(海軍工程大學(xué)電子工程學(xué)院 武漢 430033)

基于OPNET動態(tài)調(diào)度時隙分配數(shù)據(jù)鏈研究及仿真*

熊詩成周安棟楊路剛

(海軍工程大學(xué)電子工程學(xué)院 武漢 430033)

戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈?zhǔn)菙?shù)字通信技術(shù)在軍事方面的典型應(yīng)用,時分多址接入技術(shù)是數(shù)據(jù)鏈里面的核心技術(shù)。針對戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò)中傳統(tǒng)時隙分配算法無法適應(yīng)戰(zhàn)場多變環(huán)境,時隙資源浪費嚴(yán)重,無法動態(tài)分配等問題,提出一種基于優(yōu)先級調(diào)度策略的動態(tài)時隙分配算法,利用OPNET仿真平臺設(shè)計實現(xiàn)基于此算法的艦艇海上通信仿真系統(tǒng),對應(yīng)用系統(tǒng)進(jìn)行了詳細(xì)網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃,并對系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)性能進(jìn)行仿真分析和比較。

數(shù)據(jù)鏈;OPNET;仿真

ClassNumberTP391

1 引言

針對數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中傳統(tǒng)時隙分配算法中存在對戰(zhàn)場多變環(huán)境適應(yīng)力差,無法動態(tài)分配,浪費時隙嚴(yán)重等問題。在海上艦艇通信網(wǎng)應(yīng)用場景基礎(chǔ)上,引入馬爾可夫調(diào)制泊松過程MMPP(Markov Modulated Poisson Process)模式對時隙數(shù)據(jù)源進(jìn)行模擬,針對海上艦艇協(xié)同作戰(zhàn)通信的需求提出一種基于優(yōu)先級分配策略的動態(tài)時隙算法,最大程度上保證戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)的傳輸性能。

2 動態(tài)時隙分配算法

2.1 算法改進(jìn)思路

在目前的戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈中,大多數(shù)用戶預(yù)先分配固定的時隙。因此,如果某些用戶當(dāng)前未使用分配給他們的帶寬,那么這些資源必然會被浪費。如果其他用戶可接入(使用)這些未用時隙,則能夠以更高的速率發(fā)送信息,從而提高信道利用率,進(jìn)而提高網(wǎng)絡(luò)吞吐量。傳統(tǒng)的動態(tài)時隙分配算法主要通過對系統(tǒng)響應(yīng)時間性能的控制,通過對響應(yīng)時間的處理來提高動態(tài)時隙分配的利用率和時延等性能。

在動態(tài)時隙分配過程中,假定數(shù)據(jù)鏈通過網(wǎng)絡(luò)參與組(NPG)的時隙塊的時隙數(shù)為L,而打包方式為每時隙傳報文k個字。其中第i條報文的字?jǐn)?shù)和服務(wù)時間分別用Ji和Si來表示,那么在動態(tài)時隙分配過程中系統(tǒng)單位時間發(fā)送報文字?jǐn)?shù)為

在式中T表示為幀的時間長度,針對Link 16中T=12s。那么報文i的服務(wù)時間則為

而系統(tǒng)中報文服務(wù)的平均時間則為

式中S為每一報文服務(wù)的平均時間,J為每一報文的平均字?jǐn)?shù)。 假設(shè)數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò)參與組中成員的數(shù)量為N, 各個成員產(chǎn)生報文的概率服從泊松分布。每個成員產(chǎn)生報文的過程中,產(chǎn)生優(yōu)先級別報文的概率為λ1,產(chǎn)生非優(yōu)先級別報文的概率為λ2。網(wǎng)絡(luò)中優(yōu)先隊列報文平均到達(dá)的概率為M1,非優(yōu)先隊列報文平均到達(dá)的概率為M2。整個網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)在單位時間內(nèi)進(jìn)行處理的報文數(shù)量與所有成員產(chǎn)生的報文數(shù)量之間需要滿足如下要求:

如果公式中P<0,就說明在單位時間內(nèi)所有成員產(chǎn)生的報文信息不能得到及時處理,整個系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)所需要的響應(yīng)時間將不能夠滿足當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)時隙分配的需求,因此整個系統(tǒng)的時隙分配需要重新規(guī)劃。

2.2 具體算法流程

在動態(tài)時隙分配算法中,時隙分配主要是對節(jié)點沖突,報文響應(yīng)以及優(yōu)先級排列進(jìn)行處理,算法流程圖具體如圖1所示。設(shè)計思想在時幀內(nèi)確定最優(yōu)的時隙分配方案的過程；時隙分配方案動態(tài)調(diào)整與優(yōu)化階段主要是根據(jù)時隙分配狀態(tài),通過合并或者分解時隙塊,進(jìn)行時隙分配方案調(diào)整優(yōu)化的過程。

一旦有新用戶加入系統(tǒng),首先需要偵聽一段足夠長的時間,以獲取其兩跳范圍內(nèi)用戶的時隙分配等相關(guān)信息,用于建立時隙狀態(tài)表以及時幀長度的確定。為了提高用戶的接入性能,根據(jù)收集到的信息,選擇優(yōu)先級高用戶的最長時幀作為其初始時幀。依據(jù)自身維護(hù)的時隙狀態(tài)表,用戶試圖搶占一個空閑時隙以廣播入網(wǎng)信息。如果一次搶占不成功,可多次反復(fù)嘗試,直到成功加入。

圖1 算法流程圖

3 海上艦艇數(shù)據(jù)鏈仿真構(gòu)架設(shè)計

根據(jù)數(shù)據(jù)鏈仿真模型的設(shè)計思想,結(jié)合實際的網(wǎng)絡(luò)條件和艦艇海上作戰(zhàn)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)鏈傳輸需求,對艦艇作戰(zhàn)網(wǎng)絡(luò)仿真系統(tǒng)的功能架構(gòu)進(jìn)行如下設(shè)計。把艦艇作戰(zhàn)網(wǎng)絡(luò)仿真系統(tǒng)的功能架構(gòu)主要劃分成三個部分,分別為場景層,網(wǎng)絡(luò)控制層以及數(shù)據(jù)層。具體如圖2所示。其中場景層主要分為岸站節(jié)點、艦艇節(jié)點、作戰(zhàn)地圖以及無線軍事網(wǎng)絡(luò)中心節(jié)點四部分。網(wǎng)絡(luò)控制層主要是OPNET通過協(xié)議對相關(guān)節(jié)點進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)控制和調(diào)度,完成系統(tǒng)作戰(zhàn)通信任務(wù),是系統(tǒng)的核心層。數(shù)據(jù)層主要用于確定數(shù)據(jù)采集和網(wǎng)絡(luò)性能分析的具體項目。

圖2 系統(tǒng)功能構(gòu)架圖

4 仿真與數(shù)據(jù)統(tǒng)計

4.1 仿真配置設(shè)定

在基于動態(tài)時隙分配算法的艦艇海上通信仿真系統(tǒng)中場景通過subnet嵌套方式進(jìn)行場景設(shè)計。在艦艇海上通信仿真系統(tǒng)場景中的涉及到的節(jié)點都屬于無線網(wǎng)絡(luò)通信中的節(jié)點范疇范圍內(nèi)。主場景中主要有無線軍事網(wǎng)絡(luò)控制服務(wù)器一個,艦艇艦隊兩個。艦艇艦隊分別分布于區(qū)域1和區(qū)域2。在場景細(xì)節(jié)圖中,區(qū)域1中艦艇編隊有艦艇節(jié)點兩個和一個岸站節(jié)點。區(qū)域2中艦艇編隊有兩個岸站節(jié)點和四個艦艇節(jié)點。以上節(jié)點和服務(wù)器組成整個艦艇海上通信仿真系統(tǒng)的場景。

圖3 場景細(xì)節(jié)圖

4.2 數(shù)據(jù)統(tǒng)計

在仿真系統(tǒng)中從圖4～圖7所示的分別是吞吐量、信道利用率、數(shù)據(jù)包中斷時間、時延。從以下四個圖中可以看出仿真系統(tǒng)艦艇艦隊1里面的單個艦艇和艦艇艦隊2里面單個艦艇的吞吐量總體上差距不大,平均吞吐量大概50000bit～60000bit之間,但是東海艦隊由于岸站節(jié)點較多,處理能力較強,吞吐量整體波動比黃海艦隊要稍微好點。兩個艦艇編隊信道利用率整體上波動很小,較為平均。數(shù)據(jù)包中斷時間由于艦隊2的數(shù)據(jù)量較大,節(jié)點較多,因此波動相對較大。但是整體每秒控制在0.20下。時延兩個艦艇基本上維持在0.010s左右,而且較為穩(wěn)定,波動很小。從整體看仿真結(jié)果較為理想,基本達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。

圖4 吞吐量性能結(jié)果圖

圖5 信道利用率

圖6 數(shù)據(jù)包中斷時間

圖7 時延結(jié)果圖

5 結(jié)語

通過OPNET對基于優(yōu)先級調(diào)度時隙分配的海上艦艇數(shù)據(jù)鏈進(jìn)行建模仿真,由仿真結(jié)果可看出,所組建通信網(wǎng)中的網(wǎng)絡(luò)吞吐性能、信道利用率、數(shù)據(jù)包中斷時間、和時延都能達(dá)到通信的基本要求。本文對艦艇數(shù)據(jù)鏈的評估還不夠全面,有待進(jìn)一步的分析和驗證。

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DynamicSchedulingSlotAllocationofDataLinkResearchandSimulationBasedonOPNET

XIONG Shicheng ZHOU Andong YANG Lugang

(School of Information and Electrical Science, Naval University of Engineering, Wuhan 430033)

The tactical data link is a digital communications technology in the military aspects of a typical application, time division multiple access technology is the core technology inside the data link.Tactical data link network for traditional slot allocation algorithms is unable to adapt to changing battlefield environment, the slot serious waste of resources, and other issues can not be dynamically allocated.A priority-based scheduling policy dynamic slot allocation algorithm is proposed, using OPNET simulation platform designed and implemented based on this algorithm naval maritime communications simulation system, the application system carries out a detailed network planning, network performance and system simulation analysis and comparison.

data link, OPNET, simulation

2014年1月4日,

:2014年2月23日

熊詩成,男,碩士研究生,研究方向:數(shù)字通信技術(shù)。周安棟,男,副教授,研究方向:無線通信。楊路剛,男,講師,研究方向:無線通信。

TP391DOI:10.3969/j.issn1672-9730.2014.07.029