基于OPNET的地域通信网网络仿真研究

摘要：针对无线通信情况下地域通信网中心交换机节点间的通信质量，采用模块化的方法描述节点对象的行为并对节点进行建模，通过OPN ET网络仿真工具对地域通信网各网络节点的仿真模型以及组成各节点的进程模块进行设计实现，结合地域通信网的一个实例，得出了节点受不同干扰情况下的全局数据业务丢包率和话音业务呼损率。
关键词：地域通信网；OPNET；网络仿真；进程模型

    地域通信网是由栅格状干线节点、入口节点和传输系统组成的覆盖战术战役区域的通信网，是公认的战术通信网的主要发展方向。
    地域通信网是保证作战部队与司令部之间相互联络的主要手段。在军或师的整个作战地域开设若干个通信中心节点，节点之间用无线电中继线路连接起来，固定或移动用户分别通过有线电路或无线电台与通信中心的有无线入口连接，形成一个到所属各部队既有直接路由又有迂回路由的统一通信网。
    与传统通信装备组成的野战通信系统相比，地域通信网具有生存能力强、时效性高、综合互通程度高、机动性好、保密性好和抗干扰能力强的优势，因此成为目前陆军中军、师(含师与团之间)的主要通信手段。地域通信网的出现，使野战通信在通信装备、通信体制、通信战术等诸多方面都发生了根本性的变化，因而成为通信对抗的重点目标。

1 仿真工具介绍
    网络仿真技术是一种通过建立网络设备、网络链路和协议模型，并模拟网络流量的传输，从而获取网络设计或优化所需要的网络性能数据的仿真技术。网络模型不仅可以在实施之前预测拓扑和设备规划，还有助于在网络的运行中保持其有效性。
    OPNET Modeler是一种优秀的网络仿真和建模工具，支持面向对象的建模方式，并提供图形化的编辑界面，更便于用户使用。它将通信网络仿真的各个阶段合并在一起，包括模型的设计、仿真、数据的收集和分析等阶段。除了能模拟固定通信模型外，OPNET Modeler的无线建模器还可用于建立分组无线网和卫星通信网的模型。OPNET为通信协议和路由算法的研究提供与真实网络相同的环境。其结果分析器为网络性能的分析提供了直观有效的工具。

2 网络仿真模型研究
    基于OPNET仿真软件对地域通信网中各网络节点的仿真模型进行设计实现，在节点模型中使用不同的模块来描述节点对象的不同行为，展示网络设备和系统的体系结构。模块一般代表应用业务、协议层和物理资源，如缓冲区、端口和总线。每个模块都拥有相应的进程模型，因此称为进程模块。每个进程模块模拟节点行为的一个或几个方面，如节点的数据创建、数据采集、数据存储等。进程模块之间通过数据包流线或统计线进行连接。一个网络节点模型由多个进程模块组成。
    对节点按层建模，如图1所示。

2．1 节点模型
    地域通信网中主要的节点有3类：交换机节点、终端节点和干扰节点。交换机主要用以对报文进行转送，包含有路由功能，根据位置不同，分为中心交换机和本地交换机。终端节点包括话音终端和数据终端，分别用于提供话音和数据业务。以中心交换机为例对节点模型的设计进行说明。
    地域通信网中，往往有多个子网，它们相互之间间隔较远，一般通过中心交换机实现交互通信。中心交换机之间采用无线通信，组成地域通信网的骨干网络。其节点模型如图2所示。

    从图2可以看出，中心交换机节点模型中主要有ATM信令模块、ATM呼叫控制模块、ATM路由模块、AAL模块、ATM层模块、ATM翻译模块、ATM分发模块、无线mac模块、无线收发信机以及天线模块等。图中实线代表数据流线，虚线代表统计线。
2．2 进程模型
    主要的进程模块有应用层进程模块、ATM信令模块、ATM呼叫控制模块、ATM路由模块、AAL模块、ATM层模块、ATM翻译模块、ATM分发模块等。
    下面以ATM呼叫控制进程模块为例说明进程模型的设计实现。
2．2．1 进程模型设计
    如图3所示为ATM呼叫控制进程模型流程图。

    模块初始化结束后，进行相应的配置。之后进入空闲状态并等待接收各类信息。对接收到的信息类型进行判断并执行相应的操作。
    若收到应用层发来的连接建立请求，则将此请求信息转送给AAL模块以通知其有新连接；若收到AAL模块发来的连接指示，则将此信息转送给应用层模块进行处理；若有连接信息，则建立连接；若收到应用层发来的释放连接请求，则将此请求信息转送给AAL模块；若收到AAL模块发来的释放连接指示，则将此信息转送给应用层模块处理；若收到释放连接信息，则释放当前连接；若收到永久虚通道配置请求，则配置永久虚通道。每条信息处理完成后都恢复到空闲状态。当仿真结束后，本模块的操作也相应结束。
2．2．2 进程模型实现
    基于OPNET网络仿真软件对各进程模块进行实现，采用有限状态自动机表示以支持规范、协议、应用、算法以及排队策略。采用图形化的状态和状态转移条件来定义事件的逻辑。
    下面对ATM呼叫控制进程模块进行实现，给出其状态转移图，如图4所示。

     ATM呼叫控制模块提供了数据面和控制面之间的访问接口。本模块的主要状态有：初始化状态、配置状态、获取ATM状态信息、空闲状态、连接建立请求状态、连接建立指示状态、永久虚通道配置请求状态、连接状态、数据传输状态、连接释放请求状态、连接释放指示状态、连接释放状态等。

3 仿真应用
3．1 网络仿真模型实例
    在OPNET网络仿真环境下搭建一个骨干网络为四节点五链路的网络结构仿真模型，如图5所示。

    此模型中有5类节点：中心交换机、本地交换机、话音业务终端、数据业务终端和移动干扰节点。
    中心交换机节点间采用无线通信，每对收发信机采用不同的通信频率，即每个中心交换机与其他不同中心交换机之间通信所采用的收发信机频率不同。
    本地交换机节点之间、本地交换机与终端之间采用有线通信。本地交换机的配置与中心交换机配置基本相同，只是其所有端口均为有线。
    数据业务终端类型为ATM工作站和服务器。ATM服务器支持所有的应用层模型。ATM工作站的特色是应用层程序需经由IP层与ATM层通信，而不能直接与ATM层通信。所有从工作站发出的具有相同目的地址的数据经由同一条ATM链路发往服务器，而不管这些数据是否来自同一应用程序。
    话音业务终端类型为普通客户端节点。其特征是应用层与ATM层直接连接，而不须经由IP层。普通客户端节点模型为每个应用层任务建立了一个独立的ATM连接。
3．2 参数配置
    对节点参数、全局参数和主询参数进行配置，并配置终端节点间的话音和数据业务。话音与数据源终端节点通过本地交换机连接到中心交换机1，然后选择一条链路到达中心交换机3，再通过本地交换机转至相应的目的终端节点。干扰机以一定的航线飞行，对中心交换机1实施干扰。
    相关参数设置情况如表1所示。

3．3 仿真结果及分析
    设置干扰机飞行航线，同时对中心交换机1与中心交换机3、中心交换机1与中心交换机5之间的两条链路实施干扰，运行本仿真场景。
3．3．1 固定干扰机航线
    设置干扰机与中心交换机1之间垂直距离为420 km，运行仿真，查看统计分析结果。
    1) 全局统计量
    在全局范围内，收集话音业务和数据EMAIL业务的收发情况，用收发曲线来描述，以反映整个网络内数据业务与话音业务的传送质量。
    全局话音业务收发曲线如图6所示，可以看出，在本仿真场景和仿真参数设置下，全局话音业务发送与接收之间有较大的差距，即话音业务损耗较大，说明其受干扰机的影响较大。

    全局数据EMAIL业务收发曲线如图7所示，可以看出，在本仿真场景和仿真参数设置下，全局数据Email业务具有较高的实时丢包率，说明在此情况下，全局数据Email业务受干扰机的影响很大，干扰效果比较明显。

    2)链路统计量
    本仿真模式下，同时对中心交换机1与3、中心交换机1与5之间的两条链路实施干扰，这里用受干扰的两条链路的吞吐量来衡量其被干扰的程度。
    中心交换机1与3之间链路吞吐量曲线如图8所示，可以看出，中心交换机1与3之间具有一定的链路吞吐量，说明即使是在受干扰的情况下，也有相当一部分数据或话音业务是经由此链路到达目的端的。

    中心交换机1与5之间链路吞吐量曲线如图9所示，可以看出，中心交换机1与5之间链路吞吐量几乎为零，这是因为，数据与话音业务的交互都需经由中心交换机1到达3，而它们之间存在直接路由1->3，以及间接路由：1->4->3、1->5->3．在同时受干扰且直接路由仍有可用带宽的情况下，数据及话音业务仍选择直接路由。

3．3．2 多条干扰机航线
    保持干扰机发射功率与信号功率不变，设置八条不同的干扰机飞行航线，(干扰机与中心交换机1之间的垂直距离从480 km到340 km)。运行仿真，根据统计结果绘制全局话音业务呼损率与数据业务丢包率曲线，分别如图10、图11所示。

    从图10、图11可以看出，在干扰功率不变的情况下，随着干扰机与被干扰节点间垂直距离的增加，全局话音业务呼损率、全局数据Email业务丢包率呈降低趋势。在垂直距离为340 km时，话音业务呼损率达到37％，数据业务丢包率达到70％，此时，干扰效果已经相当明显，收发信方基本上已不能正常通信。

4 结束语
    本文基于OPNET网络仿真工具对地域通信网网络仿真模型进行了深入研究，对网络中各类节点如交换机、终端、干扰机等进行了节点级和进程级模型的设计和实现。然后给出了一个四节点五链路的典型地域通信网应用实例，搭建了网络模型，并就仿真相关的各项参数进行了设置。设定干扰机飞行航线，同时干扰两条链路，对此场景进行仿真，绘制全局话音业务和数据业务的收发曲线和被干扰链路的吞吐量曲线。在航线改变的情况下，进行多次仿真，根据仿真统计结果绘制全局数据业务丢包率曲线和话音业务呼损率曲线。仿真结果表明，随着干扰机与被干扰节点间垂直距离的增加，全局数据业务丢包率和话音业务呼损率均呈降低趋势，且在垂直距离340km时，话音呼损率达到37％，数据丢包率达到70％，基本达到了干扰收发信双方通信的目的。