一種基于OPNET的時(shí)分多址無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)時(shí)間評(píng)估方法

李翰林,裴 江,陳傳良

(中國(guó)船舶集團(tuán)有限公司第八研究院,南京 211153)

0 引 言

隨著軍事通信中信息化水平的提高和泛在互聯(lián)應(yīng)用需求的增加,無(wú)線通信系統(tǒng)呈現(xiàn)出全方位、多元化、專業(yè)化趨勢(shì)。以往單純依靠設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行規(guī)劃設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備與網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的方式效率較低,一體化的軍事信息系統(tǒng)需要能夠預(yù)測(cè)網(wǎng)絡(luò)性能、預(yù)估通信網(wǎng)絡(luò)中關(guān)鍵指標(biāo)的技術(shù)手段,網(wǎng)絡(luò)仿真能夠根據(jù)應(yīng)用要求和評(píng)價(jià)指標(biāo)設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)模型,分析并驗(yàn)證網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)方案,可為實(shí)物系統(tǒng)的研發(fā)提供很好的技術(shù)支撐,是目前得到廣泛應(yīng)用的通信網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃設(shè)計(jì)方法。

網(wǎng)絡(luò)仿真軟件OPNET是由美國(guó)OPNET Technology公司開(kāi)發(fā)的大型通信與計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)仿真軟件包,為通信網(wǎng)和分布式系統(tǒng)的模擬提供了全方位的支持,是目前先進(jìn)的網(wǎng)絡(luò)仿真開(kāi)發(fā)和應(yīng)用平臺(tái)之一。大量研究使用基于該軟件的網(wǎng)絡(luò)仿真技術(shù)對(duì)通信網(wǎng)絡(luò)性能進(jìn)行評(píng)估[1-4]。

在無(wú)線自組織網(wǎng)絡(luò)中,當(dāng)各個(gè)節(jié)點(diǎn)獨(dú)立啟動(dòng)后,按照協(xié)議與其他節(jié)點(diǎn)形成網(wǎng)絡(luò),并展開(kāi)通信;無(wú)線自組織網(wǎng)絡(luò)具有自組織和網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋭?dòng)態(tài)變化的特點(diǎn);可靠的組網(wǎng)時(shí)間對(duì)保證此類網(wǎng)絡(luò)有效運(yùn)行十分重要。本文采用軟件OPNET,基于實(shí)物通信節(jié)點(diǎn)軟硬件建立了網(wǎng)絡(luò)仿真模型,利用仿真結(jié)果統(tǒng)計(jì)評(píng)估某項(xiàng)目中通信網(wǎng)絡(luò)的性能,預(yù)測(cè)該通信網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)時(shí)間。

1 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議概述

本文網(wǎng)絡(luò)采用基于TDMA接入的延遲確定性網(wǎng)絡(luò)協(xié)議,并通過(guò)自組織發(fā)現(xiàn)和搜索構(gòu)建集中式多跳網(wǎng)狀拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

網(wǎng)絡(luò)按照周期運(yùn)行,每個(gè)執(zhí)行周期劃分為5個(gè)幀,每一幀劃分為固定個(gè)數(shù)的定長(zhǎng)時(shí)隙,每個(gè)時(shí)隙劃分若干微時(shí)隙(Mini Slots),微時(shí)隙沒(méi)有固定長(zhǎng)度,其長(zhǎng)度由各個(gè)時(shí)隙擁有節(jié)點(diǎn)根據(jù)業(yè)務(wù)長(zhǎng)度決定。

全網(wǎng)分為中心節(jié)點(diǎn)與普通節(jié)點(diǎn)2類。中心節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)全網(wǎng)態(tài)勢(shì)統(tǒng)一、維護(hù)與下發(fā),同時(shí)根據(jù)統(tǒng)一態(tài)勢(shì)完成時(shí)隙資源的統(tǒng)一分配;當(dāng)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)融合時(shí),由中心節(jié)點(diǎn)根據(jù)融合準(zhǔn)則授權(quán)網(wǎng)間橋接節(jié)點(diǎn)進(jìn)行融合流程;當(dāng)組網(wǎng)完成后,全網(wǎng)只有一個(gè)中心節(jié)點(diǎn)存在。網(wǎng)絡(luò)中的其他節(jié)點(diǎn)為普通節(jié)點(diǎn),具備中心節(jié)點(diǎn)的計(jì)算能力,但由于全網(wǎng)態(tài)勢(shì)等原因,主要用于完成信息收發(fā)及路由轉(zhuǎn)發(fā)任務(wù)。

中心節(jié)點(diǎn)根據(jù)業(yè)務(wù)需求及鏈路實(shí)際將時(shí)隙分配給所需的網(wǎng)內(nèi)節(jié)點(diǎn),中心節(jié)點(diǎn)定期發(fā)送信標(biāo)(beacon),以進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)管理和新節(jié)點(diǎn)掃描發(fā)現(xiàn)等功能。

網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧規(guī)劃采用網(wǎng)絡(luò)層、Mac層和物理層三層架構(gòu):網(wǎng)絡(luò)層主要負(fù)責(zé)態(tài)勢(shì)管理、網(wǎng)絡(luò)維護(hù)、路由管理以及資源調(diào)度,實(shí)際硬件系統(tǒng)中主要在CPU處理器中實(shí)現(xiàn);Mac層主要負(fù)責(zé)完成重傳機(jī)制、數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)、優(yōu)先級(jí)控制、傳輸隊(duì)列、時(shí)隙控制、收發(fā)控制以及波束控制,在實(shí)際硬件系統(tǒng)中通過(guò)CPU和FPGA聯(lián)合實(shí)現(xiàn);物理層主要負(fù)責(zé)完成控制信道、窄帶、寬帶信道的調(diào)制解調(diào)和編解碼等處理,在實(shí)際硬件系統(tǒng)中由FPGA和數(shù)字陣列天線實(shí)現(xiàn)。

2 節(jié)點(diǎn)組網(wǎng)流程

2.1 節(jié)點(diǎn)狀態(tài)與轉(zhuǎn)換規(guī)則

節(jié)點(diǎn)組網(wǎng)包含孤立節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)與網(wǎng)絡(luò)融合兩種情況,在兩種組網(wǎng)情況下存在以下4種節(jié)點(diǎn)狀態(tài):

(1)孤立節(jié)點(diǎn)。節(jié)點(diǎn)開(kāi)機(jī)時(shí)的默認(rèn)狀態(tài),執(zhí)行入網(wǎng)流程;

(2)普通入網(wǎng)節(jié)點(diǎn)。節(jié)點(diǎn)已入網(wǎng),且不負(fù)責(zé)維護(hù)全網(wǎng)的時(shí)隙分配和態(tài)勢(shì);

(3)中心節(jié)點(diǎn)。節(jié)點(diǎn)已入網(wǎng),且負(fù)責(zé)維護(hù)全網(wǎng)的時(shí)隙分配和態(tài)勢(shì);

(4)休眠節(jié)點(diǎn)。節(jié)點(diǎn)已入網(wǎng),且處于網(wǎng)絡(luò)融合過(guò)程中,等待主網(wǎng)絡(luò)的激活beacon。

節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)移規(guī)則如圖1所示。

2.2 節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)流程

節(jié)點(diǎn)開(kāi)機(jī)后進(jìn)入孤立節(jié)點(diǎn)狀態(tài),孤立節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)可分為兩種情況,如圖2所示。在圖2(a)中,孤立節(jié)點(diǎn)與中心節(jié)點(diǎn)完成認(rèn)證流程,中心節(jié)點(diǎn)可直接為該孤立節(jié)點(diǎn)分配節(jié)點(diǎn)號(hào)和時(shí)隙;在圖2(b)中,孤立節(jié)點(diǎn)與普通入網(wǎng)節(jié)點(diǎn)完成認(rèn)證流程,普通入網(wǎng)節(jié)點(diǎn)將認(rèn)證結(jié)果發(fā)送給中心節(jié)點(diǎn),中心節(jié)點(diǎn)為該孤立節(jié)點(diǎn)分配節(jié)點(diǎn)號(hào)和時(shí)隙。

節(jié)點(diǎn)開(kāi)機(jī)自動(dòng)進(jìn)入孤立節(jié)點(diǎn)狀態(tài)。孤立節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)時(shí)的包交互流程如圖3所示。待入網(wǎng)節(jié)點(diǎn)與網(wǎng)內(nèi)節(jié)點(diǎn)完成握手認(rèn)證與態(tài)勢(shì)信息交互,收到網(wǎng)內(nèi)節(jié)點(diǎn)beacon包,按中心節(jié)點(diǎn)分配的時(shí)隙正常工作,表明入網(wǎng)成功。

圖3 孤立節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)認(rèn)證的包交互流程

2.3 網(wǎng)絡(luò)融合流程

若通信網(wǎng)絡(luò)中包含不同子網(wǎng),則兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)須進(jìn)行融合。網(wǎng)絡(luò)融合可分為4類,如圖4所示,圖中網(wǎng)絡(luò)①表示被融合網(wǎng)絡(luò),網(wǎng)絡(luò)②表示融合網(wǎng)絡(luò),(a)、(b)、(c)、(d)分別對(duì)應(yīng)以下4種情況:被融合網(wǎng)絡(luò)中心節(jié)點(diǎn)與融合網(wǎng)絡(luò)中心節(jié)點(diǎn)交互;被融合網(wǎng)絡(luò)中心節(jié)點(diǎn)與融合網(wǎng)絡(luò)非中心節(jié)點(diǎn)交互;被融合網(wǎng)絡(luò)非中心節(jié)點(diǎn)與融合網(wǎng)絡(luò)中心節(jié)點(diǎn)交互;被融合網(wǎng)絡(luò)非中心節(jié)點(diǎn)與融合網(wǎng)絡(luò)非中心節(jié)點(diǎn)交互。

圖4 網(wǎng)絡(luò)融合的4種情況

網(wǎng)絡(luò)融合分為4個(gè)階段:

(1)網(wǎng)外信息收集階段。當(dāng)普通入網(wǎng)節(jié)點(diǎn)收到網(wǎng)外beacon時(shí),首先決策本網(wǎng)絡(luò)是否融入該網(wǎng)絡(luò)。如果決定融入,普通入網(wǎng)節(jié)點(diǎn)以數(shù)據(jù)包的形式將外網(wǎng)信息發(fā)送給中心節(jié)點(diǎn)。

(2)決策階段。最終的融合決策由中心節(jié)點(diǎn)給出。當(dāng)中心節(jié)點(diǎn)自身收到網(wǎng)外beacon或收到網(wǎng)內(nèi)節(jié)點(diǎn)上報(bào)的beacon信息后,啟動(dòng)定時(shí)器,并保存收到的信息,待定時(shí)器歸零時(shí)根據(jù)收到的網(wǎng)外beacon信息做出融合決策,決策的內(nèi)容包括是否融合、融合的目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)和發(fā)起融合的橋接節(jié)點(diǎn)。

(3)融合認(rèn)證階段。中心節(jié)點(diǎn)做出融合決策之后,設(shè)定靜默標(biāo)記位,在下次組建波控描述字時(shí)發(fā)送靜默beacon包。在組建好靜默beacon包之后設(shè)置節(jié)點(diǎn)狀態(tài)為休眠節(jié)點(diǎn)。靜默beacon包內(nèi)包含融合的目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)號(hào)和橋接節(jié)點(diǎn)地址。網(wǎng)內(nèi)其他節(jié)點(diǎn)收到靜默beacon包后設(shè)定靜默標(biāo)記位,在下次組建波控描述字時(shí)發(fā)送靜默beacon包。與中心節(jié)點(diǎn)一樣,普通入網(wǎng)節(jié)點(diǎn)在組建好靜默beacon包之后設(shè)置節(jié)點(diǎn)狀態(tài)為休眠節(jié)點(diǎn)。所有節(jié)點(diǎn)在進(jìn)入休眠狀態(tài)時(shí)設(shè)定休眠結(jié)束定時(shí)器,如果在定時(shí)器歸零之前仍未收到融合網(wǎng)絡(luò)的激活beacon,表明融合失敗,節(jié)點(diǎn)恢復(fù)以前的狀態(tài)。橋接節(jié)點(diǎn)偵聽(tīng)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的beacon包,并執(zhí)行認(rèn)證流程。

(4)被融合網(wǎng)絡(luò)激活階段。融合網(wǎng)絡(luò)在完成融合認(rèn)證后為被融合網(wǎng)絡(luò)內(nèi)節(jié)點(diǎn)分配節(jié)點(diǎn)號(hào)和時(shí)隙,并通過(guò)beacon廣播。休眠節(jié)點(diǎn)偵聽(tīng)目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)的beacon,如果在其中找到自己的節(jié)點(diǎn)號(hào)和時(shí)隙,則表明該節(jié)點(diǎn)融合成功,修改狀態(tài)為普通入網(wǎng)節(jié)點(diǎn),成為融合網(wǎng)絡(luò)的成員。

在網(wǎng)絡(luò)融合中,橋接節(jié)點(diǎn)和融合網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的節(jié)點(diǎn)交互,分為兩種情況:若橋接節(jié)點(diǎn)與中心節(jié)點(diǎn)完成認(rèn)證流程,中心節(jié)點(diǎn)可直接為被融合網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)分配節(jié)點(diǎn)號(hào)和時(shí)隙,并更新態(tài)勢(shì);若橋接節(jié)點(diǎn)與普通入網(wǎng)節(jié)點(diǎn)完成認(rèn)證流程,普通入網(wǎng)節(jié)點(diǎn)需將被融合網(wǎng)絡(luò)的認(rèn)證情況發(fā)送給中心節(jié)點(diǎn),由中心節(jié)點(diǎn)為被融合網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的節(jié)點(diǎn)分配節(jié)點(diǎn)號(hào)和時(shí)隙。

當(dāng)被融合網(wǎng)絡(luò)中的休眠節(jié)點(diǎn)收到標(biāo)志入網(wǎng)的beacon之后,轉(zhuǎn)換為普通入網(wǎng)節(jié)點(diǎn)狀態(tài)。如果在一定時(shí)間內(nèi)未收到標(biāo)志入網(wǎng)的beacon包,則休眠節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)為原始狀態(tài)(中心節(jié)點(diǎn)或普通入網(wǎng)節(jié)點(diǎn))。

3 仿真建模

本文利用網(wǎng)絡(luò)仿真軟件OPNET,使用其三層建模機(jī)制,自頂向下建立通信網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)域、節(jié)點(diǎn)域、進(jìn)程域模型,并對(duì)節(jié)點(diǎn)開(kāi)機(jī)組網(wǎng)流程進(jìn)行模擬仿真。

3.1 網(wǎng)絡(luò)域模型建立

在網(wǎng)絡(luò)仿真中,網(wǎng)絡(luò)域模型定義各個(gè)通信節(jié)點(diǎn)位置和網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?。一般在OPNET中的子網(wǎng)層級(jí)內(nèi)完成網(wǎng)絡(luò)建模。子網(wǎng)的位置、大小可根據(jù)需求設(shè)定,子網(wǎng)內(nèi)包含若干節(jié)點(diǎn),并可根據(jù)實(shí)際網(wǎng)絡(luò)仿真需要,設(shè)置網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?、?jié)點(diǎn)初始位置及運(yùn)動(dòng)參數(shù)。本文在300 km×300 km范圍內(nèi),利用24個(gè)隨機(jī)分布的通信節(jié)點(diǎn),組成無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò),如圖5所示。

圖5 節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

3.2 節(jié)點(diǎn)域模型建立

節(jié)點(diǎn)模型由進(jìn)程模型構(gòu)成,可以組成完整的協(xié)議棧,真實(shí)反映所建模設(shè)備的特性,其中節(jié)點(diǎn)代表實(shí)際網(wǎng)絡(luò)中各種計(jì)算和通信設(shè)備,節(jié)點(diǎn)參數(shù)代表設(shè)備可選用的協(xié)議模型和設(shè)備性能;各模塊間通過(guò)數(shù)據(jù)包和狀態(tài)信息的傳遞來(lái)進(jìn)行各種操作,進(jìn)而對(duì)設(shè)備功能進(jìn)行模擬。

節(jié)點(diǎn)域建模如圖6所示。按照硬件形態(tài),將通信節(jié)點(diǎn)按照事務(wù)處理器、實(shí)時(shí)邏輯處理器和前端收發(fā)機(jī)3部分進(jìn)行分解,并完成仿真建模:事務(wù)處理器部分通過(guò)使用自行編寫(xiě)的進(jìn)程域模型,構(gòu)建上層業(yè)務(wù)模塊、數(shù)據(jù)分發(fā)模塊、網(wǎng)絡(luò)管理模塊和資源調(diào)度模塊,模擬通信設(shè)備中事務(wù)處理器對(duì)網(wǎng)絡(luò)層與Mac層協(xié)議的實(shí)現(xiàn)。實(shí)時(shí)邏輯處理器部分通過(guò)使用自行編寫(xiě)的進(jìn)程域模型與仿真軟件自帶的無(wú)線收發(fā)信機(jī)模塊,構(gòu)建波控模塊、外部時(shí)間模塊、信號(hào)處理模塊、發(fā)射機(jī)和接收機(jī),模擬通信設(shè)備中實(shí)時(shí)邏輯處理器對(duì)物理層與Mac層的實(shí)現(xiàn)。前端收發(fā)機(jī)部分包括陣列天線,結(jié)合真實(shí)硬件特點(diǎn),編輯OPNET中自帶的天線模型,得到4個(gè)信號(hào)處理模塊對(duì)應(yīng)的4組面陣天線。

圖6 節(jié)點(diǎn)域建模示意圖

3.3 進(jìn)程域節(jié)點(diǎn)模型

進(jìn)程模型的基礎(chǔ)是用有限狀態(tài)機(jī)來(lái)描述各種協(xié)議。有限狀態(tài)機(jī)中各個(gè)狀態(tài)的轉(zhuǎn)移可以描述節(jié)點(diǎn)中所含進(jìn)程的行為,如協(xié)議和算法等。進(jìn)程域包含節(jié)點(diǎn)域中各功能模塊的具體實(shí)現(xiàn)。

本文進(jìn)程域主要包含如下核心進(jìn)程模塊:信號(hào)處理模塊、波束控制模塊、資源調(diào)度模塊、數(shù)據(jù)分發(fā)模塊、網(wǎng)絡(luò)管理模塊等;借助中斷與狀態(tài)轉(zhuǎn)移機(jī)制,各進(jìn)程模塊執(zhí)行各類功能函數(shù),實(shí)現(xiàn)對(duì)通信網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)行為的仿真,是仿真的核心。

信號(hào)處理模塊(sp)的功能包括:按照波束控制模塊所發(fā)送的事件描述字,控制發(fā)射機(jī)、發(fā)射信道、接收機(jī)、接收信道、天線模式、天線指向等,并將上行包發(fā)送到對(duì)應(yīng)發(fā)射信道;對(duì)接收包進(jìn)行地址過(guò)濾,判定接收包的有效性,向波束控制模塊發(fā)送下行包及各類附帶的通信包接收信息。

波束控制模塊(bc)的功能包括:維護(hù)節(jié)點(diǎn)的工作時(shí)序,向資源調(diào)度發(fā)送定時(shí)觸發(fā);按照資源調(diào)度發(fā)送的波控描述字生成事件描述字,及時(shí)傳遞給信號(hào)處理模塊以控制各面陣、各信道的收發(fā)狀態(tài)及其參數(shù);執(zhí)行自主應(yīng)答,包括認(rèn)證自主應(yīng)答、測(cè)距測(cè)向自主應(yīng)答和數(shù)據(jù)包自主應(yīng)答;維護(hù)特定包的發(fā)送狀態(tài),等待期望回復(fù)包;組建Mac層包;執(zhí)行本地時(shí)間調(diào)整。

資源調(diào)度模塊(rs)控制著實(shí)時(shí)邏輯處理器和事務(wù)處理器之間的數(shù)據(jù)交互,控制節(jié)點(diǎn)的工作方式,主導(dǎo)節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)與組網(wǎng)過(guò)程,在模型建立中處于核心地位。資源調(diào)度的功能包括:維護(hù)節(jié)點(diǎn)狀態(tài),執(zhí)行入網(wǎng)和網(wǎng)絡(luò)融合流程;管理時(shí)隙資源,編排波控描述字;向網(wǎng)絡(luò)管理發(fā)送測(cè)距測(cè)向信息和態(tài)勢(shì)信息;承接數(shù)據(jù)分發(fā)下發(fā)的數(shù)據(jù),向數(shù)據(jù)分發(fā)上傳收到的數(shù)據(jù)包。

數(shù)據(jù)分發(fā)(ddc)處于上層應(yīng)用和下層數(shù)據(jù)處理之間,該模塊的功能包括:承接上層應(yīng)用包,組建網(wǎng)絡(luò)層包;解析資源調(diào)度發(fā)送的下行包;維護(hù)數(shù)據(jù)發(fā)送隊(duì)列;包隊(duì)列優(yōu)先級(jí)管理;路由管理等。

網(wǎng)絡(luò)管理模塊(nm)與資源調(diào)度、數(shù)據(jù)分發(fā)模塊進(jìn)行交互,主要負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)態(tài)勢(shì)的維護(hù),具體功能如下:基于資源調(diào)度發(fā)送的態(tài)勢(shì)包和一跳態(tài)勢(shì)合成最新態(tài)勢(shì)并分發(fā)給資源調(diào)度和數(shù)據(jù)分發(fā);定時(shí)向資源調(diào)度發(fā)送觸發(fā),通知資源調(diào)度執(zhí)行態(tài)勢(shì)更新。

OPNET軟件采用離散事件驅(qū)動(dòng)的模擬機(jī)理,仿真時(shí)間的推進(jìn)靠事件與中斷來(lái)驅(qū)動(dòng)。主要進(jìn)程的初始化與狀態(tài)轉(zhuǎn)移過(guò)程如圖7所示。在開(kāi)始仿真中斷后,各進(jìn)程初始化狀態(tài)變量并注冊(cè)本進(jìn)程,在等待各個(gè)進(jìn)程完成Mac地址設(shè)定、初始事件設(shè)定、包流索引設(shè)定等步驟后,各進(jìn)程轉(zhuǎn)入工作狀態(tài),開(kāi)始組網(wǎng)與通信過(guò)程。

圖7 主要進(jìn)程模塊狀態(tài)轉(zhuǎn)移流程

4 仿真試驗(yàn)

為仿真驗(yàn)證本通信網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)時(shí)間,建立多節(jié)點(diǎn)任意拓?fù)浣M網(wǎng)場(chǎng)景如圖4所示。仿真分布在300 km×300 km的仿真區(qū)域內(nèi)。各節(jié)點(diǎn)在10 s內(nèi)開(kāi)機(jī)(開(kāi)機(jī)時(shí)間隨機(jī)分布)。其他部分主要仿真參數(shù)如表1所示。

表1 主要仿真參數(shù)

針對(duì)上述網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景,進(jìn)行10組仿真,每組采用1 000次蒙特卡洛仿真,每組仿真基于不同的隨機(jī)數(shù)種子,從而隨機(jī)設(shè)定各節(jié)點(diǎn)的開(kāi)機(jī)時(shí)間、面陣0的法線方向和系統(tǒng)時(shí)間。單節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)時(shí)延定義如下:從節(jié)點(diǎn)開(kāi)機(jī)算起,到節(jié)點(diǎn)組建至少包含兩個(gè)節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)時(shí)為止,包含以下兩種情況:孤立節(jié)點(diǎn)變成普通入網(wǎng)節(jié)點(diǎn);孤立節(jié)點(diǎn)變成中心節(jié)點(diǎn),再接入另一個(gè)普通入網(wǎng)節(jié)點(diǎn)。單節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)時(shí)延的累積概率密度函數(shù)如圖8所示。單個(gè)節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)時(shí)延小于10 s的概率大于90%。

圖8 多節(jié)點(diǎn)場(chǎng)景單節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)時(shí)延累積概率密度函數(shù)

上述某組仿真所形成的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙鐖D9所示。圖中8號(hào)節(jié)點(diǎn)是中心節(jié)點(diǎn),其他節(jié)點(diǎn)通過(guò)孤立節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)或網(wǎng)絡(luò)融合的形式加入主網(wǎng)絡(luò)。

圖9 某次仿真完整網(wǎng)絡(luò)態(tài)勢(shì)

10組仿真的組網(wǎng)時(shí)間如表2所示。本文的組網(wǎng)時(shí)間定義為從第一個(gè)節(jié)點(diǎn)開(kāi)機(jī)算起,到所有節(jié)點(diǎn)融入一個(gè)網(wǎng)絡(luò)為止的時(shí)延。組網(wǎng)時(shí)延與節(jié)點(diǎn)的開(kāi)機(jī)時(shí)間與網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涿芮邢嚓P(guān)。由表2可知,最早于10.347 s內(nèi)即可組成完整網(wǎng)絡(luò)。其中中心節(jié)點(diǎn)位于網(wǎng)絡(luò)邊緣、組網(wǎng)流程中各類定時(shí)器初始值設(shè)置等均可能導(dǎo)致組網(wǎng)時(shí)延過(guò)大。

表2 多節(jié)點(diǎn)場(chǎng)景組網(wǎng)時(shí)延仿真結(jié)果

5 結(jié)束語(yǔ)

網(wǎng)絡(luò)仿真技術(shù)能為網(wǎng)絡(luò)的規(guī)劃設(shè)計(jì)和性能優(yōu)化提供定量化的分析評(píng)估依據(jù),提高通信網(wǎng)絡(luò)開(kāi)發(fā)效率。本文中針對(duì)某通信網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)特性與通信協(xié)議,建立網(wǎng)絡(luò)仿真模型并進(jìn)行仿真試驗(yàn),仿真結(jié)果表明,多節(jié)點(diǎn)的通信網(wǎng)絡(luò),單節(jié)點(diǎn)可在90%概率下,于10 s內(nèi)與其他節(jié)點(diǎn)建立通信;各節(jié)點(diǎn)在15s內(nèi)可組成完整通信網(wǎng)絡(luò)。仿真結(jié)果可為該項(xiàng)目中的網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議開(kāi)發(fā)與通信節(jié)點(diǎn)軟硬件研制提供設(shè)計(jì)參考。