基于OPNET的VDL2系统传输性能仿真研究

李冬霞，叶倩文

（中国民航大学天津市智能信号与图像处理重点实验室，天津 300300）

目前，国内航空业界所使用的空地数据通信系统以ACARS数据链系统为主，但其传输容量不足，无法满足未来民航通信发展的需求。VDL2系统作为航空电信网络（ATN）所支持的甚高频数据链子网之一，具有对现有及未来ATN良好的兼容特性，传输容量是ACARS系统的10多倍，已被确定为中国下一代民航空地数据通信的主要方式，并已启动全面的建设工作。因此，非常有必要对该系统的传输性能进行仿真研究。

关于VDL2系统参数设置和性能分析已有一定的研究，如文献[1]分析了飞机数量和报文特性对系统吞吐量及系统延迟的影响，文献[2]分析了飞机数量对平均MAC子层延迟和平均链路层延迟的影响，文献[1-2]都分析了系统实供负载对信道效率的影响，大致得出当系统实供负载位于（0.3，0.7）区间内时，VDL2系统的传输性能最佳。但没有分析和研究飞机数量对平均重传延迟的影响，发送窗口大小对平均子网延迟的影响，以及系统实供负载与平均子网延迟和包发送成功概率的关系，为此，本文针对这些重要的性能关系详细进行了研究与仿真。

1 VDL2系统体系结构

VDL2系统标准定义在ICAO的VDL2SARPs中[3]，其系统层次结构大致可以分为：物理层、MAC子层、DLS子层、VME子层和子网层，如图1所示。

图1 VDL2系统子层结构Fig.1 Sub-layer architecture of VDL2 system

物理层实现基本的收发功能。MAC子层利用P坚持载波侦听多址访问（P-CSMA）算法控制对信道的共享，以及进行信道拥塞检测。DLS子层利用航空甚高频链路控制（AVLC）协议支持面向比特的空地通信。数据链路实体（DLE）可提供面向连接的点到点链路[4]。每个通信实体将产生一个VME，每条链路存在一个链路管理实体（LME），对该条链路进行建立和管理。对于每个LME都有一个DLE与之对应。子网层按照ISO8208协议在飞机和地面站之间提供数据报文传输服务[5]。

2 基于OPNET的VDL2系统建模

本文仿真选择在OPNET Modeler平台下实现，按照分层建模机制，完整的系统建模在网络域、节点域和进程域中实现。

2.1 网络域建模

网络域建模需要建立两种类型的节点，地面站节点与飞机节点。本次仿真子网层设计一个地面站节点，在其200 km范围内随机分布若干架飞机，本仿真系统最多设置150架飞机，每增加10架设置一个仿真场景，包长度设为256 bit，包更新速率为4 s/次，各飞机节点与地面站节点进行双向实时通信，仿真时间为12 h，VDL2系统网络域建模如图2所示。

2.2 节点域建模

图2 VDL2系统网络域建模Fig.2 Network field modeling of VDL2 system

每个节点代表了一个实际的通信实体，即飞机或者地面站。飞机节点建模如图3所示，包括：包生成模块PK_gen，产生与VDL2中帧格式对应的信息包，发送给DLS模块和VME模块；位置设置模块position，通过改变飞机的高度和经纬度实现飞机移动；DLS模块执行DLS子层的AVLC协议；MAC模块执行PCSMA算法；物理层包括发射模块（VDL_tx）、接收模块（VDL_rx）及信道模块（channel_exchange）。地面站节点模型和飞机节点模型执行相同的协议，因此两种节点模型类似，差别仅仅是地面站节点没有位置设置模块。

图3 飞机节点建模Fig.3 Aircraft node modeling

2.3 进程域建模

节点域中的功能模块往往包含一个或多个进程，而每一个进程模型由一个或多个有限状态机（FSM）模型组成，使用FSM来描述进程的逻辑行为[6]。因此，进程域的建模过程就是建立FSM模型的过程。根据文献[7]中对各子层的功能描述，建立MAC、DLS及VME进程模型。

2.3.1 物理层建模

物理层包括收发模块和信道模块。其中无线收发信机模块采用D8PSK调制方式，不考虑切换情况下工作信道频率固定为118 MHz，通用信号信道（CSC）频率为136.975 MHz，由channel_exchange模块实现两信道间的切换。信道传输速率为31.5 kbps，信道带宽为25 kHz。采用无线收发信机的管道特性（pineline）模拟物理传输信道[8]。

2.3.2 MAC子层建模

MAC子层从DLS子层接收帧，传输时执行PCSMA算法来控制对信道的访问。由于一个地面站要与多个飞机通信，地面站的信道访问概率P应该比飞机大很多，这样才能减少延迟。本文在设置信道访问概率时，地面站P设置为90/256、飞机P设置为13/256。最大访问次数M1设置为135、信号忙计时器TM2设置为60 s。MAC进程建模如图4所示。

图4 MAC进程建模Fig.4 MAC process modeling

2.3.3 DLS子层建模

DLS子层执行点到点的AVLC通信协议，允许通信的任意一方发起通信，负责信息包的封装、流控制、纠检错和认证。DLS子层将接收的数据包发送到MAC子层，每个发送帧都需要在T2时间内进行确认，模型中设置了重传计时器T1，如果计时器到期仍未收到应答信息，则重传该帧。确认前延迟T2设置为500 ms，最大重传次数N2设置为6。本系统模型中，设计由DLS父进程唤醒子进程，实现帧监督和重传功能。DLS父进程建模和子进程建模如图5和图6所示。

2.3.4 VME子层建模

VME子层实现链路的建立、维护、移交和释放功能。本文采用飞机发起链路建立命令，地面站需在链路初始化时长T3超时前对此命令做出响应，否则飞机重发命令，重发次数应不超过N2。VME进程建模如图7所示。

图5 DLS父进程建模Fig.5 DLS parent process modeling

图6 DLS子进程建模Fig.6 DLS child process modeling

图7 VME进程建模Fig.7 VME process modeling

3 VDL2系统仿真及结果分析

基于上文所建立的VDL2系统模型，本文进行3组仿真：第1组仿真平均子网延迟和重传延迟随飞机数量变化的关系；第2组仿真平均子网延迟随窗口大小以及系统实供负载变化的关系；第3组仿真丢包率随系统实供负载变化的关系和吞吐量随系统实供负载变化的关系。

第1组仿真得出平均子网延迟随飞机数量变化曲线如图8所示，平均重传延迟随飞机数量变化曲线如图9所示，本组中窗口大小为4。因为地面站节点采用的信道访问概率P比飞机节点大，所以可以从图8看出，下行链路延迟要大于上行链路延迟，且上下行链路延迟随着飞机数量的增多而增大，两者间的差距也随之变大。按照民航信息发送的实时性要求，报文的平均发送延迟需在3 s以内[9]，由图9可知，当飞机数量在30～90架时，访问中延迟计时器TM1=4.5 ms时的重传延迟至少为3 s，TM1=0.5 ms时的重传延迟小于2 s。当飞机数量增加到90架时，TM1由4.5 ms减少到0.5 ms，平均重传延迟至少减少了2 s。TM1是影响重传延迟的重要部分，取值不宜过大。

图8 平均子网延迟随飞机数量变化曲线Fig.8 Curve of average subnet delay change with number of aircraft

图9 平均重传延迟随飞机数量变化曲线Fig.9 Curve of average retransmission delay change with number of aircraft

第2组仿真得出平均子网延迟随窗口大小变化曲线如图10所示，平均子网延迟随系统实供负载变化曲线如图11所示，本组中TM1设为0.5 ms。由图10可知，窗口增大时，平均子网延迟减小，当窗口从1增加到3时，延迟减小幅度很大，之后相对平稳。这是因为窗口越大，可以连续发送的帧就越多，等待排队的时间就越短，从而减小了延迟时间。当窗口大小相同时，60架飞机的子网要比30架飞机的子网延迟大。在飞机数量为90架，窗口大小为4的情况下，通过改变飞机节点模型中的包生成模块的设置得到不同的实供负载值，从图11上可以看出下行链路延迟大于上行链路延迟，当平均子网延迟在3 s时，上行链路的实供负载值为0.63，而下行链路实供负载值为0.68，当实际负载接近1时，平均子网延迟基本在10 s以上。

图10 平均子网延迟随窗口大小变化曲线Fig.10 Curve of average subnet change with window size

图11 平均子网延迟随实供负载变化曲线Fig.11 Curve of average subnet change with offered load

第3组仿真得出丢包率随系统实供负载变化曲线如图12所示，吞吐量随系统实供负载变化曲线如图13所示，本组中TM1为0.5 ms，飞机数量为90架，窗口大小为4。由图12可知，当系统实供负载小于0.34时，数据包发送成功概率在90%以上，当实供负载小于0.62时，约有80%以上的数据包发送成功，但当实供负载在1附近时，几乎有40%的数据包会丢失。图13说明，在实供负载小于1的范围内，系统吞吐量和实供负载的确是同时增减的变化趋势，只是在实供负载小于0.65之前吞吐量增加比较快，之后就比较缓慢了，而且当实供负载超过1时，随着实供负载的增加，吞吐量反而减小。

图12 丢包率随实供负载变化曲线Fig.12 Curve of packet lossing ratio change with offered load

图13 吞吐量随实供负载变化曲线Fig.13 Curve of throughput change with offered load

4 结语

本文使用OPNET从网络域、节点域和进程域出发，搭建了新的VDL2系统仿真平台，分析了平均子网和重传延迟与飞机数量之间的关系，以及平均子网延迟随发送窗口大小以及系统实供负载变化的关系，系统实供负载与数据包发送成功概率和系统吞吐量之间的关系。结果表明：飞机数量对系统的平均子网和重传延迟影响较大，随着飞机数量的增加延迟增长显著，且TM1取值不宜过大；平均子网延迟随窗口增大而减小，之后相对平稳，且当窗口大小一定时，飞机数量多的子网比飞机数量少的子网延迟大；当系统实供负载小于0.63时，才满足子网延迟在3 s以内；当系统实供负载小于0.62时，数据包发送成功概率在80%以上，但当实供负载在1附近时，数据包会丢失较多；在系统实供负载小于0.65时，吞吐量随着实供负载的增加而明显增加，超过1之后迅速下降。因此，为了获得良好的系统传输性能，实供负载应不大于0.65。

为达到最佳性能指标，还需深入探究实供负载与各变量之间的精确关系。进一步完善此模型还可用来仿真各参数对地面站间移交性能的影响，这对VDL2系统的深入开发应用具有重要的参考价值。

[1] 王晓琳，张学军，贾旭光.甚高频数据链模式2网络仿真分析[J].系统仿真学报，2006，18（3）：638-642.

[2] 贾旭光，张学军，张 军.航空甚高频数据链模式二：建模及仿真研究[J].系统仿真学报，2007，19（21）：5046-5050.

[3]ICAO VDL-2 Standards and Recommended Practices（SARPS）[S].

[4] 张 军.现代空中交通管理[M].北京：北京航空航天大学出版社，2005：28-49.

[5] ICAO Annex 10.Aeronautical Telecommunications[S].Volume III Part I：Digital Data Communication Systems.

[6] 李 馨，叶 明.OPNET Modeler网络建模与仿真[M].西安：西安电子科技大学出版社，2006.

[7]ICAO.Doc 9776-AN/970，Manual on VHF Digital Link（VDL）Mode 2[S].2001.

[8] 韩亚启，张学军，张 军.甚高频数据链模式二协议参数仿真研究[J].计算机仿真，2006，23（11）：66-70.

[9] HUANG B T.Modeling and Simulation of an Aeronautical CSMA Subnetwork[C]//OPNETWORK.U S:The MITRE Corporation，2001.