半实物仿真技术在流星突发通信中的应用

于晓磊，王昕羽，宋建明，侯 静

(1.中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081；2.西北工业大学 电子信息学院，陕西 西安 710072)

半实物仿真技术在流星突发通信中的应用

于晓磊1，王昕羽1，宋建明1，侯 静2

(1.中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081；2.西北工业大学 电子信息学院，陕西 西安 710072)

针对网络仿真工具在流星突发组网协议仿真方面的不足，提出了应用OPNET的SITL模块来构建流星突发组网协议仿真平台的设计。根据系统在环原理，对包从虚拟到真实和从真实到虚拟的过程进行了分析，并针对流星突发通信信道和流星突发通信网协议的特殊性，对流星突发通信网采用OPNET软件进行建模仿真，实现了物理设备和OPNET仿真网络的互联。完成了仿真实验并收集了网络中数据包的传输时延和信息通过量，仿真结果表明，半实物仿真平台对流星突发通信网的仿真真实、可信。

SITL；半实物仿真；流星突发通信；OPNET仿真建模

0 引言

半实物仿真技术在通信领域中发挥着越来越明显的作用。半实物仿真是指在计算机仿真回路中融入物理设备或系统来进行仿真，计算机仿真可以在不使用大量物理设备的前提下来模拟大规模物理系统，物理设备或系统为计算机仿真提供必要的条件和结果验证，很大程度上提高了计算机仿真的真实性和可靠性。

流星突发通信是利用流星高速进入大气层时摩擦、燃烧而形成的电离余迹对VHF电波的反射或散射作用而实现远距离通信的一种超视距无线通信方式[1]。它不受电离层干扰、核爆和太阳黑子爆发等恶劣电磁环境的影响，可有效保障最低限度通信和应急通信指挥[2]。以往对流星余迹通信的研究大多是信道特性分析，对组网方式的研究较少。

在流星余迹通信系统网络结构研究的基础上[3]，利用OPNET半实物仿真模块SITL建立网络模型，并在网络模型中加入流星余迹信道模型，对采用退N重传协议的网络输入不同参数进行仿真分析[4]，得到系统具有最大网络吞吐量和最小发数据包时延的条件，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[5]。

1 SITL仿真原理

SITL模块为OPNET上运行的仿真网络与物理网络的连接提供了接口，它能扩展OPNET的功能，分析物理硬件与OPNET离散时间仿真之间的相互作用。数据包以真实数据包与虚拟数据包的形式流转于仿真网络和物理网络。通过SITL模块，物理硬件和仿真软件可以结合成统一的系统[6-7]。

SITL模块通过虚拟网关模型和虚拟链路模型将真实的物理设备连接到虚拟的仿真环境中，使得真实的物理设备成为仿真系统的一部分，如图1所示。对于发送给仿真系统的数据包，SITL模块通过winpcap抓包软件把它们从网卡捕获，然后OPNET仿真核心把它们转换成OPNET可识别处理的格式，当SITL接收到完整的数据包，就把这些数据包的关键信息传递给仿真中的网络节点。最后各个节点还可把自己的仿真结果或参数通过socket通信回传给物理设备。

图1 半实物仿真模拟

2 流星突发信道及流星突发通信网协议

2.1 流星突发信道

通常流星余迹分为欠密余迹和过密余迹2种[8]。虽然过密余迹(信号持续时间也较长，据数据统计约1～5 s)反射信号能力强，但由于欠密余迹(据数据统计，其信号持续时间约200 ms，其强度比过密型约低10 dB)的发生概率远远大于过密余迹；而且在任何辐射频率下，都可以把欠密余迹看作是几乎不使入射波波前畸变的、互不相关的能量散射体，所以流星余迹通信更多的是依靠欠密余迹的散射来实现的[9]。根据欠密流星信道公式(式(1))和流星等待时间公式(式(2))及长期试验数据得到的流星到达率(MR)和可以通信的时间百分比(DC)的值来设置信道突发时间间隔和突发持续时间，用Matlab生成24 h类似于流余信道的信道参数[10]，并根据这些参数设置OPNET仿真中无线信道的各项参数[11]。

(1)

式中，PR表示接收到的功率电平；P0表示接收到某个余迹反射电波的初始功率电平；τ表示功率电平衰减常数，由信道参数决定。

P=1-e-Mt。

(2)

式中，P为流星在时间t内出现的概率；M为流星密度或每小时流星突发数量；t为时间。

2.2 流星突发通信网协议

2.2.1 主站和主站之间的全双工通信

主站和主站之间采用全双工通信模式[12]，2个主站可以同时发送探测，当探测到信道存在后，根据通信协议发送数据信息；同时把收到的数据记录到缓存中，把要发送的数据包放置到发送队列中去。当信道消失后，通信双方又回到探测模式。

2.2.2 主站和从站之间的半双工通信

主站和从站之间采用半双工通信，主站主动发起探测，从站则只有在收到探测信号后才能回传应答和信息。

2.2.3 自适应变数率算法

协议根据接收端的信噪比变化支持从4～64 kbit/s的自适应变速率通信模式[13]。

2.2.4 退N重传算法

假定仿真中每个通信时隙，节点发送一个数据分组，传输过程中分组3接收错误，则接收节点向发送节点回复错误标志，发送节点接收到错误标志后，无论已发送到哪个分组，都从错误分组3按顺序重新发送[14]，如图2所示。

图2 退N重传机制示意

3 OPNET仿真建模

根据流星余迹系统体系结构特点和OPNET建模方式，主要有主站节点和从站节点这2类节点，二者模型相同，只不过其中的协议不同。将流星余迹通信系统仿真模型分为数据源模块、接收统计模块、网络层模块、链路层模块、发信机模块、收信机模块和天线这7个模块。节点模型如图3所示。

图3 流星突发通信网节点模型

4 运用监控界面仿真分析验证

物理设备的监控界面用以设置流星突发通信网协议参数并将参数组包通过socket通信发送到OPNET仿真设备，仿真设备通过SITL模块将参数包解析成仿真软件能读取的包格式并运行仿真程序。监控界面如图4所示。

图4 参数设置界面

OPNET仿真设备运行过程中可通过socket通信实时地将仿真统计数据发送到物理设备的监控界面并成图显示，如图5所示。

图5 图像显示界面

图5中最上段为端到端延迟，此次仿真最大值为600 s，即10 min，一条竖线的情况代表来了颗大流星；中间段为信息通过量，可见其随着时间的变化而逐步增大，最终信息通过量为56 kbit；最下段为瞬时通过量，因为最小包的帧长为120 bit，所以图像为一条水平的直线，有点的时刻代表有流星通过。

5 结束语

本文主要研究了半实物网络仿真中真实数据包与仿真数据包转换接口的原理，介绍了利用SITL进行数据包转换的方法，并以流星突发通信网协议为基础，按照物理设备—仿真网络模式构建半实物仿真平台，在物理设备端向虚拟网络端发送各种参数数据包并成功收到了仿真结果数据包，验证了物理设备可以与OPNET中的虚拟网络互联通信。收集了流星突发通信网中数据包传输延迟和信息通过量，结果表明SITL半实物仿真有效地提高了流星突发通信网仿真的可信度，降低了实验、测试的成本，为大规模流星突发通信网系统的研究提供客观、可靠的依据。

[1] 张更新.流星余迹突发通信[J].军事通信技术,2004,25(3):23-28.

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[14] 荀立军，杨 斌，王 伟，等.流星突发通信中的信道研究[J].无线电工程，2004，34(11)：48-50.

于晓磊 男，(1983—)，工程师。主要研究方向：数字通信。

宋建明 男，(1982—)，硕士，高级工程师。主要研究方向：数字通信。

An Application of the Semi-physical Simulation Technique in Meteor Burst Communication

YU Xiao-lei1，WANG Xin-yu1，SONG Jian-ming1，HOU Jing2

(1.The54thResearchInstituteofCETC，ShijiazhuangHebei050081，China;2.SchoolofElectronicInformation，NorthwesternPolytechnicalUniversity，Xi’anShaanxi710072，China)

In order to overcome the deficiency of meteor burst network，this paper introduced a method of SITL construct simulation platform to support the network protocol of meteor burst.Based on the theory of system-in-loop，this paper analyses the packet from virtue to reality and its reverse process，models the network of meteor burst for the particularity of its protocol and the meteor channel，achieves the interconnection of physical equipment and OPNET simulation network.Finally,OPNET simulation experiment is performed and packet transmission delay and network throughput are collected.Simulation results indicate that our modelling results of the meteor burst network on the semi-physical simulation platform are true and trusted.

SITL;semi-physical simulation;meteor burst communication;OPNET modeling

10.3969/j.issn.1003-3106.2017.01.04

于晓磊,王昕羽,宋建明,等.半实物仿真技术在流星突发通信中的应用[J].无线电工程,2017,47(1):16-18.

2016-11-22

国家部委基金资助项目。

TP391.9

A

1003-3106(2017)01-0016-03