基于OPNET的NTDR網絡建模與仿真研究

林中華　謝玉川

摘 要 本文在分析近期數字化電臺網（NTDR，Near Term Digital Radio）的基礎上，利用OPNET網絡仿真平臺對NTDR網絡進行了建模。在不同網絡路由協議情況下對網絡性能進行仿真分析，仿真結果與理論基本一致，從而為對戰場無線自組網的進一步研究與設計提供了現實基礎。

關鍵詞 戰場無線自組網 NTDR OPNET 網絡仿真

1 引言

在現代戰場上，各種軍事車輛間、士兵間、士兵與軍事車輛之間都需要保持密切的聯系，以完成指揮、部署和協調作戰。信息化條件作戰，戰場電磁環境極其復雜。為了滿足信息戰和數字化戰場的需要，具有抗毀性強、自恢復、部署迅速等特點的無線Ad hoc網成為戰場通信的首選技術。如今，Ad Hoc網絡技術已成為美軍戰術互聯網的核心技術。美軍研制了大量的無線自組織網絡設備，用于單兵、車載、指揮所等不同的場合，并大量裝備部隊。

目前對Ad Hoc網絡技術的研究逐漸成為一個熱點問題，對民用Ad Hoc網絡場景建模的研究比較多，但是對結合軍事應用的研究卻相對較少。尤其是到目前為止在公開發表的文章中沒有針對戰場無線自組網NTDR網絡的研究，一般都只有對該網絡系統的概述[1][2][3]。由于構建真實的戰場無線網絡需要耗費巨大的人力和財力，而且還具有一定的不確定性。因此對戰場無線自組網進行建模仿真就顯得尤為重要。本文通過分析對戰場無線自組網系統NTDR，對各節點仿真實現其主要功能，設計合理的網絡模型。為對其進一步的研究打下基礎，具有一定的理論意義。

2 戰場無線自組網的特點及應用

2.1 戰場無線自組網的特點

根據部隊的編制體制和參戰規模的關系，在戰場上通常使用分層次的無線自組網。士兵攜帶具有通訊和感知能力的移動終端，相互之間以多跳形式通信，并將自身位置以及搜集到的地形、聲音、圖像等戰場信息報告給分隊指揮所。分隊指揮所對信息進行分析，決策，并向士兵下達作戰命令，必要時，通過遠距離通信設備與上級指揮中心或其他分隊聯絡。

分級結構易于實現節點的移動性管理和保障通信業務的服務質量。因此，當網絡規模較大并需要提供一定的服務質量保障時宜采用分級網絡結構。分層結構具有管理方便，網絡維護開銷小等優點，是軍事無線自組網的重要特點和發展的趨勢。盡管無物理中心節點，但是具有邏輯上的簇頭，簇頭可通過簇頭選舉算法產生，使它在那些不能依賴于預先架設網絡設施的場合下，依然能夠實現臨時的快速組網。

2.2 近期數字化電臺（NTDR）網

當前，Ad Hoc網絡技術在軍事通信上最為重要的應用當屬戰術互聯網[1]。戰術互聯網是互聯的戰術無線電臺、路由器、計算機硬件和軟件的集合，是數字化部隊建設的基礎設施， 目前唯一進入實用階段的戰術移動自組網絡是美陸軍在上世紀末期開發的數字無線電系統NTDR[2]（Near Term Digital Radio），已作為陸軍戰術互連網的主干網絡設備進入裝備序列。在移動無線環境下支持IP數據業務，以實現旅或旅以下戰術作戰中心TOC（TOC，Tactical Operation Center）之間的通信。近期數字化電臺網的收、發信機通常用在作戰指揮車、指揮控制車、戰術作戰中心和戰術指揮所、裝備陸軍機載指揮控制系統的UH-60直升機的指揮控制平臺上[3]。NTDR電臺可以自動地組織成一個動態的兩層網絡。在該網絡中，電臺分成若干個群，每個群由一個群首和若干成員組成，各個群的群首構成一個骨干網，見圖1所示。

在以簇（Cluster）為基礎的兩層分級網絡結構NTDR中，普通節點距群首只有一跳，所有群的群首相互連接構成骨干網絡。NTDR結構將相鄰群之間的通信限制在只能通過群首完成。NTDR分群方案是專門為了應付戰術網絡中可能出現的頻繁的節點移動和節點失效而特別設計的。每部電臺最大運行功率是20W，在225～450MHZ工作頻率范圍內，電臺的通信覆蓋范圍約為10～20km。由于每部電臺都可充當一個信息中繼點，因此整個系統的有效通信范圍可達數百公里。2003年4月美軍第四師在伊拉克戰場上檢驗了戰術互連網的戰術性能，并給予了很高的評價。

3 仿真設計方案

3.1 仿真軟件簡介

建模與仿真技術是當前研究、分析、設計、評估與優化通信網絡的最有效的工具。在美軍眾多的戰術互聯網仿真系統中，OPNET都是主要的仿真平臺[4]。

本文選用的建模與仿真工具也是OPNET。它采用三層建模機制[5]，最底層為進程（Process）模型，以狀態機來描述協議；其次為節點（Node）模型，由相應的協議模型構成，反映設備特性；最上層為網絡模型。三層模型和實際的網絡、設備、協議層次完全對應，全面反映了網絡的相關特性。OPNET采用離散事件驅動的模擬機理（Discrete event driven），即只有網絡狀態發生變化時，模擬機才工作。因此，與時間驅動相比，離散事件驅動的模擬機計算效率得到很大提高。OPNET最初是為有線網絡的設計和規劃開發的仿真軟件，通過增加無線模塊為WLAN、GSM、衛星和Ad hoc網絡仿真提供必須的組件，包括IEEE802.11的MAC協議和主要的Ad hoc路由協議。

3.2 網絡模型

根據NTDR的技術特點，建立如圖2所示的網絡模型。在30km*20km的矩形區域中，各個節點構成了兩層結構的戰場無線自組網絡的網絡級仿真模型，網絡中的各個節點通過無線信道模型相互通信。本文仿真中配置了Ftp業務。

一個旅戰術作戰中心和一個機械化營戰術作戰中心、一個裝甲營戰術作戰中心、一個步兵營戰術作戰中心構成了NTDR網絡模型的骨干網絡。旅戰術作戰中心不僅支持與營戰術作戰中心之間大量數據與圖像傳輸，而且還要為旅級機載指揮控制系統、作戰指揮車和指揮控制車提供高數據率的信息傳送。其功能相當于下級節點的服務器；而營戰術作戰中心作為網絡中的第二級骨干，不僅要實現上傳下達的功能，還要實現與同級營戰術作戰中心的數據傳輸。普通節點分別隸屬旅戰術作戰中心和各營戰術作戰中心。隸屬于同一上級的節點之間能夠實現互聯互通，否則就必須通過各自的上級進行數據信息交換。

3.3 節點模型

本文中的所有仿真節點都具有相同的節點模型，從實現的功能來分為兩類，骨干節點和普通節點。其中，骨干節點作為NTDR網絡中的簇頭，實現戰術作戰中心的功能；普通節點具有想同的節點模型，根據實際情況設置各節點以分別實現指揮控制車、作戰指揮車和陸軍機載指揮控制系統的功能，如圖3所示。

在對基于移動網絡的系統分析評價時，選擇一種與現實情況相符合的移動模型是非常重要的。本文自定義了一個比較符合戰場實際移動情況的模型。每個節點在相應的區域內移動，速度服從（0m，10m）之間的均勻分布。陸軍機載指揮控制系統在仿真中的高度假設為100米，其余車載平臺在平坦的地域，高度為0米。

4 仿真分析

在仿真中，選用不同路由協議 DSR和AODV并分析比較其在分層無線自組網中的性能。在戰場環境下，實時數據業務占據相對較大比重，所以端到端時延是網絡性能評估的一個重要參數，同時我們還需要重點關注報文平均反應時間、路由平均跳數、吞吐量等參數的變化情況：從4（a）中可以看出，網絡中報文的上傳、下載的平均時間都在0.03s左右，在數值上選取DSR路由時報文平均反應時間要稍微高于選取AODV時的平均反應時間。平均跳數是指網絡中成功交付的數據包所經歷的平均跳數，主要用于表示路由協議對多跳數據轉發的影響。從4（b）中可以看出，網絡中選取DSR時路由平均跳數為1.25，而采選取AODV時路由平均跳數為1。

吞吐量是衡量網絡性能的重要參數，體現了網絡的數據業務承載能力，在軍用系統中，該指標非常重要，因為通信網絡的擁塞會導致作戰信息的延遲，從而有可能導致作戰任務的失敗。從4（c）中可以看出，選取AODV協議時網絡的吞吐量遠大于選取DSR路由協議時的吞吐量，數值上約是8倍的關系。

時延是衡量網絡數據傳輸能力的一個重要指標， 反映了數據在網絡中傳播的效率。從4（d）中可以看出，選取DSR路由協議時網絡時延要明顯高于選取AODV路由時。

綜上所述，仿真網絡在分別選取DSR和AODV路由協議時所選參數在數值上比較穩定，存在一定的差值。對于報文傳輸業務，時延和吞吐量的性能指標，在比較寬松（即節點較少和載荷較輕或移動性較弱）的環境中，DSR協議優于AODV協議，這與文獻[6]的仿真結論是一致的，從而驗證了模型的正確性。

5 結束語

NTDR作為美軍戰術互聯網裝備的重要組成部分，為陸軍戰術作戰中心、指揮控制平臺以及選用的情報共用平臺的指揮員提供了一個無線廣域網，允許指揮員在戰術指揮中心之間以高數據率傳送信息，以支持指揮控制數據和圖像信息流。本文使用OPNET仿真軟件，建立了近期數字無線電臺的戰場無線自組網的仿真模型，根據裝備的現實物理情況進行網絡設置和業務配置，得到了一個性能比較穩定的戰場無線網絡，并對其網絡性能進行分析，為對戰場無線自組網的進一步研究提供了基礎，具有一定的參考價值。（文中所做的研究只是初步的，模型也是有欠缺的，以后工作的方向是完善模型，建立完善的NTDR網絡仿真平臺。）

參 考 文 獻

[1] 鄭少仁，王海濤，趙志峰，等.Ad Hoc網絡技術[M].北京：人民郵電出版社，2005：215-216

[2] 于宏毅.無線移動自組織網[M].北京：人民郵電出版社，2005：332-335

[3] 單洪.美軍戰場網絡及其通信協議[M].解放軍出版社，2007：427-428

[4] 萬永樂，張劍.戰術互聯網建模與仿真.通信技術，2002：50-53

[5] 陳敏.OPNET網絡仿真[M].清華大學出版社，2004

[6] 陳林星，等.移動Ad Hoc網絡——自組織分組無線網絡技術[M].電子工業出版社，2006：441-442