基于OPNET的VDL2系統傳輸性能仿真研究

李冬霞，葉倩文

（中國民航大學天津市智能信號與圖像處理重點實驗室，天津 300300）

目前，國內航空業界所使用的空地數據通信系統以ACARS數據鏈系統為主，但其傳輸容量不足，無法滿足未來民航通信發展的需求。VDL2系統作為航空電信網絡（ATN）所支持的甚高頻數據鏈子網之一，具有對現有及未來ATN良好的兼容特性，傳輸容量是ACARS系統的10多倍，已被確定為中國下一代民航空地數據通信的主要方式，并已啟動全面的建設工作。因此，非常有必要對該系統的傳輸性能進行仿真研究。

關于VDL2系統參數設置和性能分析已有一定的研究，如文獻[1]分析了飛機數量和報文特性對系統吞吐量及系統延遲的影響，文獻[2]分析了飛機數量對平均MAC子層延遲和平均鏈路層延遲的影響，文獻[1-2]都分析了系統實供負載對信道效率的影響，大致得出當系統實供負載位于（0.3，0.7）區間內時，VDL2系統的傳輸性能最佳。但沒有分析和研究飛機數量對平均重傳延遲的影響，發送窗口大小對平均子網延遲的影響，以及系統實供負載與平均子網延遲和包發送成功概率的關系，為此，本文針對這些重要的性能關系詳細進行了研究與仿真。

1 VDL2系統體系結構

VDL2系統標準定義在ICAO的VDL2SARPs中[3]，其系統層次結構大致可以分為：物理層、MAC子層、DLS子層、VME子層和子網層，如圖1所示。

圖1 VDL2系統子層結構Fig.1 Sub-layer architecture of VDL2 system

物理層實現基本的收發功能。MAC子層利用P堅持載波偵聽多址訪問（P-CSMA）算法控制對信道的共享，以及進行信道擁塞檢測。DLS子層利用航空甚高頻鏈路控制（AVLC）協議支持面向比特的空地通信。數據鏈路實體（DLE）可提供面向連接的點到點鏈路[4]。每個通信實體將產生一個VME，每條鏈路存在一個鏈路管理實體（LME），對該條鏈路進行建立和管理。對于每個LME都有一個DLE與之對應。子網層按照ISO8208協議在飛機和地面站之間提供數據報文傳輸服務[5]。

2 基于OPNET的VDL2系統建模

本文仿真選擇在OPNET Modeler平臺下實現，按照分層建模機制，完整的系統建模在網絡域、節點域和進程域中實現。

2.1 網絡域建模

網絡域建模需要建立兩種類型的節點，地面站節點與飛機節點。本次仿真子網層設計一個地面站節點，在其200 km范圍內隨機分布若干架飛機，本仿真系統最多設置150架飛機，每增加10架設置一個仿真場景，包長度設為256 bit，包更新速率為4 s/次，各飛機節點與地面站節點進行雙向實時通信，仿真時間為12 h，VDL2系統網絡域建模如圖2所示。

2.2 節點域建模

圖2 VDL2系統網絡域建模Fig.2 Network field modeling of VDL2 system

每個節點代表了一個實際的通信實體，即飛機或者地面站。飛機節點建模如圖3所示，包括：包生成模塊PK_gen，產生與VDL2中幀格式對應的信息包，發送給DLS模塊和VME模塊；位置設置模塊position，通過改變飛機的高度和經緯度實現飛機移動；DLS模塊執行DLS子層的AVLC協議；MAC模塊執行PCSMA算法；物理層包括發射模塊（VDL_tx）、接收模塊（VDL_rx）及信道模塊（channel_exchange）。地面站節點模型和飛機節點模型執行相同的協議，因此兩種節點模型類似，差別僅僅是地面站節點沒有位置設置模塊。

圖3 飛機節點建模Fig.3 Aircraft node modeling

2.3 進程域建模

節點域中的功能模塊往往包含一個或多個進程，而每一個進程模型由一個或多個有限狀態機（FSM）模型組成，使用FSM來描述進程的邏輯行為[6]。因此，進程域的建模過程就是建立FSM模型的過程。根據文獻[7]中對各子層的功能描述，建立MAC、DLS及VME進程模型。

2.3.1 物理層建模

物理層包括收發模塊和信道模塊。其中無線收發信機模塊采用D8PSK調制方式，不考慮切換情況下工作信道頻率固定為118 MHz，通用信號信道（CSC）頻率為136.975 MHz，由channel_exchange模塊實現兩信道間的切換。信道傳輸速率為31.5 kbps，信道帶寬為25 kHz。采用無線收發信機的管道特性（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，傳輸時執行PCSMA算法來控制對信道的訪問。由于一個地面站要與多個飛機通信，地面站的信道訪問概率P應該比飛機大很多，這樣才能減少延遲。本文在設置信道訪問概率時，地面站P設置為90/256、飛機P設置為13/256。最大訪問次數M1設置為135、信號忙計時器TM2設置為60 s。MAC進程建模如圖4所示。

圖4 MAC進程建模Fig.4 MAC process modeling

2.3.3 DLS子層建模

DLS子層執行點到點的AVLC通信協議，允許通信的任意一方發起通信，負責信息包的封裝、流控制、糾檢錯和認證。DLS子層將接收的數據包發送到MAC子層，每個發送幀都需要在T2時間內進行確認，模型中設置了重傳計時器T1，如果計時器到期仍未收到應答信息，則重傳該幀。確認前延遲T2設置為500 ms，最大重傳次數N2設置為6。本系統模型中，設計由DLS父進程喚醒子進程，實現幀監督和重傳功能。DLS父進程建模和子進程建模如圖5和圖6所示。

2.3.4 VME子層建模

VME子層實現鏈路的建立、維護、移交和釋放功能。本文采用飛機發起鏈路建立命令，地面站需在鏈路初始化時長T3超時前對此命令做出響應，否則飛機重發命令，重發次數應不超過N2。VME進程建模如圖7所示。

圖5 DLS父進程建模Fig.5 DLS parent process modeling

圖6 DLS子進程建模Fig.6 DLS child process modeling

圖7 VME進程建模Fig.7 VME process modeling

3 VDL2系統仿真及結果分析

基于上文所建立的VDL2系統模型，本文進行3組仿真：第1組仿真平均子網延遲和重傳延遲隨飛機數量變化的關系；第2組仿真平均子網延遲隨窗口大小以及系統實供負載變化的關系；第3組仿真丟包率隨系統實供負載變化的關系和吞吐量隨系統實供負載變化的關系。

第1組仿真得出平均子網延遲隨飛機數量變化曲線如圖8所示，平均重傳延遲隨飛機數量變化曲線如圖9所示，本組中窗口大小為4。因為地面站節點采用的信道訪問概率P比飛機節點大，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數量的增多而增大，兩者間的差距也隨之變大。按照民航信息發送的實時性要求，報文的平均發送延遲需在3 s以內[9]，由圖9可知，當飛機數量在30～90架時，訪問中延遲計時器TM1=4.5 ms時的重傳延遲至少為3 s，TM1=0.5 ms時的重傳延遲小于2 s。當飛機數量增加到90架時，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 平均子網延遲隨飛機數量變化曲線Fig.8 Curve of average subnet delay change with number of aircraft

圖9 平均重傳延遲隨飛機數量變化曲線Fig.9 Curve of average retransmission delay change with number of aircraft

第2組仿真得出平均子網延遲隨窗口大小變化曲線如圖10所示，平均子網延遲隨系統實供負載變化曲線如圖11所示，本組中TM1設為0.5 ms。由圖10可知，窗口增大時，平均子網延遲減小，當窗口從1增加到3時，延遲減小幅度很大，之后相對平穩。這是因為窗口越大，可以連續發送的幀就越多，等待排隊的時間就越短，從而減小了延遲時間。當窗口大小相同時，60架飛機的子網要比30架飛機的子網延遲大。在飛機數量為90架，窗口大小為4的情況下，通過改變飛機節點模型中的包生成模塊的設置得到不同的實供負載值，從圖11上可以看出下行鏈路延遲大于上行鏈路延遲，當平均子網延遲在3 s時，上行鏈路的實供負載值為0.63，而下行鏈路實供負載值為0.68，當實際負載接近1時，平均子網延遲基本在10 s以上。

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

圖11 平均子網延遲隨實供負載變化曲線Fig.11 Curve of average subnet change with offered load

第3組仿真得出丟包率隨系統實供負載變化曲線如圖12所示，吞吐量隨系統實供負載變化曲線如圖13所示，本組中TM1為0.5 ms，飛機數量為90架，窗口大小為4。由圖12可知，當系統實供負載小于0.34時，數據包發送成功概率在90%以上，當實供負載小于0.62時，約有80%以上的數據包發送成功，但當實供負載在1附近時，幾乎有40%的數據包會丟失。圖13說明，在實供負載小于1的范圍內，系統吞吐量和實供負載的確是同時增減的變化趨勢，只是在實供負載小于0.65之前吞吐量增加比較快，之后就比較緩慢了，而且當實供負載超過1時，隨著實供負載的增加，吞吐量反而減小。

圖12 丟包率隨實供負載變化曲線Fig.12 Curve of packet lossing ratio change with offered load

圖13 吞吐量隨實供負載變化曲線Fig.13 Curve of throughput change with offered load

4 結語

本文使用OPNET從網絡域、節點域和進程域出發，搭建了新的VDL2系統仿真平臺，分析了平均子網和重傳延遲與飛機數量之間的關系，以及平均子網延遲隨發送窗口大小以及系統實供負載變化的關系，系統實供負載與數據包發送成功概率和系統吞吐量之間的關系。結果表明：飛機數量對系統的平均子網和重傳延遲影響較大，隨著飛機數量的增加延遲增長顯著，且TM1取值不宜過大；平均子網延遲隨窗口增大而減小，之后相對平穩，且當窗口大小一定時，飛機數量多的子網比飛機數量少的子網延遲大；當系統實供負載小于0.63時，才滿足子網延遲在3 s以內；當系統實供負載小于0.62時，數據包發送成功概率在80%以上，但當實供負載在1附近時，數據包會丟失較多；在系統實供負載小于0.65時，吞吐量隨著實供負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傳輸性能，實供負載應不大于0.65。

為達到最佳性能指標，還需深入探究實供負載與各變量之間的精確關系。進一步完善此模型還可用來仿真各參數對地面站間移交性能的影響，這對VDL2系統的深入開發應用具有重要的參考價值。

[1] 王曉琳，張學軍，賈旭光.甚高頻數據鏈模式2網絡仿真分析[J].系統仿真學報，2006，18（3）：638-642.

[2] 賈旭光，張學軍，張 軍.航空甚高頻數據鏈模式二：建模及仿真研究[J].系統仿真學報，2007，19（21）：5046-5050.

[3]ICAO VDL-2 Standards and Recommended Practices（SARPS）[S].

[4] 張 軍.現代空中交通管理[M].北京：北京航空航天大學出版社，2005：28-49.

[5] ICAO Annex 10.Aeronautical Telecommunications[S].Volume III Part I：Digital Data Communication Systems.

[6] 李 馨，葉 明.OPNET Modeler網絡建模與仿真[M].西安：西安電子科技大學出版社，2006.

[7]ICAO.Doc 9776-AN/970，Manual on VHF Digital Link（VDL）Mode 2[S].2001.

[8] 韓亞啟，張學軍，張 軍.甚高頻數據鏈模式二協議參數仿真研究[J].計算機仿真，2006，23（11）：66-70.

[9] HUANG B T.Modeling and Simulation of an Aeronautical CSMA Subnetwork[C]//OPNETWORK.U S:The MITRE Corporation，2001.