盧穎,鐘聯(lián)炯

摘? 要： 針對戰(zhàn)術通信網(wǎng)中信息傳遞的層級關系特征，采用多頻分層技術對該網(wǎng)絡進行仿真建模。通過引入營連級通信場景，給出子網(wǎng)成員節(jié)點和簇首節(jié)點的仿真模型及實現(xiàn)描述，并提出了一種簡單有效的路由表數(shù)據(jù)結構，在模型節(jié)點域中進行加載。實驗結果證明：該仿真建模方法具有一定可行性，用其搭建仿真網(wǎng)絡可有效客觀地反映通信子網(wǎng)的各項性能指標。

關鍵詞： 通信子網(wǎng)； 多頻分層； 分層分布式； 節(jié)點建模

中圖分類號： TN915?34?????????????????????? 文獻標識碼： A??????????????????????? 文章編號： 1004?373X（2014）23?0044?03

Abstract：For?the?characteristics?of?hierarchical?relationship?of?information?transfer?in?tactical?communication?sub?network， multi?frequency hierarchical technology is used to implement simulation modeling. The?simulation?model?and?description?of?member?nodes and?the?cluster?head?node?are offered?through introducing battalion?level?communication?scenario. A simple and effective routing data structure is proposed， which can loaded in node fields of model. The?experiment?result?demonstrates?the?methods?mentioned above are?feasible.?The simulation?network built with this method???can?effectively?reflect?the?performance?indicators?of?the communication?sub?network.

Keywords：?communication?sub?network； multi?frequency hierarchy； hierarchical distribution； node modeling

0? 引? 言

戰(zhàn)術通信網(wǎng)的組網(wǎng)結構包括戰(zhàn)區(qū)到各級機動部隊的作戰(zhàn)指揮通信。按照戰(zhàn)時需求，建立能在復雜環(huán)境下提供安全、可靠、高效的通信服務網(wǎng)絡，是戰(zhàn)時通信的關鍵保障[1]。采用合適的體系結構，對于保障通信可靠性和網(wǎng)絡性能極為重要。戰(zhàn)術網(wǎng)絡中信息的傳遞呈現(xiàn)出一種“縱向化”的特征[2]。指揮控制信息一般自上而下，而態(tài)勢感知信息一般由下而上，每一級中心節(jié)點都必須對這些信息統(tǒng)一匯總，分析處理后再向上級轉發(fā)或向下級單元分發(fā)，節(jié)點之間存在著一定的隸屬關系。根據(jù)這種作戰(zhàn)指揮的特點及數(shù)據(jù)采集和發(fā)布的層級關系，其網(wǎng)絡構建模式應采用分層分級的網(wǎng)絡體系結構。本文根據(jù)戰(zhàn)術通信網(wǎng)體系結構特點，重點研究如何有效進行多層分布式體系結構的仿真建模。通過在網(wǎng)絡各層的終端節(jié)點模型中分別創(chuàng)建單、雙收發(fā)信機，結合分頻的方法建立了多層結構模型，從而有效實現(xiàn)了對該網(wǎng)絡的仿真。

1? 多層分布式結構建模及實現(xiàn)

1.1? 多層分布式模型

多層分布式結構網(wǎng)絡可被劃分為多個簇，簇內包括一個簇首節(jié)點和若干成員，只有簇首才能進行數(shù)據(jù)轉發(fā)和維護網(wǎng)絡的路由信息。若干簇首節(jié)點可以形成高一級的子網(wǎng)，高一級子網(wǎng)的簇首又可再次分簇[3?4]。戰(zhàn)術通信網(wǎng)本身擁有復雜的結構，仿真模型的分層分布多是參考部隊編制及組網(wǎng)功能的層次關系。根據(jù)子網(wǎng)通信的需求，該體系結構可以通過多頻分層組網(wǎng)技術實現(xiàn)。模型中可通過為子網(wǎng)簇首節(jié)點設置雙收發(fā)信機來實現(xiàn)這種多層次的組網(wǎng)結構。

具體建模時可設置子網(wǎng)中非簇首節(jié)點為單收發(fā)信機節(jié)點，只擁有一對收發(fā)信機，同一子網(wǎng)的各站點收發(fā)信機采用相同通信頻率；簇首節(jié)點則設置為雙收發(fā)信機節(jié)點，擁有收發(fā)信機0和收發(fā)信機1。收發(fā)信機0負責與本子網(wǎng)內其他節(jié)點進行通信，因此采用的通信頻率與本子網(wǎng)內節(jié)點相同；收發(fā)信機1負責與上層子網(wǎng)通信，因此其頻率同上層子網(wǎng)一致。

當節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)幀時，如果是發(fā)往本子網(wǎng)內地址，則通過其發(fā)信機直接發(fā)送；如果要發(fā)往其他子網(wǎng)，則先要發(fā)往簇首節(jié)點，簇首節(jié)點通過收發(fā)信機0接收到數(shù)據(jù)幀，再利用發(fā)信機1進行轉發(fā)。采用上述方法，能解決網(wǎng)絡中任意兩點之間相互通信的需求。仿真實現(xiàn)時需要設置模型中收發(fā)信機的通信頻率、數(shù)據(jù)發(fā)送速率、支持的數(shù)據(jù)包格式、帶寬等，而以上參數(shù)需根據(jù)戰(zhàn)術通信網(wǎng)的實際經(jīng)驗而定。

1.2? 單收發(fā)信機節(jié)點的建模

單收發(fā)信機節(jié)點是多層分布式戰(zhàn)術通信網(wǎng)中最底層子網(wǎng)的組成元素。此類節(jié)點只能與同一網(wǎng)絡中的其他節(jié)點通信，若要與其他子網(wǎng)節(jié)點通信則需要經(jīng)過簇首節(jié)點轉發(fā)。由于所研究戰(zhàn)術通信網(wǎng)是采用OPNET仿真軟件搭建其網(wǎng)絡模型的，因此本文將介紹采用OPNET Modeler創(chuàng)建單收發(fā)信機節(jié)點模型的方法，如圖1（a）所示。

該節(jié)點模型包含數(shù)據(jù)源模塊、MAC層接口模塊、MAC層模塊、信宿模塊、發(fā)射機和接收機模塊，每個模塊都有相應的進程模型支持[5?6]。其中，wlan_port_tx0是無線發(fā)射機，負責將節(jié)點所要發(fā)送的數(shù)據(jù)幀發(fā)送到無線信道上；wlan_port_rx0是無線接收機，負責接收檢測信道的使用情況并獲取信道上的數(shù)據(jù)幀[7]。

<；E：＼2014年23期＼2014年23期＼Image＼39t1.tif>；

圖1 單、雙收發(fā)信機節(jié)點模型

1.3? 雙收發(fā)信機節(jié)點建模

雙收發(fā)信機節(jié)點是構成多層分布式戰(zhàn)術通信網(wǎng)高層子網(wǎng)的組成元素，也正是通過為該層節(jié)點模型的兩對收發(fā)信機設置不同的頻段，從而實現(xiàn)戰(zhàn)術通信網(wǎng)的分層。該節(jié)點擁有兩對收發(fā)信機，一對負責和底層網(wǎng)絡通信，另一對負責和上層網(wǎng)絡通信。在OPNET 節(jié)點模型編輯器中建立雙收發(fā)信機節(jié)點模型，如圖1（b）所示。

雙收發(fā)信機節(jié)點模型能使得同一站點與兩個子網(wǎng)之間進行通信，具體實現(xiàn)過程需要在wlan_mac_intf進程模型中加載網(wǎng)絡的路由信息，站點在接收到上層數(shù)據(jù)幀或下層數(shù)據(jù)幀后，將根據(jù)路由表將數(shù)據(jù)幀分發(fā)到相應的進程模型進行處理。過程如下：當wlan_mac_intf接收到數(shù)據(jù)幀時，首先判斷其目標地址，如果是自身則直接發(fā)往Sink模塊進行銷毀，否則根據(jù)路由信息計算出應發(fā)向的目標地址。若為下層子網(wǎng)，則發(fā)向wireless_lan_mac競爭信道，然后通過wlan_port_tx0發(fā)送；若為上層子網(wǎng)，則先發(fā)向wireless_lan_mac1，再通過wlan_port_tx1進行轉發(fā)。

2? 仿真網(wǎng)絡模型建立

2.1? 仿真場景描述

建立網(wǎng)絡仿真模型如下：仿真場景為一個兩級分布式通信網(wǎng)絡，如圖2所示。該網(wǎng)絡包含四個“連”網(wǎng)：company_subnet1～company_subnet4；一個“營”網(wǎng)：company_subnet0。每個“連”網(wǎng)內設置四個通信終端，而營層子網(wǎng)由一個營網(wǎng)的簇首節(jié)點和四個連網(wǎng)的簇首組成。該通信網(wǎng)的分層結構由簇首節(jié)點的雙收發(fā)信機來實現(xiàn)。

<；E：＼2014年23期＼2014年23期＼Image＼39t2.tif>；

圖2 仿真網(wǎng)絡結構

以company_subnet1為例，其中的node1.0～node_1.2為單收發(fā)機站點，每個節(jié)點有一對收發(fā)信機，每個站點的收發(fā)信機采用同一頻段。node_1.3為簇首，設置雙收發(fā)信機，它負責將node_1.0～node_1.3發(fā)往其他子網(wǎng)站點的數(shù)據(jù)幀準確轉發(fā)。node_1.3所設置的收發(fā)信機0采用的頻率和node_1.0～node_1.2相同，子網(wǎng)中的其他站點要發(fā)送數(shù)據(jù)幀，首先查看該數(shù)據(jù)幀的目標地址，如果目標地址是node_1.0～node_1.2中的某一個，則不接收該數(shù)據(jù)幀；如果該數(shù)據(jù)幀的目標地址是node_1.3，則進行接收，并做相應處理；如果目標地址是本子網(wǎng)以外站點，則接收該數(shù)據(jù)幀，同時由收發(fā)信機1轉發(fā)到該目標地址所在子網(wǎng)的簇首節(jié)點，再由簇首節(jié)點發(fā)送到目標站點。具體實現(xiàn)時雙收發(fā)信機站點接收到數(shù)據(jù)幀后，根據(jù)目標站點發(fā)往相應的節(jié)點stream，分別有三個stream處理：如果數(shù)據(jù)幀目標地址域是本站點則通過stream0，將數(shù)據(jù)幀發(fā)送給sink模塊處理；如果數(shù)據(jù)幀的目標地址是本子網(wǎng)內站點，則由與stream1所對應的與底層站點通信的收發(fā)信機處理；如果數(shù)據(jù)幀的目標地址為其他子網(wǎng)的站點，則由與stream2所對應的與高層站點通信的收發(fā)信機處理。

2.2? 路由表結構設計

實驗在節(jié)點模型的“wlan_mac_intf”模塊加載了自定義的轉發(fā)路由表。所提出的路由表數(shù)據(jù)結構設計具體如圖3所示，其中Group0～Group4代表子網(wǎng)company_subnet0～company_subnet4。全網(wǎng)各站點MAC地址統(tǒng)一編號從0～20，每個群首有兩個MAC地址，分網(wǎng)內和網(wǎng)外，如3，7，11，15號節(jié)點在上層子網(wǎng)中對應的MAC地址為17，18，19，20。矩陣的第一列表示節(jié)點所處網(wǎng)絡層級（0為連級節(jié)點，1為營級節(jié)點）；第二列表示節(jié)點在子網(wǎng)內的MAC地址；第三列表示所對應群首的MAC地址；第四列表示所對應群首的上層MAC地址。

<；E：＼2014年23期＼2014年23期＼Image＼39t3.tif>；

圖3 路由信息數(shù)據(jù)組織結構

表1，表2舉例說明了網(wǎng)絡中各節(jié)點所發(fā)送數(shù)據(jù)的具體路由傳遞關系。

表1 營長節(jié)點16的路由表

[src_address＼&；dest_address＼&；行為＼&；*＼&；16＼&；接收＼&；16＼&；*＼&；發(fā)往對應群首（3，7，11，15）＼&；]

注：*表示除16號節(jié)點之外的其他節(jié)點。

表2 連長站點3的路由表

[src_address＼&；dest_address＼&；行為＼&；3＼&；0，1，2＼&；通過發(fā)信機0發(fā)送＼&；0，1，2＼&；3＼&；通過收信機1接收＼&；3＼&；4～16＼&；通過發(fā)信機1發(fā)送＼&；4～16＼&；3＼&；通過收信機1接收＼&；4～16＼&；0，1，2＼&；通過收信機1接收，通過發(fā)信機0

轉發(fā)給對應節(jié)點（0，1，2）＼&；0，1，2＼&；4～16＼&；通過收信機0接收，通過發(fā)信機1

轉發(fā)給對應節(jié)點群首（7，11，15，16）＼&；]

3? 仿真實例與模型驗證

3.1? 業(yè)務模型參數(shù)

（1） 平均業(yè)務量強度

如表3所示，仿真時分別加載三種不同的網(wǎng)絡業(yè)務強度[S1，][S2，][S3。]

表3 三種不同業(yè)務強度

[業(yè)務強度[S1]/（Kb/s）＼&；業(yè)務強度[S2]/（Kb/s）＼&；業(yè)務強度[S3]/（Kb/s）＼&；44.14＼&；25.78＼&；6.65＼&；]

三種業(yè)務流量的產(chǎn)生模型包括話音業(yè)務流模型和數(shù)據(jù)、視頻業(yè)務模型。話音業(yè)務采用的是兩態(tài)馬爾科夫過程模型[8]，平均包大小為80 B；數(shù)據(jù)和視頻業(yè)務采用的是自相似過程[9]，包大小服從均值為512 B的指數(shù)分布。

3.2? 仿真實驗及分析

在三種業(yè)務流量強度下，通信帶寬為128 Kb，256 Kb，512 Kb時，仿真軟件運行60 min。圖4（a）和（b）分別給出了三種帶寬下網(wǎng)絡的平均延遲和平均丟包率性能指標。橫軸為仿真時間（單位為s），縱軸為平均延遲（單位為s）和丟包率。

<；E：＼2014年23期＼2014年23期＼Image＼39t4.tif>；

圖4 512 Kb/256 Kb/128 Kb帶寬下延遲和丟包率性能

由圖4可知，三種帶寬下的網(wǎng)絡延遲和丟包率是隨著業(yè)務量強度的增加而逐漸遞增的。512 Kb通信帶寬，業(yè)務強度達[S1]時，網(wǎng)絡平均端到端延遲為2.46 s，丟包率達32.55%；[S2]時為0.58 s，丟包率為2.8%；[S3]時為0.41 s，丟包率為0.7%。根據(jù)結果分析可知，[S1]強度下，延遲時間上升較快且丟包率過高，不符合戰(zhàn)術指標要求，而[S3]時情況較為理想。256 Kb帶寬，[S1]業(yè)務強度時端到端延遲為4.4 s，丟包率達56.6%；[S2]時為3.6 s，丟包率達35.03%；[S3]時，延遲0.48 s，丟包率達0.08%。[S1，][S2]強度下的仿真統(tǒng)計結果均超出技術指標范圍，無法滿足需求。128 Kb帶寬下，[S1，][S2]強度時丟包率非常高；[S3]下延遲為0.41 s，由于負載較輕丟包現(xiàn)象幾乎未明顯看到。同樣，[S1，][S2]強度下的仿真統(tǒng)計結果也無法達到戰(zhàn)術指標要求。

隨著業(yè)務流量的強度遞增，網(wǎng)絡負荷愈來愈重，鏈路利用率不斷提高，由此吞吐量增大并趨于飽和，同時由終端節(jié)點對信道訪問競爭的越發(fā)激烈，使得數(shù)據(jù)包的延遲和排隊情況惡化，進而加劇了網(wǎng)絡的丟包現(xiàn)象。根據(jù)上述分析，該兩層分布式通信子網(wǎng)在通信帶寬為512 Kb，業(yè)務流量強度為[S3]時，各項性能指標較為理想。

4? 結? 語

本文對戰(zhàn)術通信子網(wǎng)仿真建模過程中所涉及到的網(wǎng)絡體系結構建模問題進行了研究及探討。給出在網(wǎng)絡節(jié)點模型中分別設置單、雙收發(fā)信機采用分頻分層技術來實現(xiàn)網(wǎng)絡分層的具體方案，為戰(zhàn)術通信網(wǎng)網(wǎng)絡規(guī)劃、設計及性能分析提供了技術依據(jù)。

參考文獻

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轉發(fā)給對應節(jié)點（0，1，2）＼&；0，1，2＼&；4～16＼&；通過收信機0接收，通過發(fā)信機1

轉發(fā)給對應節(jié)點群首（7，11，15，16）＼&；]

3? 仿真實例與模型驗證

3.1? 業(yè)務模型參數(shù)

（1） 平均業(yè)務量強度

如表3所示，仿真時分別加載三種不同的網(wǎng)絡業(yè)務強度[S1，][S2，][S3。]

表3 三種不同業(yè)務強度

[業(yè)務強度[S1]/（Kb/s）＼&；業(yè)務強度[S2]/（Kb/s）＼&；業(yè)務強度[S3]/（Kb/s）＼&；44.14＼&；25.78＼&；6.65＼&；]

三種業(yè)務流量的產(chǎn)生模型包括話音業(yè)務流模型和數(shù)據(jù)、視頻業(yè)務模型。話音業(yè)務采用的是兩態(tài)馬爾科夫過程模型[8]，平均包大小為80 B；數(shù)據(jù)和視頻業(yè)務采用的是自相似過程[9]，包大小服從均值為512 B的指數(shù)分布。

3.2? 仿真實驗及分析

在三種業(yè)務流量強度下，通信帶寬為128 Kb，256 Kb，512 Kb時，仿真軟件運行60 min。圖4（a）和（b）分別給出了三種帶寬下網(wǎng)絡的平均延遲和平均丟包率性能指標。橫軸為仿真時間（單位為s），縱軸為平均延遲（單位為s）和丟包率。

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圖4 512 Kb/256 Kb/128 Kb帶寬下延遲和丟包率性能

由圖4可知，三種帶寬下的網(wǎng)絡延遲和丟包率是隨著業(yè)務量強度的增加而逐漸遞增的。512 Kb通信帶寬，業(yè)務強度達[S1]時，網(wǎng)絡平均端到端延遲為2.46 s，丟包率達32.55%；[S2]時為0.58 s，丟包率為2.8%；[S3]時為0.41 s，丟包率為0.7%。根據(jù)結果分析可知，[S1]強度下，延遲時間上升較快且丟包率過高，不符合戰(zhàn)術指標要求，而[S3]時情況較為理想。256 Kb帶寬，[S1]業(yè)務強度時端到端延遲為4.4 s，丟包率達56.6%；[S2]時為3.6 s，丟包率達35.03%；[S3]時，延遲0.48 s，丟包率達0.08%。[S1，][S2]強度下的仿真統(tǒng)計結果均超出技術指標范圍，無法滿足需求。128 Kb帶寬下，[S1，][S2]強度時丟包率非常高；[S3]下延遲為0.41 s，由于負載較輕丟包現(xiàn)象幾乎未明顯看到。同樣，[S1，][S2]強度下的仿真統(tǒng)計結果也無法達到戰(zhàn)術指標要求。

隨著業(yè)務流量的強度遞增，網(wǎng)絡負荷愈來愈重，鏈路利用率不斷提高，由此吞吐量增大并趨于飽和，同時由終端節(jié)點對信道訪問競爭的越發(fā)激烈，使得數(shù)據(jù)包的延遲和排隊情況惡化，進而加劇了網(wǎng)絡的丟包現(xiàn)象。根據(jù)上述分析，該兩層分布式通信子網(wǎng)在通信帶寬為512 Kb，業(yè)務流量強度為[S3]時，各項性能指標較為理想。

4? 結? 語

本文對戰(zhàn)術通信子網(wǎng)仿真建模過程中所涉及到的網(wǎng)絡體系結構建模問題進行了研究及探討。給出在網(wǎng)絡節(jié)點模型中分別設置單、雙收發(fā)信機采用分頻分層技術來實現(xiàn)網(wǎng)絡分層的具體方案，為戰(zhàn)術通信網(wǎng)網(wǎng)絡規(guī)劃、設計及性能分析提供了技術依據(jù)。

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轉發(fā)給對應節(jié)點（0，1，2）＼&；0，1，2＼&；4～16＼&；通過收信機0接收，通過發(fā)信機1

轉發(fā)給對應節(jié)點群首（7，11，15，16）＼&；]

3? 仿真實例與模型驗證

3.1? 業(yè)務模型參數(shù)

（1） 平均業(yè)務量強度

如表3所示，仿真時分別加載三種不同的網(wǎng)絡業(yè)務強度[S1，][S2，][S3。]

表3 三種不同業(yè)務強度

[業(yè)務強度[S1]/（Kb/s）＼&；業(yè)務強度[S2]/（Kb/s）＼&；業(yè)務強度[S3]/（Kb/s）＼&；44.14＼&；25.78＼&；6.65＼&；]

三種業(yè)務流量的產(chǎn)生模型包括話音業(yè)務流模型和數(shù)據(jù)、視頻業(yè)務模型。話音業(yè)務采用的是兩態(tài)馬爾科夫過程模型[8]，平均包大小為80 B；數(shù)據(jù)和視頻業(yè)務采用的是自相似過程[9]，包大小服從均值為512 B的指數(shù)分布。

3.2? 仿真實驗及分析

在三種業(yè)務流量強度下，通信帶寬為128 Kb，256 Kb，512 Kb時，仿真軟件運行60 min。圖4（a）和（b）分別給出了三種帶寬下網(wǎng)絡的平均延遲和平均丟包率性能指標。橫軸為仿真時間（單位為s），縱軸為平均延遲（單位為s）和丟包率。

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圖4 512 Kb/256 Kb/128 Kb帶寬下延遲和丟包率性能

由圖4可知，三種帶寬下的網(wǎng)絡延遲和丟包率是隨著業(yè)務量強度的增加而逐漸遞增的。512 Kb通信帶寬，業(yè)務強度達[S1]時，網(wǎng)絡平均端到端延遲為2.46 s，丟包率達32.55%；[S2]時為0.58 s，丟包率為2.8%；[S3]時為0.41 s，丟包率為0.7%。根據(jù)結果分析可知，[S1]強度下，延遲時間上升較快且丟包率過高，不符合戰(zhàn)術指標要求，而[S3]時情況較為理想。256 Kb帶寬，[S1]業(yè)務強度時端到端延遲為4.4 s，丟包率達56.6%；[S2]時為3.6 s，丟包率達35.03%；[S3]時，延遲0.48 s，丟包率達0.08%。[S1，][S2]強度下的仿真統(tǒng)計結果均超出技術指標范圍，無法滿足需求。128 Kb帶寬下，[S1，][S2]強度時丟包率非常高；[S3]下延遲為0.41 s，由于負載較輕丟包現(xiàn)象幾乎未明顯看到。同樣，[S1，][S2]強度下的仿真統(tǒng)計結果也無法達到戰(zhàn)術指標要求。

隨著業(yè)務流量的強度遞增，網(wǎng)絡負荷愈來愈重，鏈路利用率不斷提高，由此吞吐量增大并趨于飽和，同時由終端節(jié)點對信道訪問競爭的越發(fā)激烈，使得數(shù)據(jù)包的延遲和排隊情況惡化，進而加劇了網(wǎng)絡的丟包現(xiàn)象。根據(jù)上述分析，該兩層分布式通信子網(wǎng)在通信帶寬為512 Kb，業(yè)務流量強度為[S3]時，各項性能指標較為理想。

4? 結? 語

本文對戰(zhàn)術通信子網(wǎng)仿真建模過程中所涉及到的網(wǎng)絡體系結構建模問題進行了研究及探討。給出在網(wǎng)絡節(jié)點模型中分別設置單、雙收發(fā)信機采用分頻分層技術來實現(xiàn)網(wǎng)絡分層的具體方案，為戰(zhàn)術通信網(wǎng)網(wǎng)絡規(guī)劃、設計及性能分析提供了技術依據(jù)。

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