Link22數據鏈網絡的仿真系統設計

劉浩然,宋福曉,方洪俊

(北京跟蹤與通信技術研究所,北京100094)

0 引言

美國海軍和北約國家在20世紀80年代發起“北約改進Link11”(NILE)項目,計劃研發新型戰術數據鏈以取代Link11并補充完善Link16的戰術功能,共同定義出下一代戰術數據鏈,命名為Link22。Link22適應現代戰場復雜的電磁環境,支持海上、空中預警以及陸基作戰中的戰術圖像編輯、武器使用、狀態管理和指揮控制,從2003年起已經開始裝備美國海軍及北約部分國家的海軍。根據部分已掌握的Link22情報信息結合已知的系統功能特點,從數據鏈網絡的角度對Link22進行了仿真系統設計,實現Link22基本的信息傳輸功能,模擬其技術特點,并獲取相關的技術性能參數。

1 Link22系統組成與關鍵技術

1.1 網絡組成與系統配置

Link 22網絡是裝備Link22單元的作戰平臺(簡稱NU)的集合,使用超級網絡(Super Network)的概念進行組網,超級網絡可由1個或多個網絡組成,最多可以包括8個子網絡,各子網絡使用各自不同的射頻信道進行通信。Link22的每個NU都有能力在一個單網中運行,一個NU最多可以同時參與到4個網絡中去。

1.2 Link22系統關鍵技術

Link22使用TDMA結構,將系統時間分割成微時隙(Minislot,MS),微時隙長度與系統通信介質有關。一次信息傳輸時機是由1個或多個微時隙組成,亦稱為時隙(Timeslot),時隙長度取決于信息傳輸的要求。多數時隙被分配給指定的NU單元,稱為分配時隙(AS),所有NU單元只能在它分配的時隙里發送數據。少數時隙被指定為中斷時隙(IS),各NU單元競爭訪問中斷時隙,以便傳輸高優先級數據或進行遲入網(LNE)。

Link22使用的消息是面向戰術功能的、固定格式的字符串,包括F系列和FJ系列2類消息。F系列消息是Link22專用格式消息,FJ系列報文是在Link16的J系列報文再加上2 bit的報頭而成,報文Link16的J系列報文再加上2 bit的報頭而成,報文長度都是72 bit。每條F消息或FJ消息為1個消息字,每個完整的Link22消息最小長度是1個字,最多是8個字。

Link22系統對TDMA結構的網絡時間中中斷時隙的使用是基于競爭接入機制的,任何NU都有機會在中斷時隙內傳輸數據。

遲入網協議用于后來的NU加入超網中的某個或幾個網絡,由操作員發起,之后自動完成。

2 基于OPNET的Link22仿真系統設計

使用OPNET軟件設計Link22數據鏈網絡仿真系統。OPNET是當前網絡仿真領域性能較好的軟件,為解決通信網絡的仿真和優化以及高效的網絡管理提供了整套的解決方案。OPNET所采用的是3層建模機制:最上層為網絡域,反映了網絡的結構和組成;其次為節點域,由設備相應的模塊構成,反映了設備的各組成部分;最底層為進程域,以狀態機的形式來描述,反映了協議及具體功能如何實現。OPNET的3層模型建模與實際的網絡、設備和協議完全對應,能夠全面反映網絡的相關特性。

2.1 網絡拓撲組成

在OPNET環境下,搭建Link22仿真系統的網絡拓撲模型,共有3種類型的節點,分別是運動模型配置節點(Mobility Config)、網絡配置節點(Configure)和NU節點(Mobile-Node)。

運動模型配置節點和網絡配置節點都不對應于實際的系統設備。運動模型配置節點通過直接調用OPNET模型庫中的隨機(Random Waypoint)模型完成,用于對網絡中各NU節點的運動參數進行配置,并控制普通NU節點按照運動模型進行運動。通過該節點可完成的參數配置包括:運動的范圍、區域和運動的時間等。網絡配置節點主要完成對Link22網絡的系統配置,可配置的參數包括:網絡ID號、物理層媒介類型、總的時隙數量、中斷時隙數和網絡丟包率。

NU節點則表征了網絡中裝備了Link22的武器平臺,下面詳細介紹NU節點的設計。

2.2 NU節點模型設計

2.2.1 NU節點模型的組成

NU節點則對應于Link22網絡中的武器平臺,可以根據實際NU的情況對仿真系統中的NU節點進行相關的參數配置,包括:節點位置、節點高度、運動模型及網絡參數、所參與的業務類型和消息格式、所需的時隙資源、是否具備中繼功能等。由無線收發模塊和3個功能模塊系統網絡控制器(SNC)、數據鏈處理器(DLP)、人機界面(HMI)組成。

2.2.2 功能模塊間的信息交互

SNC與DLP之間信息交互的目的是完成F消息的產生發送和接收解讀。當DLP產生F消息后,向SNC發傳輸服務請求(TSR),SNC則根據請求回復相應的傳輸指示,DLP根據指示把消息傳送給SNC,并由無線收發模塊完成發送;無線收發模塊收到的給本NU的F消息也將由SNC傳給DLP。

SNC與HMI之間信息交互的目的主要是完成系統初始化配置。在系統開機運行時,HMI模塊通過網絡配置節點來獲取各種配置參數,SNC根據HMI傳來的參數進行系統配置,并將配置結果告知HMI。功能模塊之間信息交互示意圖如圖1所示。

圖1 功能模塊之間信息交互示意圖

2.3 功能模塊設計

2.3.1 SNC模塊

仿真系統中SNC模塊的主要功能包括:接受DLP的服務請求并選擇有效的傳輸方式;根據DLP提供的參數,為每一個可以傳輸數據的時隙選擇和打包消息;實現LNE功能;維護最新的NCS;分發收到的消息。

SNC模塊在系統配置成功后開始工作,根據所收到的不同信息而采取相應的處理,要處理的信息分為中斷(包括各種功能請求)和數據包(要發送的數據包和接收到的數據包)2類。根據SNC的工作流程和協議,設計OPNET環境下SNC模塊的協議處理流程,如圖2所示。

圖2 SNC模塊進程域狀態轉移圖

2.3.2 DLP模塊

仿真系統中DLP模塊的主要功能包括:產生和解釋所有F消息;分配和更新戰術消息的優先等級;指定數據包的目的地址等。

DLP模塊根據收到的流中斷和自中斷分別進行不同的動作:流中斷主要是來自SNC模塊的各類消息指令和收到的消息;自中斷則用來指示DLP對本節點的F消息進行處理。根據DLP的工作流程和協議,設計OPNET環境下DLP模塊的協議處理流程如圖3所示。

圖3 DLP模塊進程域狀態轉移圖

2.3.3 HMI模塊

HMI模塊的主要功能是從配置模塊中獲取系統配置信息并發送給SNC,從而完成相應的系統初始化配置。

HMI模塊在仿真系統開始運行后進行如下的動作:首先從配置節點和普通節點獲取網絡初始化參數;然后將獲取的配置參數發送到SNC模塊;最后接收到來自SNC的配置結果報告,HMI根據配置結果進行處理:如果配置成功則進入等待狀態;如果配置失敗則在人機界面顯示錯誤并返回配置狀態。根據HMI的工作流程,設計OPNET環境下HMI模塊的協議處理流程如圖4所示。

圖4 HMI模塊進程域狀態轉移圖

3 系統仿真結果

在OPNET環境下,設定Link22系統仿真的基本場景如下:節點(NU)數量為17個,由6個地面節點、4個水面節點和7個空中節點組成,地面、水面和空中節點高度分別設置為15 m、30 m和8 000 m,地面節點保持靜止不動狀態,水面和空中節點都在指定的區域內按Random Waypoint模型運動。每個節點都產生F消息的業務,消息傳輸方式包括廣播、單播和泛洪等。超網中包含的網絡數為3個,網絡配置參數如表1所示。

表1 仿真場景中網絡的配置參數

3.1 網絡DLP吞吐量

Link22超網中節點DLP發送端和接收端吞吐量的統計結果如圖5和圖6所示。

圖5 網絡DLP每秒發包個數

圖6 網絡DLP每秒收包個數

3.2 端到端平均延遲

Link22超網中節點接收端收到包的端到端平均延遲統計結果如圖7所示。

圖7 端到端平均延遲

3.3 空口接收速率

Link22超網中節點SNC空口接收速率統計結果如圖8所示。

圖8 空口接收速率

由仿真結果可以看出,Link22網絡DLP每秒平均發送1.5～2個F消息包,約975～1 300 bit/s;網絡DLP每秒平均接收12.5～17.5個F消息包,約8 125～11 375 bit/s;端到端平均延遲為1～1.5 s左右;而空口接收速率為10000～15 000bit/s。

4 結束語

Link22在美軍未來的軍事裝備中將逐步取代Link11,與Link16共同成為戰術數據鏈系統和全球信息柵格的重要組成部分。通過開展Link22的系統仿真工作可以為Link22研究相關工作提供重要的仿真驗證平臺,對開展針對數據鏈以及GIG等外軍數據通信網絡的研究工作有一定的參考價值和指導作用。

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