基于OPNET的NTDR网络建模与仿真研究.docx

基于OPNET的NTDR网络建模与仿真研究林中华谢玉川摘 要 本文在分析近期数字化电台网（NTDR，Near Term Digital Radio）的基础上，利用OPNET网络仿真平台对NTDR网络进行了建模。在不同网络路由协议情况下对网络性能进行仿真分析，仿真结果与理论基本一致，从而为对战场无线自组网的进一步研究与设计提供了现实基础。关键词 战场无线自组网 NTDR OPNET 网络仿真1 引言在现代战场上，各种军事车辆间、士兵间、士兵与军事车辆之间都需要保持密切的联系，以完成指挥、部署和协调作战。信息化条件作战，战场电磁环境极其复杂。为了满足信息战和数字化战场的需要，具有抗毁性强、自恢复、部署迅速等特点的无线Ad hoc网成为战场通信的首选技术。如今，Ad Hoc网络技术已成为美军战术互联网的核心技术。美军研制了大量的无线自组织网络设备，用于单兵、车载、指挥所等不同的场合，并大量装备部队。目前对Ad Hoc网络技术的研究逐渐成为一个热点问题，对民用Ad Hoc网络场景建模的研究比较多，但是对结合军事应用的研究却相对较少。尤其是到目前为止在公开发表的文章中没有针对战场无线自组网NTDR网络的研究，一般都只有对该网络系统的概述123。由于构建真实的战场无线网络需要耗费巨大的人力和财力，而且还具有一定的不确定性。因此对战场无线自组网进行建模仿真就显得尤为重要。本文通过分析对战场无线自组网系统NTDR，对各节点仿真实现其主要功能，设计合理的网络模型。为对其进一步的研究打下基础，具有一定的理论意义。2 战场无线自组网的特点及应用2.1 战场无线自组网的特点根据部队的编制体制和参战规模的关系，在战场上通常使用分层次的无线自组网。士兵携带具有通讯和感知能力的移动终端，相互之间以多跳形式通信，并将自身位置以及搜集到的地形、声音、图像等战场信息报告给分队指挥所。分队指挥所对信息进行分析，决策，并向士兵下达作战命令，必要时，通过远距离通信设备与上级指挥中心或其他分队联络。分级结构易于实现节点的移动性管理和保障通信业务的服务质量。因此，当网络规模较大并需要提供一定的服务质量保障时宜采用分级网络结构。分层结构具有管理方便，网络维护开销小等优点，是军事无线自组网的重要特点和发展的趋势。尽管无物理中心节点，但是具有逻辑上的簇头，簇头可通过簇头选举算法产生，使它在那些不能依赖于预先架设网络设施的场合下，依然能够实现临时的快速组网。2.2 近期数字化电台（NTDR）网当前，Ad Hoc网络技术在军事通信上最为重要的应用当属战术互联网1。战术互联网是互联的战术无线电台、路由器、计算机硬件和软件的集合，是数字化部队建设的基础设施， 目前唯一进入实用阶段的战术移动自组网络是美陆军在上世纪末期开发的数字无线电系统NTDR2（Near Term Digital Radio），已作为陆军战术互连网的主干网络设备进入装备序列。在移动无线环境下支持IP数据业务，以实现旅或旅以下战术作战中心TOC（TOC，Tactical Operation Center）之间的通信。近期数字化电台网的收、发信机通常用在作战指挥车、指挥控制车、战术作战中心和战术指挥所、装备陆军机载指挥控制系统的UH-60直升机的指挥控制平台上3。NTDR电台可以自动地组织成一个动态的两层网络。在该网络中，电台分成若干个群，每个群由一个群首和若干成员组成，各个群的群首构成一个骨干网，见图1所示。在以簇（Cluster）为基础的两层分级网络结构NTDR中，普通节点距群首只有一跳，所有群的群首相互连接构成骨干网络。NTDR结构将相邻群之间的通信限制在只能通过群首完成。NTDR分群方案是专门为了应付战术网络中可能出现的频繁的节点移动和节点失效而特别设计的。每部电台最大运行功率是20W，在225450MHZ工作频率范围内，电台的通信覆盖范围约为1020km。由于每部电台都可充当一个信息中继点，因此整个系统的有效通信范围可达数百公里。2003年4月美军第四师在伊拉克战场上检验了战术互连网的战术性能，并给予了很高的评价。3 仿真设计方案3.1 仿真软件简介建模与仿真技术是当前研究、分析、设计、评估与优化通信网络的最有效的工具。在美军众多的战术互联网仿真系统中，OPNET都是主要的仿真平台4。本文选用的建模与仿真工具也是OPNET。它采用三层建模机制5，最底层为进程（Process）模型，以状态机来描述协议；其次为节点（Node）模型，由相应的协议模型构成，反映设备特性；最上层为网络模型。三层模型和实际的网络、设备、协议层次完全对应，全面反映了网络的相关特性。OPNET采用离散事件驱动的模拟机理（Discrete event driven），即只有网络状态发生变化时，模拟机才工作。因此，与时间驱动相比，离散事件驱动的模拟机计算效率得到很大提高。OPNET最初是为有线网络的设计和规划开发的仿真软件，通过增加无线模块为WLAN、GSM、卫星和Ad hoc网络仿真提供必须的组件，包括IEEE802.11的MAC协议和主要的Ad hoc路由协议。3.2 网络模型根据NTDR的技术特点，建立如图2所示的网络模型。在30km*20km的矩形区域中，各个节点构成了两层结构的战场无线自组网络的网络级仿真模型，网络中的各个节点通过无线信道模型相互通信。本文仿真中配置了Ftp业务。一个旅战术作战中心和一个机械化营战术作战中心、一个装甲营战术作战中心、一个步兵营战术作战中心构成了NTDR网络模型的骨干网络。旅战术作战中心不仅支持与营战术作战中心之间大量数据与图像传输，而且还要为旅级机载指挥控制系统、作战指挥车和指挥控制车提供高数据率的信息传送。其功能相当于下级节点的服务器；而营战术作战中心作为网络中的第二级骨干，不仅要实现上传下达的功能，还要实现与同级营战术作战中心的数据传输。普通节点分别隶属旅战术作战中心和各营战术作战中心。隶属于同一上级的节点之间能够实现互联互通，否则就必须通过各自的上级进行数据信息交换。3.3 节点模型本文中的所有仿真节点都具有相同的节点模型，从实现的功能来分为两类，骨干节点和普通节点。其中，骨干节点作为NTDR网络中的簇头，实现战术作战中心的功能；普通节点具有想同的节点模型，根据实际情况设置各节点以分别实现指挥控制车、作战指挥车和陆军机载指挥控制系统的功能，如图3所示。在对基于移动网络的系统分析评价时，选择一种与现实情况相符合的移动模型是非常重要的。本文自定义了一个比较符合战场实际移动情况的模型。每个节点在相应的区域内移动，速度服从（0m，10m）之间的均匀分布。陆军机载指挥控制系统在仿真中的高度假设为100米，其余车载平台在平坦的地域，高度为0米。4 仿真分析在仿真中，选用不同路由协议 DSR和AODV并分析比较其在分层无线自组网中的性能。在战场环境下，实时数据业务占据相对较大比重，所以端到端时延是网络性能评估的一个重要参数，同时我们还需要重点关注报文平均反应时间、路由平均跳数、吞吐量等参数的变化情况：从4（a）中可以看出，网络中报文的上传、下载的平均时间都在0.03s左右，在数值上选取DSR路由时报文平均反应时间要稍微高于选取AODV时的平均反应时间。平均跳数是指网络中成功交付的数据包所经历的平均跳数，主要用于表示路由协议对多跳数据转发的影响。从4（b）中可以看出，网络中选取DSR时路由平均跳数为1.25，而采选取AODV时路由平均跳数为1。吞吐量是衡量网络性能的重要参数，体现了网络的数据业务承载能力，在军用系统中，该指标非常重要，因为通信网络的拥塞会导致作战信息的延迟，从而有可能导致作战任务的失败。从4（c）中可以看出，选取AODV协议时网络的吞吐量远大于选取DSR路由协议时的吞吐量，数值上约是8倍的关系。时延是衡量网络数据传输能力的一个重要指标， 反映了数据在网络中传播的效率。从4（d）中可以看出，选取DSR路由协议时网络时延要明显高于选取AODV路由时。综上所述，仿真网络在分别选取DSR和AODV路由协议时所选参数在数值上比较稳定，存在一定的差值。对于报文传输业务，时延和吞吐量的性能指标，在比较宽松（即节点较少和载荷较轻或移动性较弱）的环境中，DSR协议优于AODV协议，这与文献6的仿真结论是一致的，从而验证了模型的正确性。5 结束语NTDR作为美军战术互联网装备的重要组成部分，为陆军战术作战中心、指挥控制平台以及选用的情报共用平台的指挥员提供了一个无线广域网，允许指挥员在战术指挥中心之间以高数据率传送信息，以支持指挥控制数据和图像信息流。本文使用OPNET仿真软件，建立了近期数字无线电台的战场无线自组网的仿真模型，根据装备的现实物理情况进行网络设置和业务配置，得到了一个性能比较稳定的战场无线网络，并对其网络性能进行分析，为对战场无线自组网的进一步研究提供了基础，具有一定的参考价值。（文中所做的研究只是初步的，模型也是有欠缺的，以后工作的方向是完善模型，建立完善的NTDR网络仿真平台。）参 考 文 献1 郑少仁，王海涛，赵志峰，等.Ad Hoc网络技术M.北京：人民邮电出版社，2005：215-2162 于宏毅.无线移动自组织网M.北京：人民邮电出版社，2005：332-3353 单洪.美军战场网络及其通信协议M.解放军出版社，2007：427-4284 万永乐，张剑.战术互联网建模与仿真.通信技术，2002：50-535 陈敏.OPNET网络仿真M.清华大学出版社，20046 陈林星，等.移动Ad Hoc网络自组织分组无线网络技术M.电子工业出版社，2006：441-442