空基彈性通信網(wǎng)絡(luò)性能分析

趙哲 唐平 高原

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司電子科學(xué)研究院 北京市 100041）

1 概述

當(dāng)前海上編隊(duì)跨區(qū)域通信主要依靠衛(wèi)星通信，數(shù)據(jù)傳輸架構(gòu)為集中接入的分層網(wǎng)絡(luò)形式，衛(wèi)星通信的容量以及易受干擾的特性很難保障局部區(qū)域?qū)箺l件下的通信保障任務(wù)，海上編隊(duì)數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)缺少?gòu)椥允侄巍?/p>

本文針對(duì)天基衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)遭受降級(jí)或拒止情況，提出利用空中有人和無(wú)人作戰(zhàn)平臺(tái)構(gòu)建空基移動(dòng)自組織網(wǎng)絡(luò)，為海上編隊(duì)提供彈性數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)。空基通信網(wǎng)絡(luò)利用空中平臺(tái)通信覆蓋靈活、空間抗干擾能力強(qiáng)、抗毀生存能力強(qiáng)等特點(diǎn)，鏈接太空、空中、海面以及地面節(jié)點(diǎn)，構(gòu)建了網(wǎng)絡(luò)化的抗毀功能層。本文利用基于STK和QualNet 的混合仿真方法建立了海上編隊(duì)數(shù)據(jù)傳輸仿真場(chǎng)景，評(píng)估了空基通信網(wǎng)絡(luò)傳輸性能。

2 研究現(xiàn)狀

2.1 美軍空基通信網(wǎng)絡(luò)分析

美軍提出了發(fā)展聯(lián)合空中層網(wǎng)絡(luò)（JALN）概念[1]，試圖將美軍各軍兵種所有的空中平臺(tái)都納入到一個(gè)一體化的空基網(wǎng)絡(luò)體系，成為美軍空天地一體化網(wǎng)絡(luò)的一部分。JALN 將提供三項(xiàng)核心功能[2]，包括：大容量骨干網(wǎng)（HCB），提供跨JOA 大批量信息傳輸能力以及通過(guò)地面或衛(wèi)星通信接入GIG 的能力；分發(fā)/接入/距離擴(kuò)展（DARE)，提供專用的、可伸縮網(wǎng)絡(luò)傳輸能力；轉(zhuǎn)換功能：即促進(jìn)HCB 和DARE 功能間網(wǎng)絡(luò)信息和波形交換和轉(zhuǎn)換的能力。

當(dāng)前，美軍空中層網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)階段最突出的問(wèn)題就是各封閉通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)之間的兼容性問(wèn)題，目前智能依靠網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換來(lái)實(shí)現(xiàn)整個(gè)空中層網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)互通，這些網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)也是現(xiàn)階段美軍空中層網(wǎng)絡(luò)無(wú)縫運(yùn)轉(zhuǎn)的關(guān)鍵。諾斯洛普·格魯曼公司開(kāi)發(fā)的戰(zhàn)場(chǎng)機(jī)載通信節(jié)點(diǎn)（BACN）[3]是一種可擴(kuò)展通信距離的機(jī)載通信中繼系統(tǒng)，已成功部署在阿富汗等地區(qū)提供指揮控制和地面節(jié)點(diǎn)之間的飛行中繼通信。

2.2 機(jī)載網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議

機(jī)載網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議要求在鏈路變化、帶寬受限等情況下，能夠?qū)崿F(xiàn)快速收斂的路由生成與路由選擇策略，保持鏈路暢通。下面重點(diǎn)介紹兩種具有代表性的自組織路由協(xié)議，即反應(yīng)式路由協(xié)議AODV[4]和主動(dòng)式路由協(xié)議OLSR[4]。

2.2.1 AODV 協(xié)議

AODV 協(xié)議是一種按需路由協(xié)議，是目的節(jié)點(diǎn)序列號(hào)距離矢量路由協(xié)議DSDV 和DSR 兩者綜合的產(chǎn)物，借鑒了DSR 的路由發(fā)現(xiàn)機(jī)制和路由維護(hù)機(jī)制，以及DSDV 中的跳數(shù)和路由維護(hù)過(guò)程中的周期更新機(jī)制，結(jié)合了兩者的優(yōu)點(diǎn)，形成了一種優(yōu)秀的按需路由協(xié)議。2.2.2 OLSR 協(xié)議

OLSR 協(xié)議是一個(gè)主動(dòng)式的無(wú)線Ad Hoc 網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議，繼承了鏈路狀態(tài)算法的穩(wěn)定性，并針對(duì)Ad Hoc 網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)進(jìn)行修改。該協(xié)議的關(guān)鍵在于多點(diǎn)轉(zhuǎn)播，相對(duì)于傳統(tǒng)鏈路狀態(tài)協(xié)議所作優(yōu)化有：

（1）只使用專門選定的、稱為多點(diǎn)中繼的節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)控制消息，控制消息泛洪開(kāi)銷降到最低；

圖1：空基彈性通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)示意圖

圖2：仿真參數(shù)配置

（2）提供最短路徑時(shí)，只需要局部鏈路狀態(tài)信息。

3 方案構(gòu)想

海上編隊(duì)與岸基指揮所之間指揮控制和偵察情報(bào)數(shù)據(jù)傳輸主要依靠天基衛(wèi)星通信手段，而軍事衛(wèi)星通信遭受攻擊或干擾后易造成數(shù)據(jù)傳輸降級(jí)或拒絕服務(wù)。本文利用高空/低空無(wú)人機(jī)、預(yù)警機(jī)等空中作戰(zhàn)平臺(tái)組成空基通信網(wǎng)絡(luò)，如圖1 所示，為海上編隊(duì)與岸基指揮所之間建立彈性數(shù)據(jù)鏈路，保障衛(wèi)星通信拒止環(huán)境下數(shù)據(jù)持續(xù)可靠傳輸。

空基通信網(wǎng)絡(luò)由高、中、低三層不同高度的空中平臺(tái)節(jié)點(diǎn)組成，分別工作在18 至20 千米、6 至8 千米以及3 至4 千米，其中低空平臺(tái)可作為主要信息節(jié)點(diǎn)的接入節(jié)點(diǎn)。作為無(wú)線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的有人和無(wú)人空中平臺(tái)鏈接在一起形成可擴(kuò)展的空基通信網(wǎng)絡(luò)。

圖3：岸基指揮所與低空無(wú)人機(jī)節(jié)點(diǎn)之間鏈路BER 性能曲線

圖4：高空無(wú)人機(jī)節(jié)點(diǎn)之間鏈路BER 性能曲線

圖5：預(yù)警機(jī)與海上編隊(duì)主艦船節(jié)點(diǎn)之間鏈路BER 性能曲線

海上編隊(duì)由三艘艦船組成，包括一艘主艦船和兩艘護(hù)衛(wèi)艦船。海上編隊(duì)內(nèi)部采用移動(dòng)自組織網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行信息交互，其中主艦船作為網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)連接空基通信網(wǎng)絡(luò)。

4 仿真模擬與結(jié)果分析

4.1 建模與仿真方法

本文利用基于QualNet 和STK 的混合仿真方法[5]，對(duì)所提的空基彈性通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行性能分析與評(píng)估。STK 仿真軟件的核心能力生成位置和姿態(tài)數(shù)據(jù)，利用附件通信模塊對(duì)物理層鏈路建模，但是不能對(duì)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議進(jìn)行建模仿真。QualNet 網(wǎng)絡(luò)仿真軟件主要針對(duì)無(wú)線移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行優(yōu)化處理，可以測(cè)試路由協(xié)議、算法以及節(jié)點(diǎn)可用性等網(wǎng)絡(luò)性能，但是不能全面地考慮物理層中的自由空間損耗、天線和轉(zhuǎn)發(fā)器模型等因素。

STK 中的Communication 模塊通過(guò)將QualNet interface 實(shí)現(xiàn)與QualNet 之間的互操作，提供了空基彈性通信網(wǎng)絡(luò)建模與仿真的解決方案。利用QualNet interface 實(shí)現(xiàn)了QualNet 物理層模型和STK天線對(duì)象之間數(shù)據(jù)的交換，實(shí)現(xiàn)空間環(huán)境與網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的集成與統(tǒng)一。混合仿真方法結(jié)合了QualNet 的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議建模和STK 的無(wú)線通信鏈路建模，可以創(chuàng)建一個(gè)完整的無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)的實(shí)際場(chǎng)景。

4.2 仿真參數(shù)配置

為了測(cè)試從岸基指揮所到海上編隊(duì)之間空中層網(wǎng)絡(luò)性能，本文按照?qǐng)D1 所示網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)構(gòu)建了仿真場(chǎng)景。首先，在STK 對(duì)象瀏覽器中創(chuàng)建并配置了岸基指揮所、海上編隊(duì)（3 個(gè)節(jié)點(diǎn)）、空中層網(wǎng)絡(luò)（5 個(gè)節(jié)點(diǎn)）相應(yīng)節(jié)點(diǎn)。其次，為每個(gè)節(jié)點(diǎn)添加天線，并設(shè)置類型、頻率等天線參數(shù)，如圖2(a)所示，實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)之間物理層鏈接。然后，打開(kāi)QualNet interface 設(shè)置TCP/IP 堆棧其他層，需要在MAC 和網(wǎng)絡(luò)層將每個(gè)節(jié)點(diǎn)添加到無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中并分配IP 地址，設(shè)置路由協(xié)議，當(dāng)前場(chǎng)景采用AODV 協(xié)議；在應(yīng)用層參數(shù)配置中，選擇CBR 應(yīng)用，我們?cè)O(shè)置1 微秒從岸基指揮所向海上編隊(duì)中主艦船發(fā)送總共5000個(gè)數(shù)據(jù)包，每個(gè)數(shù)據(jù)包包含1500 個(gè)字節(jié)，如圖2(b)所示。最后運(yùn)行QualNet，生成統(tǒng)計(jì)量文件，得到吞吐量等網(wǎng)絡(luò)仿真統(tǒng)計(jì)量的結(jié)果。

4.3 仿真結(jié)果分析

利用STK 軟件可以計(jì)算不同網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間鏈路BER 性能曲線。圖3 顯示了岸基指揮所與低空無(wú)人機(jī)節(jié)點(diǎn)之間鏈路BER 性能曲線。圖中左側(cè)縱軸代表距離，單位為海里（nm），右側(cè)縱軸代表BER性能，橫軸代表仿真時(shí)間。如圖所示，隨著低空無(wú)人機(jī)節(jié)點(diǎn)與岸基指揮所之間距離（黑色曲線），BER 性能曲線（綠色）保持恒定，保持在1e10-30，幾乎沒(méi)有誤碼，而當(dāng)距離超過(guò)53nm 時(shí)，BER 性能將明顯變差。

圖4 顯示了高空無(wú)人機(jī)節(jié)點(diǎn)之間鏈路BER 性能曲線。如圖所示，當(dāng)高空無(wú)人機(jī)平臺(tái)超出視距范圍之內(nèi)時(shí)，鏈路BER 性能極具惡化，因此需要規(guī)劃好無(wú)人機(jī)平臺(tái)飛行路線，保證節(jié)點(diǎn)之間都在視距范圍之內(nèi)，實(shí)現(xiàn)鏈路鏈接穩(wěn)定性。

圖5 顯示了預(yù)警機(jī)與海上編隊(duì)主艦船節(jié)點(diǎn)之間鏈路BER 性能曲線，由于仿真過(guò)程中中間BER 曲線出現(xiàn)中斷，是由于預(yù)警機(jī)位置超出主艦船視距范圍無(wú)法建立視距鏈路而造成的。

利用QualNet 軟件可以分析空基通信網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)包傳送速率（PDR）和吞吐率，表1 顯示了網(wǎng)絡(luò)性能，其中PDR 為100%，吞吐率可達(dá)1.2Mbps。上述仿真結(jié)果顯示，在衛(wèi)星通信拒止環(huán)境下，本文提出的空基通信網(wǎng)絡(luò)可以實(shí)現(xiàn)岸基指揮所與海上編隊(duì)之間可靠數(shù)據(jù)傳輸。

表1：采用AVOD 協(xié)議的空中層網(wǎng)絡(luò)性能

5 結(jié)論

本文提出利用空基彈性通信網(wǎng)絡(luò)解決天基衛(wèi)星通信拒止情況下海上編隊(duì)通信保障需求，仿真試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了所提方案的可行性。