涂二看見，李強，李紅玲

(中國人民解放軍63870部隊，陜西 華陰 714200)

作戰(zhàn)試驗測試通信網絡一般采用異構層次網絡架構設計，通過融合多種架構的通信系統(tǒng)，取長補短，使多種不同類型的網絡分別面向特定使用場景共同為用戶提供隨時隨地的接入能力。但是，層次化、差異化的混合體系結構使得時間同步在全局范圍內實現(xiàn)困難，影響了采樣數據的時標精度，并且作戰(zhàn)試驗測試通信網絡的拓撲結構和網絡特性也引入了傳輸時延和處理時延，進而影響作戰(zhàn)試驗測試數據試驗后回放與分析的精確性。

由此，針對作戰(zhàn)試驗異構層次網絡測量數據回放時間偏差問題，需要在研究作戰(zhàn)試驗測試通信網絡特性的基礎上，深入分析研究作戰(zhàn)試驗測試數據回放時間偏差的機理和修正方法，以指導試驗后數據處理與應用。

1 作戰(zhàn)試驗測試通信網絡的特性

作戰(zhàn)試驗測試通信網絡包含兩層或多層網絡，區(qū)分為分組子網和骨干網，試驗過程中，測試通信網絡各節(jié)點或按試驗科目靜態(tài)部署，或隨被試對象的戰(zhàn)場機動行動而遂行轉移，呈現(xiàn)出一些獨有的特征[1]，包括：

1)骨干網絡全域覆蓋，節(jié)點通信壓力不均衡。骨干網絡要完整覆蓋測試區(qū)域，并為測試數據傳輸提供干線支撐。由于傳輸距離要求相對較遠，設備質量與功率等相對較大，往往采用車載等方式定點部署。在面向特定試驗時通信傳輸服務具有區(qū)域性，分布在不同區(qū)域內的骨干節(jié)點的通信壓力不均衡。

2)分組網絡動態(tài)部署。在作戰(zhàn)試驗過程中，面向測試任務構建的分組網會依據測試任務隨被試對象動態(tài)部署，一般采用多跳、自組織網絡等方式實現(xiàn)，使得作戰(zhàn)試驗測試通信網絡中的局部子網在時間和空間上均具有動態(tài)散布的特性。

3)節(jié)點分布不均勻。依據不同的測試環(huán)境與數據傳輸需求，作戰(zhàn)試驗測試通信網絡在不同區(qū)域內部署的通信節(jié)點的類型、數量以及通信能力等均不同，并且容易受到戰(zhàn)場地理環(huán)境的影響，如河流、山澗、峽谷等多種復雜地形條件下，節(jié)點空間位置分布不均勻，即使對同構網絡而言，在同一區(qū)域內不同位置處的節(jié)點分布也是不均勻的。

2 測試數據回放時間偏差分析

在作戰(zhàn)試驗過程中，一般按照測試任務分區(qū)域布設分組子網，對試驗過程中的數據進行實時采集，匯總至中繼節(jié)點后再通過骨干網遠傳至試驗數據中心。其拓撲結構如圖1所示[2-4]。

多層異構的通信拓撲架構使得作戰(zhàn)試驗系統(tǒng)中不同分組間的時間同步性較差，信息傳輸過程中的通信延遲統(tǒng)計分析處理較為困難。

基于數據的采集、傳輸與回放流程分析，作戰(zhàn)試驗測試數據回放時間偏差由各子系統(tǒng)之間的系統(tǒng)時間偏差wn、系統(tǒng)取標識時間時的定時器隨機誤差un、信息傳輸過程中通信延遲導致的隨機偏差τn和回放條件判斷誤差γn4個部分組成[5]，模型表示為

e(n)=wn+un+τn+γn.

(1)

wn表示作戰(zhàn)試驗各子系統(tǒng)服務器之間的系統(tǒng)時間偏差。作戰(zhàn)試驗各子系統(tǒng)服務器時間取自于計算機操作系統(tǒng)，該時間同步于服務器的硬件時鐘，在操作系統(tǒng)啟動后，系統(tǒng)自動讀取硬件時間，并顯示為系統(tǒng)時鐘，并被各子系統(tǒng)服務器獲取。該偏差主要源于兩個方面，一是在硬件時鐘不同步的情況下，系統(tǒng)時間會出現(xiàn)偏差[6]；二是隨著計算機的使用時間的增加，硬件時鐘會出現(xiàn)漂移，導致系統(tǒng)時間不同步。

un表示時標間隔隨機偏差，與標識機制相關。作戰(zhàn)試驗數據時間標識有兩種方法：一是在接收到或生成測量數據時實時獲取本地系統(tǒng)時間，標識數據時間后緩存下來，再通過獨立的數據記錄線程進行數據存儲入文件操作；其二是在按數據處理的頻率，通過一個定時器周期性獲取本地系統(tǒng)時間，并記錄為全局變量，在接收到或生成測量數據時，標識數據并緩存。針對第1種方法，本地系統(tǒng)時間的準確性主要由系統(tǒng)偏差決定，由于采用異構層次網絡結構的作戰(zhàn)試驗測試通信網絡缺乏系統(tǒng)時間同步機制，所以系統(tǒng)偏差是導致時標誤差的主要因素，這也同樣影響到第2種標識方法；針對第2種方法，由于標識時間是通過定時器方式獲取的，定時器的性能及應用機制直接影響時標精度，這導致標識時間實際上是滯后于真實時間，并且呈現(xiàn)出一定的隨機性。

τn表示通信延遲隨機偏差，主要源于各子系統(tǒng)原始采樣后傳送至存儲服務器過程中的通信延遲，包含數據排隊等待時間、數據處理時間及信道傳輸時間等[7-8]。如果數據時標是在傳送至存儲服務器后獲得的，則τn需要考慮；如果是在采樣時即完成了時間標識，則τn基本可忽略。由于作戰(zhàn)試驗各類數據是在傳送至存儲服務器后進行時間標識的，需要考慮τn.

γn表示回放條件判斷誤差，主要源于回放步長、時刻與數據幀標識時間的偏差。在作戰(zhàn)試驗數據回放過程中，系統(tǒng)獲取數據記錄起始時間t0，解析出待回放數據的時標t1，計算與數據幀時標跨度Δt=t1-t0，與當前回放時間跨度Δt′進行比對，若Δt>Δt′，則判定數據符合回放條件，否則不回放。這時，回放過程中產生了回放條件判斷誤差為Δt-Δt′.

3 測試數據回放時間偏差修正方法

作戰(zhàn)試驗測試數據回放時間偏差修正的目的是對待回放的多源數據進行時間對齊，在同一時間節(jié)點上只能回放對應時刻的數據信息。筆者基于作戰(zhàn)試驗數據的時標特點，研究偏差修正方法，使全局累計誤差最小。

作戰(zhàn)試驗記錄數據是離散數據，不同分組子網記錄的數據在不同的時間段包含的時間偏差不同，如圖2所示。

圖2中，數據1和數據2是動態(tài)采樣數據，在發(fā)生時刻、數據長度上具有隨機性，每幀數據在回放開始時間上的偏差會產生持續(xù)的系統(tǒng)誤差；數據3是周期采集的定長試驗數據，相鄰數據間具有較為固定的時間間隔，由于采樣周期與回放步長不一致，在回放時會產生動態(tài)偏差。為保證回放精度，就需要消除網絡時延的同時做對齊處理。通過進一步分析，作戰(zhàn)試驗測試數據存在以下特點[9]：

1)同一分組網上報的測試數據幀的時標存在關系：tn

2)同一分組網上報的測試數據存在固定周期，傳輸時存在網絡延遲，也存在丟包現(xiàn)象，假定周期為ΔT，則tn+1-tn>ΔT+δ，其中δ為網絡延遲。

3)同一分組網上報的測試數據時標tn之間存在累計采樣時間偏差。

4)作戰(zhàn)試驗測試數據存在傳輸時延。

基于此，可采用聚類分析方法，對大量的作戰(zhàn)試驗周期測試數據進行修正，抵消網絡延遲時間值，然后再進行對齊操作，處理步驟是：

1)對同一分組網上報的測試數據進行批處理操作，獲取鄰近兩個點之間的時間偏差值Δtn=tn+1-tn，獲取延遲近似值δn=Δtn/INT(Δtn/ΔT),其中ΔT為采樣周期。

通過以上步驟，可獲得最小的偏差距離測度d=t′-200×INT(t′/200)，其中t′即為回放步長，可使全局累計誤差最小。

4 基于虛擬時鐘的數據回放控制

回放過程中使用了由計算機系統(tǒng)時間驅動的絕對時間軸、數據時標對應的記錄時間軸。回放開始時刻，絕對時間軸時刻與記錄時間軸時刻存在確定的時間偏差值；回放開始后，記錄時間軸隨絕對時間軸同步向前。由于數據時標對應計算機系統(tǒng)時間，所以由于采用絕對時間軸作為回放時鐘時，只能實現(xiàn)正常倍速的回放控制。為實現(xiàn)變速回放，需要在絕對時間軸的基礎上設計虛擬時間軸來驅動回放過程[10]。

虛擬時間軸的基礎是虛擬時鐘，具有以下特性：

1)虛擬時鐘是記錄初始偏差的函數，記錄初始偏差是每一數據幀時標與文件錄取開始時刻的差值；

2)虛擬時鐘的零時與文件錄取開始時刻對應；

3)回放過程中，虛擬時鐘的步長是穩(wěn)定的，即回放速度保持不變；

4)回放暫停時，虛擬時鐘處于暫停狀態(tài)；

5)調整回放時刻時，虛擬時鐘的零時更新；

6)回放結束后，虛擬時鐘處于停止狀態(tài)。

4.1 時刻值計算

基于虛擬時鐘的回放控制過程需要實時計算虛擬時鐘的時刻值，然后與待回放緩存中每幀數據幀的時標進行比對。如假定一個典型的回放過程如下：用戶在t0時刻選擇好待回放的文件后設定按照正常速度開始回放，在回放至t1時刻后，用戶設定系統(tǒng)以2倍速快速回放，持續(xù)運行Δt1時長后，至t2時刻，用戶暫停Δt2時長，至t3時刻，拖動回放時間軸，設定當前播放位置為t4時刻，其后繼續(xù)以2倍速快速回放,如圖3所示。

虛擬時鐘與絕對時鐘間存在如下關系：

t0～t1：f(t)=t-t0；

t1～t2：f(t)=f(t1)+2(t-t1) ；

t2～t3：f(t)=f(t2)；

t3～t4：f(t)=f(t3)；

t4～t5：f(t)=f(t4)+2(t-t4).

用公式表示為

(2)

4.2 回放條件判斷

記錄數據的回放條件為

(Ti-T0)≥∑(f(t)-f(t)0m),

(3)

式中：Ti為記錄數據幀的時標；T0為記錄數據幀的開始時刻，如圖3中的T0和T3.

由此可得：

Ti≥∑(f(t)-f(t)0m)+T0.

(4)

這是一個累加的過程，且f(t)的計算需要記憶回放控制狀態(tài)。

回放條件判斷流程如下：

3)如果Δf(t)+T0≤Ti，則允許回放，否則不回放。

5 結束語

筆者在研究作戰(zhàn)試驗測試通信網絡架構及特點的基礎上，對測試數據回放時間偏差進行了分析，給出了基于最優(yōu)劃分的偏差修正方法和基于虛擬時鐘的數據回放控制流程，為保證試驗后周期大數據回放與分析處理的精確性提供了一種解決方法。