流星余跡通信網絡建模與仿真

黎慶, 朱立東

(電子科技大學 通信抗干擾技術國家級重點實驗室,四川 成都 611731)

0 引言

流星余跡通信就是利用流星余跡對 VHF頻段無線電波的反射而實現遠距離通信的一種超視距無線通信方式[1]。流星余跡通信的主要特點是：①通信距離遠、覆蓋范圍大;②通信信道不受電離層騷擾、極光和太陽黑子爆發等惡劣自然電磁環境的影響;③隱蔽性強,不易被竊聽;④可實現移動通信,通信設備可搭載在移動平臺上;⑤運行維護方便,成本低,從站間歇工作,耗電小。這些特點使得流星余跡通信在應急通信中具有特殊的地位。在軍事上具有極大的應用價值,在可能出現的戰爭中,流星余跡通信無疑是一種可選的通信手段。在實際中,流星余跡通信系統的網絡穩定性受流星余跡信道特性的影響非常大,如何提高其穩定性和數據傳輸效率成為流星余跡通信的關鍵技術之一。在常見的多基站環狀網絡結構的基礎上,將各基站用高速有線鏈路連成全連通網絡以克服環狀網絡可靠性低的缺點。在此基礎上,從工程實現的角度構建了一種基于停等協議的流星余跡通信網絡,并利用 Opnet搭建了網絡仿真模型,分析了發包速率以及包長度對網絡性能的影響,得出了在該網絡模型中的最優發包速率及包長度。

1 流星余跡通信系統的網絡結構

1.1 單基站星型拓撲結構

流星余跡通信系統[2]最基本的網絡結構是星型拓撲結構,如圖 1所示,其構成包括一個中心節點和若干個子節點。其中心節點是整個網絡的核心,子節點只能與中心節點進行通信。中心節點不斷發射探測信號,當該信號通過流星余跡反射到子節點時,子節點立即發射應答信號,中心節點收到應答后就向子節點發送確認信息,然后基站與移動臺之間根據需要持續發送報文,直到報文發送完畢或鏈路中斷為止。

圖 1 單基站星狀網絡結構

1.2 多基站環形拓撲結構

如圖 2所示,環形拓撲結構由網絡中若干節點通過點到點的鏈路首尾相連形成一個閉合的環,數據在環路中沿著一個方向在各個節點間傳輸,信息從一個節點傳到另一個節點。

圖 2 多基站環狀網絡結構

1.3 樹形拓撲結構

樹型拓撲結構是一種層次結構,節點按層次連接,信息交換主要在上下節點之間進行,相鄰節點或同層節點之間一般不進行數據交換。優點：連接簡單,維護方便,適用于匯集信息的應用要求。缺點：資源共享能力較低,可靠性不高,任何一個工作站或鏈路的故障都會影響整個網絡的運行。

2 流星余跡通信系統的系統組成

流星余跡通信系統每個站包括發射機、接收機、發射和接收天線系統、計算機控制系統及終端設備。發射機和接收機與超短波通信設備沒有什么區別;天線多用五元八木天線;計算機控制系統為計算機或微處理機設備及磁盤系統;終端設備多為數據終端與電傳報機或漢字中文通信機。

流星余跡通信系統的網絡結構[3]經歷了數據采集網絡,數據通信網絡,固定通信網絡,先進通信網絡到互操作網絡的發展歷程。采取的網絡結構為改進的多基站環狀網絡結構,即將圖 2所示的多基站環狀網絡結構的基站用有限鏈路兩兩互聯。該網絡是一個兼容了有線通信和無線通信兩種通信方式,可以同時實現網內通信和網間通信的星形網網間互聯網絡。

3 基于停等協議的網絡仿真模型

3.1 網絡仿真場景

不失一般性,這里設計了一個由四個星形網相互連接的網絡模型,其中每個星形網由一個主站和五個從站組成,在每個星形網內,從站可以通過主站實現與網內其它從站之間的通信,通信方式為無線通信,通信信道采用的是流星余跡信道,通過主站之間的互聯,可以實現網間通信,其中主站之間采用的是有線通信方式互聯,即該網絡是一個兼容了有線通信和無線通信兩種通信方式,可以同時實現網內通信和網間通信的星形網網間互聯網絡。

星形網絡模型采用了停 -等式的ARQ協議[4],它的工作原理為：中心節點通過輪詢的方式分別與五個子節點進行通信(在仿真模型中,假設中心節點在一個小時內完成一次輪詢。即在一小時內中心節點與每個子節點只通信 12分鐘)。中心節點在與子節點通信前應發送探測信號,與該子節點對應的流星余跡信道節點在接到探測信號后向子節點通告流星余跡信道的狀態。如果此時流星余跡信道可用,那么子節點立即從它的緩沖隊列中取出數據包發送給中心節點。當中心節點需要與下一個節點通信時,它會先向該節點發送通信終止信號,與該子節點對應的流星余跡信道節點在接到通信終止信號后通知子節點流星余跡信道不可用。此時中心節點與該節點間的通信關閉,該節點只能在中心節點輪詢完其余節點后才能再次與中心節點通信。

3.2 網絡仿真參數設置

網絡模型中節點間的距離并不代表實際的距離。修改了管道階段中的傳播延時階段,修改后的傳播延時階段使用了實際的距離。圖 5給出了流星余跡通信的示意圖。

圖 3 流星余跡通信距離示意

從中可得：

其中 L為 Tx與 Rx間的距離;h為流星距地面的高度,一般認為 h=80～120km;Re為地球半徑。在我們的模型中,假設 L定為 L=1 000 km,h為 h=100 km。

在圖 4所示的網絡仿真場景中,channel節點是用來模擬流星信道特性的節點模型,以考查主站與從站之間通信質量的方法來建立信道模型如下：

其中P(t)是在時刻 t接收到的接收信號功率,P0是在信道建立之初的接收功率,τ是接收功率衰減常數。不同流星產生的信道特性不同,所以P0和τ具有隨機性,但在某一流星產生的信道中,它們是常數。P0由發射機本身的參數,兩點間距離,流星電離的強度共同決定;τ的經驗典型值為 0.2～0.4 s[5],選取 τ值為 0.3 s。

將在仿真中需要用到的參數設置如下：確認包 ACK和NCK長度均為 24 bit、數據包包頭長度為 32 bit、根據通信距離傳播時延設置為 0.034 s。

3.3 網絡仿真結果

進行仿真的主要目的是統計包發送時延(即從發包開始到收到目的地址發送的成功接收確認包的時間間隔)和吞吐量(即單位時間內去除掉包頭開銷成功發送的比特數),通過改變包長度以及發包速率等參數,收集多個仿真結果,并對統計結果進行分析,得出結論。

3.3.1 包長度對網絡吞吐率的影響

首先將發包速率設為固定值 5 120b/s,通過改變包長度得到包發送時延和網絡吞吐率兩個統計量的不同值。每個包發送時延以及網絡吞吐率隨包長度變化的關系分別如圖 6和圖 7所示。

從圖 4和圖 5可以看出,在發包速率固定的情況下,包發送時延和網絡吞吐率都隨著包長度的增加而增加,由于考慮了流星余跡通信信道的間歇性、時變性以及有效通信時間短的特點,同時由于這些特點流星余跡通信的確認包以及數據包包頭開銷較大,導致包發送時延增加和網絡吞吐率下降。

圖 4 包發送時延與包長度的關系

圖 5 網絡吞吐率與包長度的關系

3.3.2 速率對網絡吞吐率的影響

將發包長度設為固定值256 bit,通過改變發包速率得到包發送時延和網絡吞吐率兩個統計量的不同值。每個包發送時延以及網絡吞吐率隨包發送速率變化的關系分別如圖 6和圖 7所示。

從圖 6可以看出,在包長度固定的情況下,包發送時延有隨發包速率的增加而逐漸減小的趨勢。從圖 7可以看出,在包長度固定的情況下,網絡吞吐率有隨發包速率增加而逐漸增大的趨勢。同樣由于考慮了流星余跡通信信道的特點以及確認包以及數據包包頭的開銷,導致包發送時延的增加和網絡吞吐率的下降。

圖 6 包發送時延與包發送速率的關系

圖 7 網絡吞吐率與包發送速率的關系

4 結語

綜合仿真結果,得出如下結論：考慮流星余跡通信信道特點,包發送時延大大增加,網絡吞吐率有所下降。搭建的流星余跡通信網絡模型是符合實際情況的,當包長度為 256bits,發包速率為 5Kb/s時,得到最小發包時延及最大網絡吞吐率。

[1]劉志斌,陳家松.流星余跡猝發通信分析[J].艦船電子工程,2006,135(04)：125-128.

[2]武廣友.流星余跡通信系統與網絡結構[J].移動通信,2004(03)：149-152.

[3]DAVRAS YAVUZ.Meteor Burst Communications[J].IEEE Communications Magazine,1990(09)：40-48.

[4]TANG ZY,GARCIA-LUNA-ACEVESJJ.A Protocol for Topology-Dependent Transmission Scheduling in Wireless Networks[C].USA：IEEE,1999：20-25.

[5]ABEL M W.Meteor Burst Communications：Bits Per Burst Performance Bounds[J].IEEE Transactions on Communications,1986,34(09)：927-936.