CN102075362A - 一种通信网络仿真方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种通信网络仿真方法及系统。该通信网络仿真方法包括：步骤1，将通信网络抽象为通信子网、通信枢纽与用户节点；步骤2，输入仿真运行所需要的参数；步骤3，计算仿真运行时的通信效能。本发明能够实现通信网络的仿真建模，降低通信网络仿真应用的开发成本，提高可信度。

Description

一种通信网络仿真方法及系统

技术领域

本发明涉及计算机仿真领域，尤其涉及一种通信网络仿真方法及系统。

背景技术

通信网络仿真，其核心是利用计算机仿真技术在对通信网络进行模拟，计算得到通信效能(如信息传送时延等)，并以此作为评估、优化通信网络的依据。基于仿真的方法具有风险低、效率高、成本低、可重复实验、便于定量分析等特点，已成为分析评估通信效能的有力手段。

目前在通信网络仿真方面主要是基于专业的仿真工具(如OPNET)，对通信网络的内部机理(包括路由等底层协议及算法)进行建模仿真，进而计算得到相应效能指标，这种仿真方式能够比较逼真地反映真实网络，可信度较好，但这种方式尚不能完全满足要求。具体地说，基于这种仿真方式构建的仿真模型对通信专业性要求高，平台依赖性强，内部机理、尤其是底层协议建模复杂，且运行效率随系统规模的扩大急剧下降，因而难以嵌入其它仿真应用中。例如对应急指挥系统(一般由通信网络与传感器、指挥单元、执行单元共同构成)仿真而言，建模与分析人员关心的是一些综合性指标(如指挥周期)，通信效能仅仅是影响因素之一，因此建模与仿真人员并不希望从底层通信协议开始进行建模，而是希望能够屏蔽内部机理，以一种更简单、更富效率的方式仿真得到通信网络的外在表现。

目前也有一些研究围绕外在表现对通信网络进行了进一步抽象建模，并嵌入到其它仿真应用中(参见James W Jones，“JWARS Communications Modeling”，in Proceedings of the Spring SIW，1999，PPT 99S-SIW-181)，但这些研究采取的抽象方式往往过于简单，对干扰、毁伤、负载、拓朴关系等对通信效果有较大影响的因素考虑不足，尤其是没有建立起内部机理仿真与外在表现仿真之间的联系，不能充分利用内部机理仿真的结果，导致可信度难以保证。

由上可见，有必要设计一种屏蔽内部机理、可信的通信网络仿真方法。具体地说，有必要设计一种既能够屏蔽内部机理以更好地嵌入其它仿真应用，又能够利用内部机理仿真结果以保证可信度的通信网络仿真方法。

发明内容

为了解决上述的技术问题，提供了一种通信网络仿真方法及系统，其目的在于，建立起内部机理仿真与外在表现仿真之间的联系，充分利用内部机理仿真的结果，保证通信网络仿真的可信度。

本发明提供了一种通信网络仿真方法，包括：

步骤1，将通信网络抽象为通信子网、通信枢纽与用户节点；

步骤2，输入仿真运行所需要的参数；

步骤3，计算仿真运行时的通信效能。

步骤1中，通信子网是通信网络中逻辑上相互独立的网络，通信枢纽是构成通信网络的物理实体，用户节点是通信网络的用户实体。

步骤2中，仿真运行所需要的参数包括：通信拓扑、通信网络能力参数、通信设备性能参数以及通信枢纽和用户节点的干扰/毁伤情况与信息情况。

通信网络能力参数包括：端到端连通率，时延，丢失率，最大用户节点数；

端到端连通率用于表征用户之间连通的可能性，时延用于表示用户之间传递信息所需的时间，丢失率用于表征信息传送到目的地后损失的比率，最大用户节点数是指子网能够容纳接入的最大用户数量。

步骤3包括：

步骤31，判断请求通信的双方用户是否能够连通；

步骤32，计算信息传输时延；

步骤33，计算信息丢失率。

步骤31包括：

步骤31，根据通信拓扑判断请求通信的双方用户是否接入同一通信子网，如果是，执行步骤32，否则请求通信的双方用户不能连通；

步骤32，根据用户节点的干扰/毁伤情况与信息情况判断在仿真运行时请求通信的双方用户是否均正常工作，如果是，执行步骤33，否则请求通信的双方用户不能连通；

步骤33，根据通信设备性能参数判断请求通信的双方用户节点是否在仿真运行时位于至少一个通信枢纽的作用范围内；

步骤34，产生随机值，如果该随机值大于基准端到端连通率，则请求通信的双方用户不能够连通，否则请求通信的双方用户能够连通。

步骤2中，按照下述公式计算传输时延：

$T_t=\min \left\{\frac{{\mathrm{ke}}^{(N-N_{\max })}}{h_t+(1-{\mathrm{je}}^{(P_t^{\mathrm{off}}-1)})}{T}_0\right|{\mathrm{NET}}_1,\frac{{\mathrm{ke}}^{(N-N_{\max })}}{h_t+(1-{\mathrm{je}}^{(P_t^{\mathrm{off}}-1)})}{T}_0|{\mathrm{NET}}_2,......,$

$\frac{{\mathrm{ke}}^{(N-N_{\max })}}{h_t+(1-{\mathrm{je}}^{(P_t^{\mathrm{off}}-1)})}{T}_0\left|{\mathrm{NET}}_i\right\};$

其中，NET₁到NET_i是请求通信的双方同时接入并能够连通的各通信子网，i取整数，T₀表示各通信子网的基准信息传送时延，N_max表示各通信子网能接入的最大用户数量，N_t表示在t时刻各通信子网接入的用户数；

表示t时刻因干扰/毁伤造成的各通信子网的通信枢纽无法正常工作的比率，

表示在t时刻因干扰/毁伤而无法正常工作通信枢纽数目，N表示通信子网中通信枢纽总数；k表示负载系数，在[0，1]中直接取值；j表示工作比率系数，在[0，1]中直接取值；h_t表示t时刻的环境系数，在[0，1]中直接取值。

步骤2中，按照下述公式计算信息丢失率：

P_t＝min{P₀|NET₁，P₀|NET₂，P₀|NET_i}；

其中，NET₁到NET_i是指请求通信的双方同时接入并能够连通的各通信子网，i取整数，P₀表示各通信子网的信息丢失率。

本发明提供了一种实现上述通信网络仿真方法的装置。

本发明能够实现通信网络的仿真建模，降低通信网络仿真应用的开发成本，提高可信度。

附图说明

图1为本发明提供的通信网络仿真方法流程图；

图2为本发明提供的效能计算内容示意图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明做进一步的详细描述。

如图1所示，本发明提供了一种屏蔽内部机理、可信的通信网络仿真方法。所述方法包括下列步骤：

步骤1，将通信网络抽象为通信子网、通信枢纽与用户节点；

步骤2，输入相关参数；

步骤3，计算仿真运行时的通信效能。

其中，所述步骤1具体为：将通信网络抽象为通信子网、通信枢纽与用户节点。其中，通信子网是通信网络在逻辑上相互独立的划分，一般可依据链路不同而构建；通信枢纽主要承担通信交换、中继等作用，是构成通信网络的物理实体；用户节点是指通信网络的用户实体。

其中，所述步骤2具体为：输入相关参数，包括通信拓扑、通信网络能力参数、通信设备性能参数以及仿真运行时的通信实体(包括通信枢纽与用户节点)干扰/毁伤情况与信息情况等。

(1)通信拓扑

通信拓扑，用于表明通信子网、通信枢纽、用户节点接入网络的关系(如表1所示)。

表1通信拓扑

表1中用户节点与子网之间如有√，则表示对应用户接入了网络，通信枢纽与子网之间如有√则表示该通信枢纽是构成该子网的物理实体。

(2)通信网络能力参数

通信网络能力参数如表2所示。

表2通信网络能力参数表

端到端连通率用于表征用户之间连通的可能性，时延用于表示用户之间传递信息所需的时间，丢失率用于表征信息传送到目的地后损失的比率，最大用户节点数是指子网能够容纳接入的最大用户数量。基准值是指基准条件下(如最大用户数量、没有干扰、没有毁伤、环境条件理想)的通信效能，基准值的获得可以通过内部机理仿真或试验结果统计得到，也可以直接由论证提出。

需要进一步说明的是，表2仅仅考虑了信息优先级(分为特急、紧急、优先、普通)一个方面，在实际仿真中可按需要进行细化拓展，如再加上信息类型(如文电、数据、图像、视频)等内容。表2所列通信效能值也仅仅考虑了连通率、时延、丢失率三个指标，在实际仿真中同样可按需要进行细化拓展，如再加上通信覆盖率等。

(3)通信设备性能参数

通信设备性能参数如表3所示。

表3通信设备性能参数表

表3列出的是一些典型指标，在实际仿真中可按需要进行细化拓展，如再加上相关运动、部署等能力指标。

(4)仿真运行时的通信实体(包括通信枢纽与用户节点)情况

仿真运行t时刻实体情况包括位置信息以及相应干扰、毁伤情况等。其中，干扰、毁伤情况可由干扰/毁伤源的干扰/毁伤能力以及相应通信设备性能参数计算得到，为简化起见也可进行直接设置，其结果如表4所示。

表4仿真运行t时刻干扰、毁伤情况

表4中用户节点/通信枢纽相应设备被干扰/毁伤，则在相应位置加√。

(5)仿真运行时的信息情况

仿真运行时的信息情况主要包括信息优先级等。

其中，所述步骤3具体为：综合考虑负载、干扰、毁伤、环境等影响因素对通信效能的影响，计算仿真运行时的通信效能，如图2所示，包括判断端到端能否连通、计算信息传送时延以及信息丢失率：

(1)判断端到端能否连通，具体算法是：

第一步：依据表1判断请求通信的双方用户是否接入了同一子网，如没有则不能连通；如接入至少同一个子网则转入下一步；

第二步：依据表4判断请求通信的双方用户在t时刻是否有一方不能正常工作(如所拥有的全部通信设备已毁伤或被干扰)，如有则不能连通，如没有则转入下一步；

第三步，依据表3判断请求通信的双方用户节点的位置在t时刻是否在至少一个通信枢纽的作用范围内，如不在则不能连通，如在则转入下一步；

第四步：依据表2得到相应基准端到端连通率P₀，取随机值，如大于P₀则不能连通，如小于或等于P₀，则能够连通。

(2)计算信息传送时延T_t，具体算法是：

$T_t=\min \left\{\frac{{\mathrm{ke}}^{(N-N_{\max })}}{h_t+(1-{\mathrm{je}}^{(P_t^{\mathrm{off}}-1)})}{T}_0\right|{\mathrm{NET}}_1,\frac{{\mathrm{ke}}^{(N-N_{\max })}}{h_t+(1-{\mathrm{je}}^{(P_t^{\mathrm{off}}-1)})}{T}_0|{\mathrm{NET}}_2,......,$

$\frac{{\mathrm{ke}}^{(N-N_{\max })}}{h_t+(1-{\mathrm{je}}^{(P_t^{\mathrm{off}}-1)})}{T}_0\left|{\mathrm{NET}}_i\right\}---\left[1\right]$

其中，NET₁到NET_i是指请求通信的双方同时接入并能够连通的各子网，i取整数，T₀表示各子网的基准信息传送时延，N_max表示各子网能接入的最大用户数量，N_t表示在t时刻各子网接入的用户数；

表示t时刻因干扰/毁伤造成的各子网通信枢纽无法正常工作的比率，

表示在t时刻无法正常工作(由于干扰/毁伤/故障等原因)的通信枢纽数目，N表示仿真中的子网信枢纽总数；k表示负载系数，依据经验在[0，1]中直接取值；j表示工作比率系数，依据经验在[0，1]中直接取值；h_t表示t时刻的环境系数，依据经验及当前时刻下环境条件在[0，1]取值。

需要进一步说明的是，公式[1]可依据内部机理仿真结果或试验结果进行调整。

(3)计算信息丢失率P_t

P_t＝min{P₀|NET₁，P₀|NET₂，...，P₀|NET_i}                [2]

其中，NET₁到NET_i是指请求通信的双方同时接入并能够连通的各子网，P₀表示各子网的信息丢失率。

下面就相关的参数举例说明。

(1)通信拓扑

设存在某网络为NET，其涉及的通信子网、通信枢纽、用户节点以及相应关系如表5所示。

表5NET通信拓扑

(2)通信网络能力参数

通信网络NET的能力参数如表6所示。

表6NET通信网络能力参数表

(3)通信设备性能参数

NET通信设备性能参数如表7所示。

表7NET通信设备性能参数表

表7列出的作用范围在仿真中可基于设备工作频段、功率、各类增益等参数计算得到，此处为简化起见采取直接设置的方式。

(4)仿真运行时的通信实体(包括通信枢纽与用户节点)情况

仿真运行t时刻实体情况结果如表8所示。

表8仿真运行t时刻实体情况

(5)仿真运行时的信息情况

设在t时刻，由用户节点C₁向用户节点C₂传递紧急信息。

1.步骤3，计算仿真运行时的通信效能。

(1)判断端到端能否连通：

第一步：依据表5，用户节点C₁、C₂接入了同一子网NET₁，转入下一步；

第二步：依据表8，用户节点C₁、C₂均正常工作，转入下一步；

第三步，依据表8，用户节点C₁与通信枢纽N₁之间距离为1KM，用户节点C₂通信枢纽N₁之间距离为1KM，均在通信枢纽N₁的作用范围10KM内，转入下一步；

第四步：依据表6，NET₁的基准端到端连通率P₀为90％，取随机值为85，小于90。

则：判断能够连通。

(2)计算信息传送时延T_t

依据公式[1]，NET₁是请求通信的双方同时接入的子网，T₀表示NET₁的基准信息传送时延(依据表6取为20秒)，N_max表示NET₁能接入的最大用户数量(依据表6取为2秒)，N_t表示在t时刻各子网接入的用户数(依据表5取为2)；

表示t时刻因干扰/毁伤造成的各子网通信枢纽无法正常工作的比率，表示在t时刻因干扰/毁伤而无法正常工作通信枢纽数目(依据表8，

)，N表示仿真中的子网信枢纽总数(依据表5，N＝2)；k表示负载系数，此处取1；j表示工作比率系数，此处取1；h_t表示t时刻的环境系数，此处取0。则有：

(3)计算信息丢失率P_t

依据公式[2]，，其中，NET₁是请求通信的双方同时接入并能够连通的子网，P₀表示NET₁的信息丢失率(依据表6取为10％)。则有：

P_t＝P₀|NET₁＝10％

本领域的技术人员在不脱离权利要求书确定的本发明的精神和范围的条件下，还可以对以上内容进行各种各样的修改。因此本发明的范围并不仅限于以上的说明，而是由权利要求书的范围来确定的。

Claims (9)

1.一种通信网络仿真方法，其特征在于，包括：

步骤1，将通信网络抽象为通信子网、通信枢纽与用户节点；

步骤2，输入仿真运行所需要的参数；

步骤3，计算仿真运行时的通信效能。

2.如权利要求1所述的通信网络仿真方法，其特征在于，步骤1中，通信子网是通信网络中逻辑上相互独立的网络，通信枢纽是构成通信网络的物理实体，用户节点是通信网络的用户实体。

3.如权利要求1所述的通信网络仿真方法，其特征在于，步骤2中，仿真运行所需要的参数包括：通信拓扑、通信网络能力参数、通信设备性能参数以及通信枢纽和用户节点的干扰/毁伤情况与信息情况。

4.如权利要求3所述的通信网络仿真方法，其特征在于，通信网络能力参数包括：端到端连通率，时延，丢失率，最大用户节点数；

端到端连通率用于表征用户之间连通的可能性，时延用于表示用户之间传递信息所需的时间，丢失率用于表征信息传送到目的地后损失的比率，最大用户节点数是指子网能够容纳接入的最大用户数量。

5.如权利要求4所述的通信网络仿真方法，其特征在于，步骤3包括：

步骤31，判断请求通信的双方用户是否能够连通；

步骤32，计算信息传输时延；

步骤33，计算信息丢失率。

6.如权利要求5所述的通信网络仿真方法，其特征在于，步骤31包括：

步骤31，根据通信拓扑判断请求通信的双方用户是否接入同一通信子网，如果是，执行步骤32，否则请求通信的双方用户不能连通；

步骤32，根据用户节点的干扰/毁伤情况与信息情况判断在仿真运行时请求通信的双方用户是否均正常工作，如果是，执行步骤33，否则请求通信的双方用户不能连通；

步骤33，根据通信设备性能参数判断请求通信的双方用户节点是否在仿真运行时位于至少一个通信枢纽的作用范围内；

步骤34，产生随机值，如果该随机值大于基准端到端连通率，则请求通信的双方用户不能够连通，否则请求通信的双方用户能够连通。

7.如权利要求5所述的通信网络仿真方法，其特征在于，步骤2中，按照下述公式计算传输时延：

$T_t=\min \left\{\frac{{\mathrm{ke}}^{(N-N_{\max })}}{h_t+(1-{\mathrm{je}}^{(P_t^{\mathrm{off}}-1)})}{T}_0\right|{\mathrm{NET}}_1,\frac{{\mathrm{ke}}^{(N-N_{\max })}}{h_t+(1-{\mathrm{je}}^{(P_t^{\mathrm{off}}-1)})}{T}_0|{\mathrm{NET}}_2,......,$

$\frac{{\mathrm{ke}}^{(N-N_{\max })}}{h_t+(1-{\mathrm{je}}^{(P_t^{\mathrm{off}}-1)})}{T}_0\left|{\mathrm{NET}}_i\right\};$

其中，NET₁到NET_i是请求通信的双方同时接入并能够连通的各通信子网，i取整数，T₀表示各通信子网的基准信息传送时延，N_max表示各通信子网能接入的最大用户数量，N_t表示在t时刻各通信子网接入的用户数；

表示t时刻因干扰/毁伤造成的各通信子网的通信枢纽无法正常工作的比率，表示在t时刻因干扰/毁伤而无法正常工作通信枢纽数目，N表示通信子网中通信枢纽总数；k表示负载系数，在[0，1]中直接取值；j表示工作比率系数，在[0，1]中直接取值；h_t表示t时刻的环境系数，在[0，1]中直接取值。

8.如权利要求5所述的通信网络仿真方法，其特征在于，步骤2中，按照下述公式计算信息丢失率：

P_t＝min{P₀|NET₁，P₀|NET₂，P₀|NET_i}；

其中，NET₁到NET_i是指请求通信的双方同时接入并能够连通的各通信子网，i取整数，P₀表示各通信子网的信息丢失率。

9.一种实现如权利要求1-8任意一项所述的通信网络仿真方法的装置。

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