（计算机科学与技术专业论文）数据链仿真中多平台联合仿真技术研究.pdf

国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 摘要 在数据链仿真中，节点移动性仿真、物理层仿真以及地形与电磁环境仿真是 研究者所关心的关键问题，而基于网络层引擎的仿真平台无法对这些问题进行精 确建模，需要与专业仿真工具进行联合仿真。针对这些问题，本文在对现有的联 合仿真技术进行研究的基础上，提出了一种多平台联合仿真解决方案。 为了在数据链仿真平台中完成节点移动性仿真，本文给出了基于s t k 与 o p n e t 联合仿真的导弹节点移动性建模方法。首先在s t k 中进行导弹弹道轨迹建 模，然后采用离线仿真策略在数据链仿真平台中建立移动进程模型，最终在仿真 平台中实现导弹节点的移动性仿真，仿真结果表明，导弹飞行过程对系统通信性 能具有显著影响。同时，也验证了所提移动性建模方法的有效性。 在物理层仿真中，由于o p n e t 的无线管道阶段对电磁传播过程是基于数据包 的方式来进行计算的，其建模过程对物理层模型做了很多简化，忽略了许多物理 特性。针对这个问题，本文采用s i m u l i n k 与o p n e t 仿真平台联合仿真的策略，首 先在s i m u l i n k 中建立物理层跳频系统的模型，然后设计s i m u l i n k 与o p n e t 的联 合仿真接口，最终在仿真平台中实现对快速跳频通信系统的仿真。 为了解决o p n e t 仿真平台对地形与电磁环境建模能力不足的问题，本文在 w i r e l e s si n s i t e 中对无线信号的传播特性进行建模，采用射线跟踪法计算路径损失、 接收功率以及时延扩展等参数值，并在o p n e t 平台中设计与w i r e l e s si n s i t e 的联 合仿真接口，从而在仿真平台中实现了复杂地形与电磁环境下的信号传输建模， 扩展了o p n e t 的仿真能力。仿真结果表明，加载后的数据链仿真平台对电磁传播 的建模更加接近于真实的情况。 主题词：数据链，多平台联合仿真技术，节点移动性仿真，物理层仿真，地 形与电磁环境建模 第i 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 a b s t r a c t i nt h ed a t al i n ks i m u l a t i o n ，t h em o d e l i n go fn o d e sm o b i l i t y ，p h y s i c a ll a y e r ，t e r r a i n a n de l e c t r o m a g n e t i ce n v i r o n m e n ti st h er e s e a r c hh o ts p o t ，w h i l et h ed a t al i n ks i m u l a t i o n p l a t f o r mb a s e do nt h en e t w o r kl a y e re n g i n ec a nn o ta c c u r a t e l ym o d e lt h e s ep r o b l e m s t h u s ，w en e e dt op e r f o r mj o i n ts i m u l a t i o nu s i n gm u l t i p l ep r o f e s s i o n a ls i m u l a t i o nt o o l s b a s e do nd e e p l ys t u d yo nc u r r e n tj o i n ts i m u l a t i o nt e c h n o l o g i e s ，t h i sp a p e rp r o p o s e sa m u l t i p l a t f o r mj o i n ts i m u l a t i o ns c h e m et oe 衔c i e n t l ys o l v et h e s er e s e a r c hh o ts p o t s i no r d e rt om o d e lt h en o d e sm o b i l i t yi nt h ed a t al i n ks i m u l a t i o n ，w ed e s i g nj o i n t s i m u l a t i o nm e t h o d sb a s e do nt h es t ka n d0 p n e tp l a t f o r mf o rt h em i s s i l en o d e s f i r s t l y ，w eb u i l du pt h em i s s i l e s t r a j e c t o r i e sm o d e l so ns t kp l a t f o r m t h e n ，w e e s t a b l i s ht h ep r o c e s sm o d e lf o rn o d e sm o b i l i t yi nt h eo p n e ts i m u l a t i o np l a t f o r mb y u s i n go f f l i n ej o i n ts i m u l a t i o ns c h e m e f i n a l l y ，w ei m p l e m e n tt h em o t i o nm o d e lf o rt h e m i s s i l eo ro t h e rw i r e l e s sn o d e s t h er e s u l t sv a l i d a t et h ee f f e c t i v eo fp r o p o s e ds c h e m eb y s h o w i n gt h em o b i l i t y ss i g n i f i c a n ta f f e c to nc o m m u n i c a t i o np e r f o r m a n c eo fd a t al i n k s y s t e m b e c a u s et h eo p n e tp i p e l i n es t a g e sc o m p u t et h ee l e c t r o m a g n e t i cp r o p a g a t i o n b e h a v i o r si np a c k e tm o d e ，w h i c hi g n o r e ss e v e r a li m p o r t a n tp h y s i c a lc h a r a c t e r i s t i c so f t h ep r o c e d u r ea n dm a k e ss e v e r a ls i m p l i f ya s s u m p t i o na b o u tt h ep h y s i c a ll a y e r ，t h e s i m u l a t i o nr e s u l t sa r en o ta c c u r a t e t 【l i sp a p e rd e p l o y sj o i n ts i m u l a t i o ns c h e m eb a s e do n s i m u l i n ka n do p n e tt os o l v et h i sp r o b l e m f i r s t l y ，w ed e v i s eaf e q u e n c yh o p p i n g s y s t e mi ns i m u l i n k t h e n ，w ed e s i g nac o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c eb e t w e e ns i m u l i n ka n d o p n e t f i n a l l y ，af a s tf r e q u e n c yh o p p i n gs i m u l a t i o ni si m p l e m e n t e di nt h es i m u l a t i o n p l a t f o r m t h et e r r a i na n de l e c t r o m a g n e t i cs i m u l a t i o ni no p n e tp l a t f o r mi sn o tp r e c i s e t h e r e f o r e ，b yu s i n gt h ew i r e l e s si n s i t es o f t w a r e ，t h i sp a p e re s t a b l i s h e s am o d e l r e p r e s e n t i n gt h ep r o p a g a t i o np r o c e s so fw i r e l e s ss i g r 谢u n d e rc o m p l e xt e r r a i na n d e l e c t r o m a g n e t i ce n v i r o n m e n t w ec a l c u l a t et h ep a s sl o s s ，d e l a ys p r e a da n dr e c e i v i n g p o w e ru s i n gt h er a yt r a c i n gm e t h o d m o r e o v e r , w ep r o p o s eaj o i n ts i m u l a t i o ni n t e r f a c e b e t w e e n0 p n e ta n dw i r e l e s si n s i t e ，w h i c he x p a n d st h es i m u l a t i o na b i l i t yo ft h e o p n e tp l a t f o r l 1 t h er e s u l t sv a l i d a t et h a tt h ee x p a n d e dp l a t f o r mc a nb eu s e df o r a c c u r a t es i g n a lp r o p a g a t i o nm o d e li nc o m p l e xt e r r a i na n de l e c t r o m a g n e t i ce n v i r o n m e n t k e yw o r d s ：d a t al i n k ，m u l t i p l a t f o r mj o i n ts i m u l a t i o ns c h e m e ，m o b i l i t y s i m u l a t i o n 。p h y s i c a ll a y e rs i m u l a t i o n ，e l e c t r o m a g n e t i ce n v i r o n m e n tm o d e l 第i i 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 表目录 表3 1m o v e 进程模型状态响应表2 6 表4 1c o s i m 进程模型状态响应表3 7 表4 2 控制进程模型状态响应表3 8 第1 v 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 图1 1 图1 2 图2 1 图2 2 图2 3 图2 4 图2 5 图2 6 图2 7 图2 8 图3 1 图3 2 图3 3 图 图 图 图 图目录 o p n e t 仿真层次示意图3 o p n e t 中判断链路可达性的理想算法9 数据链五层协议示意图13 数据链仿真平台协议层次模型_ 1 4 数据链仿真平台体系结构1 5 利用r t w 的改造流程17 基于函数调用的方法1 7 建立适配器的模型改造方法18 o p n e t 与m a t l a b 接口实现l8 仿真引擎与信道模拟器联合仿真方式1 9 基于s t k 的导弹弹道建模框架2 2 导弹飞行建模过程2 3 s t k 生成的导弹弹道轨迹2 4 添加m o v e 进程后的导弹节点模型2 5 m o v e 进程模型2 5 在d e b u g 模式中导弹节点的位置输出2 7 仿真场景设置2 8 图3 8 地面控制站节点模型2 8 图3 9 节点静止时地面控制站接收情况2 9 图3 1 0 节点移动时地面控制站接收情况2 9 图4 1 跳频通信系统设计原理3 2 图4 2 跳频仿真模型3 3 图4 3f s k 解调模块的仿真框图3 4 图4 4 跳频子系统的仿真框图。3 4 图4 5o p n e t 与s i m u l i n k 连接结构图3 5 图4 6 仿真控制流程图3 5 图4 7 带外部系统模块的节点模型3 6 图4 8c o s i m 模块进程图3 7 图4 9 控制模块进程模型3 8 图4 10 仿真场景3 9 图4 1 1 结果比较图4 0 图5 1地形与电磁干扰仿真4 1 第v 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 图5 4 图5 5 图5 6 图5 7 图5 8 图5 9 图5 1 0 图5 1 1 图5 1 2 图5 1 3 图5 1 4 图5 1 5 图5 1 6 管道代码修改方案4 7 联合仿真框图4 7 仿真场景4 8 数据源节点模型4 8 接收节点模型4 9 使用o p n e t 自带管道阶段算法的接收功率5 0 引入w i r e l e s si n s i t e 后的接收功率5 0 使用o p n e t 自带管道阶段算法的信噪比5 1 引入w i r e l e s si n s i t e 后的信噪比5 1 仿真场景5 2 干扰节点模型5 2 节点静止时的接收功率5 3 节点移动时的接收功率5 3 第v i 页 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我本人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表和撰写过的研究成果，也不包含为获得国防科学技术大学或其它 教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：日期：z 一7 年1 2 月工罗日 学位论文版权使用授权书 本人完全了解国防科学技术大学有关保留、使用学位论文的规定本人授权 国防科学技术大学可以保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 文档，允许论文被查阅和借阅；可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存汇编学位论文。 ( 保密学位论文在解密后适用本授权书。) 学位论文作者签名： 作者指导教师签名： 日期：舻7 年iz r 月21 日 日期：年月 日 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 第一章绪论 1 1 1 数据链及其仿真技术概述 1 1 研究背景 随着现代战争中作战形式与战场环境的不断发展、战争要素与信息的不断复 杂化，传统的通过话音连接各个作战单元的方式已经远远无法满足现代战争的需 要。而雷达等新式传感器的发展与广泛运用也使得军事情报的数据量越来越大， 需要迅速将各作战单元自身的位置、状况以及所获得的敌情等各种情报经处理后， 以数字形式使用无线电信号进行传送f l ，2 】。另外，以一定格式传递的数据易于使用 软件进行处理，并在处理完成后与地图融合成实时的战场态势图，以利于指挥决 策。在此背景下，数据链技术从无到有，获得了长足发展。 美军参谋长联席会议主席令对数据链的定义为：通过单网或多网结构和通信 介质，将两个或两个以上的指控系统和或武器系统链接在一起，是一种适合于传 送标准化数字信息的通信链路，简称t a d i l 。作为c 4 i s r 系统框架的基本组成部 分，数据链在传感器、指控单元和武器平台之间实时传输战术信息，是满足作战 信息交换需求的有效手段，链接了c 4 i s r 系统与武器平台，是c 4 i s r 系统功能的 延伸和决策优势的体现，也是将信息优势转化为战斗力的关键装备和有效手段p j 。 数据链主要包括三个基本要素：传输通道、通信协议和标准的格式化消息，其设 备的基本组成通常有战术数据系统( t d s ) 、接口控制处理器和无线收发器等。数 据链不同于一般的通信系统，它把分发作战最急需的、计算机可以自动识别和处 理的格式化信息作为系统设计的出发点，以保证实时性和精确性1 4 j 。 在数据链装备部队前，必须对其系统性能进行研究，传统的方法只有构建一 个实验系统，采用各种仪器测量分析所需数据来论证装备的合理性。此种方式不 仅浪费大量的资金用于试验系统的构建，而且系统的构建周期长，参数的调整也 十分困难。采用仿真技术，即首先对数据链系统进行数学建模，然后通过计算机 来模拟网络拓扑、设备特性、协议功能以及底层信号的传输，并对系统性能指标 进行仿真测试和统计分析。这样，既验证了理论分析和解析结果正确性，也能够 在由于数据链及其通信环境的复杂性导致传统的解析分析方法失效时，仍可对数 据链设计方案进行性能评估：如针对设备模型构建、网络协议分析、算法和系统 设计等核心问题做出评价，对传输性能( 信噪比、误码率、丢包率、路径损失、 多径效应、带宽和传输速率、信道容量等) 进行评估，对系统实现的复杂程度和 第1 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 技术收益展开评价等等。 采用系统建模与仿真技术几乎可以对参与数据链的信道模型、通信协议以及 消息和数据包等所有要素进行模拟，并对系统的网络拓扑结构进行可嵌套的层次 化建模，在运算能力许可的情况下所设计的模型亦无需针对解析进行分析简化， 从而保证所得出的评价结果更加接近实际系统的运行情况。另外，基于半实物仿 真的策略可以将软件模型和硬件设备输出的数据和真实系统中采集的各种信号与 数据包结合起来，从而使设计和评估过程相统一。这样，一方面使设计中的错误 得到及时改正；另一方面也能够使得仿真结果更加贴近真实的网络特性，最终保 证设计方案与实际系统运行环境相吻合，保证后期产品化过程顺利进行【5 】。 1 1 2 仿真软件o p n e t 及其建模方法 在数据链仿真中，大规模的网络场景的构建需要专业的仿真工具加以实现， 在研究中经常使用的仿真软件有：q u a l n e t 、n s 2 、o p n e t 等。 q u a l n e t 仿真软件是美国s c a l a b l en e t w o r k st e c h n o l o g i e s 公司的产品，其前身 是g l o m o s i m ，源于美国国防部高级研究计划署( d a r p a ) i 拘全球移动通信计划，主 要对无线移动通信网络进行了优化处理，从仿真速度上得到了很大的提升，同时 通过对无线信道和射频技术的建模也保证了较高的仿真精度。q u a l n e t 基于己通过 验证的p a r s e c 并行仿真内核，每个结点都独立进行运算，允许用户在真正的并 行仿真环境当中优化并行仿真性能。 n s 2 是一款基于l i n u x 的开源仿真软件，该软件的优势在于对网络算法进行 分析测试，但其采用命令行操作，缺乏图形化和可视化界面，大大限制了其使用 人群。 o p n e t 作为一款优秀的网络及其协议建模仿真工具，最早是在1 9 8 6 年由麻 省理工大学的两个博士创建的，后在使用时发现其在网络模拟方面有很高的价值， 因此于1 9 8 7 年建立了商业化版本的o p n e tm o d e l e r ，该软件具有建模机制简单、 设备模型齐全、外部接口完备等优点，在业界得到了广泛应用与认可，其最新版 本为m o d e l e r1 1 5 ( 本文涉及o p n e t 的所有仿真工作是基于1 0 5 版本完成的) 。 o p n e t 采用离散事件的机制来推进仿真时间前进，用户建模时采用进程层 ( p r o c e s sl e v e l ) 、节点层( n o d el e v e l ) 、网络层( n e t w o r kl e v e l ) 三层建模机 制：最底层是进程层，该层允许用户使用f s m ( 有限状态机) 设计状态图，再由状态 迁移来描述协议运行机制，从而开发所需的网络协议。f s m 的每个状态由c 语言 描述，通过对每个对象的行为进行模拟来反映协议的具体功能如何实现；中间为 节点层，主要反映设备特性，由相应的协议模块所对应的进程层对象组合而成； 第2 页 国防科学技木大学研究生院硕士学位论文 晕上层为网络层由节点和信道构成，通过链路将设备互联成网络，井通过多层 子网嵌套将多个网络场景组织在一起形成仿真平台以实现复杂的网络拓扑管理， 主要反映了网络结构特性州。 o p n e t 三层模型编辑器间的继承关系如图ll 【7 1 所示：从左至右分别是网络编 辑器、节点编辑器和进程编辑器。 图11o p n e t 仿真层次示意圉 通过对o p n e t 仿真机制的分析不滩发现，对参与数据链系统的要素诸如网络 拓扑、数据链路、指控设备、通信协议以及标准化的数据格式而言，o p n e t 的仿 真能力都是非常强大的，因此基于o p n e t 仿真引擎进行数据链仿真系统的构建是 可行的。 1 2 数据链仿真面临的主要问题及研究现状 在对数据链系统进行仿真建模的过程中，必须考虑到数据链与其他网络结构 或通信平台的不同之处，比如网络中的节点大多处于运动状态，由于物理层常常 采用短波或超短波电台进行信号传输和数据交换，其通信质量的好坏容易受到大 量自然因素的影响，并且极易受到主动电子对抗的干扰。目此，数据链仿真的重 要目标之一是要研究在真实的作战环境中无线通信网络的生存性和可靠性。为 了保证仿真结果的正确性和有效性，必须对参与通信网络的各种设备及网络拓扑 进行详细建模；同时，对底层通信的仿真时必须考虑各种复杂的物理模型及抗干 扰措施，必须详细地对地形和电磁环境下信号传播过程进行仿真。 目前在数据链仿真中有如下关键问题是研究者关，0 的热点： ，在现代战争形态中，战场环境中的通信节点多为移动节点，例如美军 第3 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 a i r b o r n en e t w o r k l 8 中各种战机在与地面控制站实时交互的过程中仍处于高速飞行 状态。同时节点的移动属性对数据链系统的通信性能有着显著影响，例如导弹指 控数据链中由于导弹节点的低空高速飞行，其星弹链路成为整个链路的通信瓶颈 1 9 。由于无线通信网络的覆盖范围有限，正确建立数据链仿真模型，就必须考虑节 点移动性对性能的影响。因此，在数据链建模与仿真中，如何对移动性进行精确 建模，并在此基础上评估其对整个数据链系统通信性能的影响是研究人员必须考 虑的问题。 二，在物理层仿真中，必须对无线信道的各项特性及信号传输的物理过程进 行精确建模。同时，必须对数据链系统中大量使用的抗干扰与防截获机制进行深 入研究，跳频通信作为一种重要的物理层抗干扰通信体制，在军事通信中得到了 广泛的应用。而如何有效地对跳频通信系统进行建模并分析模型的抗干扰性能就 成了一个备受关注的问题。在实际的军事通信中，为了提高抗干扰能力，要跳频 电台频率切换占用的时间越短越好。这样，即便敌方获取了当前的频率准备加以 干扰或监听时，传送方的频率早已切换。通常，换频时间约为跳周期的1 8 到1 1 0 。 比如跳频速率每秒5 0 0 跳的系统，跳周期为2 m s ，其换频时间约为0 2 m s 。跳频速 率的不断提高一方面对通信设备的性能提出了越来越高的要求，同时也对仿真粒 度与具体建模的精确程度带来了更大的挑战。 三，由于战场环境的复杂多变，需要考虑复杂地形对系统性能的影响。野外 环境中的地形( 山丘、峡谷、平原等) 、地貌( 植被、地表情况等) ；城市环境 中的建筑物都会对通信系统的性能指标产生很大影响。同时，地形起伏和遮挡对 信号的传输也是不利因素。因此在数据链仿真中必须对地形因素以及在特定地形 下信号的无线传播过程进行精确建模。 下面就这三个问题的现状及面临的主要困难进行深入的分析研究。 1 2 1 节点移动性仿真 节点移动对通信性能影响的原因有如下几点：首先，节点移动引发网络拓扑 的频繁变化，从而导致丢包率、时延和路由开销的上升；其次，由于干扰的存在， 以及发射机功率范围受限，一旦节点运动至干扰源附近，其通信效率如误码率、 信噪比和接收功率等性能都会显著恶化：第三，在信号传输过程中，节点移动所 引发的多普勒效应对物理层通信性能造成影响；第四，在飞行过程中，植被、城 市建筑发生变化也必然引发诸如路径损失、多径效应等特性的不断变化。 1 2 1 1 研究现状 目前，对节点移动性的研究主要集中在移动模型分析和节点移动对网络通信 第4 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 能力的影响两方面。 文献【1 0 】对航空自组网中的随机路点移动模型( r a n d o mw a y p o i n tm o b i l i t y m o d e l ) 、随机行走移动模型( r a n d o mw a l km o b i l i t ym o d e l ) 以及随机方向移动 模型( r a n d o md i r e c t i o nm o b i l i t ym o d e l ) 进行了仿真研究，分析了节点移动对网 络性能的影响，作者通过仿真实验得出结论：随着运动速度的增大，网络的报文 传递率降低，而平均端到端时延和路由开销都迅速增加。三种移动模型的对比试 验表明：随机路点移动模型的报文传递率最高，平均时延和路由开销最小；随机 方向移动模型的报文投递率最低，平均时延最大。这种结果的出现是由于在随机 路点移动模型中节点通过仿真区域中心的频率最高，因此网络性能较好；而在随 机方向移动模型中每个节点都要运动至边界，从而导致网络性能的恶化。 文献【1 1 对面向无线个人区域i 网( w p a n ) 标准的i e e e8 0 2 1 5 4 协议在移动环 境下的性能进行研究，对比分析了i e e e8 0 2 1 5 4 的b e a c o n 和非b e a c o n 两种不同 的网络拓扑对移动节点的支持程度。仿真结果表明节点移动对网络拓扑性能有着 重要影响。 在数据链中的节点移动尤其是导弹节点飞行的仿真研究方面，文献【1 2 】研究了 基于卫星中继的导弹飞控数据链链路性能，并对链路电平进行了估算，分析了导 弹高速飞行以及弹上天线功率的限制对地星和星弹链路的影响。研究表明在此种 情况下星弹链路已成为整个通信链路的瓶颈，如能实现星弹链路间的可靠通信， 就能保证整个链路系统的正常运转。 文献 1 3 】分析了飞航导弹中数据链的含义、类型和作用，论述了数据链技术在 国外飞航导弹中的应用，但对导弹的移动轨迹并无特别说明。 在专门针对移动模型的研究中，对单独的移动节点或子网的轨迹模型研究不 多，绝大多数是研究群体移动节点的趋势模型。而在仿真中，需要确切知道节点 在每一时刻的确切位置，即需要移动模型很清楚地描述移动节点的运动轨迹【l 4 1 。 因此在仿真中采用移动轨迹模型是必须的条件，而怎样实现移动轨迹模型是研究 的重点。文献 1 5 】介绍了a dh o c 网络中七种常见的实体移动模型( 随机走动移动 模型、随机路点移动模型、随机方向移动模型、城区移动模型、高斯一马尔可夫 移动模型、无边界仿真区域移动模型以及随机走动概率矩阵移动模型) 和五种群 组移动模型( 指数相关随机移动模型、队列移动模型、参考点组移动模型、游牧 团体移动模型以及追逐团体移动模型) ，分析和研究了这几种移动模型的特点和 适用范围。 在无线传感器网络( w i r e l e s si n s i t e r e l e s ss e n s o rn e t w o r k s ，w s n ) 中，覆盖问题 是衡量网络的q o s 指标之一l l6 。研究人员往往从通常从布撒传感器节点的角度， 来研究如何设计传感器网络可以更有效地实现对目标的监视与跟踪。但从进攻角 第5 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 度来研究覆盖问题，尤其是针对进攻过程中的移动轨迹的研究同样具有重要的现 实意义。文献【1 7 】设计了兼顾安全和时效性能的移动轨迹，为目标提供一条合理的 运动路线，如战场环境下侦察兵返程轨迹的寻找，而且该轨迹可以为追加布撤传 感器节点的策略选择提供有益的借鉴。 文献 1 8 】分析了在无线接入网中移动i p 的o p n e t 建模与仿真机制，使得移动 代理能够在移动节点切换链路时获得移动节点的位置信息，以保证通信的不间断， 其对节点移动过程的仿真实现主要采用o p n e t 自带的节点移动方式。这类移动方 式的不足将在下节进行介绍。 1 2 1 2 面临的主要困难与解决思路 在本课题所研究的数据链仿真平台所采用的仿真工具为o p n e t 。该软件在无 线通信建模中可选择的节点移动方式可以分成两类：( 1 ) 直接定义移动站在仿真过 程中运动的路线；( 2 ) 单步改变节点的位置属性。第一类方法有三种节点方式：( a ) 分段( s e g m e n t ) 移动方式；( b ) 设置向量轨迹；( c ) 使用移动配置器。分段移动方式的 运动轨迹通过预先定义好的一系列点来进行描述；设置向量轨迹是在节点的高级 属性中设置方向( b e a d n g ) 、地面速度( g r o u n ds p e e d ) 以及上升速度( a s c e n tr a t e ) ，只要 地面速度和上升速度不为零，节点就持续不断地运动；移动配置器收集在物件拼 盘的u t i l i t y 工具箱中，用来设定无线移动的方式，能够加强物件移动的随机性， 设置移动速度、停留时间和范围。但这三种方式都只能粗粒度的实现节点移动， 很大程度上受限于开发者的主观臆测，不能精确的反映网络节点尤其是导弹等飞 行节点在各种复杂的飞行参数下的弹道轨迹。 s t k ( s a t e l l i t et o o lk i t ) 作为一款主要面向卫星轨道建模提供数据支持的工具 软件，近年来也在导弹弹道建模或无人机飞行器轨迹建模中得到了广泛应用【1 9 】。 但在o p n e t 中，只有卫星节点可以直接载入s t k 生成的轨道文件，其他类型的 移动节点或子网只能采用o p n e t 自带的移动建模方式。因此，需要对此类节点的 移动性进行建模，通过设计联合仿真接口，将s t k 轨迹模型集成到o p n e t 仿真 平台中来。 1 2 2 物理层仿真 1 2 2 1 研究现状 在许多对无线通信的研究中，仿真模型只被用来估计设备和协议的特性。典 型的方法即是只关注特定的高层协议而忽略其他层次模型的细节，尤其是与物理 层的交互。但通过实验可以论证物理层的因素对上层协议如路由协议的性能有重 要影响。文献【2 0 】就利用不同仿真工具分别对m a n e t 网络进行建模，对产生的实 第6 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 验结果进行了比较。由于采用的物理层模型不同，仿真实验表明网络层仿真结果 出现了极大差别。同时，作者还总结出物理层模型中对仿真结果影响较大的因素， 它们包括：物理层的前同步信号、干扰的计算模型、信号的接收模型、信号衰减 模型以及路径损失计算模型。以路径损失计算模型为例，在自由空间路径损失模 型中，即使是那些离发送节点很远的节点也能接受到数据包，这使得报文在 m a n e t 网络中只需要较少几跳即能到达目的节点。因此，采用自由空间模型进行 模拟所得到的结果一般比其它模型的结果要好。然而，此模型由于假设信号在传 输过程中损失很少，这样可能会给正在进行发送的信号带来很大的干扰，因此， 它并不是在所有情况下都能得到最好的性能。由此可以看出，要保证仿真的正确 性，必须对物理层进行精确建模。 在网络层仿真中实现跳频通信模型的研究方面，文献 2 1 在o p n e t 中设计了 一个简单的跳频传输系统模型，该模型实现了无线电台的跳频，数据的分发、复 制、重发以及规避等动作以及跟踪式干扰机的干扰动作，但其仿真的跳频速率并 不能满足实战的要求i 在扩频建模仿真方面，文献 2 2 】利用o p n e t 对微元无线通 信系统进行了仿真，在物理层实现了直序扩频的仿真，但其对无线信道的建模仍 然是不精确的。 1 2 2 2 面临的主要困难与解决思路 由于o p n e t 是针对链路层以上主要网络层对数据包的传输进行仿真，对物理 信道的建模能力，尤其是对信号传输的物理过程的仿真能力不足，通常是将物理 信道抽象为以若干个参数为主要特征的信道模型，这样的抽象信道模型忽略了大 量影响信号传输的因素，因而是不精确的。 另一方面，在对跳频通信的仿真中，基于数据包的传输仿真方式使得所建模 型只能在每个数据包发送完成后跳频，不能实现细粒度的跳频，这也是文献【2 1 】 所建模型能力不足的主要原因。但在本节开始时对数据链跳频通信系统的分析中 已经得出：在军事通信的背景下，要求电台的频率切换时间越短越好，美军最先 进的跳频电台其跳频速率甚至达到了几万次每秒。显然，在数据链仿真中，要完 成跳频系统的仿真建模也必须实现细粒度的快速跳频机制。 既然o p n e t 仿真引擎适用于系统级仿真，单独使用时很难对通信的物理信道 进行精确分析，必须在数据包级网络仿真软件的基础上引入高度精确的物理层模 型。实际系统中节点物理层发射和接收的是调制在载波上的射频信号，但由于运 算量和复杂度的原因，在仿真系统中物理层不可能采用和实际系统一样的收发方 式。经过抽象的物理层发射和接收的是未经过基带处理和射频调制的m a c 层报 文，以及表征信号特性的若干参量，包括发射接收信号功率、天线增益、热噪声 功率及干扰功率等，物理层利用这些参量可以得出本地接收到信号的信干噪比 第7 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 ( s i n r ) 。而物理层特性，包括基带信号处理增益( 信源编解码、信道编解码、扩 频和调制等) 、射频增益、频偏、干扰和衰落等被统一抽象为s i n r - b e r 特性。 仿真引擎中的节点在检测到信号后，首先判断该信号功率是否高于接收门限， 如果高于接收门限，则预备接收该无线信号。在接收时要根据信号功率和信道噪 声来计算信噪比，才能进行后续的误码率计算。信噪比的计算需要动态信道模型 中进行计算，这里的动态信道模型包括基带信号处理增益( 信源编解码、信道编 解码、扩频、调制等) 、射频增益、频偏、干扰、衰落等多种特性。 s i m u l i n k 是集成在m a t l a b 中的一个建立系统框图和基于框图级的系统仿真 环境，用于对动态系统进行建模、仿真和仿真结果可视化分析。使用s i m u l i n k 可 以更加方便地对物理层进行建模，并进行基于时间流的系统级仿真，建立起一个 非常直观、但功能上却相当复杂的动态系统模型，减少了编写m a t l a b 仿真程序 的工作量，简化了仿真建模过程。利用s i m u l i n k 建立通信系统模型国内外已有了 很多研究 2 3 - 2 5 】，但s i m u l i n k 对上层协议及网络拓扑结构缺乏仿真能力，它不包含 可供使用的协议栈，仅能够完成物理层的仿真，要求其对整个网络完成仿真是不 可行的。 上层的系统仿真软件和m a t l a b s i m u l i n k 的优势和不足十分明显。为此，我 们考虑围绕m a t l a b s i m u l i n k 与网络仿真引擎的联合仿真展开研究并提供一个接 口模块或设计一套通信标准将网络层仿真软件与m a t l a b s i i l l u l i i l k 的物理模型结 合在一起。这样网络层协议与性能以及物理层仿真可以同时兼顾，从而提高仿真 的逼真度。 同时，还必须提出一种既能够对无线传输和通信细节进行详细建模，又可以 保证仿真时间在一个合理的数量级内的优化仿真机制。否则，在网络规模不断增 加时，对每个节点的底层通信及无线信道进行详细建模所产生的计算量必然急遽 上升，如果没有优化机制，其仿真速度必然影响整个仿真平台的效率。 1 2 3 复杂地形与电磁环境仿真 在数据链仿真中，必须考虑到真实的战场环境中地形复杂多变、参与单元众 多，电磁干扰广泛存在的特性，需要对地形与电磁环境下的信号传播过程进行精 确建模。 1 2 3 1 研究现状 在数据链仿真中，地形因素对通信性能的影响主要体现在以下几个方面： 首先是对链路闭合性的影响。计算链路闭合性即判定通信节点间的物理可达 性。这必然需要考虑地形因素对计算结果的影响：例如基于物理上的考虑，测试 第8 页 国防科学技术丈学研究生院硕士学位论文 发信机与收信机之间的连线是否被障碍物遮挡：分别读取发射电台和接收机在地 心坐标系统上的坐标，计算出连通向量，来判断是否和地球表面或障碍物相交。m 】 如果发信机与收信机之间物理上不可达，则数据包传输失败。由此可知，即便位 置不变的两个节点，如果加载了不同的地形地貌，其链路闭合性的计算结果也会 不同。 另一个需要地形数据支持的是接收功率的计算。影响接收功率的主要因素是 传播损耗计算，即传输信号在自由空间的传播损耗，包括地形衍射、大气与植被 衰减等，在无线路径损耗计算中考虑地形园素的影响( 这里的地形因素包括地面 地表植被、地面建筑等自然条件) 可以增加计算传播损耗、信号强度和噪声等参 数的准确性。在提供地形参数后，有一系列的传播模型可以用于传播损耗的计算 。 基于地形的仿真建模还可以提供在给定地形条件下最佳频率预测以及各种战 术部署、调遣时的通信状态的预测；在给定地形条件时还可以给出通信节点的部 署位置的可行建议以及对通信偶然性计划的建议。 1 2 3 2 面临的主要困难与解决思路 在传播损耗的计算上，o p n e t 的无线管道阶段中采用的传播损耗计算模型都 是十分简单的：或是基于无线处在真空之中不被障碍物遮挡也不考虑任何大气 影响的理想假设；或是用地面海拔来估计天线的实际高度，根据天线高度和地形 参数计算无线电波的地面反射，并在此基础上采取自由空间传播损耗公式计算路 径损耗。这两种模型都对物理空间做丁很大程度上的简化，不能满足复杂战场环 境的需求。另一方面，o p n e t 在抗干扰接收方式上采用信号锁和功率锁方式也都 是基于数据包的仿真方式，不能反映信号级传输的物理特性。 在链路闭台性计算中，o p n e t 对网络模型中查看收发双方是否有视线连接可 能的判断仅仅是基于地球是完全理想的球形的假设( 如图1 2 所示) ，没有考虑高 山、植被等地形因素的影响。 图12o p n e t 中判断链路可达性的理想算法 第9 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 综上所述，由于o p n e t 对地形与电磁环境仿真的精确性不足，而对电磁干扰 以及地形因素的仿真又涉及非常复杂的电磁传播模型和不同类型的区域地形模 型，引入专业仿真软件可以大大加快仿真工作的开发进程。 w i t l e s si i l s i t e 是r e m c o m 公司的一款对复杂地形及电磁环境进行仿真预测 的工具，r e m c o m 公司起源于美国宾夕法尼亚大学，成立于1 9 9 4 年，受美国军 方资助开发r e m c o m 系列电磁仿真软件产品，其w i t l e s s1 1 1 s i t e 软件采用高级电 磁处理方法，能够在任意频段内提供精确的结果【2 8 1 。 由于w i t l e s si i l s i t e 具有强大的地形与电磁环境建模能力，但就目前的研究现 状分析来看，其与o p n e t 的联合仿真方案国内外尚无成功的模型可供参考，本文 考虑在w i r e l e s si i l s i t e 中建立基于特定地形的无线传播模型，同时设计实现 w i t