空基彈性通信網(wǎng)絡性能分析

趙哲 唐平 高原

（中國電子科技集團公司電子科學研究院 北京市 100041）

1 概述

當前海上編隊跨區(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，海上編隊數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡缺少彈性手段。

本文針對天基衛(wèi)星通信網(wǎng)絡遭受降級或拒止情況，提出利用空中有人和無人作戰(zhàn)平臺構(gòu)建空基移動自組織網(wǎng)絡，為海上編隊提供彈性數(shù)據(jù)傳輸服務?？栈ㄐ啪W(wǎng)絡利用空中平臺通信覆蓋靈活、空間抗干擾能力強、抗毀生存能力強等特點，鏈接太空、空中、海面以及地面節(jié)點，構(gòu)建了網(wǎng)絡化的抗毀功能層。本文利用基于STK和QualNet 的混合仿真方法建立了海上編隊數(shù)據(jù)傳輸仿真場景，評估了空基通信網(wǎng)絡傳輸性能。

2 研究現(xiàn)狀

2.1 美軍空基通信網(wǎng)絡分析

美軍提出了發(fā)展聯(lián)合空中層網(wǎng)絡（JALN）概念[1]，試圖將美軍各軍兵種所有的空中平臺都納入到一個一體化的空基網(wǎng)絡體系，成為美軍空天地一體化網(wǎng)絡的一部分。JALN 將提供三項核心功能[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地面或衛(wèi)星通信接入GIG 的能力；分發(fā)/接入/距離擴展（DARE)，提供專用的、可伸縮網(wǎng)絡傳輸能力；轉(zhuǎn)換功能：即促進HCB 和DARE 功能間網(wǎng)絡信息和波形交換和轉(zhuǎn)換的能力。

當前，美軍空中層網(wǎng)絡現(xiàn)階段最突出的問題就是各封閉通信網(wǎng)絡系統(tǒng)之間的兼容性問題，目前智能依靠網(wǎng)關系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換來實現(xiàn)整個空中層網(wǎng)絡的互聯(lián)互通，這些網(wǎng)關系統(tǒng)也是現(xiàn)階段美軍空中層網(wǎng)絡無縫運轉(zhuǎn)的關鍵。諾斯洛普·格魯曼公司開發(fā)的戰(zhàn)場機載通信節(jié)點（BACN）[3]是一種可擴展通信距離的機載通信中繼系統(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)點之間的飛行中繼通信。

2.2 機載網(wǎng)絡通信協(xié)議

機載網(wǎng)絡路由協(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。下面重點介紹兩種具有代表性的自組織路由協(xié)議，即反應式路由協(xié)議AODV[4]和主動式路由協(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)點序列號距離矢量路由協(xié)議DSDV 和DSR 兩者綜合的產(chǎn)物，借鑒了DSR 的路由發(fā)現(xiàn)機制和路由維護機制，以及DSDV 中的跳數(shù)和路由維護過程中的周期更新機制，結(jié)合了兩者的優(yōu)點，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)議是一個主動式的無線Ad Hoc 網(wǎng)絡路由協(xié)議，繼承了鏈路狀態(tài)算法的穩(wěn)定性，并針對Ad Hoc 網(wǎng)絡特點進行修改。該協(xié)議的關鍵在于多點轉(zhuǎn)播，相對于傳統(tǒng)鏈路狀態(tài)協(xié)議所作優(yōu)化有：

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

圖1：空基彈性通信網(wǎng)絡架構(gòu)示意圖

圖2：仿真參數(shù)配置

（2）提供最短路徑時，只需要局部鏈路狀態(tài)信息。

3 方案構(gòu)想

海上編隊與岸基指揮所之間指揮控制和偵察情報數(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)傳輸降級或拒絕服務。本文利用高空/低空無人機、預警機等空中作戰(zhàn)平臺組成空基通信網(wǎng)絡，如圖1 所示，為海上編隊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)絡由高、中、低三層不同高度的空中平臺節(jié)點組成，分別工作在18 至20 千米、6 至8 千米以及3 至4 千米，其中低空平臺可作為主要信息節(jié)點的接入節(jié)點。作為無線網(wǎng)絡節(jié)點的有人和無人空中平臺鏈接在一起形成可擴展的空基通信網(wǎng)絡。

圖3：岸基指揮所與低空無人機節(jié)點之間鏈路BER 性能曲線

圖4：高空無人機節(jié)點之間鏈路BER 性能曲線

圖5：預警機與海上編隊主艦船節(jié)點之間鏈路BER 性能曲線

海上編隊由三艘艦船組成，包括一艘主艦船和兩艘護衛(wèi)艦船。海上編隊內(nèi)部采用移動自組織網(wǎng)絡進行信息交互，其中主艦船作為網(wǎng)關節(jié)點連接空基通信網(wǎng)絡。

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]，對所提的空基彈性通信網(wǎng)絡進行性能分析與評估。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物理層鏈路建模，但是不能對網(wǎng)絡協(xié)議進行建模仿真。QualNet 網(wǎng)絡仿真軟件主要針對無線移動通信網(wǎng)絡進行優(yōu)化處理，可以測試路由協(xié)議、算法以及節(jié)點可用性等網(wǎng)絡性能，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 模塊通過將QualNet interface 實現(xiàn)與QualNet 之間的互操作，提供了空基彈性通信網(wǎng)絡建模與仿真的解決方案。利用QualNet interface 實現(xiàn)了QualNet 物理層模型和STK天線對象之間數(shù)據(jù)的交換，實現(xiàn)空間環(huán)境與網(wǎng)絡環(huán)境的集成與統(tǒng)一?；旌戏抡娣椒ńY(jié)合了QualNet 的網(wǎng)絡協(xié)議建模和STK 的無線通信鏈路建模，可以創(chuàng)建一個完整的無線通信網(wǎng)絡的實際場景。

4.2 仿真參數(shù)配置

為了測試從岸基指揮所到海上編隊之間空中層網(wǎng)絡性能，本文按照圖1 所示網(wǎng)絡架構(gòu)構(gòu)建了仿真場景。首先，在STK 對象瀏覽器中創(chuàng)建并配置了岸基指揮所、海上編隊（3 個節(jié)點）、空中層網(wǎng)絡（5 個節(jié)點）相應節(jié)點。其次，為每個節(jié)點添加天線，并設置類型、頻率等天線參數(shù)，如圖2(a)所示，實現(xiàn)節(jié)點之間物理層鏈接。然后，打開QualNet interface 設置TCP/IP 堆棧其他層，需要在MAC 和網(wǎng)絡層將每個節(jié)點添加到無線網(wǎng)絡中并分配IP 地址，設置路由協(xié)議，當前場景采用AODV 協(xié)議；在應用層參數(shù)配置中，選擇CBR 應用，我們設置1 微秒從岸基指揮所向海上編隊中主艦船發(fā)送總共5000個數(shù)據(jù)包，每個數(shù)據(jù)包包含1500 個字節(jié)，如圖2(b)所示。最后運行QualNet，生成統(tǒng)計量文件，得到吞吐量等網(wǎng)絡仿真統(tǒng)計量的結(jié)果。

4.3 仿真結(jié)果分析

利用STK 軟件可以計算不同網(wǎng)絡節(jié)點之間鏈路BER 性能曲線。圖3 顯示了岸基指揮所與低空無人機節(jié)點之間鏈路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，橫軸代表仿真時間。如圖所示，隨著低空無人機節(jié)點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，幾乎沒有誤碼，而當距離超過53nm 時，BER 性能將明顯變差。

圖4 顯示了高空無人機節(jié)點之間鏈路BER 性能曲線。如圖所示，當高空無人機平臺超出視距范圍之內(nèi)時，鏈路BER 性能極具惡化，因此需要規(guī)劃好無人機平臺飛行路線，保證節(jié)點之間都在視距范圍之內(nèi)，實現(xiàn)鏈路鏈接穩(wěn)定性。

圖5 顯示了預警機與海上編隊主艦船節(jié)點之間鏈路BER 性能曲線，由于仿真過程中中間BER 曲線出現(xiàn)中斷，是由于預警機位置超出主艦船視距范圍無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)絡的數(shù)據(jù)包傳送速率（PDR）和吞吐率，表1 顯示了網(wǎng)絡性能，其中PDR 為100%，吞吐率可達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)絡可以實現(xiàn)岸基指揮所與海上編隊之間可靠數(shù)據(jù)傳輸。

表1：采用AVOD 協(xié)議的空中層網(wǎng)絡性能

5 結(jié)論

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