数据链网络系统的评价方法研究

李航 北京航空航天大学电子信息工程学院 100191

数据链网络系统的评价方法研究

李航 北京航空航天大学电子信息工程学院 100191

数据链网络系统属于高效的数字通信系统。通过对网络性能需求的介绍，说明了数据链网络系统应具备的通信能力，以及系统能够提供技术支持，并结合网络系统的性能需求和应用技术归纳了系统的评价内容。在得到了系统评价内容基础上，总结出重点考察的衡量指标及其评估方法。

数据链；网络性能；评价

1.引言

数据链网络系统实现平台间信息交互的功能，可用作军用设施，能够在不同的作战平台间形成紧密的战术链接关系。由于该系统应用于复杂地理环境和电磁环境，系统应具有可靠的通信质量，一定的实时性，以及稳定的网络结构等特性。但是，单纯从定性的角度分析很难反映网络系统的实际性能，更需要从定量的角度给出系统的性能参数，使得评价更加客观，更具备说服力。网络的评价准则因网络类型的不同而方法各异，而且对于此类具有特定用途的无线网络更无统一的评价标准。本文所研究的评价方法针对数据链网络系统，旨在为搭建网络系统模型以及评估模型质量提供一定的衡量依据。

2.网络性能需求和关键技术

数据链网络系统是应用于战场环境下的网络信息系统，从使用者的角度出发，系统应提供持续的、可靠的通信服务，并且能够对用户数量的变化，位置的移动，通信需求等级的不同做出快速反应，保证使用者对网络性能的需求。网络性能需求可分为生存能力，互通性和网络安全性三方面[1]，按此方法分类，基本可以涵盖网络使用者大部分的通信需求。

2.1 生存能力

生存能力主要包括保密性、入网可靠性和抗干扰性，并支持网内成员实现视距通信，还可以通过中继实现超视距通信。入网的可靠性体现在每个网络成员能够及时进入和退出网络而不影响其他用户，同时成员也可以不考虑与其他用户的相对位置，网络运作不会因一个成员丢失或损坏而受到影响。网络接入采用同步时分多址(TDMA，Time Division Media Access)这种无节点接入方式，每个网络成员根据网络管理规定，轮流占用一定的时隙，广播自身平台所产生的信息；在不广播时，则根据网络管理规定，接收其他成员广播信息。这种网络接入方式不需要主站，只要以网络中某个指定的成员为时间基准，其他成员可以自由接入。

保密性和抗干扰性均需要系统保证持续提供通信服务，抵抗确定性干扰，常采用的技术措施包括检错编码、直序扩频、前向纠错编码(FEC)等。前向纠错编码方式是指发送端发送能够被纠错的数据即经过编码的数据，接收端收到这些数据后，通过纠错译码器自动发现错误并自动纠正在传输过程中因干扰而产生的错误，最终实现传输信息恢复，达到可靠通信目的[2]。属于FEC之一的RS(Reed Solomon)码是一种很好的线性分组纠错码，其纠错能力很强，特别是在短的和中等码长下的性能很接近理论值，且构造方便，编译码设备也不复杂，因此新一代的数据链系统采用了RS的编码方法。此外系统还在发射信号生成过程中还采用交织技术和CCSK编码技术[3]，进一步提高系统传输数据的可靠性和安全性。

2.2 互通性

良好的互通性主要包括兼容性和消息标准，从而使网络成员之间实现可识别的数据交换。由于系统需要实现扩频通信，将会影响到频谱使用的兼容性问题及网络成员环境的兼容性问题，此时需要合理选择波形特征来匹配选定的频带；消息标准是成员之间数据交换的通信规范，对网络的通信效率有着重要影响。

保证互通性的技术包括时隙分配和消息封装结构等。以北约Link16数据链为例，时隙的分配主要是从网内成员所承担的任务考虑的。网内成员分成以下三种[4]：第一种任务执行成员，特点是数量多，但发射的消息很少；第二种监视、控制和指挥成员，它们数量很少，但数据发射次数要频繁得多，典型例子包括地面上的战斗报告中心和预警机；第三种空中接力成员，也是占用时隙最多的成员，占用的时隙相当于系统内其它成员所占用的时隙数总和。消息封装结构是网络成员之间相互通信遵循的统一消息生成格式，一种典型的封装结构如图1所示，这种封装结构称为STDP封装结构[1]。

数据链网络系统可对不同的应用需求提供不同的通信能力，如果需要高速、大数据量的通信，除了硬件设备需要做出更改之外，封装结构也要适当增加数据段的长度，以适应高速大容量的通信要求。

2.3 网络安全

在这里网络安全指的是保障网络安全运行，网络的安全弱点将会使网络的防御能力降低，导致网络瘫痪。网络安全性的关键技术在不断的更新中，在这里只涉及一些已公开的技术手段，包括编码技术、网络接入方式等。这两项技术与生存能力的关键技术类似，因此不再重述。

3.网络性能评价内容及方法

评价内容根据网络性能需求的不同，有不同的衡量指标来评定系统的性能。下面分别对性能需求的三方面内容做出评价分析：

生存能力：网络生存能力以误码率，丢包率，吞吐量和延迟四项指标来衡量。为了实现特定条件下的通信需求，网络系统需要保证数据的可靠性，即信息经过带有干扰影响的信道抵达目的节点后，信息能够完整地恢复(误码率)；在链路受到干扰条件下，网络是否依然能够保证数据的传输(丢包率和吞吐量)；端机对消息进行处理的时间不能过长(延迟)；系统采用TDMA接入方式，各网络成员和网络同步，在各自的时隙接收和发送数据，要保证一定的实时性要求(延迟)。

互通性：网络的带宽利用率、时隙占空系数(TSDF)和消息结构是网络互通性的重要性能指标。由于时分多址接入方式允许用户共享传输频带，在通信中要对网络占用的频带加以严格限制，以防止相互冲突。如何充分利用所划分好的频带资源，是网络互通性的体现之一；时隙分配情况需要靠时隙占空系数来反映；消息结构既规定了网络中各平台的消息封装方法，也对数据率有着决定性影响。需要说明的是，互通性的这三项指标与网络的整体设计直接相关，应在系统测试之前确定。

网络安全：网络安全的衡量以网络脆弱性分析为主要方法，采用网络能够在一个给定的逻辑环境下正常运作的逻辑分析值为衡量指标。网络脆弱性分析是一种主动的网络安全防御方法，通过对特定网络拓扑结构的分析，得到网络整体防御状态、网络结点状态等信息，为网络管理员提供构建网络安全策略的重要信息。本系统通过对网络建立加权网络拓扑模型，评估网络的脆弱性来反映网络安全性能。

以上所提及的衡量指标的评估方法将在第4节中给出，其中时隙占空系数虽然在系统测试前确定，但是其概念和计算方法需要特殊说明，具体解释请看第4.4节。由于带宽利用率和消息结构并非通过实验确定，故指标评估方法的讨论中不包含这两项指标。

4.衡量指标的评估方法

本小节对第3节中提及的衡量指标进行较为详细的说明，同时给出了评估的具体实施方法。本小节介绍的误码率、吞吐量和丢包率、延迟均为量化指标。关于网络安全性也通过建模加以量化，以网络安全性能值作为量化指标。

4.1 误码率

误码率指的是接收到的消息中错误码元个数所占消息总码元数的比例，误比特率是接收到的消息中错误比特个数所占消息总比特数的比例，二者并无本质区别，可根据不同的仿真环境和需要而选择方便计算的衡量指标。

评估过程采用蒙特卡罗(Monte Carlo)方法，考察点对点传输过程的误码(比特)率。原始数据为一组限定好长度的随机二进制消息，经过源节点处理后产生发射数据，然后通过信道抵达目的节点，再对数据进行复原，将复原后的数据同原始数据比较，统计出误码(比特)率。

表1中给出了评估参考仿真条件。

4.2 吞吐量和丢包率

吞吐量(Throughput)指的是在没有帧丢失的情况下，设备能够接受的最大速率。

丢包率(Loss Tolerance或packet loss rate)是指测试中所丢失数据包数量占所发送数据包的比率，通常在吞吐量范围内测试。

图1 STDP封装结构

指标在不同的仿真环境下的测量方法不同。在如OPNET等网络仿真软件环境下，根据搭建的网络模型，在仿真之后吞吐量和丢包率会自动统计出结果，有选择地作为横纵坐标，得到性能曲线。在VC++仿真环境下，需要编写专门用来计算的函数，实现吞吐量和丢包率的测量：根据吞吐量的定义，函数统计网络各成员节点在一个指定时间周期内的发送或接收的数据量，得出单位时间发送或接收的数据量；根据丢包率的定义，函数以帧为单位统计丢失帧的个数占总消息帧个数的比例，丢失帧的确认标准可规定为一个数据帧内部多大比例的数据遭到破坏则认为该帧丢失。

表2中给出了吞吐量和丢包率的一些影响因素

表2 衡量指标的影响因素

4.3 延迟

延迟以时间作为统计单位，可以是秒，毫秒，微秒等。在本网络系统中延迟基本以秒(second)为单位，衡量指标分为两大类，即处理延迟和网络接入延迟。

表1 系统评估参考仿真条件

(1)处理延迟

处理延迟指系统从应用层接收到原始数据开始，一直到生成待发送数据的处理时间。处理延迟可根据发射信号的生成过程进行测量，即计算整个过程所耗费的时间。在V C++仿真环境下，可利用仿真软件本身的功能或自带的函数进行统计。类似地，信息的接收处理延迟同样采用此方法进行计算。

(2)网络接入延迟

网络接入延迟包含四个衡量指标，基本覆盖了网络应用所关注的延迟问题。

表3列出了四个延迟参数及它们的组成和影响因素，延迟时间的大小均可以通过仿真实验计算出在一定的应用条件下的具体数值。网络循环周期还可以根据定义，利用分析法得到。

4.4 时隙占空系数[1]

时隙占空系数(TSDF，Time Slot Duty Factor)，是一种时隙使用约束，限制在单位时间内发射的脉冲数量。T S D F是量化终端发射的一种方法，通常是由两个因数表示的一个数字，写成一个分数，如100/50。第一个数字表示在一个地域内潜在脉冲数的总百分比，第二个数字表示发射最多的单个平台发射脉冲所占的百分比。对于Link16数据链来说，每个数字都是基于一个基准值的百分比，这个基准值是每12s中发射396288个脉冲。

其中n为平台所分配的时隙数，M为时隙所包含的脉冲总数，可以是72、258或者444。

网络的TSDF是由单个平台TSDF相加计算得到的。表4给出了网络中两个平台的TSDF的表格。

表4 TSDF表

那么网络的TSDF为10%+50%=60%，则此网络可以表示为60/40。

4.5 网络安全性能值

网络安全性能值用于衡量网络的脆弱性。首先根据网络的拓扑结构、结点的功能特性、结点情报存取权限以及结点之间的协同状态构建一个网络加权的拓扑结构。其中各个结点将用通信等级、结点功能综合程度、战略功能属性、结点防御能力以及态势情报存取权限5项预先量化好的数据进行描述，并利用以上数据，根据构建的逻辑网络拓扑结构进行数据分析，得到网络中结点的重要性指数、边的安全性指数以及网络整体安全性能的综合分析值[7]。

5.结论

根据第3、4小节的分析，评价多平台数据链网络的性能指标主要包括误码率，丢包率，吞吐量，延迟，带宽利用率，时隙占空系数，消息结构和网络安全性能值。然而需要指出的是，以上的评价指标是为了全面地评估网络系统而提出的，其中相对重要的，且需要在系统测试中评定的只是其中的一部分。根据数据链网络系统的应用环境，各指标的重要性如表5所示。

表3 延迟的组成及影响因素

表5 衡量指标等级

结合各指标的重要等级，得出多平台数据链网络系统的性能评价准则：评价准则以误码率，延迟，消息结构和网络安全性能值为评价指标，通过网络设计和第4节所介绍的方法对系统性能做出评价。该评价方法可应用在系统仿真测试中，根据此方法得到系统的性能参数，考虑系统模型是否满足实际需求。

[1] 梅文华, 蔡善法. JTIDS/Link16数据链[M], 北京: 国防工业出版社. 2007

[2] 李华辉, 孙亚东. 航空数据链系统终端设备的抗干扰编码研究[J].电脑与信息技术.2007，15(1): 8

[3] 杜广超, 杨云升, 刘坤. CCSK和DSSS编码仿真与抗干扰性能比较分析[J].电子对抗. 2009(02)

[4] 宋发兴, 许俊奎, 焦中科. Link - 16(JTIDS终端)的TDMA体系结构分析[J].舰船电子工程. 2008, 28(4): 66-67

[5] 杨光, 周经伦, 罗鹏程, 曾向荣. 数据链抗干扰性能分析[J].计算机科学.2009, 36(6): 109-110

[6] 田斌鹏. 战术数据链实时性研究[D].西南交通大学.2007

[7] 王刚, 杨任农. 战术数据链网络脆弱性分析方法研究[J]. 计算机工程与应用. 2008, 44(31)

[8] 崔昊, 匡镜明, 何遵文. 基于OPNET的Link16建模与仿真[J].计算机工程与设计. 2006, 27(17)