基于OPNET的地域通信網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)仿真研究

摘要：針對(duì)無(wú)線通信情況下地域通信網(wǎng)中心交換機(jī)節(jié)點(diǎn)間的通信質(zhì)量，采用模塊化的方法描述節(jié)點(diǎn)對(duì)象的行為并對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行建模，通過(guò)OPN ET網(wǎng)絡(luò)仿真工具對(duì)地域通信網(wǎng)各網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的仿真模型以及組成各節(jié)點(diǎn)的進(jìn)程模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，結(jié)合地域通信網(wǎng)的一個(gè)實(shí)例，得出了節(jié)點(diǎn)受不同干擾情況下的全局?jǐn)?shù)據(jù)業(yè)務(wù)丟包率和話音業(yè)務(wù)呼損率。
關(guān)鍵詞：地域通信網(wǎng)；OPNET；網(wǎng)絡(luò)仿真；進(jìn)程模型

    地域通信網(wǎng)是由柵格狀干線節(jié)點(diǎn)、入口節(jié)點(diǎn)和傳輸系統(tǒng)組成的覆蓋戰(zhàn)術(shù)戰(zhàn)役區(qū)域的通信網(wǎng)，是公認(rèn)的戰(zhàn)術(shù)通信網(wǎng)的主要發(fā)展方向。
    地域通信網(wǎng)是保證作戰(zhàn)部隊(duì)與司令部之間相互聯(lián)絡(luò)的主要手段。在軍或師的整個(gè)作戰(zhàn)地域開(kāi)設(shè)若干個(gè)通信中心節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)之間用無(wú)線電中繼線路連接起來(lái)，固定或移動(dòng)用戶分別通過(guò)有線電路或無(wú)線電臺(tái)與通信中心的有無(wú)線入口連接，形成一個(gè)到所屬各部隊(duì)既有直接路由又有迂回路由的統(tǒng)一通信網(wǎng)。
    與傳統(tǒng)通信裝備組成的野戰(zhàn)通信系統(tǒng)相比，地域通信網(wǎng)具有生存能力強(qiáng)、時(shí)效性高、綜合互通程度高、機(jī)動(dòng)性好、保密性好和抗干擾能力強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)，因此成為目前陸軍中軍、師(含師與團(tuán)之間)的主要通信手段。地域通信網(wǎng)的出現(xiàn)，使野戰(zhàn)通信在通信裝備、通信體制、通信戰(zhàn)術(shù)等諸多方面都發(fā)生了根本性的變化，因而成為通信對(duì)抗的重點(diǎn)目標(biāo)。

1 仿真工具介紹
    網(wǎng)絡(luò)仿真技術(shù)是一種通過(guò)建立網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)鏈路和協(xié)議模型，并模擬網(wǎng)絡(luò)流量的傳輸，從而獲取網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)或優(yōu)化所需要的網(wǎng)絡(luò)性能數(shù)據(jù)的仿真技術(shù)。網(wǎng)絡(luò)模型不僅可以在實(shí)施之前預(yù)測(cè)拓?fù)浜驮O(shè)備規(guī)劃，還有助于在網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行中保持其有效性。
    OPNET Modeler是一種優(yōu)秀的網(wǎng)絡(luò)仿真和建模工具，支持面向?qū)ο蟮慕７绞?，并提供圖形化的編輯界面，更便于用戶使用。它將通信網(wǎng)絡(luò)仿真的各個(gè)階段合并在一起，包括模型的設(shè)計(jì)、仿真、數(shù)據(jù)的收集和分析等階段。除了能模擬固定通信模型外，OPNET Modeler的無(wú)線建模器還可用于建立分組無(wú)線網(wǎng)和衛(wèi)星通信網(wǎng)的模型。OPNET為通信協(xié)議和路由算法的研究提供與真實(shí)網(wǎng)絡(luò)相同的環(huán)境。其結(jié)果分析器為網(wǎng)絡(luò)性能的分析提供了直觀有效的工具。

2 網(wǎng)絡(luò)仿真模型研究
    基于OPNET仿真軟件對(duì)地域通信網(wǎng)中各網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的仿真模型進(jìn)行設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，在節(jié)點(diǎn)模型中使用不同的模塊來(lái)描述節(jié)點(diǎn)對(duì)象的不同行為，展示網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)。模塊一般代表應(yīng)用業(yè)務(wù)、協(xié)議層和物理資源，如緩沖區(qū)、端口和總線。每個(gè)模塊都擁有相應(yīng)的進(jìn)程模型，因此稱為進(jìn)程模塊。每個(gè)進(jìn)程模塊模擬節(jié)點(diǎn)行為的一個(gè)或幾個(gè)方面，如節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)創(chuàng)建、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等。進(jìn)程模塊之間通過(guò)數(shù)據(jù)包流線或統(tǒng)計(jì)線進(jìn)行連接。一個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)模型由多個(gè)進(jìn)程模塊組成。
    對(duì)節(jié)點(diǎn)按層建模，如圖1所示。

2．1 節(jié)點(diǎn)模型
    地域通信網(wǎng)中主要的節(jié)點(diǎn)有3類：交換機(jī)節(jié)點(diǎn)、終端節(jié)點(diǎn)和干擾節(jié)點(diǎn)。交換機(jī)主要用以對(duì)報(bào)文進(jìn)行轉(zhuǎn)送，包含有路由功能，根據(jù)位置不同，分為中心交換機(jī)和本地交換機(jī)。終端節(jié)點(diǎn)包括話音終端和數(shù)據(jù)終端，分別用于提供話音和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。以中心交換機(jī)為例對(duì)節(jié)點(diǎn)模型的設(shè)計(jì)進(jìn)行說(shuō)明。
    地域通信網(wǎng)中，往往有多個(gè)子網(wǎng)，它們相互之間間隔較遠(yuǎn)，一般通過(guò)中心交換機(jī)實(shí)現(xiàn)交互通信。中心交換機(jī)之間采用無(wú)線通信，組成地域通信網(wǎng)的骨干網(wǎng)絡(luò)。其節(jié)點(diǎn)模型如圖2所示。

    從圖2可以看出，中心交換機(jī)節(jié)點(diǎn)模型中主要有ATM信令模塊、ATM呼叫控制模塊、ATM路由模塊、AAL模塊、ATM層模塊、ATM翻譯模塊、ATM分發(fā)模塊、無(wú)線mac模塊、無(wú)線收發(fā)信機(jī)以及天線模塊等。圖中實(shí)線代表數(shù)據(jù)流線，虛線代表統(tǒng)計(jì)線。
2．2 進(jìn)程模型
    主要的進(jìn)程模塊有應(yīng)用層進(jìn)程模塊、ATM信令模塊、ATM呼叫控制模塊、ATM路由模塊、AAL模塊、ATM層模塊、ATM翻譯模塊、ATM分發(fā)模塊等。
    下面以ATM呼叫控制進(jìn)程模塊為例說(shuō)明進(jìn)程模型的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。
2．2．1 進(jìn)程模型設(shè)計(jì)
    如圖3所示為ATM呼叫控制進(jìn)程模型流程圖。

    模塊初始化結(jié)束后，進(jìn)行相應(yīng)的配置。之后進(jìn)入空閑狀態(tài)并等待接收各類信息。對(duì)接收到的信息類型進(jìn)行判斷并執(zhí)行相應(yīng)的操作。
    若收到應(yīng)用層發(fā)來(lái)的連接建立請(qǐng)求，則將此請(qǐng)求信息轉(zhuǎn)送給AAL模塊以通知其有新連接；若收到AAL模塊發(fā)來(lái)的連接指示，則將此信息轉(zhuǎn)送給應(yīng)用層模塊進(jìn)行處理；若有連接信息，則建立連接；若收到應(yīng)用層發(fā)來(lái)的釋放連接請(qǐng)求，則將此請(qǐng)求信息轉(zhuǎn)送給AAL模塊；若收到AAL模塊發(fā)來(lái)的釋放連接指示，則將此信息轉(zhuǎn)送給應(yīng)用層模塊處理；若收到釋放連接信息，則釋放當(dāng)前連接；若收到永久虛通道配置請(qǐng)求，則配置永久虛通道。每條信息處理完成后都恢復(fù)到空閑狀態(tài)。當(dāng)仿真結(jié)束后，本模塊的操作也相應(yīng)結(jié)束。
2．2．2 進(jìn)程模型實(shí)現(xiàn)
    基于OPNET網(wǎng)絡(luò)仿真軟件對(duì)各進(jìn)程模塊進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，采用有限狀態(tài)自動(dòng)機(jī)表示以支持規(guī)范、協(xié)議、應(yīng)用、算法以及排隊(duì)策略。采用圖形化的狀態(tài)和狀態(tài)轉(zhuǎn)移條件來(lái)定義事件的邏輯。
    下面對(duì)ATM呼叫控制進(jìn)程模塊進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，給出其狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖，如圖4所示。

     ATM呼叫控制模塊提供了數(shù)據(jù)面和控制面之間的訪問(wèn)接口。本模塊的主要狀態(tài)有：初始化狀態(tài)、配置狀態(tài)、獲取ATM狀態(tài)信息、空閑狀態(tài)、連接建立請(qǐng)求狀態(tài)、連接建立指示狀態(tài)、永久虛通道配置請(qǐng)求狀態(tài)、連接狀態(tài)、數(shù)據(jù)傳輸狀態(tài)、連接釋放請(qǐng)求狀態(tài)、連接釋放指示狀態(tài)、連接釋放狀態(tài)等。

3 仿真應(yīng)用
3．1 網(wǎng)絡(luò)仿真模型實(shí)例
    在OPNET網(wǎng)絡(luò)仿真環(huán)境下搭建一個(gè)骨干網(wǎng)絡(luò)為四節(jié)點(diǎn)五鏈路的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)仿真模型，如圖5所示。

    此模型中有5類節(jié)點(diǎn)：中心交換機(jī)、本地交換機(jī)、話音業(yè)務(wù)終端、數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)終端和移動(dòng)干擾節(jié)點(diǎn)。
    中心交換機(jī)節(jié)點(diǎn)間采用無(wú)線通信，每對(duì)收發(fā)信機(jī)采用不同的通信頻率，即每個(gè)中心交換機(jī)與其他不同中心交換機(jī)之間通信所采用的收發(fā)信機(jī)頻率不同。
    本地交換機(jī)節(jié)點(diǎn)之間、本地交換機(jī)與終端之間采用有線通信。本地交換機(jī)的配置與中心交換機(jī)配置基本相同，只是其所有端口均為有線。
    數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)終端類型為ATM工作站和服務(wù)器。ATM服務(wù)器支持所有的應(yīng)用層模型。ATM工作站的特色是應(yīng)用層程序需經(jīng)由IP層與ATM層通信，而不能直接與ATM層通信。所有從工作站發(fā)出的具有相同目的地址的數(shù)據(jù)經(jīng)由同一條ATM鏈路發(fā)往服務(wù)器，而不管這些數(shù)據(jù)是否來(lái)自同一應(yīng)用程序。
    話音業(yè)務(wù)終端類型為普通客戶端節(jié)點(diǎn)。其特征是應(yīng)用層與ATM層直接連接，而不須經(jīng)由IP層。普通客戶端節(jié)點(diǎn)模型為每個(gè)應(yīng)用層任務(wù)建立了一個(gè)獨(dú)立的ATM連接。
3．2 參數(shù)配置
    對(duì)節(jié)點(diǎn)參數(shù)、全局參數(shù)和主詢參數(shù)進(jìn)行配置，并配置終端節(jié)點(diǎn)間的話音和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。話音與數(shù)據(jù)源終端節(jié)點(diǎn)通過(guò)本地交換機(jī)連接到中心交換機(jī)1，然后選擇一條鏈路到達(dá)中心交換機(jī)3，再通過(guò)本地交換機(jī)轉(zhuǎn)至相應(yīng)的目的終端節(jié)點(diǎn)。干擾機(jī)以一定的航線飛行，對(duì)中心交換機(jī)1實(shí)施干擾。
    相關(guān)參數(shù)設(shè)置情況如表1所示。

3．3 仿真結(jié)果及分析
    設(shè)置干擾機(jī)飛行航線，同時(shí)對(duì)中心交換機(jī)1與中心交換機(jī)3、中心交換機(jī)1與中心交換機(jī)5之間的兩條鏈路實(shí)施干擾，運(yùn)行本仿真場(chǎng)景。
3．3．1 固定干擾機(jī)航線
    設(shè)置干擾機(jī)與中心交換機(jī)1之間垂直距離為420 km，運(yùn)行仿真，查看統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果。
    1) 全局統(tǒng)計(jì)量
    在全局范圍內(nèi)，收集話音業(yè)務(wù)和數(shù)據(jù)EMAIL業(yè)務(wù)的收發(fā)情況，用收發(fā)曲線來(lái)描述，以反映整個(gè)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)與話音業(yè)務(wù)的傳送質(zhì)量。
    全局話音業(yè)務(wù)收發(fā)曲線如圖6所示，可以看出，在本仿真場(chǎng)景和仿真參數(shù)設(shè)置下，全局話音業(yè)務(wù)發(fā)送與接收之間有較大的差距，即話音業(yè)務(wù)損耗較大，說(shuō)明其受干擾機(jī)的影響較大。

    全局?jǐn)?shù)據(jù)EMAIL業(yè)務(wù)收發(fā)曲線如圖7所示，可以看出，在本仿真場(chǎng)景和仿真參數(shù)設(shè)置下，全局?jǐn)?shù)據(jù)Email業(yè)務(wù)具有較高的實(shí)時(shí)丟包率，說(shuō)明在此情況下，全局?jǐn)?shù)據(jù)Email業(yè)務(wù)受干擾機(jī)的影響很大，干擾效果比較明顯。

    2)鏈路統(tǒng)計(jì)量
    本仿真模式下，同時(shí)對(duì)中心交換機(jī)1與3、中心交換機(jī)1與5之間的兩條鏈路實(shí)施干擾，這里用受干擾的兩條鏈路的吞吐量來(lái)衡量其被干擾的程度。
    中心交換機(jī)1與3之間鏈路吞吐量曲線如圖8所示，可以看出，中心交換機(jī)1與3之間具有一定的鏈路吞吐量，說(shuō)明即使是在受干擾的情況下，也有相當(dāng)一部分?jǐn)?shù)據(jù)或話音業(yè)務(wù)是經(jīng)由此鏈路到達(dá)目的端的。

    中心交換機(jī)1與5之間鏈路吞吐量曲線如圖9所示，可以看出，中心交換機(jī)1與5之間鏈路吞吐量幾乎為零，這是因?yàn)椋瑪?shù)據(jù)與話音業(yè)務(wù)的交互都需經(jīng)由中心交換機(jī)1到達(dá)3，而它們之間存在直接路由1->3，以及間接路由：1->4->3、1->5->3．在同時(shí)受干擾且直接路由仍有可用帶寬的情況下，數(shù)據(jù)及話音業(yè)務(wù)仍選擇直接路由。

3．3．2 多條干擾機(jī)航線
    保持干擾機(jī)發(fā)射功率與信號(hào)功率不變，設(shè)置八條不同的干擾機(jī)飛行航線，(干擾機(jī)與中心交換機(jī)1之間的垂直距離從480 km到340 km)。運(yùn)行仿真，根據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果繪制全局話音業(yè)務(wù)呼損率與數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)丟包率曲線，分別如圖10、圖11所示。

    從圖10、圖11可以看出，在干擾功率不變的情況下，隨著干擾機(jī)與被干擾節(jié)點(diǎn)間垂直距離的增加，全局話音業(yè)務(wù)呼損率、全局?jǐn)?shù)據(jù)Email業(yè)務(wù)丟包率呈降低趨勢(shì)。在垂直距離為340 km時(shí)，話音業(yè)務(wù)呼損率達(dá)到37％，數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)丟包率達(dá)到70％，此時(shí)，干擾效果已經(jīng)相當(dāng)明顯，收發(fā)信方基本上已不能正常通信。

4 結(jié)束語(yǔ)
    本文基于OPNET網(wǎng)絡(luò)仿真工具對(duì)地域通信網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)仿真模型進(jìn)行了深入研究，對(duì)網(wǎng)絡(luò)中各類節(jié)點(diǎn)如交換機(jī)、終端、干擾機(jī)等進(jìn)行了節(jié)點(diǎn)級(jí)和進(jìn)程級(jí)模型的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。然后給出了一個(gè)四節(jié)點(diǎn)五鏈路的典型地域通信網(wǎng)應(yīng)用實(shí)例，搭建了網(wǎng)絡(luò)模型，并就仿真相關(guān)的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行了設(shè)置。設(shè)定干擾機(jī)飛行航線，同時(shí)干擾兩條鏈路，對(duì)此場(chǎng)景進(jìn)行仿真，繪制全局話音業(yè)務(wù)和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的收發(fā)曲線和被干擾鏈路的吞吐量曲線。在航線改變的情況下，進(jìn)行多次仿真，根據(jù)仿真統(tǒng)計(jì)結(jié)果繪制全局?jǐn)?shù)據(jù)業(yè)務(wù)丟包率曲線和話音業(yè)務(wù)呼損率曲線。仿真結(jié)果表明，隨著干擾機(jī)與被干擾節(jié)點(diǎn)間垂直距離的增加，全局?jǐn)?shù)據(jù)業(yè)務(wù)丟包率和話音業(yè)務(wù)呼損率均呈降低趨勢(shì)，且在垂直距離340km時(shí)，話音呼損率達(dá)到37％，數(shù)據(jù)丟包率達(dá)到70％，基本達(dá)到了干擾收發(fā)信雙方通信的目的。