空基弹性通信网络性能分析

赵哲 唐平 高原

（中国电子科技集团公司电子科学研究院 北京市 100041）

1 概述

当前海上编队跨区域通信主要依靠卫星通信，数据传输架构为集中接入的分层网络形式，卫星通信的容量以及易受干扰的特性很难保障局部区域对抗条件下的通信保障任务，海上编队数据通信网络缺少弹性手段。

本文针对天基卫星通信网络遭受降级或拒止情况，提出利用空中有人和无人作战平台构建空基移动自组织网络，为海上编队提供弹性数据传输服务。空基通信网络利用空中平台通信覆盖灵活、空间抗干扰能力强、抗毁生存能力强等特点，链接太空、空中、海面以及地面节点，构建了网络化的抗毁功能层。本文利用基于STK和QualNet 的混合仿真方法建立了海上编队数据传输仿真场景，评估了空基通信网络传输性能。

2 研究现状

2.1 美军空基通信网络分析

美军提出了发展联合空中层网络（JALN）概念[1]，试图将美军各军兵种所有的空中平台都纳入到一个一体化的空基网络体系，成为美军空天地一体化网络的一部分。JALN 将提供三项核心功能[2]，包括：大容量骨干网（HCB），提供跨JOA 大批量信息传输能力以及通过地面或卫星通信接入GIG 的能力；分发/接入/距离扩展（DARE)，提供专用的、可伸缩网络传输能力；转换功能：即促进HCB 和DARE 功能间网络信息和波形交换和转换的能力。

当前，美军空中层网络现阶段最突出的问题就是各封闭通信网络系统之间的兼容性问题，目前智能依靠网关系统的转换来实现整个空中层网络的互联互通，这些网关系统也是现阶段美军空中层网络无缝运转的关键。诺斯洛普·格鲁曼公司开发的战场机载通信节点（BACN）[3]是一种可扩展通信距离的机载通信中继系统，已成功部署在阿富汗等地区提供指挥控制和地面节点之间的飞行中继通信。

2.2 机载网络通信协议

机载网络路由协议要求在链路变化、带宽受限等情况下，能够实现快速收敛的路由生成与路由选择策略，保持链路畅通。下面重点介绍两种具有代表性的自组织路由协议，即反应式路由协议AODV[4]和主动式路由协议OLSR[4]。

2.2.1 AODV 协议

AODV 协议是一种按需路由协议，是目的节点序列号距离矢量路由协议DSDV 和DSR 两者综合的产物，借鉴了DSR 的路由发现机制和路由维护机制，以及DSDV 中的跳数和路由维护过程中的周期更新机制，结合了两者的优点，形成了一种优秀的按需路由协议。2.2.2 OLSR 协议

OLSR 协议是一个主动式的无线Ad Hoc 网络路由协议，继承了链路状态算法的稳定性，并针对Ad Hoc 网络特点进行修改。该协议的关键在于多点转播，相对于传统链路状态协议所作优化有：

（1）只使用专门选定的、称为多点中继的节点转发控制消息，控制消息泛洪开销降到最低；

图1：空基弹性通信网络架构示意图

图2：仿真参数配置

（2）提供最短路径时，只需要局部链路状态信息。

3 方案构想

海上编队与岸基指挥所之间指挥控制和侦察情报数据传输主要依靠天基卫星通信手段，而军事卫星通信遭受攻击或干扰后易造成数据传输降级或拒绝服务。本文利用高空/低空无人机、预警机等空中作战平台组成空基通信网络，如图1 所示，为海上编队与岸基指挥所之间建立弹性数据链路，保障卫星通信拒止环境下数据持续可靠传输。

空基通信网络由高、中、低三层不同高度的空中平台节点组成，分别工作在18 至20 千米、6 至8 千米以及3 至4 千米，其中低空平台可作为主要信息节点的接入节点。作为无线网络节点的有人和无人空中平台链接在一起形成可扩展的空基通信网络。

图3：岸基指挥所与低空无人机节点之间链路BER 性能曲线

图4：高空无人机节点之间链路BER 性能曲线

图5：预警机与海上编队主舰船节点之间链路BER 性能曲线

海上编队由三艘舰船组成，包括一艘主舰船和两艘护卫舰船。海上编队内部采用移动自组织网络进行信息交互，其中主舰船作为网关节点连接空基通信网络。

4 仿真模拟与结果分析

4.1 建模与仿真方法

本文利用基于QualNet 和STK 的混合仿真方法[5]，对所提的空基弹性通信网络进行性能分析与评估。STK 仿真软件的核心能力生成位置和姿态数据，利用附件通信模块对物理层链路建模，但是不能对网络协议进行建模仿真。QualNet 网络仿真软件主要针对无线移动通信网络进行优化处理，可以测试路由协议、算法以及节点可用性等网络性能，但是不能全面地考虑物理层中的自由空间损耗、天线和转发器模型等因素。

STK 中的Communication 模块通过将QualNet interface 实现与QualNet 之间的互操作，提供了空基弹性通信网络建模与仿真的解决方案。利用QualNet interface 实现了QualNet 物理层模型和STK天线对象之间数据的交换，实现空间环境与网络环境的集成与统一。混合仿真方法结合了QualNet 的网络协议建模和STK 的无线通信链路建模，可以创建一个完整的无线通信网络的实际场景。

4.2 仿真参数配置

为了测试从岸基指挥所到海上编队之间空中层网络性能，本文按照图1 所示网络架构构建了仿真场景。首先，在STK 对象浏览器中创建并配置了岸基指挥所、海上编队（3 个节点）、空中层网络（5 个节点）相应节点。其次，为每个节点添加天线，并设置类型、频率等天线参数，如图2(a)所示，实现节点之间物理层链接。然后，打开QualNet interface 设置TCP/IP 堆栈其他层，需要在MAC 和网络层将每个节点添加到无线网络中并分配IP 地址，设置路由协议，当前场景采用AODV 协议；在应用层参数配置中，选择CBR 应用，我们设置1 微秒从岸基指挥所向海上编队中主舰船发送总共5000个数据包，每个数据包包含1500 个字节，如图2(b)所示。最后运行QualNet，生成统计量文件，得到吞吐量等网络仿真统计量的结果。

4.3 仿真结果分析

利用STK 软件可以计算不同网络节点之间链路BER 性能曲线。图3 显示了岸基指挥所与低空无人机节点之间链路BER 性能曲线。图中左侧纵轴代表距离，单位为海里（nm），右侧纵轴代表BER性能，横轴代表仿真时间。如图所示，随着低空无人机节点与岸基指挥所之间距离（黑色曲线），BER 性能曲线（绿色）保持恒定，保持在1e10-30，几乎没有误码，而当距离超过53nm 时，BER 性能将明显变差。

图4 显示了高空无人机节点之间链路BER 性能曲线。如图所示，当高空无人机平台超出视距范围之内时，链路BER 性能极具恶化，因此需要规划好无人机平台飞行路线，保证节点之间都在视距范围之内，实现链路链接稳定性。

图5 显示了预警机与海上编队主舰船节点之间链路BER 性能曲线，由于仿真过程中中间BER 曲线出现中断，是由于预警机位置超出主舰船视距范围无法建立视距链路而造成的。

利用QualNet 软件可以分析空基通信网络的数据包传送速率（PDR）和吞吐率，表1 显示了网络性能，其中PDR 为100%，吞吐率可达1.2Mbps。上述仿真结果显示，在卫星通信拒止环境下，本文提出的空基通信网络可以实现岸基指挥所与海上编队之间可靠数据传输。

表1：采用AVOD 协议的空中层网络性能

5 结论

本文提出利用空基弹性通信网络解决天基卫星通信拒止情况下海上编队通信保障需求，仿真试验结果验证了所提方案的可行性。