基于OPNET的VDL2系統(tǒng)傳輸性能仿真研究

李冬霞，葉倩文

（中國(guó)民航大學(xué)天津市智能信號(hào)與圖像處理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300300）

目前，國(guó)內(nèi)航空業(yè)界所使用的空地?cái)?shù)據(jù)通信系統(tǒng)以ACARS數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)為主，但其傳輸容量不足，無法滿足未來民航通信發(fā)展的需求。VDL2系統(tǒng)作為航空電信網(wǎng)絡(luò)（ATN）所支持的甚高頻數(shù)據(jù)鏈子網(wǎng)之一，具有對(duì)現(xiàn)有及未來ATN良好的兼容特性，傳輸容量是ACARS系統(tǒng)的10多倍，已被確定為中國(guó)下一代民航空地?cái)?shù)據(jù)通信的主要方式，并已啟動(dòng)全面的建設(shè)工作。因此，非常有必要對(duì)該系統(tǒng)的傳輸性能進(jìn)行仿真研究。

關(guān)于VDL2系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置和性能分析已有一定的研究，如文獻(xiàn)[1]分析了飛機(jī)數(shù)量和報(bào)文特性對(duì)系統(tǒng)吞吐量及系統(tǒng)延遲的影響，文獻(xiàn)[2]分析了飛機(jī)數(shù)量對(duì)平均MAC子層延遲和平均鏈路層延遲的影響，文獻(xiàn)[1-2]都分析了系統(tǒng)實(shí)供負(fù)載對(duì)信道效率的影響，大致得出當(dāng)系統(tǒng)實(shí)供負(fù)載位于（0.3，0.7）區(qū)間內(nèi)時(shí)，VDL2系統(tǒng)的傳輸性能最佳。但沒有分析和研究飛機(jī)數(shù)量對(duì)平均重傳延遲的影響，發(fā)送窗口大小對(duì)平均子網(wǎng)延遲的影響，以及系統(tǒng)實(shí)供負(fù)載與平均子網(wǎng)延遲和包發(fā)送成功概率的關(guān)系，為此，本文針對(duì)這些重要的性能關(guān)系詳細(xì)進(jìn)行了研究與仿真。

1 VDL2系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

VDL2系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)定義在ICAO的VDL2SARPs中[3]，其系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)大致可以分為：物理層、MAC子層、DLS子層、VME子層和子網(wǎng)層，如圖1所示。

圖1 VDL2系統(tǒng)子層結(jié)構(gòu)Fig.1 Sub-layer architecture of VDL2 system

物理層實(shí)現(xiàn)基本的收發(fā)功能。MAC子層利用P堅(jiān)持載波偵聽多址訪問（P-CSMA）算法控制對(duì)信道的共享，以及進(jìn)行信道擁塞檢測(cè)。DLS子層利用航空甚高頻鏈路控制（AVLC）協(xié)議支持面向比特的空地通信。數(shù)據(jù)鏈路實(shí)體（DLE）可提供面向連接的點(diǎn)到點(diǎn)鏈路[4]。每個(gè)通信實(shí)體將產(chǎn)生一個(gè)VME，每條鏈路存在一個(gè)鏈路管理實(shí)體（LME），對(duì)該條鏈路進(jìn)行建立和管理。對(duì)于每個(gè)LME都有一個(gè)DLE與之對(duì)應(yīng)。子網(wǎng)層按照ISO8208協(xié)議在飛機(jī)和地面站之間提供數(shù)據(jù)報(bào)文傳輸服務(wù)[5]。

2 基于OPNET的VDL2系統(tǒng)建模

本文仿真選擇在OPNET Modeler平臺(tái)下實(shí)現(xiàn)，按照分層建模機(jī)制，完整的系統(tǒng)建模在網(wǎng)絡(luò)域、節(jié)點(diǎn)域和進(jìn)程域中實(shí)現(xiàn)。

2.1 網(wǎng)絡(luò)域建模

網(wǎng)絡(luò)域建模需要建立兩種類型的節(jié)點(diǎn)，地面站節(jié)點(diǎn)與飛機(jī)節(jié)點(diǎn)。本次仿真子網(wǎng)層設(shè)計(jì)一個(gè)地面站節(jié)點(diǎn)，在其200 km范圍內(nèi)隨機(jī)分布若干架飛機(jī)，本仿真系統(tǒng)最多設(shè)置150架飛機(jī)，每增加10架設(shè)置一個(gè)仿真場(chǎng)景，包長(zhǎng)度設(shè)為256 bit，包更新速率為4 s/次，各飛機(jī)節(jié)點(diǎn)與地面站節(jié)點(diǎn)進(jìn)行雙向?qū)崟r(shí)通信，仿真時(shí)間為12 h，VDL2系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)域建模如圖2所示。

2.2 節(jié)點(diǎn)域建模

圖2 VDL2系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)域建模Fig.2 Network field modeling of VDL2 system

每個(gè)節(jié)點(diǎn)代表了一個(gè)實(shí)際的通信實(shí)體，即飛機(jī)或者地面站。飛機(jī)節(jié)點(diǎn)建模如圖3所示，包括：包生成模塊PK_gen，產(chǎn)生與VDL2中幀格式對(duì)應(yīng)的信息包，發(fā)送給DLS模塊和VME模塊；位置設(shè)置模塊position，通過改變飛機(jī)的高度和經(jīng)緯度實(shí)現(xiàn)飛機(jī)移動(dòng)；DLS模塊執(zhí)行DLS子層的AVLC協(xié)議；MAC模塊執(zhí)行PCSMA算法；物理層包括發(fā)射模塊（VDL_tx）、接收模塊（VDL_rx）及信道模塊（channel_exchange）。地面站節(jié)點(diǎn)模型和飛機(jī)節(jié)點(diǎn)模型執(zhí)行相同的協(xié)議，因此兩種節(jié)點(diǎn)模型類似，差別僅僅是地面站節(jié)點(diǎn)沒有位置設(shè)置模塊。

圖3 飛機(jī)節(jié)點(diǎn)建模Fig.3 Aircraft node modeling

2.3 進(jìn)程域建模

節(jié)點(diǎn)域中的功能模塊往往包含一個(gè)或多個(gè)進(jìn)程，而每一個(gè)進(jìn)程模型由一個(gè)或多個(gè)有限狀態(tài)機(jī)（FSM）模型組成，使用FSM來描述進(jìn)程的邏輯行為[6]。因此，進(jìn)程域的建模過程就是建立FSM模型的過程。根據(jù)文獻(xiàn)[7]中對(duì)各子層的功能描述，建立MAC、DLS及VME進(jìn)程模型。

2.3.1 物理層建模

物理層包括收發(fā)模塊和信道模塊。其中無線收發(fā)信機(jī)模塊采用D8PSK調(diào)制方式，不考慮切換情況下工作信道頻率固定為118 MHz，通用信號(hào)信道（CSC）頻率為136.975 MHz，由channel_exchange模塊實(shí)現(xiàn)兩信道間的切換。信道傳輸速率為31.5 kbps，信道帶寬為25 kHz。采用無線收發(fā)信機(jī)的管道特性（pineline）模擬物理傳輸信道[8]。

2.3.2 MAC子層建模

MAC子層從DLS子層接收幀，傳輸時(shí)執(zhí)行PCSMA算法來控制對(duì)信道的訪問。由于一個(gè)地面站要與多個(gè)飛機(jī)通信，地面站的信道訪問概率P應(yīng)該比飛機(jī)大很多，這樣才能減少延遲。本文在設(shè)置信道訪問概率時(shí)，地面站P設(shè)置為90/256、飛機(jī)P設(shè)置為13/256。最大訪問次數(shù)M1設(shè)置為135、信號(hào)忙計(jì)時(shí)器TM2設(shè)置為60 s。MAC進(jìn)程建模如圖4所示。

圖4 MAC進(jìn)程建模Fig.4 MAC process modeling

2.3.3 DLS子層建模

DLS子層執(zhí)行點(diǎn)到點(diǎn)的AVLC通信協(xié)議，允許通信的任意一方發(fā)起通信，負(fù)責(zé)信息包的封裝、流控制、糾檢錯(cuò)和認(rèn)證。DLS子層將接收的數(shù)據(jù)包發(fā)送到MAC子層，每個(gè)發(fā)送幀都需要在T2時(shí)間內(nèi)進(jìn)行確認(rèn)，模型中設(shè)置了重傳計(jì)時(shí)器T1，如果計(jì)時(shí)器到期仍未收到應(yīng)答信息，則重傳該幀。確認(rèn)前延遲T2設(shè)置為500 ms，最大重傳次數(shù)N2設(shè)置為6。本系統(tǒng)模型中，設(shè)計(jì)由DLS父進(jìn)程喚醒子進(jìn)程，實(shí)現(xiàn)幀監(jiān)督和重傳功能。DLS父進(jìn)程建模和子進(jìn)程建模如圖5和圖6所示。

2.3.4 VME子層建模

VME子層實(shí)現(xiàn)鏈路的建立、維護(hù)、移交和釋放功能。本文采用飛機(jī)發(fā)起鏈路建立命令，地面站需在鏈路初始化時(shí)長(zhǎng)T3超時(shí)前對(duì)此命令做出響應(yīng)，否則飛機(jī)重發(fā)命令，重發(fā)次數(shù)應(yīng)不超過N2。VME進(jìn)程建模如圖7所示。

圖5 DLS父進(jìn)程建模Fig.5 DLS parent process modeling

圖6 DLS子進(jìn)程建模Fig.6 DLS child process modeling

圖7 VME進(jìn)程建模Fig.7 VME process modeling

3 VDL2系統(tǒng)仿真及結(jié)果分析

基于上文所建立的VDL2系統(tǒng)模型，本文進(jìn)行3組仿真：第1組仿真平均子網(wǎng)延遲和重傳延遲隨飛機(jī)數(shù)量變化的關(guān)系；第2組仿真平均子網(wǎng)延遲隨窗口大小以及系統(tǒng)實(shí)供負(fù)載變化的關(guān)系；第3組仿真丟包率隨系統(tǒng)實(shí)供負(fù)載變化的關(guān)系和吞吐量隨系統(tǒng)實(shí)供負(fù)載變化的關(guān)系。

第1組仿真得出平均子網(wǎng)延遲隨飛機(jī)數(shù)量變化曲線如圖8所示，平均重傳延遲隨飛機(jī)數(shù)量變化曲線如圖9所示，本組中窗口大小為4。因?yàn)榈孛嬲竟?jié)點(diǎn)采用的信道訪問概率P比飛機(jī)節(jié)點(diǎn)大，所以可以從圖8看出，下行鏈路延遲要大于上行鏈路延遲，且上下行鏈路延遲隨著飛機(jī)數(shù)量的增多而增大，兩者間的差距也隨之變大。按照民航信息發(fā)送的實(shí)時(shí)性要求，報(bào)文的平均發(fā)送延遲需在3 s以內(nèi)[9]，由圖9可知，當(dāng)飛機(jī)數(shù)量在30～90架時(shí)，訪問中延遲計(jì)時(shí)器TM1=4.5 ms時(shí)的重傳延遲至少為3 s，TM1=0.5 ms時(shí)的重傳延遲小于2 s。當(dāng)飛機(jī)數(shù)量增加到90架時(shí)，TM1由4.5 ms減少到0.5 ms，平均重傳延遲至少減少了2 s。TM1是影響重傳延遲的重要部分，取值不宜過大。

圖8 平均子網(wǎng)延遲隨飛機(jī)數(shù)量變化曲線Fig.8 Curve of average subnet delay change with number of aircraft

圖9 平均重傳延遲隨飛機(jī)數(shù)量變化曲線Fig.9 Curve of average retransmission delay change with number of aircraft

第2組仿真得出平均子網(wǎng)延遲隨窗口大小變化曲線如圖10所示，平均子網(wǎng)延遲隨系統(tǒng)實(shí)供負(fù)載變化曲線如圖11所示，本組中TM1設(shè)為0.5 ms。由圖10可知，窗口增大時(shí)，平均子網(wǎng)延遲減小，當(dāng)窗口從1增加到3時(shí)，延遲減小幅度很大，之后相對(duì)平穩(wěn)。這是因?yàn)榇翱谠酱螅梢赃B續(xù)發(fā)送的幀就越多，等待排隊(duì)的時(shí)間就越短，從而減小了延遲時(shí)間。當(dāng)窗口大小相同時(shí)，60架飛機(jī)的子網(wǎng)要比30架飛機(jī)的子網(wǎng)延遲大。在飛機(jī)數(shù)量為90架，窗口大小為4的情況下，通過改變飛機(jī)節(jié)點(diǎn)模型中的包生成模塊的設(shè)置得到不同的實(shí)供負(fù)載值，從圖11上可以看出下行鏈路延遲大于上行鏈路延遲，當(dāng)平均子網(wǎng)延遲在3 s時(shí)，上行鏈路的實(shí)供負(fù)載值為0.63，而下行鏈路實(shí)供負(fù)載值為0.68，當(dāng)實(shí)際負(fù)載接近1時(shí)，平均子網(wǎng)延遲基本在10 s以上。

圖10 平均子網(wǎng)延遲隨窗口大小變化曲線Fig.10 Curve of average subnet change with window size

圖11 平均子網(wǎng)延遲隨實(shí)供負(fù)載變化曲線Fig.11 Curve of average subnet change with offered load

第3組仿真得出丟包率隨系統(tǒng)實(shí)供負(fù)載變化曲線如圖12所示，吞吐量隨系統(tǒng)實(shí)供負(fù)載變化曲線如圖13所示，本組中TM1為0.5 ms，飛機(jī)數(shù)量為90架，窗口大小為4。由圖12可知，當(dāng)系統(tǒng)實(shí)供負(fù)載小于0.34時(shí)，數(shù)據(jù)包發(fā)送成功概率在90%以上，當(dāng)實(shí)供負(fù)載小于0.62時(shí)，約有80%以上的數(shù)據(jù)包發(fā)送成功，但當(dāng)實(shí)供負(fù)載在1附近時(shí)，幾乎有40%的數(shù)據(jù)包會(huì)丟失。圖13說明，在實(shí)供負(fù)載小于1的范圍內(nèi)，系統(tǒng)吞吐量和實(shí)供負(fù)載的確是同時(shí)增減的變化趨勢(shì)，只是在實(shí)供負(fù)載小于0.65之前吞吐量增加比較快，之后就比較緩慢了，而且當(dāng)實(shí)供負(fù)載超過1時(shí)，隨著實(shí)供負(fù)載的增加，吞吐量反而減小。

圖12 丟包率隨實(shí)供負(fù)載變化曲線Fig.12 Curve of packet lossing ratio change with offered load

圖13 吞吐量隨實(shí)供負(fù)載變化曲線Fig.13 Curve of throughput change with offered load

4 結(jié)語

本文使用OPNET從網(wǎng)絡(luò)域、節(jié)點(diǎn)域和進(jìn)程域出發(fā)，搭建了新的VDL2系統(tǒng)仿真平臺(tái)，分析了平均子網(wǎng)和重傳延遲與飛機(jī)數(shù)量之間的關(guān)系，以及平均子網(wǎng)延遲隨發(fā)送窗口大小以及系統(tǒng)實(shí)供負(fù)載變化的關(guān)系，系統(tǒng)實(shí)供負(fù)載與數(shù)據(jù)包發(fā)送成功概率和系統(tǒng)吞吐量之間的關(guān)系。結(jié)果表明：飛機(jī)數(shù)量對(duì)系統(tǒng)的平均子網(wǎng)和重傳延遲影響較大，隨著飛機(jī)數(shù)量的增加延遲增長(zhǎng)顯著，且TM1取值不宜過大；平均子網(wǎng)延遲隨窗口增大而減小，之后相對(duì)平穩(wěn)，且當(dāng)窗口大小一定時(shí)，飛機(jī)數(shù)量多的子網(wǎng)比飛機(jī)數(shù)量少的子網(wǎng)延遲大；當(dāng)系統(tǒng)實(shí)供負(fù)載小于0.63時(shí)，才滿足子網(wǎng)延遲在3 s以內(nèi)；當(dāng)系統(tǒng)實(shí)供負(fù)載小于0.62時(shí)，數(shù)據(jù)包發(fā)送成功概率在80%以上，但當(dāng)實(shí)供負(fù)載在1附近時(shí)，數(shù)據(jù)包會(huì)丟失較多；在系統(tǒng)實(shí)供負(fù)載小于0.65時(shí)，吞吐量隨著實(shí)供負(fù)載的增加而明顯增加，超過1之后迅速下降。因此，為了獲得良好的系統(tǒng)傳輸性能，實(shí)供負(fù)載應(yīng)不大于0.65。

為達(dá)到最佳性能指標(biāo)，還需深入探究實(shí)供負(fù)載與各變量之間的精確關(guān)系。進(jìn)一步完善此模型還可用來仿真各參數(shù)對(duì)地面站間移交性能的影響，這對(duì)VDL2系統(tǒng)的深入開發(fā)應(yīng)用具有重要的參考價(jià)值。

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