基于QualNet的無人機數據鏈時延仿真?

黃永兢，王玉文，黃超，劉濟銘，柏華威

基于QualNet的無人機數據鏈時延仿真?

黃永兢，王玉文，黃超，劉濟銘，柏華威

（電子科技大學空天科學技術研究院，成都611731）

概述了無人機數據鏈的網絡組成，介紹了通信網絡仿真軟件QualNet的功能特點及其架構，并在該軟件平臺下建立無人機數據鏈時延仿真模型，分析遠近程無人機在不同MAC信道接入協議下的平均端到端時延和平均抖動。仿真結果表明，設計無人機數據鏈時可優先采用TDMA接入協議。

無人機數據鏈；QualNet仿真；平均端到端時延；平均抖動

1 引言

現代高技術戰爭具有作戰規模大、戰場環境復雜、人員傷亡少等特點，無人機具有質量小、機動性好、環境適應性強的優點，在實戰中也體現出越來越重要的地位。通常，無人機靠數據鏈與外界進行信息交換，因此，數據鏈的應用水平在很大程度上決定著無人機作戰水平和能力。

由于物理距離以及其他一些因素，信息通過數據鏈傳輸時必然會存在時延。造成數據鏈通信時延的主要原因有通信報文結構、通信速率、通信容量、通信距離以及多路通信方式。此外，還有傳感器時延、運算時延和顯示時延等硬件物理時延。無人機數據鏈的終端載體一般處在相對快速的運動中，其跟蹤、捕獲、定位和攻擊的對象也是時敏目標，因此，時間的延遲對整個無人作戰系統的作戰效能影響特別大，數據鏈信息傳輸的低時延性是無人機數據鏈有別于其他數據鏈的重要特性。

對數據鏈性能的驗證通常通過通信網絡仿真軟件仿真實現，目前常用的軟件有OPNET Technology Inc.公司的OPNET和LSBL網絡研究組開發的NS-2等。在這些軟件平臺下對無人機數據鏈進行仿真，有著各自的優勢，同時也存在著不足。本文主要結合QualNet的一些優勢特點，在QualNet平臺下對無人機數據鏈的時延進行仿真，為下一步的研究提供參考。

2 無人機數據鏈網絡組成

從廣義上來說，無人機數據鏈的實質就是通信網絡系統，其關鍵技術之一就是網絡組成的體系結構，如圖1表示。研究表明，處于同溫層以內的任何一個空中平臺，都無法實現“單跳”覆蓋1 000 km以上的超視距中繼［1］。因此，作為后方與前線戰區的超視距通信中繼必須采取多鏈路中繼的方式。從無人機網絡體系結構中可看出，地面控制指揮中心離戰區較遠時，需要采用中繼衛星與高空長航時無人機相結合的方式。當地面指揮控制中心離戰區相對不是很遠時，可直接采用高空長航時無人機的中繼方式。高空長航時中繼無人機的下一層就是作戰無人機群，它們由飛行速度快、作戰能力強的無人機組成。當無人機的作戰地離地面控制站比較近時，地面控制站可直接與作戰無人機進行通信，不必通過中繼的方式指揮無人機作戰。

3 QualNet的架構

QualNet是一款高性能的網絡仿真軟件，具有對各種應用和使用要求的網絡性能進行準確的預測能力，從有線LAN和WAN，到蜂窩、衛星、WLAN和移動Ad Hoc網絡。

QualNet協議棧采用5層網絡協議體系結構，如圖2所示，協議棧從上往下分別為應用層、傳輸層、網絡層、MAC層和物理層，用戶還可以根據自己需求刪除和添加相對應的層。

應用層是QualNet協議棧中的最高層，它提供網絡端上應用程序之間的接口，在QualNet中提供了大量的協議，如CBR、VBR、FTP、RIP、HTTP等。QualNet協議棧中的傳輸層處于應用層和網絡層之間，它為服務器和客戶的應用層之間傳送數據提供服務，傳輸層的協議主要有TCP、UDP、RSVP-TE等。Qual-Net協議棧中的網絡層介于傳輸層和MAC層之間，主要功能是向傳輸層提供最基本的端到端的數據傳送服務，網絡層的主要協議有IPv4、IPv6、OSPF、DSR等。MAC層在QualNet協議棧中介于網絡層和物理層之間，MAC層的主要功能是在物理層提供的服務的基礎上向網絡層提供服務，MAC層向用戶提供的協議有MAC802.16、MAC802.3、CSMA等。物理層處于QualNet協議棧中的最底層，物理層是網絡節點間的接口，提供網絡上的數據傳輸服務。QualNet中物理層向用戶提供的協議主要有針對有線傳輸介質的Bus、Point-to-point等和針對無線傳輸介質的Radio、Free space等協議。

網絡中的節點向外傳輸信息時，通常由應用層開始。當數據由應用層向下傳輸時，QualNet首先會調用MESSAGE-Alloc函數為要傳輸的數據分配一個新的消息結構，接著調用MESSAGE-PacketAlloc函數在新分配的消息結構中申請一個新的數據包空間，最后調用MESSAGE-Send函數將要發送的數據封裝到新申請到的數據包空間中，向傳輸層傳送。相反，當傳輸層向應用層傳送信息時，應用層會調用MESSAGEFree函數處理由傳輸層發送過來的數據包，同時釋放發送過來的消息結構空間，將最終的數據傳送到應用層中。同樣，當傳輸層、網絡層、MAC層收到上一層或下一層的數據包時，都會調用相應的函數添加或去除相對應的報頭，然后再發送出去［2］。

4 基于QualNet的無人機數據鏈時延測試的實現

4.1 仿真模型的建立

4.1.1 網絡節點的設置

根據前面對無人機數據鏈的概述和QualNet功能特點與架構的介紹，本文設計出的基于QualNet軟件平臺的無人機數據鏈時延仿真模型如圖3所示。

采用笛卡爾坐標系，設置仿真區域的水平方向大小為5 000 km×5 000 km。在仿真區域中依次放入網絡節點，其中各網絡節點的水平位置、高度及各網絡節點代表的實際意義如表1所示。

在仿真模型圖中，設地面控制站在海平面上，所以節點［1］的高度為0，即Z坐標的值為0；對于目前可采用中繼衛星，我們知道，GPS的衛星運行的軌道在距地表20 200 km的上空，“伽利略”的衛星高度為24 126 km，“格洛納斯”的衛星軌道高度為19 100 km，而“北斗”二號的衛星則在高度為21 500 km的軌道運行，所以這里設置的中繼衛星的高度為離地面20 000 km的高空；高空長航時中繼無人機飛行高度要盡可能地高，這是因為其執行任務時要躲避地面高空防御系統及戰斗機的攻擊，同時也要獲得更大范圍的偵查視角和通信覆蓋率，但飛行高度越高，就需要更大的動力，目前的高空長航時無人機飛行高度一般在18～20 km之間，所以這里設置節點［4］的高度為18 km；而對于遠近程作戰無人機，其作戰時，飛行高度一般在幾百米到一千米之間，所以這里設置節點［3］、［5］、［6］、［7］的高度都為250 m。

當無人機作戰區域離地面控制站較近時無需采用中繼平臺，所以在模型圖中，近程無人機組成子網直接與地面控制站通信，為方便后面仿真對近程無人機定性的說明，設置兩架近程作戰無人機離地面控制站的距離一樣，所以這里設置節點［3］、［7］的水平方向坐標分別為（1 000 km，1 020 km）、（1 020 km，

1 000 km），它們離地面控制站的距離都為20 km左右。當地面控制站要控制遠程作戰無人機執行任務時，需要通過中繼平臺進行通信，所以在模型圖中，遠程作戰無人機組成子網采用高空長航時中繼無人機和中繼衛星相結合的通信鏈路與地面控制站進行無線通信，同樣為方便仿真時對遠程無人機定性的說明，設置兩架遠程作戰無人機離高空長航時中繼無人機的距離一樣，通常，無人機與上一級通信平臺或控制站的距離一般不超過200 km，這里設置節點［5］、［6］的坐標分別為（2 950 km，3 950 km）、（3 050 km，3 950 km），而高空長航時中繼無人機的水平方向坐標為（3 000 km，4 000 km），這樣遠程作戰無人機距高空長航時中繼無人機70 km左右，在其通信覆蓋范圍內。

4.1.2 網絡節點的運動軌跡設置

無人機在實際執行任務時，一般處于高速運動的狀態中，所以在進行網絡仿真時，要把相關網絡節點的運動特性考慮進去。一般來說，地面控制站（包括車載控制臺）移動的速度相對較慢，其移動對網絡仿真的結果影響較小，所以地面控制站在仿真過程中設置為靜止狀態。中繼衛星由于處于高空，其移動對地面或低空網絡節點造成的影響也較小，在仿真中也設置其為靜止狀態。對于高空長航時中繼無人機來說，其執行任務時，巡航速度可以為650 km／h左右，所以設置節點［2］以180 m／s的速度作隨機移動。作戰無人機執行任務時，其移動速度和方向最為多變，但其飛行時速一般在200～500 km之間，所以這里設置作戰無人機對應的網絡節點以最小60 m／s、最大120 m／s的速度作隨機移動。

4.1.3 數據傳輸類型及參數的設置

在實際中，無人機向控制站發送信息時，通常將要發送的數據打成若干個包，然后再將數據包逐個發送出去，所以在仿真模型中設定各作戰無人機與地面控制站應用層間采用恒定比特速率（CBR）協議傳送數據，同樣方便對仿真作定性討論，在仿真過程中，設定所有作戰無人機向控制站發送200個大小為64 byte的數據包，而每個數據包的發送時間間隔為10 ms。

4.1.4 無線移動子網MAC的接入協議設置

在仿真模型中，遠近程作戰無人機都各自組成了無線移動子網，而無線移動子網的MAC信道接入協議的功能是控制節點的報文傳輸對無線媒體的占用，保證網絡的整體性能，可以說十分重要。目前，國內外對有關無人機數據鏈子網的MAC接入協議都做了不少的研究，這里主要是在QualNet軟件平臺仿真中，對作戰無人機的移動無線子網分別采用Aloha和TDMA這兩種MAC信道接入協議進行仿真討論，分析作戰無人機向地面控制站回傳數據時的時延特性。

4.2 仿真結果與分析

所有環境參數等設置好之后，近程和遠程作戰無人機的數量分別為2，3，5，6，8，10，20，30，40，50，60和2，3，6，8，10，12，14，15，16，20，30，40，50，60。為更能準確反映仿真模型中無人機數據鏈性能隨終端節點數的變化特性，新增加節點與一級通信平臺的距離都在200 km以內且距離與原有節點一致。仿真結束后，切換結果分析界面，查看仿真結果。

4.2.1 控制站接收數據包成功率的結果

控制站接收到遠、近程無人機數據包成功率隨作戰無人機的數量的關系曲線如圖4所示。

從圖4中可知，當近程作戰無人機采用TDMA接入協議時，地面控制站接收數據包的成功率不受無人機網絡規模影響，在設定的節點內成功率始終保持為100%。而遠程作戰無人機采用TDMA接入協議時傳送數據包的成功率隨網絡規模的擴大而下降，但下降不明顯。在實際作戰中，無人機向控制站傳送的大多是圖像和視頻數據，這些數據假如丟失不多，通?？梢酝ㄟ^某些處理方法把原信息還原出來，這里假設傳輸數據包的成功率在90%以內時信息都是可以還原回來的。從圖4中可以看出在節點數為35以內，遠程無人機采用TDMA接入協議時，傳輸數據成功率始終保持在90%以內。在采用Aloha信道接入協議時，遠近程作戰無人機傳輸數據的丟包率都隨網絡節點的數量增加而明顯變大，其中近程無人機在網絡節點大于20時，成功率跌出90%，近程無人機在網絡節點不到15時成功率就低于90%。

4.2.2 作戰無人機向控制站發送數據包的應用層平均端到端時延結果

遠、近程作戰無人機向控制站傳輸數據的應用層平均端到端時延隨網絡規模的變化如圖5所示。

從時延仿真結果可得，作戰無人機在傳輸數據成功率90%以內的情況下平均端到端時延都隨作戰無人機的數量增加而增大，其中采用Aloha信道協議下時，時延上升的波動性比較大，而采用TDMA接入協議下時，時延的上升接近于線性。

4.2.3 作戰無人機向控制站發送數據包的應用層平均時延抖動結果

遠、近程作戰無人機應用層向控制站傳輸數據的平均時延抖動隨網絡規模的變化如圖6所示。

從圖6可看出，作戰無人機在傳輸數據成功率90%以內的情況下平均時延抖動都隨作戰無人機的數量增加而增大。

4.2.4 仿真結果分析

我們都知道，端到端時延是指數據包從離開源點時算起一直到抵達終點時為止一共經歷了多長時間的時延，可以簡單地表示為

式中，Ts為數據包的發送時延，Tdw為處理時延（包括中繼和接收節點處理數據的時延），Tp為傳播時延。而平均時延抖動直接反映的是傳輸數據時延的變化大小，抖動越大，表示傳輸數據越不穩定。

仿真結果表明，在相同網絡節點數和MAC信道接入協議情況下時，遠程作戰無人機向地面控制站傳輸數據，由于要通過中繼平臺的轉發以及經過距離較長的物理媒介，即受Tp和Tdw的影響，平均端到端時延及平均時延抖動都比近程無人機稍大一些，且隨著網絡節點的增多，數據鏈的性能惡化程度也要比近程無人機大。

從MAC信道接入協議上看，當網絡節點數較少時，采用TDMA和Aloha的時延和抖動程度相差不大，但隨著節點的增多，可以看出TDMA的性能明顯優于后者，TDMA的數據包發送時延和處理時延特性比Aloha優越。從協議本身的思想上來分析，Aloha協議的思想是，當節點想要發送數據時，就直接發送，當檢測到無線信道上有沖突時，Aloha系統采用的重發策略是讓各站等待一段隨機的時間，然后再進行重發，由于移動無線網中的節點是移動的，網絡拓撲結構也是不斷變化的，因此Aloha協議在網絡節點非常多時，受“隱終端問題”和“暴露終端問題”［3］的影響特別大，所以就造成了網節點較多時，性能嚴重惡化的現象。TDMA是把時間分割成周期性的幀，每一個幀再分割成若干個時隙（分為固定時隙和預留時隙［4］）向控制站發送信號，在滿足定時和同步的條件下，控制站可以分別在各時隙中接收到各無人機的信號而不混擾。同時，控制站發向多個無人機的信號都按順序安排在指定的時隙中傳輸，各無人機只要在指定的時隙內接收，就能在合路的信號中把發給它的信號區分并接收下來，TDMA有效地克服了Aloha的不足，其性能不隨網絡規模的擴大而急劇惡化。設計無人機數據鏈時可優先采用TDMA接入協議。

5 結論

隨著各國對無人機重視程度的增加，無人機數據鏈技術也在不斷地提高著，比如數據鏈的組網形式、抗干擾能力及路由協議等都在朝著智能化的方向發展［5］。對數據鏈網絡性能的仿真，目前可用的軟件有QualNet、NS-2、OPNET、SPW、GloMosim等。QualNet與其他軟件相比，網絡體系中的各層常用協議都封裝在其中，用戶可以通過操作界面直接調用這些協議和設置相關參數，執行起來方便靈活；同時，可以通過QualNet軟件的半實物接口接入外部的實際環境中的音頻信號、視頻信號以及信道噪聲等信息，能更真實地模擬出無人機數據鏈所處的戰場環境，為我們進一步分析和優化影響無人機數據鏈性能提供非常大的幫助，這也是下一步將要做的重點。

本文主要通過在QualNet軟件平臺下構建無人機數據鏈模型，研究無人機數據鏈的時延受無人機網絡節點數、物理距離、子網信道接入協議類型等因素的影響程度，提出的模型在網絡協議和算法上沒有進行過多深入的研究與探討，但填補了無人機數據鏈在QualNet軟件平臺下仿真的空白。

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HUANG Yong-jing was born in Guangxi Zhuang Automomous Region，in 1987.He received the B.S.degree from University of Electronic Science and Technology of China in 2011.He is now a graduate student.His research concerns wireless network technology and signal processing.

Email：uestchuang＠163.com，uestchuang＠yeah.net

王玉文（1962—），男，吉林人，電子科技大學空天科學技術研究院副總工程師、副教授，主要從事航天航空電子領域的研究工作；

WANG Yu-wen was born in Jilin Province，in 1962.He is now an associate professor and associate chief engineer.His research concerns aerospace electronic.

黃超（1987—），男，四川人，2010年于電子科技大學獲學士學位，現為碩士研究生，主要從事為通信協議研究仿真工作；

HUANG Chao was born in Sichuan Province，in 1987.He received the B.S.degree from University of Electronic Science and Technology of China in 2010.He is now a graduate student.His research concerns communication protocol simulation.

劉濟銘（1987—），男，四川人，2010年于中南大學獲學士學位，現為碩士研究生，主要研究方向為無線網絡技術與仿真；

LIU Ji-ming was born in Sichuan Province，in 1987.He received the B.S.degree from Central South University in 2010.He is now a graduate student.His research concerns wireless network technology and simulation.

柏華威（1986—），男，安徽人，2009年于四川大學獲學士學位，現為碩士研究生，主要研究方向為電磁頻譜管理。

BAI Hua-wei was born in Anhui Province，in 1986.He received the B.S.degree from Sichuan University in 2009.He is now a graduate student.His research concerns electromagnetic spectrum management.

UAV Data Link Time Delay Simulation Based on QualNet

HUANG Yong-jing，WANG Yun-wen，HUANG Chao，LIU Ji-ming，BAI Hua-wei
（Institute of Astronautics＆Aeronautics，University of Electronic Science and Technology of China，Chengdu 611731，China）

The network structure of UAV（Unmanned Aerial Vehicle）data link is outlined and then the features and architecture of the communication network simulation software QualNet are introduced.At the same time，the simulation of UAV data link time delay based on QualNet is modeled and the average end to end delay and average jitter of long-range and short-range UAV at the different MAC channel access protocols are analysed. According to simulation result，TDMA protocol is a priority in design of UAV data link.

UAV data link；QualNet simulation；end to end delay；average jitter

TN915.02

A

10.3969／j.issn.1001-893x.2012.07.034

黃永兢（1987—），男，廣西人，2011年于電子科技大學獲學士學位，現為碩士研究生，主要研究方向為無線網絡技術與信號處理；

1001-893X（2012）07-1210-06

2011-10-31；

2012-03-15