流星余迹信道与组网技术仿真分析

王 莹,高 轶,冯 微

(1.海军指挥所指挥自动化工作站,北京100841;2.中国电子设备系统工程公司研究所,北京100141)

0 引言

流星余迹通信是利用流星进入大气层产生的电离拖尾反射无线电信号实现通信的一种超视距无线通信方式,可工作在核爆和太阳黑子爆发等恶劣电磁环境条件下,是保障最低限度通信和应急通信指挥的有效手段。

以往对流星余迹通信研究大多是信道特性分析,对组网方式研究较少,对组网方式与信道结合研究更少。在流星余迹信道处理方法研究的基础上,分析流星余迹信道观测数据,得出信道分布规律,建立信道模型;在流星余迹通信系统网络结构研究的基础上,利用OPNET仿真工具建立网络模型;将信道模型应用到网络模型中,对采用退N协议的星型网络在不同的输入参数下进行仿真分析,得到系统具有最小发包时延和最大网络吞吐量的条件,为流星余迹通信系统的技术突破和设备研制提供可靠依据。

1 信道数据分析和建模

针对流星余迹随机变参信道,以点对点的方式,在不同时间、季节、地理位置对流星发生的频率、速度、方向、到达率、等待时间、持续时间、空间分布及年/日变化等指标进行观测试验,采集测试数据。对测试数据进行分析处理和信道仿真,建立流星余迹信道模型。

1.1 信道数据分析

数据分析处理通过对流星余迹信道数据的分析,提取信道分布和参数信息,数据分析处理的工作由4个阶段构成:

①有效数据记录的读入:数据处理程序以4 s为时间窗口读入数据,在读入的过程中对10个点的信号功率求平均并进行初步平滑处理,将采样数据的数据量降低到原来的1/10,减少处理开销。当采样功率大于噪声功率3 dB时,触发数据记录,记录当前采样功率值;

②数据记录中主要传播机制的判别:接收信号中包含欠密类余迹、过密类余迹和电离层反射信号等。采用“非此即彼”的判别方法对传播机制进行判断,如果不满足电离层反射信号的特征即认为是流星余迹信号;

③流星余迹类型及特征参数的分析:如果数据记录的主要传播机制被判别为流星余迹,则对记录中可能的流星余迹进行类型识别并对余迹的特征参数进行分析和拟合;

④假设检验结果的输出和显示:数据分析处理得出的参数包括余迹到达时刻的泊松分布均值、余迹发生频率、地面通信距离和发生高度的高斯分布均值等。参数信息通过文件形式输出给信道建模仿真使用,同时通过用户界面进行显示。

1.2 信道仿真

信道建模仿真利用数据分析处理得到的参数信息恢复出信道规律,生成信道模型。信道建模仿真的工作由2个阶段构成:

①泊松过程的产生:以数据分析处理得出的分布参数作为输入,利用随机产生泊松流的方法产生数据;

②相对于每个泊松过程进行计算:以阶段1的一个泊松流到达时刻作为起点,以下一个到达时刻为终点,计算相应参数,循环执行直到最后一个泊松流结束。

2 网络仿真和性能分析

在研究流星余迹网络结构的基础上,采用OPNET工具建立流星余迹网络结构模型及通信协议模型,对采用退N协议的星型网络仿真结果进行分析,验证协议性能。

2.1 网络仿真

2.1.1 网络结构模型

流星余迹通信系统常用的网络结构有星型拓扑结构、环型拓扑结构、树型拓扑结构和混合型拓扑结构,节点包括中心节点、信道节点、中转节点、远端站和主站等。

星型拓扑包括1个中心节点和若干个子节点。中心节点不断发射探测信号,当该信号通过流星余迹反射到子节点时,子节点立即发射应答信号,中心节点收到应答后就向子节点发送确认信息,节点之间根据需要持续发送报文,直到发送完毕或链路中断。星型拓扑网络结构和控制简单,便于管理和组网,网络延迟较小,传输误差较低。但缺点是成本高、可靠性低、资源共享能力较差。

环型拓扑结构由若干节点通过点到点的链路首尾相连形成一个闭合环,数据在环路中沿着一个方向在各个节点间传输。环型拓扑结构控制简单,但网络响应时间长、可靠性低、维护和故障定位困难。

树型拓扑中节点按层次连结,信息交换主要在上下节点之间进行,相邻节点或同层节点之间一般不进行数据交换。树型拓扑结构简单、维护方便,适用于汇集信息的应用要求,但资源共享能力较低,可靠性不高。

混合型拓扑结构同时使用2种或2种以上的拓扑,可以对网络的基本拓扑取长补短,但网络复杂度增大。

对几种拓扑结构进行对比,星型拓扑便于管理和组网,网络延迟小,传输误差低,并且通过星型拓扑中心节点之间的互联,容易实现网间通信,所以选择星型拓扑为流星余迹研究的网络结构。

2.1.2 通信协议模型

流星余迹通信系统常用的通信协议为自动请求重传(Automatic Repeat Request,ARQ)机制,在ARQ机制中可以使用停-等协议或退N协议。

ARQ机制的基本原理是:对发送端发来的数据包,接收端如果能正确接收,则返回确认消息ACK;否则返回否认消息NACK。若返回NACK消息,发送端会重发相应的数据包。

在采用停-等协议的ARQ机制中,接收机周期性地发射探测信号,流星余迹信道可用时,发射机接收到探测信号并从缓冲队列中取出数据包发送给接收机。接收机接收到数据包后发送ACK,发射机收到ACK且流星余迹信道仍然可用时,从缓冲队列中取出下一个数据包发送给接收机。如果由于流星余迹信道不可用导致发射机无法接收到接收机发送的ACK,那么发射机应在流星余迹信道可用时重新发送该数据包,直到收到该数据包的ACK后,才继续发送下一个数据包。

采用退N协议的ARQ机制中,发送端维护一个缓存表,保存已经发送但是没有收到ACK的数据包及序号,接收端也维护一个对应于正确接收数据包的接收缓存表。发送端发送完一个数据包后并不停下来等待响应,而是继续发送新的数据包。如果正确接收,接收端返回ACK,发送端删除对应的数据包;如果返回NACK,发送端将重传从对应数据包起到最后发送数据包之间的所有数据。

2.2 网络性能分析

针对采用退N协议的星型网络,通过改变参数进行一系列仿真,得出不同的统计量结果。

将发包速率设为固定值5 120 bps,通过改变包长度得到包发送时延和吞吐率2个统计量的值,仿真结果如图1和图2所示。

图1 发包速率固定时的发送时延

图2 发包速率固定时的吞吐率

将发包长度设为固定值256 bit,通过改变发包速率得到包发送时延和吞吐率2个统计量的值,仿真结果如图3和图4所示。

图3 包长度固定时的发送时延

图4 包长度固定时的吞吐率

在发包速率固定的情况下,包发送时延随包长度的增加而逐渐增加,网络吞吐率随包长度增加而逐渐减小。在包长度固定的情况下,包发送时延随发包速率的增加逐渐减小,网络吞吐率随发包速率增加而逐渐增大。

综合仿真数据和仿真结果,采用退N协议的星型网络在实际数据的驱动下,能够满足网络性能指标要求。当包长度大小为128 bit,发包速率为4 608 bps时,得到最小发送时延及最大网络吞吐量。

3 结束语

在处理和分析流星余迹实测数据的基础上,建立流星余迹信道模型;针对流星余迹突发通信的特征,建立流星余迹通信网络模型,利用OPNET工具在退N协议下对星型网络结构进行建模仿真和结果分析,得到流星余迹通信系统具有最小发包时延和最大网络吞吐量的条件,并验证了采用退N协议的星型网络在实际数据的驱动下,能够满足网络性能指标要求。

[1]陈 敏.OPNET网络仿真[M].北京:清华大学出版社,2004.

[2]张雅彬,金燕波,林乐科,等.流星余迹通信信道季节变化模型与仿真[J].无线电通信技术,2009,35(4):1-3.