武警战术互联网建模与仿真研究
摘要
战术互联网是基于开放的TCP/IP标准协议集成的战术前沿数据通信网络,为各级作战部队的战术通信与指挥控制系统提供安全、可靠、无缝的无线网络互连。随着无线通信技术的迅猛发展,无线分组网络正迅速成为现代军事通信基础设施的重要组成部分。Ad hoc网络是一种由无线移动节点组成的分布式、自组织无线分组网络,具有不依赖于固定基础设施、抗毁性强、可快速展开等优点,特别适用于战术军用和救灾抢险场合以及无法架构通信基础设施的偏远地区的通信。武警部队是国家保障公民生命财产安全、反恐和处置突发事件的重要力量,要求在事发地域能够快速、有效地建立起支撑指挥、控制、侦察的C4ISR信息平台,因此,采用无线Ad hoc网络构建武警战术互联网。研究Ad hoc网络协议,并最终建立适合武警部队业务特点的战术互联网络,对提高武警部队作战能力具有重要的实际意义。
本文首先介绍了无线分组网络的概况,根据武警部队战术指挥的特点,提出了基于Ad hoc网络设计的分层网络模型,详细介绍了Ad hoc网络关键技术中的信道接入MAC(媒介访问控制)协议和路由协议。对应网络模型,在OPNet软件平台上搭建武警战术互联网仿真框架,重点用于研究MAC协议和路由协议。MAC协议是控制网络节点接入无线共享信道的规则,Ad hoc网络无中心、多跳结构使得MAC协议的设计具有很大挑战性。文章详细论述了Ad hoc网络主要使用的IEEE802.11 DCF(分布式协调功能)接入机制的工作原理,通过二维马尔科夫链推导出了理论值下的吞吐量。比较理论推导的吞吐量与仿真得出的结果,分析了影响信道接入吞吐量性能的因素,为掌握Ad hoc网络MAC层的工作原理,以及Ad hoc网在武警战术互联网中的应用提供了参考。
Tactical Internet, a compositive tactical front-line data communication network,is based on the standard protocol TCP/IP, which can provide the safe steady seamless wireless nertwork connection for the tactical communication command and control system of the all levels compaign army.Along with the fast development of the wireless communication technology, the wireless packet network is rapidly becoming the important elements of the modern military communication.Ad hoc network is a kind of distributing self-organized wireless packet network made up of wireless mobile nodes.Therefore, it can work without any from fixed basic network.It is so easy to deploy in short time and robust to destruction that Ad hoc network greatly adapt to the tactics-martial and disaster-relieving situation, especially adapt to the remote area’s communication where can’t build up the basic communication establishment.The armed forces police army is the important force of the country to protect the civic life and estate, fight against the terrorism and dispose the gusty event.It require to build up the information system to support C4ISR quickly and effectively in the accident area.Thus Ad hoc network is choosen to design the armed forces police army tactical internet.We must research the Ad hoc network protocol.It has important practical significance for improving the armed forces police army’s battle ability to set up the tactical internet with the armed forces police army’s operation characteristics finally.
At first, the article gives the general introduction about the wireless packet network and forward the layered network model based on Ad hoc network. Then, it explains the Ad hoc network’s key technologies:MAC protocol and route protocol in detail. In accordance with network model, we use the OPNet simulation software to build up the simulation framework of the armed forces police army’s tactical internet. The framework will be mainly used to research the MAC protocol and route protocol.MAC protocol is the rule which controls the network nodes to access the wireless share channel. Ad hoc network’s no-center and multi-hop structure make the MAC protocol design very challengable.In the article we detailedly discuss the operation principle on the IEEE802.11 DCF(distributed coordination function) access mechanism which is mainly used by Ad hoc network and we get the theoretic throughput through the two-dimension Markov chain model. In the end, we compare the theoretical value with the simulation result and compare each other validity. The paper analyzes the factor which will influence the capability of the channel access throughput.It will provide useful reference to understand the Ad hoc network’s mac layer operation principle and the appliance of the Ad hoc in the armed forces police army’s tactical internet.
本文首先介绍了无线分组网络的概况,根据武警部队战术指挥的特点,提出了基于Ad hoc网络设计的分层网络模型,详细介绍了Ad hoc网络关键技术中的信道接入MAC(媒介访问控制)协议和路由协议。对应网络模型,在OPNet软件平台上搭建武警战术互联网仿真框架,重点用于研究MAC协议和路由协议。MAC协议是控制网络节点接入无线共享信道的规则,Ad hoc网络无中心、多跳结构使得MAC协议的设计具有很大挑战性。文章详细论述了Ad hoc网络主要使用的IEEE802.11 DCF(分布式协调功能)接入机制的工作原理,通过二维马尔科夫链推导出了理论值下的吞吐量。比较理论推导的吞吐量与仿真得出的结果,分析了影响信道接入吞吐量性能的因素,为掌握Ad hoc网络MAC层的工作原理,以及Ad hoc网在武警战术互联网中的应用提供了参考。
Tactical Internet, a compositive tactical front-line data communication network,is based on the standard protocol TCP/IP, which can provide the safe steady seamless wireless nertwork connection for the tactical communication command and control system of the all levels compaign army.Along with the fast development of the wireless communication technology, the wireless packet network is rapidly becoming the important elements of the modern military communication.Ad hoc network is a kind of distributing self-organized wireless packet network made up of wireless mobile nodes.Therefore, it can work without any from fixed basic network.It is so easy to deploy in short time and robust to destruction that Ad hoc network greatly adapt to the tactics-martial and disaster-relieving situation, especially adapt to the remote area’s communication where can’t build up the basic communication establishment.The armed forces police army is the important force of the country to protect the civic life and estate, fight against the terrorism and dispose the gusty event.It require to build up the information system to support C4ISR quickly and effectively in the accident area.Thus Ad hoc network is choosen to design the armed forces police army tactical internet.We must research the Ad hoc network protocol.It has important practical significance for improving the armed forces police army’s battle ability to set up the tactical internet with the armed forces police army’s operation characteristics finally.
At first, the article gives the general introduction about the wireless packet network and forward the layered network model based on Ad hoc network. Then, it explains the Ad hoc network’s key technologies:MAC protocol and route protocol in detail. In accordance with network model, we use the OPNet simulation software to build up the simulation framework of the armed forces police army’s tactical internet. The framework will be mainly used to research the MAC protocol and route protocol.MAC protocol is the rule which controls the network nodes to access the wireless share channel. Ad hoc network’s no-center and multi-hop structure make the MAC protocol design very challengable.In the article we detailedly discuss the operation principle on the IEEE802.11 DCF(distributed coordination function) access mechanism which is mainly used by Ad hoc network and we get the theoretic throughput through the two-dimension Markov chain model. In the end, we compare the theoretical value with the simulation result and compare each other validity. The paper analyzes the factor which will influence the capability of the channel access throughput.It will provide useful reference to understand the Ad hoc network’s mac layer operation principle and the appliance of the Ad hoc in the armed forces police army’s tactical internet.
引文
[1] 王东霞 赵刚。美军信息系统体系结构相关研究综述。军事运筹与系统工程,2003 年第 4 期。
[2] 徐关勇 曹万华。美国国防信息系统体系结构综述。船舶电子工程,2003 年第 6 期。
[3] 王喜焱。美国陆军战术互联网的现状与发展。火控雷达技术,2002 年 12 月第 31 卷。
[4] 王海涛 刘晓明。战术互联网的主要装备、关键技术和未来发展。航空电子技术,2005 年 3 月 Vol.36 No.1。
[5] 万永乐 张剑。战术互联网建模与仿真。通信技术,2002 年第 10 期。
[6] 金纯 陈林星 杨吉云编著。IEEE802.11无线局域网。电子工业出版社,2004年第1次印刷。
[7] IETF Working Group Chater.Mobile Ad hoc Network(MANET)。 http://www.ietf.org/html.charters/manet-charter.html。
[8] 王金龙 王呈贵 吴启晖 龚玉萍编著。Ad hoc移动无线网络。国防工业出版社,2004年5月第1版。
[9] 于宏毅等著。无线移动自组织网。人民邮电出版社,2005年4月第1版。
[10] 王晓凯 候朝桢。战术互联网的无线通信网络模型及网络管理策略。计算机工程,2003 年 9 月 Vol.29 No.15。
[11] 王梅红 王文海 胡波。战术互联网信道竞争问题研究。微机发展,2005 年 4月第 15 卷第 4 期。
[12] 尹正利。宽带数据电台在战术互联网中的应用。计算机工程,2001 年 6 月第27 卷第 6 期。
[13] 郑爱民 崔灿 刘福杰。实用化的战术互联网网络管理方案及其技术。西安电子科技大学学报,2002 年 2 月第 29 卷第 1 期。
[14] 崔灿 张春晖。战术互联网网络管理技术研究。计算机工程,2001 年 12 月 第27 卷 第 12 期。
[15] 窦丽华 陈果 陈杰。炮兵战术互联网的综合故障管理系统。北京理工大学学报,2001 年 12 月 第 21 卷 第 6 期。
[16] 黄耕文 王金龙。无线传输对 TCP/IP 协议栈的影响及解决途径。军事通信技术,2001 年 3 月 第 22 卷 第 1 期。
[17] 齐艳平 葛强 赵宏娜。无线网络技术与军事战术互联网。无线电通信技术,2002 年第 28 卷第 6 期。
[18] 米志超 郑少仁。无线战术互联网控制器通信协议的设计与实现。解放军理工大学学报,2000 年 12 月第 1 卷第 6 期。
[19] 潘习林 于全。一体化军事通信网络建模仿真面临的挑战。军事运筹与系统工程,2004 年 6 月 第 18 卷第 2 期。
[20] 陈羽中。IEEE802.11 DCF 退避机制分析和改进。应用科学学报,2006 年 1月 第 24 卷第 1 期。
[21] 汪李峰 于全 戴浩 孙小东。移动 Ad hoc 网络的仿真框架。系统仿真学报,2002 年 8 月 第 14 卷第 8 期。
[22] 陈敏编著。OPNET网络仿真。清华大学出版社,2004年4月第1版。
[23] OPNet Technologies,Inc。http://www.opnet.com/。
[24] 陈敏 韦岗。IEEE802.11 无线局域网 OPNet 建模与性能测试。计算机工程,2004 年 11 月 第 30 卷 第 21 期。
[25] 杨盘龙 田畅。分层分布式 Ad hoc 网络拓扑模型的研究。系统仿真学报,2005年 6 月 Vol.17 No.6。
[26] 杨盘龙 田畅 于雍。基于战术互联网环境的自组织网络路由协议性能仿真与评估。系统仿真学报,2005 年 7 月 Vol.17 No.7。
[27] G.Bianchi。Performance Analysis of the IEEE 802.11 Distributed Coordination Function。IEEE JOURNAL ON SELECTED AREAS IN COMMUNICATIONS, VOL. 18, NO. 3, MARCH 2000。
[28] Giuseppe Bianchi。IEEE 802.11—Saturation Throughput Analysis。IEEE COMMUNICATIONS LETTERS, VOL. 2, NO. 12, DECEMBER 1998。
[29] E. Ziouva T. Antonakopoulos。 ”CSMA/CA performance under high traffic conditions: throughput and delay analysis”, Elsevier, Computer Communications, Vol. 25, February 2002, pp. 313-321。
[30] Qiang Ni imad Aad Chadi Barakat Thierry Turletti。Modeling and Analysis of Slow CW Decrease for IEEE802.11 WLAN。The 14th IEEE 2003 International Symposium on Personal,Indoor and Mobile Radio Communication Proceedings。
[31] F.Cali M.Conti E.Gregori。Dynamic Tuning of the IEEE802.11 Protocol to Achieve a Theoretical Throughput Limit。IEEE/ACM TRANSACTIONS ON NETWORKING,VOL.8 NO.6,DECEMBER 2000。
[32] Federico Calì, Marco Conti, and Enrico Gregori。IEEE 802.11 Protocol: Design and Performance Evaluation of an Adaptive Backoff Mechanism 。 IEEE JOURNAL ON SELECTED AREAS IN COMMUNICATIONS, VOL. 18, NO. 9, SEPTEMBER 2000。
[33] 李云 隆克平 吴诗其 陈前斌。IEEE802.11 DCF 性能分析及改进。电子学报,2003 年 10 月 第 10 期。
[34] 张锐 钱渊 傅珂。一种 IEEE802.11 MAC 协议的包延时数学分析模型。空军工程大学学报,2005 年 10 月 第 6 卷 第 5 期。
[35] 陈弘原 李衍达。IEEE802.11 协议中分布式协调机制的性能模型。电子学报,2005 年 1 月 Vol.33 No.1。
[36] 孙献璞 张艳玲 宋彬。采用动态令牌的 MANET 多址接入协议。电子学报,2006 年 1 月 第 34 卷 第 1 期。
[37] 严小虎 卓永宁等。IEEE802.11 DCF 中带优先级的退避算法。电子与信息学报,2005 年 8 月 第 27 卷 第 8 期。
[38] 吴克军 苏兆龙 于全。Ad hoc 网络媒体接入控制中一种新的退避算法,2005年 10 月 第 28 卷第 5 期。
[39] 周凌 李瑛等。基于事件触发的战术互联网拓扑更新策略。通信技术,2000年第 3 期。
[40] 黄伟 李腊元 孙强。MANET 路由协议 DSR 的 OPNET 实现及仿真。武汉理工大学学报,2005 年 4 月 第 29 卷 第 2 期。
[2] 徐关勇 曹万华。美国国防信息系统体系结构综述。船舶电子工程,2003 年第 6 期。
[3] 王喜焱。美国陆军战术互联网的现状与发展。火控雷达技术,2002 年 12 月第 31 卷。
[4] 王海涛 刘晓明。战术互联网的主要装备、关键技术和未来发展。航空电子技术,2005 年 3 月 Vol.36 No.1。
[5] 万永乐 张剑。战术互联网建模与仿真。通信技术,2002 年第 10 期。
[6] 金纯 陈林星 杨吉云编著。IEEE802.11无线局域网。电子工业出版社,2004年第1次印刷。
[7] IETF Working Group Chater.Mobile Ad hoc Network(MANET)。 http://www.ietf.org/html.charters/manet-charter.html。
[8] 王金龙 王呈贵 吴启晖 龚玉萍编著。Ad hoc移动无线网络。国防工业出版社,2004年5月第1版。
[9] 于宏毅等著。无线移动自组织网。人民邮电出版社,2005年4月第1版。
[10] 王晓凯 候朝桢。战术互联网的无线通信网络模型及网络管理策略。计算机工程,2003 年 9 月 Vol.29 No.15。
[11] 王梅红 王文海 胡波。战术互联网信道竞争问题研究。微机发展,2005 年 4月第 15 卷第 4 期。
[12] 尹正利。宽带数据电台在战术互联网中的应用。计算机工程,2001 年 6 月第27 卷第 6 期。
[13] 郑爱民 崔灿 刘福杰。实用化的战术互联网网络管理方案及其技术。西安电子科技大学学报,2002 年 2 月第 29 卷第 1 期。
[14] 崔灿 张春晖。战术互联网网络管理技术研究。计算机工程,2001 年 12 月 第27 卷 第 12 期。
[15] 窦丽华 陈果 陈杰。炮兵战术互联网的综合故障管理系统。北京理工大学学报,2001 年 12 月 第 21 卷 第 6 期。
[16] 黄耕文 王金龙。无线传输对 TCP/IP 协议栈的影响及解决途径。军事通信技术,2001 年 3 月 第 22 卷 第 1 期。
[17] 齐艳平 葛强 赵宏娜。无线网络技术与军事战术互联网。无线电通信技术,2002 年第 28 卷第 6 期。
[18] 米志超 郑少仁。无线战术互联网控制器通信协议的设计与实现。解放军理工大学学报,2000 年 12 月第 1 卷第 6 期。
[19] 潘习林 于全。一体化军事通信网络建模仿真面临的挑战。军事运筹与系统工程,2004 年 6 月 第 18 卷第 2 期。
[20] 陈羽中。IEEE802.11 DCF 退避机制分析和改进。应用科学学报,2006 年 1月 第 24 卷第 1 期。
[21] 汪李峰 于全 戴浩 孙小东。移动 Ad hoc 网络的仿真框架。系统仿真学报,2002 年 8 月 第 14 卷第 8 期。
[22] 陈敏编著。OPNET网络仿真。清华大学出版社,2004年4月第1版。
[23] OPNet Technologies,Inc。http://www.opnet.com/。
[24] 陈敏 韦岗。IEEE802.11 无线局域网 OPNet 建模与性能测试。计算机工程,2004 年 11 月 第 30 卷 第 21 期。
[25] 杨盘龙 田畅。分层分布式 Ad hoc 网络拓扑模型的研究。系统仿真学报,2005年 6 月 Vol.17 No.6。
[26] 杨盘龙 田畅 于雍。基于战术互联网环境的自组织网络路由协议性能仿真与评估。系统仿真学报,2005 年 7 月 Vol.17 No.7。
[27] G.Bianchi。Performance Analysis of the IEEE 802.11 Distributed Coordination Function。IEEE JOURNAL ON SELECTED AREAS IN COMMUNICATIONS, VOL. 18, NO. 3, MARCH 2000。
[28] Giuseppe Bianchi。IEEE 802.11—Saturation Throughput Analysis。IEEE COMMUNICATIONS LETTERS, VOL. 2, NO. 12, DECEMBER 1998。
[29] E. Ziouva T. Antonakopoulos。 ”CSMA/CA performance under high traffic conditions: throughput and delay analysis”, Elsevier, Computer Communications, Vol. 25, February 2002, pp. 313-321。
[30] Qiang Ni imad Aad Chadi Barakat Thierry Turletti。Modeling and Analysis of Slow CW Decrease for IEEE802.11 WLAN。The 14th IEEE 2003 International Symposium on Personal,Indoor and Mobile Radio Communication Proceedings。
[31] F.Cali M.Conti E.Gregori。Dynamic Tuning of the IEEE802.11 Protocol to Achieve a Theoretical Throughput Limit。IEEE/ACM TRANSACTIONS ON NETWORKING,VOL.8 NO.6,DECEMBER 2000。
[32] Federico Calì, Marco Conti, and Enrico Gregori。IEEE 802.11 Protocol: Design and Performance Evaluation of an Adaptive Backoff Mechanism 。 IEEE JOURNAL ON SELECTED AREAS IN COMMUNICATIONS, VOL. 18, NO. 9, SEPTEMBER 2000。
[33] 李云 隆克平 吴诗其 陈前斌。IEEE802.11 DCF 性能分析及改进。电子学报,2003 年 10 月 第 10 期。
[34] 张锐 钱渊 傅珂。一种 IEEE802.11 MAC 协议的包延时数学分析模型。空军工程大学学报,2005 年 10 月 第 6 卷 第 5 期。
[35] 陈弘原 李衍达。IEEE802.11 协议中分布式协调机制的性能模型。电子学报,2005 年 1 月 Vol.33 No.1。
[36] 孙献璞 张艳玲 宋彬。采用动态令牌的 MANET 多址接入协议。电子学报,2006 年 1 月 第 34 卷 第 1 期。
[37] 严小虎 卓永宁等。IEEE802.11 DCF 中带优先级的退避算法。电子与信息学报,2005 年 8 月 第 27 卷 第 8 期。
[38] 吴克军 苏兆龙 于全。Ad hoc 网络媒体接入控制中一种新的退避算法,2005年 10 月 第 28 卷第 5 期。
[39] 周凌 李瑛等。基于事件触发的战术互联网拓扑更新策略。通信技术,2000年第 3 期。
[40] 黄伟 李腊元 孙强。MANET 路由协议 DSR 的 OPNET 实现及仿真。武汉理工大学学报,2005 年 4 月 第 29 卷 第 2 期。