。

仿真結(jié)果表明，在相同網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)和MAC信道接入?yún)f(xié)議情況下時(shí)，遠(yuǎn)程作戰(zhàn)無(wú)人機(jī)向地面控制站傳輸數(shù)據(jù)，由于要通過(guò)中繼平臺(tái)的轉(zhuǎn)發(fā)以及經(jīng)過(guò)距離較長(zhǎng)的物理媒介，即受Tp和Tdw的影響，平均端到端時(shí)延及平均時(shí)延抖動(dòng)都比近程無(wú)人機(jī)稍大一些，且隨著網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的增多，數(shù)據(jù)鏈的性能惡化程度也要比近程無(wú)人機(jī)大。

從MAC信道接入?yún)f(xié)議上看，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)較少時(shí)，采用TDMA和Aloha的時(shí)延和抖動(dòng)程度相差不大，但隨著節(jié)點(diǎn)的增多，可以看出TDMA的性能明顯優(yōu)于后者，TDMA的數(shù)據(jù)包發(fā)送時(shí)延和處理時(shí)延特性比Aloha優(yōu)越。從協(xié)議本身的思想上來(lái)分析，Aloha協(xié)議的思想是，當(dāng)節(jié)點(diǎn)想要發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，就直接發(fā)送，當(dāng)檢測(cè)到無(wú)線信道上有沖突時(shí)，Aloha系統(tǒng)采用的重發(fā)策略是讓各站等待一段隨機(jī)的時(shí)間，然后再進(jìn)行重發(fā)，由于移動(dòng)無(wú)線網(wǎng)中的節(jié)點(diǎn)是移動(dòng)的，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)也是不斷變化的，因此Aloha協(xié)議在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)非常多時(shí)，受“隱終端問(wèn)題”和“暴露終端問(wèn)題”［3］的影響特別大，所以就造成了網(wǎng)節(jié)點(diǎn)較多時(shí)，性能?chē)?yán)重惡化的現(xiàn)象。TDMA是把時(shí)間分割成周期性的幀，每一個(gè)幀再分割成若干個(gè)時(shí)隙（分為固定時(shí)隙和預(yù)留時(shí)隙［4］）向控制站發(fā)送信號(hào)，在滿足定時(shí)和同步的條件下，控制站可以分別在各時(shí)隙中接收到各無(wú)人機(jī)的信號(hào)而不混擾。同時(shí)，控制站發(fā)向多個(gè)無(wú)人機(jī)的信號(hào)都按順序安排在指定的時(shí)隙中傳輸，各無(wú)人機(jī)只要在指定的時(shí)隙內(nèi)接收，就能在合路的信號(hào)中把發(fā)給它的信號(hào)區(qū)分并接收下來(lái)，TDMA有效地克服了Aloha的不足，其性能不隨網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的擴(kuò)大而急劇惡化。設(shè)計(jì)無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)鏈時(shí)可優(yōu)先采用TDMA接入?yún)f(xié)議。

5 結(jié)論

隨著各國(guó)對(duì)無(wú)人機(jī)重視程度的增加，無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)鏈技術(shù)也在不斷地提高著，比如數(shù)據(jù)鏈的組網(wǎng)形式、抗干擾能力及路由協(xié)議等都在朝著智能化的方向發(fā)展［5］。對(duì)數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò)性能的仿真，目前可用的軟件有QualNet、NS-2、OPNET、SPW、GloMosim等。QualNet與其他軟件相比，網(wǎng)絡(luò)體系中的各層常用協(xié)議都封裝在其中，用戶可以通過(guò)操作界面直接調(diào)用這些協(xié)議和設(shè)置相關(guān)參數(shù)，執(zhí)行起來(lái)方便靈活；同時(shí)，可以通過(guò)QualNet軟件的半實(shí)物接口接入外部的實(shí)際環(huán)境中的音頻信號(hào)、視頻信號(hào)以及信道噪聲等信息，能更真實(shí)地模擬出無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)鏈所處的戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境，為我們進(jìn)一步分析和優(yōu)化影響無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)鏈性能提供非常大的幫助，這也是下一步將要做的重點(diǎn)。

本文主要通過(guò)在QualNet軟件平臺(tái)下構(gòu)建無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)鏈模型，研究無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)鏈的時(shí)延受無(wú)人機(jī)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)、物理距離、子網(wǎng)信道接入?yún)f(xié)議類(lèi)型等因素的影響程度，提出的模型在網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和算法上沒(méi)有進(jìn)行過(guò)多深入的研究與探討，但填補(bǔ)了無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)鏈在QualNet軟件平臺(tái)下仿真的空白。

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HUANG Yong-jing was born in Guangxi Zhuang Automomous Region，in 1987.He received the B.S.degree from University of Electronic Science and Technology of China in 2011.He is now a graduate student.His research concerns wireless network technology and signal processing.

Email：uestchuang＠163.com，uestchuang＠yeah.net

王玉文（1962—），男，吉林人，電子科技大學(xué)空天科學(xué)技術(shù)研究院副總工程師、副教授，主要從事航天航空電子領(lǐng)域的研究工作；

WANG Yu-wen was born in Jilin Province，in 1962.He is now an associate professor and associate chief engineer.His research concerns aerospace electronic.

黃超（1987—），男，四川人，2010年于電子科技大學(xué)獲學(xué)士學(xué)位，現(xiàn)為碩士研究生，主要從事為通信協(xié)議研究仿真工作；

HUANG Chao was born in Sichuan Province，in 1987.He received the B.S.degree from University of Electronic Science and Technology of China in 2010.He is now a graduate student.His research concerns communication protocol simulation.

劉濟(jì)銘（1987—），男，四川人，2010年于中南大學(xué)獲學(xué)士學(xué)位，現(xiàn)為碩士研究生，主要研究方向?yàn)闊o(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與仿真；

LIU Ji-ming was born in Sichuan Province，in 1987.He received the B.S.degree from Central South University in 2010.He is now a graduate student.His research concerns wireless network technology and simulation.

柏華威（1986—），男，安徽人，2009年于四川大學(xué)獲學(xué)士學(xué)位，現(xiàn)為碩士研究生，主要研究方向?yàn)殡姶蓬l譜管理。

BAI Hua-wei was born in Anhui Province，in 1986.He received the B.S.degree from Sichuan University in 2009.He is now a graduate student.His research concerns electromagnetic spectrum management.

UAV Data Link Time Delay Simulation Based on QualNet

HUANG Yong-jing，WANG Yun-wen，HUANG Chao，LIU Ji-ming，BAI Hua-wei
（Institute of Astronautics＆Aeronautics，University of Electronic Science and Technology of China，Chengdu 611731，China）

The network structure of UAV（Unmanned Aerial Vehicle）data link is outlined and then the features and architecture of the communication network simulation software QualNet are introduced.At the same time，the simulation of UAV data link time delay based on QualNet is modeled and the average end to end delay and average jitter of long-range and short-range UAV at the different MAC channel access protocols are analysed. According to simulation result，TDMA protocol is a priority in design of UAV data link.

UAV data link；QualNet simulation；end to end delay；average jitter

TN915.02

A

10.3969／j.issn.1001-893x.2012.07.034

黃永兢（1987—），男，廣西人，2011年于電子科技大學(xué)獲學(xué)士學(xué)位，現(xiàn)為碩士研究生，主要研究方向?yàn)闊o(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與信號(hào)處理；

1001-893X（2012）07-1210-06

2011-10-31；

2012-03-15