基于OMNeT的Link 11网络建模仿真研究

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基于OMNeT的Link 11网络建模仿真研究

作者：李振 郑连泽 饶广然

来源：《现代电子技术》2012年第03期

摘要：在数据链系统的生命周期中，仿真是不可缺少的一个环节。针对商用软件成本高，教育版无源代码难以二次开发问题。采用新型开源网络仿真软件OMNeT，利用Mobility

Framework组件构架，编写了轮询协议模型，建立了数据链仿真系统模型和Linkll网络模型，通过场景和统计模块的设计，对Linkll进行了性能仿真实验。仿真结果表明，网络性能良好，基本满足了消息传输的实时性和可靠性。

关键词：数据链；网络仿真；OMNeT；Link 11

中图分类号：TN711-34；TP311 文献标识码：A 文章编号：1004-373X(2012)03-0021-05

在战术数据链的全寿命周期过程中，建模和仿真作为一种重要的支撑技术发挥着越来越重要的作用，已经成为战术数据链设计开发和应用研究过程中不可或缺的关键技术之一。早在20世纪60年代初期，美空军半自动化战场环境(SAGE)系统中就开展了对战斗机和陆军防空导弹系统的数据链仿真，这也是最早开展的战术数据链仿真工作。

国内外学者针对数据链网络在OPNET和Qual—Net环境下建立了若干仿真模型和想定条件下的性能仿真，本文考虑到OPNET、QualNet等商用仿真软件平台开放性不高、成本高昂的问题，以及其教育版本版权受限，不提供源代码等二次开发阻碍，尝试使用一款新型开源的、基于组件的、模块化的网络仿真平台OMNeT”利用其仿真了轮询协议，建立了Link 11网络模型，实践证明了OMNeT”的面向对象特性以及开源特性保证了非常好的可移植性和扩展性，协议仿真时速度快、实时性好、内存消耗小，基于Eclipse友好的IDE界面可以简便定义网络拓扑结构，同时对于标准的支持使其可以进行基于线程的windOWS程序协同开发，具备编程、调试和跟踪支持等功能，能够实现复杂的基础设施间的通信模拟，满足数字化战场网络构架的需求。

下数据链仿真系统模型的设计

对数据链进行仿真，首先要根据数据链的技术特点和关键技术，模拟实现其信道的占用和分配，实现其战术数据流的处理和分发功能。因此，负责数据流逐层处理的网络体系结构和负责信道占用规则的组网技术，成为数据链仿真过程中起重要作用的关键性技术。

OMNeT提供了基本的工具和机制来编写仿真代码，但它本身并不提供任何特定的用于计算机网络仿真、系统仿真和其他领域仿真的组件。具体的仿真是由一些仿真模型和框架组件如

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MF(Mobility Frame-work)或INET Framework来支持，这些模型独立于OMNet开发，并有自己的发布周期，MF的最新版本为3，下文将利用其建立系统模型的各个模块。

1.1节点模型

数据链节点模型是仿真系统中相对独立完整的中心模块，包含了数据链网络体系中的协议栈结构，由完成各个分层功能的简单模块复合而成，多个节点模型通过NED语言联合组成最终的数据链网络模型。本节研究的数据链节点模型建立在MF框架上，根据协议要求对相应层进行了代码修改和功能扩充，节点的分层结构如图1和图2所示。

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节点模型由应用层模块(appl)、网络层模块(net)、网络接口层模块(nic)、移动模块(mobility)及黑箱模块(blackboard)组成。除了nic模块是一个包含物理层和链路层中的MAC子层的复合模块，其余都是简单模块，它实现了PHY/MAC协议。

Appl模块用于网络相关应用的开发，在数据链仿真中，将节点内数据包的生成定义在该层，Link 11主站的appl模块结束处理时完成以下工作：负责关闭系统运行时所打开的文件，计算系统运行时各个节点的平均入网时间，计算轮询协议的网络循环周期，同时显示统计的结果；net模块负责数据链网络的路由维护，由于在单链组网中，不论是轮询还是广播都不需要进行路由交换，这一层基本用于网络内现有节点列表的维护；MAC模块是数据链组网协议模型所在之处，负责信道访问控制的模拟，本文研究的组网协议代码主要集中在此，两种数据链节点模型中MAC模块结束处理时完成系统运行中各个节点的丢包率和MAC端到端时延的计算，同时显示统计的结果；在物理层中，snrEval模块用来计算接收消息的信噪比信息，snrEval的无线信道模型使用具有门限截止特性的自由空间无线电传播模型，物理层对一个接收包处理过程为：在snrEval模块将接收功率电平与载波检测门限做比较，如果被接收包的功率电平小于载波检测门限，包将被作为噪声丢弃，否则送人decider模块；在decider模块将功率电平与接收门限作比较，如果接收包的功率电平低于接收门限，则在该包传输到MAC层之前将其标记为错误包，否则，物理层将该包视为无误并传送到MAC层。snrEval模块在结束处

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理时完成以下工作：计算系统运行时各个节点的系统响应时间；计算信道利用率同时显示统计的结果。

节点的移动性管理通过面向对象技术实现节点移动状态类的本地封装，各节点拥有独立的移动模式。在每个节点中，移动性由独立的移动控制子模块负责。该控制子模块按一定规律反复计算节点的位置并更新移动主节点模块，也负责当前位置信息与信道控制模块的通信，这种通信方式采用函数调用来实现。由于每个节点都拥有自己的移动模块，因此只要改变系统配置文件中的指定模型参数值，就可以指定一个移动算法模型。目前MF中实现了7种移动算法模型：定向线性移动模型(LinearMobility模型)、固定角速度环形移动模型(CircleMobility模型)、匀速随机点移动模型(Con-stSpeedMobility模型)、随机方向移动模型(MassMobility模型)、固定矩形区域移动模型(RecTangule Mobility模型)，另外两种算法模型是通过外部导人移动轨迹，支持xml格式的TurtleMobility模型和本地movements文件格式的BonnMotionMobility模型。

移动管理框架中的blackboard主要用于跨层设计，通过这种黑箱机制实现主机节点中协议层间跨层信息交换，通信的发生使用发布一订阅机制实现。在一个主机节点中仅有一个黑箱模块，黑箱功能必须从Black-boardAccess类派生，提供各协议层所需数据。例如协议栈的物理层向MAC层提供数据，可利用Blackboar-dAccess类中的publish()方法向黑箱发布这些数据。对一定类型的信息感兴趣的模块可以通过Blackboard-Access类的subscribe()方法订阅这类主题，当相应的数据发布时可接收到通知消息。

1.2统计模块模型

为了分析相应性能指标，需要建立一些统计模型。在数据链仿真系统中添加了时延、丢包率和信道利用率三大统计模型，在Lni中配置相关参数后，可以在仿真中得到相关的性能数据，便于进行分析研究和性能评估。

数据链网络中的数据包时延包括各层处理时延、发送时延和信道传输时延，它是评价网络实时性和MAC算法的一个重要参数。在数据链仿真系统中建立的时延模型的工作机制如下：在MF的相应协议层的NED模型中添加时间戳字段，在统计时延的事件发生之时记录该时刻，并赋值于时延起始戳，而后数据包在网内传输，在相应的中间处理环节中设置一个时间窗口，数据包到达目的模块的时刻落在该时间窗口内，记录此时的时刻信息作为时延截止戳，两个时间戳间的时差即为时延。通过此法，分别在Link ll仿真系统中建立了的MAC端到端时延、系统响应处理时延，网络循环周期和平均入网时间四个时间指标。

数据包在传输时会因信道冲突、信号衰落等原因造a成节点不能正确接收数据包，即出现错包丢包现象。统计成功接收数据包的实现原理：在节点相应层的NED模型中定义数据包发送数和数据包接收数，分别做好备份记录，再和其他节点的收发包记录做比对。在仿真系统中丢包的原因出现在接收判决时信号功率低于snrEval模块中的载波检测门限而被误认为是噪声

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而丢弃，或者是信号功率低于decider模块中的接收门限而被视为错包而丢弃。因此，数据包接收数的统计值必须定义在MAC层上，而数据包发送数应定义在物理层。

信道利用率模型和时延模型在原理上是一致的，根据其定义：实际有效信息传输所占用的信道时间与实际信息传输所占用的信道时间的比率。在物理层snrEval模块中定义了时延起始戳和时延截止戳，并在模块中负责向信道发包的sendDow函数中赋予当前时刻值为时延起始戳，而在负责向上层decider模块上传消息包的sendUp()函数中赋予当前时刻值为时延截止戳，两者的差值作为分母与仿真信道运行时间的比值即为信道利用率。

2基于轮询协议的Link ll建模与仿真

2.1轮询组网协议模型的设计

通过OMNeT下扩展协议的方法，在MF框架中建立了轮询协议模型，轮询代码主要集中在控制网络运行的主站节点中，其主要构成包括三个定时器自消息：入网广播启动定时器SEND-BROADCAST-TIM-ER，入网广播完毕定时器BROADCAST-REPLY_TIMEOUT，轮询应答超时定时器POLL-REPLY-TIMEOUT；四个消息报：广播消息报BROADCAST-MESSAGE，广播应答消息报BROADCAST-REPLY-MESSAGE，轮询消息报POLL_MESSAGE，轮询应答消息报POLLREPLY；五个方法函数：发送广播报函数sendBroadcast()，发送轮询报函数sendPoll()，轮询下个节点函数pollNext()以及初始化函数initialize()和仿真结束函数finish()。执行轮询网络协议的程序流程图如图3所示。

轮询协议工作流程可以分为以下六个步骤：

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(1)启用initialize()初始化模型，获取模块、协议参数，设置入网广播启动定时器SEND_BROADCASTTIMER；

(2)在handleSelfMsg()中处理到时的SEND-BROADCAST-TIMER，生成BROAD CAST-MES-SAGE逐层封装发送出去，同时启动BROADCAST-REPLY-TIMEOUT；

(3)收到广播包的从站节点发送BROADCAST-REPLY-MESSAGE，收到此包的主站将该节点加入轮询表，说明该节点已经成功入网；

(4)BROADCAST_REPLY_TIMEOUT定时器到时，结束入网，依据轮询表顺序开始轮询，调用send-Poll()发送POLL-MESSAGE，同时启动POLL-RE-PLY_TIMEOUT定时器，在定时器到时之前如果收到该从站的POLL-REPLY则取消该定时器，否则从轮询表中将该从站节点除名；

(5)收到从站的POLL-REPLY后，调用pollNext()检查轮询表，如果轮询表没有完成一周则轮询下一个从站，如果轮询表已到结尾则完成一周网络轮询，开始新一轮的轮询点名；

(6)仿真时间到时或者中途停止仿真，调用finish()记录性能数据，结束仿真运行。

2.2实验方法和网络配置

实验采取横向与纵向相结合的方式综合比较各网络节点间性能差异和网络总体性能差异，以数据链网络中从站节点数目作为横向比较和纵向比较的分界标准。首先在节点数为某固定值(如10个从站节点)的仿真场景下对数据链网络进行仿真实验，统计各个节点的物理层、MAC层、网络层、应用层的性能。主站节点发送广播包和轮询包，各包的分组长度可调，所有从站发送相同数目的应答消息，各节点速度可调。通过仿真比较不同节点的性能差异，统计各节点的MAC端到端时延、成功接收分组率、系统响应时间和平均入网时间以及整个网络的网络循环周期和信道利用率。

然后依次对网络增加5个从站节点，观察网络性能的变化，直到网络规模达到50节点。在不同从站节点数的场景下进行性能参数的纵向比较，从而得到数据链网络总体性能与网络节点数量的关系曲线。

仿真场景中参数设置仿真范围为：5000m×5000m；仿真时间：100s；工作频率：设定为高频固定频率24MHz；节点数：11个(10个从站节点，依次增加5个从站节点，假设是一个机载，两个舰载，一个车载和一个单兵，直至50个从站节点)，其中节点0为主站，为静止状态，其余是从站，都为移动节点；移动模型：定向线性移动模(LinearMobility)，机载移动速度200m/s，舰载移动速度15m/s，车载移动速度10m/s，士兵移动速度1m/s；通信协议：轮询协议，根据轮询表顺序轮询从站，轮询应答时限为15/s；物理层模型：OMNeT环境下的抽象模型，信息传输速率为Link 11的平均报文传输速率1800b/s，发射功率为100w，噪声检测门限为10～12mW，接收门限为10～10mW，路径损失系数为3.O，MAC层队列长度为10；业务

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类型：广播包和轮询包，应用层、网络层和MAC层报头都为24b；时延类型：在时间窗口区间内[T，Tz]随机停留一个时间。

仿真配置文件由ini文件来实现，完成物理信道、传输媒介、MAC层、网络层的配置。以10个从站节点为例，仿真场景运行如图4所示。

2.3仿真运行与结果分析

利用OMNeT提供的结果分析器对仿真实验结果进行统计和分析，本文主要对Link 11网络模型的网络循环周期、MAC端到端时延、平均入网时间、系统响应时间、成功接收分组率和信道利用率做了仿真分析”。

对于一条数据链，端到端时延是从其分组信源将消息发送至传输媒介到信宿MAC层接收到分组为止的一段时间。衡量网络节点的端到端时延可以有效地说明一个通信网络的实时性。作为军事网络战术数据链，需要很高的实时性才能保证其实际应用需求。仿真结果如图5所示。

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图5中描述了从站节点数为lO时，各节点的MAC端到端时延的最值(蓝色表示最大值，绿色表示最小值)、平均值(红色表示)和偏方差(黄色表示)。由图可知，节点的平均时延主要集中在2/s附近，岸基节点7.8，9的各项时延指标都较低，而机载节点4，5，6时延较高，其中距离主站最远的节点6时延最大，产生较大偏差，这主要是受到移动速度和移动距离两个因素的影响，时延较大导致信息传输的有效性降低。

网络节点的成功接收分组率是指信宿成功接收分组的概率。通过仿真分析各节点的成功接收分组的概率可以检测整个数据链路的信息传输可靠性。图6为各节点的仿真结果。

由图6可知，节点1，4，5，6的成功接收率较低，基本在60％左右，舰载节点0，2，3和岸基节点7，8，9基本在70％左右。机载节点移动速度较快，舰载节点1由于移动路径距主站越来越远，导致了网络性能的下降。总体趋势来看，数据的成功接收概率基本保持在60％以上，保证了网络的可靠性。

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当信道上发生碰撞及传输错误时，必然导致帧的丢失，这使信道时间被浪费。信道时间浪费的程度可以反映MAC协议的优劣。实际有效信息传输所占用的信道时间与实际信息传输所占用的信道时间之比定义为信道利用率，或从信息量的角度，把单位时间内在信道上成功传输的信息量定义为吞吐量，信道利用率即为吞吐量与信道容量之比。图7给出整个网络的信道利用率。

由图7可知，随着仿真时间的进行和仿真记录次数的增加，从主站发出广播包到从站应答人网，再从主站轮询表的建立到轮询网络稳定运行，信道的利用率逐渐增加，最终稳定在40％左右。这和信道中信息量逐步增加的变化趋势相一致，网络稳定后信道中信息量基本趋于恒定，这时信道利用率也基本稳定。

图8显示了当网络节点数增加时，信道利用率的变化规律。在从站节点数达到40之前，趋于线性增长，直至从站数为40时出现极值68.52％，而后呈现围绕65％上下振荡趋势。说明了该Link 11网络最佳负载数在40个从站节点左右，信道最大利用率在70％左右，这时也对应着信道的最大吞吐量。

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轮询协议网络循环周期(NCT)是指主站完成一次对所有网络成员顺序点名所需的时间。影响网络循环周期的因素主要包括成员数量、网络成员业务量、以及成员地理位置分布等。图9显示了网络循环周期与网络负载的关

图10显示了成功接收分组率与网络负载的关系，可以看出分组率基本保持在80％左右，这是由于信道特性采用的是MF框架中的抽象信道模型，在仿真过程中符合特定的变化规律，并不会受到网络负载的太大影响，在以后建模过程中可以加入信道传输特性模拟，以得到更真实的仿真数据。

战术数据链系统仿真涉及到各种硬件、软件和实际系统，如何利用仿真技术手段将这些资源有机、有效地结合起来是系统仿真技术的主要问题。本文主要研究了在OMNeT环境下战术数据链的仿真实现，建立 了数据链仿真系统模型，应用MF仿真框架建立了轮询协议模型，设计了基于轮询协议的Link ll数据链网络模型，并将数据链仿真指标嵌入到设计的模型中以进行性能评估。实验结果表明网络性能良好，实际可行，利用0MNeT”进行的仿真方法具有一定的通用性。下一步工作可以利用该软件针对数据链的其他组网技术体制、多链情况、分布式仿真深入研究，并通过和Mat-lab联合仿真进一步提高网络性能。

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