基于OPNET的區(qū)域綜合通信網(wǎng)設(shè)計與分析

楊迎輝，李建華，馬 闖，王 剛

（空軍工程大學(xué) 電訊工程學(xué)院，陜西 西安，710077）

0 引 言

通信網(wǎng)是部隊指揮、控制、情報等信息傳輸?shù)钠脚_，是基于信息系統(tǒng)體系作戰(zhàn)能力生成的基礎(chǔ)。隨著軍隊信息化建設(shè)的不斷深入，部隊遂行任務(wù)的種類日趨多樣化，作戰(zhàn)指揮、軍事訓(xùn)練和重大活動保障等任務(wù)對通信網(wǎng)的依賴性越來越大。能否依據(jù)部隊任務(wù)要求和地理環(huán)境特點，科學(xué)規(guī)劃、合理構(gòu)建快速高效、安全保密的區(qū)域綜合通信網(wǎng)，滿足部隊情報獲取、指揮控制、綜合保障及作戰(zhàn)打擊等需要至關(guān)重要。

以有線光纜為主體的光通信以其傳輸損耗低、容量大、通信質(zhì)量高等優(yōu)點，目前已成為軍事戰(zhàn)略通信的核心平臺，在通信網(wǎng)的信息傳輸中發(fā)揮了重要作用。為有效實現(xiàn)野固結(jié)合、軍民結(jié)合，盡可能降低決策者主觀因素對通信網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計的影響，本文主要針對以有線光纜為基礎(chǔ)的區(qū)域綜合通信網(wǎng)的規(guī)劃設(shè)計和性能仿真進行探討。

本文提出了網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃設(shè)計的總體目標(biāo)、準則和基本流程，以區(qū)域綜合通信網(wǎng)建設(shè)費用為目標(biāo)函數(shù)，以網(wǎng)絡(luò)平均時延要求為約束條件，建立網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)優(yōu)化模型，借助啟發(fā)式算法中的最小生成樹（（MST）分析法求解模型，并結(jié)合通信網(wǎng)運用實際，對網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)進一步優(yōu)化?；贠PNET仿真平臺建立區(qū)域綜合通信網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)仿真模型，通過設(shè)置仿真參數(shù)，選取數(shù)據(jù)收集量，對比分析仿真結(jié)果，驗證了模型的可行性和網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃設(shè)計方法的有效性。

1 區(qū)域綜合通信網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計

1.1 區(qū)域綜合通信網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計總體目標(biāo)

區(qū)域綜合通信網(wǎng)是指在一定區(qū)域內(nèi)，為保障作戰(zhàn)指揮、軍事訓(xùn)練、重大活動保障和搶險救災(zāi)等具體任務(wù)，基于已有通信節(jié)點進行擴建或者新建全部節(jié)點，臨時布設(shè)用于保障信息傳輸?shù)幕A(chǔ)網(wǎng)絡(luò)。

區(qū)域綜合通信網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計的總體目標(biāo)是在滿足網(wǎng)絡(luò)性能指標(biāo)要求的基礎(chǔ)上，合理設(shè)計網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和工作路由等，有效降低通信網(wǎng)建設(shè)費用，以實現(xiàn)整體效益最大化。

1.2 區(qū)域綜合通信網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計準則

（1）性能準則。建設(shè)區(qū)域綜合通信網(wǎng)目的是為滿足部隊多樣化任務(wù)中信息傳輸?shù)男枰?，因而在?guī)劃設(shè)計過程中，必須從網(wǎng)絡(luò)技術(shù)體制上加以全面考慮，優(yōu)先滿足在部隊實際運用中切實需求的性能指標(biāo)。區(qū)域綜合通信網(wǎng)規(guī)劃涉及性能指標(biāo)多而復(fù)雜，例如流量控制、網(wǎng)絡(luò)管理、鏈路利用率、平均時延、響應(yīng)時間等，其中有定性和定量之分，也量綱不同之別。

（2）經(jīng)濟準則（最小費用準則）。由于區(qū)域綜合通信網(wǎng)的目的是為保障部隊的某一次具體任務(wù)，臨時布設(shè)通信網(wǎng)絡(luò)，以滿足信息傳輸需要。因而，其規(guī)劃設(shè)計在注重滿足任務(wù)需求的同時，也應(yīng)力求經(jīng)濟代價的最小化。在規(guī)劃設(shè)計的過程中，要以最經(jīng)濟（即最小費用）的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，來滿足規(guī)定的網(wǎng)絡(luò)戰(zhàn)技性能要求，以尋求最佳的建設(shè)效益。

設(shè)區(qū)域綜合通信網(wǎng)的性能指標(biāo)參數(shù)集為X，對應(yīng)各指標(biāo)參數(shù)為xi，性能指標(biāo)函數(shù)為P，性能指標(biāo)設(shè)計要求集為P0，各設(shè)計要求分量為Pi0，經(jīng)濟代價函數(shù)為F。其中，性能指標(biāo)函數(shù)P和經(jīng)濟代價函數(shù)F均為性能指標(biāo)參數(shù)xi的函數(shù)。在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境參量均為常量的條件下，區(qū)域綜合通信網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計總體目標(biāo)的數(shù)學(xué)表達式為

其中xi∈X，對具體指標(biāo)參數(shù)xi的選擇不同，約束條件中不等式符號會根據(jù)性能指標(biāo)的要求相應(yīng)改變。

1.3 區(qū)域綜合通信網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計基本流程

區(qū)域綜合通信網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計一般包括需求分析、抽象模型、仿真實驗、結(jié)果分析、優(yōu)化調(diào)整和決策方案六步，其中仿真結(jié)果分析是進行優(yōu)化調(diào)整的依據(jù)，而優(yōu)化調(diào)整對抽象模型具有反饋作用，基本流程如圖1所示［1－2］。

圖1 區(qū)域綜合通信網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計基本流程

（1）需求分析。提出區(qū)域綜合通信網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計的概念模型，主要是依據(jù)具體任務(wù)特點，確定所需業(yè)務(wù)類型。需求分析對網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃設(shè)計具有決策性、方向性和策略性作用。

（2）抽象模型。包括區(qū)域綜合通信網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計的結(jié)構(gòu)模型、數(shù)學(xué)模型和仿真模型。結(jié)構(gòu)模型是通過運籌學(xué)的相關(guān)理論，將網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃設(shè)計的概念模型轉(zhuǎn)化為圖論的問題；數(shù)學(xué)模型是通過最優(yōu)化理論，將結(jié)構(gòu)模型轉(zhuǎn)化為線性規(guī)劃問題；仿真模型是基于OPNET仿真平臺，將數(shù)學(xué)模型的求解結(jié)果轉(zhuǎn)化為網(wǎng)絡(luò)仿真模型。

（3）仿真實驗。主要是在已搭建的網(wǎng)絡(luò)仿真模型中，選取所需的仿真結(jié)果統(tǒng)計量，設(shè)置仿真參數(shù)并運行仿真。

（4）結(jié)果分析。主要是分析網(wǎng)絡(luò)仿真模型性能指標(biāo)的仿真結(jié)果，驗證規(guī)劃設(shè)計方案的合理性，為網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)的優(yōu)化調(diào)整提供依據(jù)。

（5）優(yōu)化調(diào)整。依據(jù)對仿真結(jié)果的分析，進一步調(diào)整網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)，為得到通信網(wǎng)更加合理的抽象模型提供參考。

（6）決策方案。針對具體任務(wù)，依據(jù)仿真結(jié)果，形成決策方案，作為決策機構(gòu)科學(xué)決策的依據(jù)。

2 區(qū)域綜合通信網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計實例

為完成某一任務(wù)，在某一地區(qū)，指揮機構(gòu)和作戰(zhàn)部隊的部署如圖2所示（單位：公里）。

圖2 作戰(zhàn)地域中節(jié)點分布

2.1 實例網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)設(shè)計分析

在通信網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)設(shè)計中，一般要根據(jù)網(wǎng)絡(luò)性能指標(biāo)的不同，選擇相應(yīng)的優(yōu)化目標(biāo)。對于區(qū)域綜合通信網(wǎng)的規(guī)劃設(shè)計而言，其主要決策目標(biāo)有抗毀性、可靠性、綜合互通性、安全保密性和組網(wǎng)建設(shè)費用等。

針對區(qū)域綜合通信網(wǎng)實際運用的特點，過大的時延會導(dǎo)致業(yè)務(wù)無法正常開通，影響部隊任務(wù)的完成效果，較高的建設(shè)費用會造成較低的經(jīng)濟效益，并結(jié)合其覆蓋面較大，通信節(jié)點分散和通信傳輸距離較遠等特點，選擇建設(shè)費用作為目標(biāo)，網(wǎng)絡(luò)平均時延作為約束條件，建立優(yōu)化模型。

2.2 網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)優(yōu)化模型

2.2.1 目標(biāo)函數(shù)

設(shè)D為區(qū)域綜合通信網(wǎng)中節(jié)點間的距離矩陣，元素dij為節(jié)點i到節(jié)點j的距離。則有

引入0－1變量aij，設(shè)定如下

則區(qū)域綜合通信網(wǎng)中光纖通路總長度可以表述為

式中：i，j——節(jié)點編號，N——節(jié)點個數(shù)。

設(shè)單位長度光纖通路建設(shè)費用為λ，則網(wǎng)絡(luò)總體建設(shè)費用為

以區(qū)域綜合通信網(wǎng)建設(shè)費用為優(yōu)化目標(biāo)，即有網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)優(yōu)化模型的目標(biāo)函數(shù)為

2.2.2 約束條件

通信網(wǎng)絡(luò)平均時延由傳輸時延和排隊時延兩部分組成。在區(qū)域綜合通信網(wǎng)中，由于光纖通道中的負載遠小于鏈路最大容量，排隊時延很小，基本可以忽略，故平均時延一般只考慮傳輸時延。對于單位長度光纖而言，傳輸時延為一常數(shù)，因而傳輸時延正比于傳輸距離。

設(shè)單位長度光纖傳輸時延為t，節(jié)點i和節(jié)點j之間傳輸時延為則有

式中：n——節(jié)點i，j之間的節(jié)點個數(shù)。

2.2.3 網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)優(yōu)化模型

結(jié)合上述分析，建立網(wǎng)路拓撲結(jié)構(gòu)優(yōu)化模型，如下所示

2.2.4 模型求解

對于上述網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)優(yōu)化模型，有直接求解法和啟發(fā)式算法求解法兩種。直接求解法適合對小規(guī)模網(wǎng)絡(luò)精確求解，但隨著網(wǎng)絡(luò)規(guī)模增加，求解運算的復(fù)雜度會迅速增大。鑒于此，對于中、大規(guī)模通信網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)優(yōu)化模型求解問題，常常需選用啟發(fā)式算法。為不失一般性，本實例模型采用啟發(fā)式算法中的最小生成樹（MST）分析法進行求解。

最小生成樹分析法實質(zhì)是已知固定節(jié)點集來求樹，使其總鏈路權(quán)值達到最小，利用該方法可以找到網(wǎng)絡(luò)線路里程中最小的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。其算法基本思想是：以網(wǎng)絡(luò)中任一節(jié)點為起點，選取與余下的n－1個節(jié)點中權(quán)值最小者相連，接著再從余下的n－2個節(jié)點中選取與之權(quán)值最小者相連，以此類推直至把全部節(jié)點連完，連接過程中不能出現(xiàn)環(huán)線。

所求任意兩個節(jié)點i和j間的連接應(yīng)滿足權(quán)值最小的原則，即

式中：Ω——所有節(jié)點構(gòu)成的集合，Ω－Ω′——差集。節(jié)點i屬于集合Ω′，節(jié)點j屬于集合Ω而不屬于集合Ω′。上式表示，從子集Ω′中任一節(jié)點i到差集Ω－Ω′中任一節(jié)點j所有可能的鏈路中，該鏈路（i，j）具有最小的權(quán)值。

一般而言，某一地域的環(huán)境條件、施工費用、機線造價等均是常量，當(dāng)選取節(jié)點間距離作為鏈路權(quán)值時，所得的最小生成樹不僅對應(yīng)路由里程最小值，同時也是區(qū)域綜合通信網(wǎng)建設(shè)費用最小時對應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)，即網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)優(yōu)化模型的最優(yōu)解。由最小生成樹（MST）分析法，可以求解得到該區(qū)域綜合通信網(wǎng)的最小生成樹，如圖3所示，其光纖通路建設(shè)總里程為90km。

圖3 區(qū)域綜合通信網(wǎng)的最小生成樹

2.3 網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)的進一步優(yōu)化

網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)優(yōu)化模型將區(qū)域綜合通信網(wǎng)中各個節(jié)點等同看待，未考慮各節(jié)點在整個通信網(wǎng)絡(luò)中的不同地位和作用，因而求出的網(wǎng)絡(luò)拓撲呈現(xiàn)單一的鏈式結(jié)構(gòu)，如圖3所示。圖中網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)路由單一，節(jié)點間相互依賴性大，網(wǎng)絡(luò)抗毀性差。例如一旦駐地B遭到敵方破壞，將直接導(dǎo)致駐地C和駐地D通信連接中斷，對整個部隊的行動產(chǎn)生嚴重影響。

對區(qū)域綜合通信網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)的進一步優(yōu)化是建立在網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)優(yōu)化模型最優(yōu)解的基礎(chǔ)上，通過改變網(wǎng)絡(luò)中部分節(jié)點間的連接方式，建立各個部隊駐地和指揮所之間的直達路由，實現(xiàn)通信網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)的全局最優(yōu)。經(jīng)過進一步優(yōu)化，得到區(qū)域綜合通信網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)如圖4所示，其光纖通路建設(shè)總里程為105km。

圖4 區(qū)域綜合通信網(wǎng)進一步優(yōu)化后的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)

3 基于OPNET的網(wǎng)絡(luò)仿真實現(xiàn)

OPNET是一款用于網(wǎng)絡(luò)仿真和建模的工具，支持面向?qū)ο蟮慕７绞剑⑻峁﹫D形化的編輯界面，在新網(wǎng)絡(luò)的規(guī)劃設(shè)計以及對現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的性能分析方面有著卓越表現(xiàn)［3－6］。它能夠為網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)設(shè)計、通信協(xié)議仿真和路由算法研究提供與真實網(wǎng)絡(luò)相同的環(huán)境，其功能完善的結(jié)果分析器又為網(wǎng)絡(luò)性能的分析提供了有效且直觀的工具。

3.1 仿真模型建立

基于OPNET仿真平臺建立工程Topology＿Design和仿真場景Optimization0。在建立網(wǎng)絡(luò)仿真模型過程中，采取分層建模法，將每一個部隊駐地都看成是一個子網(wǎng)，通過仿真軟件中局域網(wǎng)的總體定義方式來定義子網(wǎng)內(nèi)部的實現(xiàn)，以此屏蔽子網(wǎng)內(nèi)部的實現(xiàn)細節(jié)［7－10］。

各子網(wǎng)按照網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)進行布局，內(nèi)部連接采用10BaseT，交換機選擇ethernet16＿switch，指揮所和駐地A、B、C和D內(nèi)部分別定義有100，15，30，50和25個工作站。指揮所子網(wǎng)內(nèi)部配置3臺ethernet＿server服務(wù)器，分別提供電話、數(shù)據(jù)、電報、電視會議和靜態(tài)圖像等服務(wù)，以提高網(wǎng)絡(luò)處理數(shù)據(jù)能力，有效降低網(wǎng)絡(luò)平均時延。指揮所ZHS與部隊駐地ZD＿A、ZD＿B、ZD＿C和ZD＿D之間采用100BaseT進行連接，并在仿真場景中配置相關(guān)業(yè)務(wù)［11］。建成后的區(qū)域綜合通信網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)仿真模型如圖5所示。

3.2 仿真參數(shù)設(shè)置

圖5 區(qū)域綜合通信網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)仿真模型

針對區(qū)域綜合通信網(wǎng)的業(yè)務(wù)需求，選擇網(wǎng)絡(luò)平均時延（ethernet delay）、鏈路排隊時延（queuing delay）、吞吐量（throughput）和鏈路利用率（utilization）四個統(tǒng)計量進行數(shù)據(jù)收集，選擇optimized優(yōu)化核心，設(shè)置仿真時間為1h，隨機種子為128個，運行仿真并分析結(jié)果［12－13］。

3.3 仿真結(jié)果分析

3.3.1 網(wǎng)絡(luò)平均時延

網(wǎng)絡(luò)平均時延是指信息從網(wǎng)絡(luò)的一端傳送到另一端所需的總時間，主要由發(fā)送時延、傳輸時延和處理時延組成，是度量網(wǎng)絡(luò)實時性的重要指標(biāo)［14］。區(qū)域綜合通信網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)平均時延仿真結(jié)果如圖6所示。其中，橫軸代表仿真時間，縱軸代表時延。從圖中可以看出，網(wǎng)絡(luò)平均時延隨仿真時間不斷增大，在16min左右達到穩(wěn)定狀態(tài)，約為1.2ms。網(wǎng)絡(luò)平均時延很小，信息傳輸實時性良好。

圖6 區(qū)域綜合通信網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)平均時延

3.3.2 鏈路排隊時延

鏈路排隊時延是指在包交換網(wǎng)絡(luò)中漫游的包必須在包交換中等待的總時間，與網(wǎng)絡(luò)的擁塞程度有關(guān)［15］。區(qū)域綜合通信網(wǎng)中四條鏈路的排隊時延仿真結(jié)果如圖7所示。從圖中可以看出，鏈路ZD＿A→ZD＿D和ZD＿A→ZHS的排隊時延隨仿真時間變化不停發(fā)生抖動。其中，鏈路ZD＿A→ZD＿D的排隊時延基本穩(wěn)定在15μs，鏈路ZD＿A→ZHS的排隊時延基本穩(wěn)定在30μs。鏈路ZHS→ZD＿B和ZHS→ZD＿C的排隊時延曲線抖動較小，基本穩(wěn)定在70μs左右?？傮w而言，各鏈路的端到端排隊時延較小，不會對信息傳輸造成很大影響。

圖7 區(qū)域綜合通信網(wǎng)各鏈路的排隊時延

3.3.3 吞吐量

吞吐量是指數(shù)據(jù)在鏈路上的傳輸速率，其大小取決于鏈路特性（帶寬和出錯率等）和節(jié)點特性（緩沖區(qū)容量和處理機能力等），是衡量網(wǎng)絡(luò)整體性能的重要指標(biāo)。區(qū)域綜合通信網(wǎng)中四條鏈路的吞吐量仿真結(jié)果如圖8所示。由圖易知，鏈路ZD＿A→ZD＿D和ZD＿A→ZHS吞吐量較小，分別穩(wěn)定在3800bits/sec和13000bits/sec，鏈路ZHS→ZD＿B和ZHS→ZD＿C吞吐量較大，分別穩(wěn)定在31000bits/sec和52000bits/sec。

圖8 區(qū)域綜合通信網(wǎng)各鏈路的吞吐量

3.3.4 鏈路利用率

鏈路利用率是指單位時間內(nèi)發(fā)送數(shù)據(jù)量與帶寬的比值，是反映網(wǎng)絡(luò)運行狀態(tài)的重要指標(biāo)。區(qū)域綜合通信網(wǎng)中各鏈路的鏈路利用率仿真結(jié)果如圖9所示。從圖中可以看出，鏈路ZHS→ZD＿C的鏈路利用率最高，穩(wěn)定狀態(tài)達到5.2%，鏈路ZHS→ZD＿B和ZD＿A→ZHS次之，鏈路ZD＿A→ZD＿D的利用率最小僅為0.4%。較小的鏈路利用率表明鏈路性能沒有得到充分發(fā)揮，區(qū)域綜合通信網(wǎng)的性能還有很大的提升空間。

3.4 生成決策方案

本文主要討論了網(wǎng)絡(luò)平均時延、鏈路排隊時延、吞吐量和鏈路利用率4個主要性能指標(biāo)。在實際的區(qū)域綜合通信網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計中，針對具體任務(wù)要求的不同，性能指標(biāo)的分析也有所側(cè)重，例如網(wǎng)絡(luò)擁塞率、響應(yīng)時間、端到端丟包率等。依據(jù)仿真結(jié)果，可以形成針對具體任務(wù)的區(qū)域綜合通信網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計的方案，作為決策者實施科學(xué)決策的參考依據(jù)。

圖9 區(qū)域綜合通信網(wǎng)各鏈路利用率

4 結(jié)束語

轉(zhuǎn)變戰(zhàn)斗力生成模式，提高基于信息系統(tǒng)的體系作戰(zhàn)能力是當(dāng)前軍隊建設(shè)發(fā)展的戰(zhàn)略任務(wù)?？茖W(xué)構(gòu)建區(qū)域綜合通信網(wǎng)是部隊有效遂行多樣化任務(wù)的重要支撐。本文首先提出區(qū)域綜合通信網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計的總體目標(biāo)、原則和基本流程，其次通過建立網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)優(yōu)化模型對區(qū)域綜合通信網(wǎng)的拓撲結(jié)構(gòu)進行了初始化，結(jié)合網(wǎng)絡(luò)節(jié)點特征和實際運用要求對拓撲結(jié)構(gòu)進一步優(yōu)化，最后基于OPNET仿真平臺進行仿真分析，驗證了模型的可行性和網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃設(shè)計方法的有效性。

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