劉 敏，高明霞，陸思羽，喬會東

（1.63880部隊 河南 洛陽 471003；2.信息工程大學 河南 鄭州 450001；3.北京科技大學 計算機與通信工程學院，北京 100083）

基于OPNET的地域通信網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)仿真研究

劉 敏1，高明霞2，陸思羽3，喬會東1

（1.63880部隊 河南 洛陽 471003；2.信息工程大學 河南 鄭州 450001；3.北京科技大學 計算機與通信工程學院，北京 100083）

針對無線通信情況下地域通信網(wǎng)中心交換機節(jié)點間的通信質(zhì)量，采用模塊化的方法描述節(jié)點對象的行為并對節(jié)點進行建模，通過OPNET網(wǎng)絡(luò)仿真工具對地域通信網(wǎng)各網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的仿真模型以及組成各節(jié)點的進程模塊進行設(shè)計實現(xiàn)，結(jié)合地域通信網(wǎng)的一個實例，得出了節(jié)點受不同干擾情況下的全局數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)丟包率和話音業(yè)務(wù)呼損率。

地域通信網(wǎng)；OPNET；網(wǎng)絡(luò)仿真；進程模型

地域通信網(wǎng)是由柵格狀干線節(jié)點、入口節(jié)點和傳輸系統(tǒng)組成的覆蓋戰(zhàn)術(shù)戰(zhàn)役區(qū)域的通信網(wǎng)，是公認的戰(zhàn)術(shù)通信網(wǎng)的主要發(fā)展方向[1-2]。

地域通信網(wǎng)是保證作戰(zhàn)部隊與司令部之間相互聯(lián)絡(luò)的主要手段。在軍或師的整個作戰(zhàn)地域開設(shè)若干個通信中心節(jié)點，節(jié)點之間用無線電中繼線路連接起來，固定或移動用戶分別通過有線電路或無線電臺與通信中心的有無線入口連接，形成一個到所屬各部隊既有直接路由又有迂回路由的統(tǒng)一通信網(wǎng)。

與傳統(tǒng)通信裝備組成的野戰(zhàn)通信系統(tǒng)相比，地域通信網(wǎng)具有生存能力強、時效性高、綜合互通程度高、機動性好、保密性好和抗干擾能力強的優(yōu)勢，因此成為目前陸軍中軍、師（含師與團之間）的主要通信手段。地域通信網(wǎng)的出現(xiàn)，使野戰(zhàn)通信在通信裝備、通信體制、通信戰(zhàn)術(shù)等諸多方面都發(fā)生了根本性的變化，因而成為通信對抗的重點目標[3]。

1 仿真工具介紹

網(wǎng)絡(luò)仿真技術(shù)是一種通過建立網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)鏈路和協(xié)議模型，并模擬網(wǎng)絡(luò)流量的傳輸，從而獲取網(wǎng)絡(luò)設(shè)計或優(yōu)化所需要的網(wǎng)絡(luò)性能數(shù)據(jù)的仿真技術(shù)[4]。網(wǎng)絡(luò)模型不僅可以在實施之前預測拓撲和設(shè)備規(guī)劃，還有助于在網(wǎng)絡(luò)的運行中保持其有效性。

OPNET Modeler[5]是一種優(yōu)秀的網(wǎng)絡(luò)仿真和建模工具，支持面向?qū)ο蟮慕７绞?，并提供圖形化的編輯界面，更便于用戶使用。它將通信網(wǎng)絡(luò)仿真的各個階段合并在一起，包括模型的設(shè)計、仿真、數(shù)據(jù)的收集和分析等階段。除了能模擬固定通信模型外，OPNET Modeler的無線建模器還可用于建立分組無線網(wǎng)和衛(wèi)星通信網(wǎng)的模型[6]。OPNET為通信協(xié)議和路由算法的研究提供與真實網(wǎng)絡(luò)相同的環(huán)境。其結(jié)果分析器為網(wǎng)絡(luò)性能的分析提供了直觀有效的工具。

2 網(wǎng)絡(luò)仿真模型研究

基于OPNET仿真軟件對地域通信網(wǎng)中各網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的仿真模型進行設(shè)計實現(xiàn)，在節(jié)點模型中使用不同的模塊來描述節(jié)點對象的不同行為，展示網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)。模塊一般代表應用業(yè)務(wù)、協(xié)議層和物理資源，如緩沖區(qū)、端口和總線。每個模塊都擁有相應的進程模型，因此稱為進程模塊。每個進程模塊模擬節(jié)點行為的一個或幾個方面，如節(jié)點的數(shù)據(jù)創(chuàng)建、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲等。進程模塊之間通過數(shù)據(jù)包流線或統(tǒng)計線進行連接。一個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點模型由多個進程模塊組成。

對節(jié)點按層建模，如圖1所示。

圖1 建模層次示意圖Fig.1 Modeling level sketch chart

2.1 節(jié)點模型

地域通信網(wǎng)中主要的節(jié)點有3類：交換機節(jié)點、終端節(jié)點和干擾節(jié)點。交換機主要用以對報文進行轉(zhuǎn)送，包含有路由功能，根據(jù)位置不同，分為中心交換機和本地交換機。終端節(jié)點包括話音終端和數(shù)據(jù)終端，分別用于提供話音和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。以中心交換機為例對節(jié)點模型的設(shè)計進行說明。

地域通信網(wǎng)中，往往有多個子網(wǎng)，它們相互之間間隔較遠，一般通過中心交換機實現(xiàn)交互通信。中心交換機之間采用無線通信，組成地域通信網(wǎng)的骨干網(wǎng)絡(luò)。其節(jié)點模型如圖2所示。

圖2 中心交換機節(jié)點模型Fig.2 Central switch node model

從圖2可以看出，中心交換機節(jié)點模型中主要有ATM信令模塊、ATM呼叫控制模塊、ATM路由模塊、AAL模塊、ATM層模塊、ATM翻譯模塊、ATM分發(fā)模塊、無線mac模塊、無線收發(fā)信機以及天線模塊等。圖中實線代表數(shù)據(jù)流線，虛線代表統(tǒng)計線。

2.2 進程模型

主要的進程模塊有應用層進程模塊、ATM信令模塊、ATM呼叫控制模塊、ATM路由模塊、AAL模塊、ATM層模塊、ATM翻譯模塊、ATM分發(fā)模塊等。

下面以ATM呼叫控制進程模塊為例說明進程模型的設(shè)計實現(xiàn)。

2.2.1 進程模型設(shè)計

如圖3所示為ATM呼叫控制進程模型流程圖。

圖3 ATM呼叫控制進程模型流程圖Fig.3 ATM call control process model flow chart

模塊初始化結(jié)束后，進行相應的配置。之后進入空閑狀態(tài)并等待接收各類信息。對接收到的信息類型進行判斷并執(zhí)行相應的操作。

若收到應用層發(fā)來的連接建立請求，則將此請求信息轉(zhuǎn)送給AAL模塊以通知其有新連接；若收到AAL模塊發(fā)來的連接指示，則將此信息轉(zhuǎn)送給應用層模塊進行處理；若有連接信息，則建立連接；若收到應用層發(fā)來的釋放連接請求，則將此請求信息轉(zhuǎn)送給AAL模塊；若收到AAL模塊發(fā)來的釋放連接指示，則將此信息轉(zhuǎn)送給應用層模塊處理；若收到釋放連接信息，則釋放當前連接；若收到永久虛通道配置請求，則配置永久虛通道。每條信息處理完成后都恢復到空閑狀態(tài)。當仿真結(jié)束后，本模塊的操作也相應結(jié)束。

2.2.2 進程模型實現(xiàn)

基于OPNET網(wǎng)絡(luò)仿真軟件對各進程模塊進行實現(xiàn)，采用有限狀態(tài)自動機表示以支持規(guī)范、協(xié)議、應用、算法以及排隊策略。采用圖形化的狀態(tài)和狀態(tài)轉(zhuǎn)移條件來定義事件的邏輯。

下面對ATM呼叫控制進程模塊進行實現(xiàn)，給出其狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖，如圖4所示。

圖4 ATM呼叫控制進程模型Fig.4 ATM call control process model

ATM呼叫控制模塊提供了數(shù)據(jù)面和控制面之間的訪問接口。本模塊的主要狀態(tài)有：初始化狀態(tài)、配置狀態(tài)、獲取ATM狀態(tài)信息、空閑狀態(tài)、連接建立請求狀態(tài)、連接建立指示狀態(tài)、永久虛通道配置請求狀態(tài)、連接狀態(tài)、數(shù)據(jù)傳輸狀態(tài)、連接釋放請求狀態(tài)、連接釋放指示狀態(tài)、連接釋放狀態(tài)等。

3 仿真應用

3.1 網(wǎng)絡(luò)仿真模型實例

在OPNET網(wǎng)絡(luò)仿真環(huán)境下搭建一個骨干網(wǎng)絡(luò)為四節(jié)點五鏈路的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)仿真模型，如圖5所示。

此模型中有5類節(jié)點：中心交換機、本地交換機、話音業(yè)務(wù)終端、數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)終端和移動干擾節(jié)點。

中心交換機節(jié)點間采用無線通信，每對收發(fā)信機采用不同的通信頻率，即每個中心交換機與其他不同中心交換機之間通信所采用的收發(fā)信機頻率不同。

本地交換機節(jié)點之間、本地交換機與終端之間采用有線通信。本地交換機的配置與中心交換機配置基本相同，只是其所有端口均為有線。

數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)終端類型為ATM工作站和服務(wù)器。ATM服務(wù)器支持所有的應用層模型。ATM工作站的特色是應用層程序需經(jīng)由IP層與ATM層通信，而不能直接與ATM層通信。所有從工作站發(fā)出的具有相同目的地址的數(shù)據(jù)經(jīng)由同一條ATM鏈路發(fā)往服務(wù)器，而不管這些數(shù)據(jù)是否來自同一應用程序。

圖5 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)仿真模型實例Fig.5 Network structure simulation model instance

話音業(yè)務(wù)終端類型為普通客戶端節(jié)點。其特征是應用層與ATM層直接連接，而不須經(jīng)由IP層。普通客戶端節(jié)點模型為每個應用層任務(wù)建立了一個獨立的ATM連接。

3.2 參數(shù)配置

對節(jié)點參數(shù)、全局參數(shù)和主詢參數(shù)進行配置，并配置終端節(jié)點間的話音和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。話音與數(shù)據(jù)源終端節(jié)點通過本地交換機連接到中心交換機1，然后選擇一條鏈路到達中心交換機3，再通過本地交換機轉(zhuǎn)至相應的目的終端節(jié)點。干擾機以一定的航線飛行，對中心交換機1實施干擾。

相關(guān)參數(shù)設(shè)置情況如表1所示。

表1 仿真參數(shù)設(shè)置表Tab.1 Simulation parameters setting table

3.3 仿真結(jié)果及分析

設(shè)置干擾機飛行航線，同時對中心交換機1與中心交換機3、中心交換機1與中心交換機5之間的兩條鏈路實施干擾，運行本仿真場景。

3.3.1 固定干擾機航線

設(shè)置干擾機與中心交換機1之間垂直距離為420 km，運行仿真，查看統(tǒng)計分析結(jié)果。

1）全局統(tǒng)計量

在全局范圍內(nèi)，收集話音業(yè)務(wù)和數(shù)據(jù)EMAIL業(yè)務(wù)的收發(fā)情況，用收發(fā)曲線來描述，以反映整個網(wǎng)絡(luò)內(nèi)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)與話音業(yè)務(wù)的傳送質(zhì)量。

圖6 全局話音業(yè)務(wù)收發(fā)曲線圖Fig.6 Total voice traffic sent and received graph

全局話音業(yè)務(wù)收發(fā)曲線如圖6所示，可以看出，在本仿真場景和仿真參數(shù)設(shè)置下，全局話音業(yè)務(wù)發(fā)送與接收之間有較大的差距，即話音業(yè)務(wù)損耗較大，說明其受干擾機的影響較大。

圖7 全局數(shù)據(jù)Email業(yè)務(wù)收發(fā)曲線圖Fig.7 Total Email traffic sent and received graph

全局數(shù)據(jù)EMAIL業(yè)務(wù)收發(fā)曲線如圖7所示，可以看出，在本仿真場景和仿真參數(shù)設(shè)置下，全局數(shù)據(jù)Email業(yè)務(wù)具有較高的實時丟包率，說明在此情況下，全局數(shù)據(jù)Email業(yè)務(wù)受干擾機的影響很大，干擾效果比較明顯。

2）鏈路統(tǒng)計量

本仿真模式下，同時對中心交換機1與3、中心交換機1與5之間的兩條鏈路實施干擾，這里用受干擾的兩條鏈路的吞吐量來衡量其被干擾的程度。

圖8 中心交換機1與3之間鏈路吞吐量曲線圖Fig.8 Graph of the link throughput between central switch 1 and central switch 3

中心交換機1與3之間鏈路吞吐量曲線如圖8所示，可以看出，中心交換機1與3之間具有一定的鏈路吞吐量，說明即使是在受干擾的情況下，也有相當一部分數(shù)據(jù)或話音業(yè)務(wù)是經(jīng)由此鏈路到達目的端的。

中心交換機1與5之間鏈路吞吐量曲線如圖9所示，可以看出，中心交換機1與5之間鏈路吞吐量幾乎為零，這是因為，數(shù)據(jù)與話音業(yè)務(wù)的交互都需經(jīng)由中心交換機1到達3，而它們之間存在直接路由1->3，以及間接路由：1->4->3、1->5->3，在同時受干擾且直接路由仍有可用帶寬的情況下，數(shù)據(jù)及話音業(yè)務(wù)仍選擇直接路由。

3.3.2 多條干擾機航線

保持干擾機發(fā)射功率與信號功率不變，設(shè)置八條不同的干擾機飛行航線，（干擾機與中心交換機1之間的垂直距離從480 km到340 km），運行仿真，根據(jù)統(tǒng)計結(jié)果繪制全局話音業(yè)務(wù)呼損率與數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)丟包率曲線，分別如圖10、圖11所示。

圖9 中心交換機節(jié)點1與5之間鏈路吞吐量曲線圖Fig.9 Graph of the link throughput between central switch 1 and central switch 5

圖10 全局話音業(yè)務(wù)呼損率曲線圖Fig.10 Graph of total voice traffic call loss ratio

圖11 全局數(shù)據(jù)Email業(yè)務(wù)丟包率曲線圖Fig.11 Graph of total Email traffic packet loss rate

從圖10、圖11可以看出，在干擾功率不變的情況下，隨著干擾機與被干擾節(jié)點間垂直距離的增加，全局話音業(yè)務(wù)呼損率、全局數(shù)據(jù)Email業(yè)務(wù)丟包率呈降低趨勢。在垂直距離為340 km時，話音業(yè)務(wù)呼損率達到37%，數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)丟包率達到70%，此時，干擾效果已經(jīng)相當明顯，收發(fā)信方基本上已不能正常通信。

4 結(jié)束語

本文基于OPNET網(wǎng)絡(luò)仿真工具對地域通信網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)仿真模型進行了深入研究，對網(wǎng)絡(luò)中各類節(jié)點如交換機、終端、干擾機等進行了節(jié)點級和進程級模型的設(shè)計和實現(xiàn)。然后給出了一個四節(jié)點五鏈路的典型地域通信網(wǎng)應用實例，搭建了網(wǎng)絡(luò)模型，并就仿真相關(guān)的各項參數(shù)進行了設(shè)置[7]。設(shè)定干擾機飛行航線，同時干擾兩條鏈路，對此場景進行仿真，繪制全局話音業(yè)務(wù)和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的收發(fā)曲線和被干擾鏈路的吞吐量曲線。在航線改變的情況下，進行多次仿真，根據(jù)仿真統(tǒng)計結(jié)果繪制全局數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)丟包率曲線和話音業(yè)務(wù)呼損率曲線。仿真結(jié)果表明，隨著干擾機與被干擾節(jié)點間垂直距離的增加，全局數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)丟包率和話音業(yè)務(wù)呼損率均呈降低趨勢，且在垂直距離340 km時，話音呼損率達到37%，數(shù)據(jù)丟包率達到70%，基本達到了干擾收發(fā)信雙方通信的目的。

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Research on OPNET-based simulation of field communication network

LIU Min1， GAO Ming-xia2， LU Si-yu3， QIAO Hui-dong1
（1.63880Unit，Luoyang471003，China； 2.Information Engineering University，Zhengzhou450001，China；3.School of Computer&Communication Engineering，Beijing Universtiy of Science and Techology，Beijing100083，China）

With communication quality of the center switch nodes of field communication network under wireless communication， using a modular approach to describe the behavior of nodes and node object modeling， through the OPNET network simulation tool， various nodes used in the field communication network were modeled， as well as thread modules which consist of the nodes， with a field communication network instance， arriving at a conclusion about total data traffic packet loss rate and voice traffic call loss rate on condition of different interferences.

field communication network；OPNET；network simulation；thread model

TN915.02

A

1674－6236（2012）04-0120-05

2011-11-10 稿件編號：201111061

劉 敏（1986—），女，山東青州人，碩士，研究實習員。研究方向：計算機網(wǎng)絡(luò)安全，電子對抗。