CN112327667A - 面向大规模无人集群网络的半实物仿真要素设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出面向大规模无人集群网络的半实物仿真要素设计方法，本发明基于SDN的构架，面向现有半实物仿真平台，对虚拟节点、无线信提出道以及控制器这些仿真要素进行了针对性的设计，实现了虚拟节点模拟多种实物节点，实现节点传输，计算，存储融合的技术效果；解决了半实物仿真平台高动态拓扑变化仿真的问题；解决了移动自组网的无线信道精确模拟时延、抖动以及丢包率等链路特性的问题，使得大规模无人集群网络仿真的真实可靠。

Description

面向大规模无人集群网络的半实物仿真要素设计方法

技术领域

本发明涉及计算机仿真技术领域，具体涉及一种面向大规模无人集群网络的半实物仿真要素设计方法。

背景技术

大规模无人集群网络基于移动自组织网络技术，也称为移动Ad Hoc网络，是一种特殊的无线移动通信网络系统。自组织网络中所有节点的网络功能相同，地位平等，不需要设置任何的控制中心，也不需要固定、有线的设施支持，具有很强的健壮性。自组网络中节点不仅具有普通无线终端的数据收发功能，还具有报文的寻径转发能力，并维护网络的运行。移动自组网作为基于无线信道、动态变化的自治网络，其技术能够为即将到来的无人机协同作战和集群作战能够提供技术基础和保障。

大规模无人集群网络需要有良好的通信性能，具有着网络拓扑动态变化，自组织无中心网络和多跳网络的特点，同时也面临着无线传输带宽受限，网络鲁棒性差以及安全性等问题。这些存在的问题亟待解决，对大规模无人集群网络的仿真是验证解决方案的一个重要途径。

为了能够有效的验证大规模无人集群网络的性能，需要一个能够支持网络拓扑协议以及节点物理层关键技术协同测试的环境。现有的移动自组网仿真手段以软件为主，例如NS3，OMNeT++和opnet等仿真器，这些软件仿真虽然能够对移动自组网的拓扑模型进行仿真，但软件仿真缺乏真实的节点之间的数据流交换，仿真结果趋于理想化，不能反映移动自组网在真实的物理环境中的性能表现。而且传统无线自组网仿真方案中，通常只针对节点的通信性能进行仿真，例如对节点之间的传输进行模拟分析，这样的仿真方案不考虑节点的资源以及计算能力，仿真缺乏真实性。而利用真实节点进行测试则对测试环境有着较高的要求，同时拓扑搭建也缺乏灵活性。在专利CN 106301911 B提出的基于SDN的空间信息网络半实物集中式仿真平台及其实现方法，该专利中设计了一种基于软件定义网络(SDN)的半实物仿真平台，但该仿真平台面向空间信息网络，对于大规模无人集群网络缺乏对仿真节点的针对性设计，没有对节点的传输、计算以及存储进行融合，同时无法做到对高动态变化的网络状态模拟，对无线信道模拟缺少精确设计。

发明内容

发明目的：本发明旨在克服现有移动自组网仿真方案的不足，提出一种面向大规模无人集群网络的半实物仿真要素设计方法，以满足大规模无人集群网络的仿真需求。本发明基于SDN的构架，面向大规模无人集群网络，对虚拟节点、无线信道以及控制器这些仿真要素进行了针对性的设计，实现了半实物仿真平台中虚拟节点模拟多种实物节点，实现节点传输，计算，存储融合的技术效果；解决了半实物仿真平台高动态拓扑变化仿真的问题；解决了移动自组网的无线信道精确模拟时延、抖动以及丢包率等链路特性的问题，使得大规模无人集群网络仿真的真实可靠。

技术方案：为实现上述目的，本发明提出一种面向大规模无人集群网络的半实物仿真要素设计方法，包括：

设计控制器，用于对仿真网络进行整体监控控制，以及根据上层仿真系统的控制指令完成拓扑参数与链路参数的下发；

设计无线信道模拟，使用软件与硬件对无线信道进行模拟得到无线链路参数并由控制器下发至虚拟节点内；

设计仿真节点，分为虚拟节点与实物节点，虚拟节点用于模拟真实节点，实现以下功能：硬件资源分配、对真实节点的状态模拟、无线链路模拟、对所处网络进行动态态势感知及时间同步、业务处理与数据处理、资源存储；实物节点实现对所处网络进行动态态势感知及时间同步、业务处理与数据处理、资源存储；

进一步的，所述控制器包括SDN控制器与节点控制器；其中，SDN控制器用于控制仿真环境整体的网络配置以及数据监控，而节点控制器用于控制各个仿真节点的业务切换、数据传输以及数据监控。

进一步的，所述无线信道模拟步骤为：1)构建数据链模型；2)构建无线发射机模块；3)构建无线接收机模块；4)生成无线链路参数；5)虚拟节点信道模拟模块进行信道模拟。

进一步的，所述硬件资源分配包括：虚拟节点进行内存资源分配、硬盘资源分配以及进程资源分配，并将硬件资源进行封装后使用命名空间隔离，虚拟节点内部的不同应用程序分别在相应的命名空间内运行，以模拟实物节点的性能；

所述对真实节点的状态模拟包括：虚拟节点根据控制器下发的拓扑参数与链路参数模拟相应的实物节点；通过内置的状态模拟程序维护虚拟节点的三维位置坐标以及运动矢量，并计算在真实的无线信道中对不同方向发送信息的偏差以进行无线信道模拟；

所述无线链路模拟包括：在网络端口创建队列并绑定目标IP，基于无线信道模拟所得到的各个虚拟节点之间的整个仿真周期内的链路参数，将发送给目标IP的数据包在对应的队列中排队转发；

所述对所处网络进行动态态势感知及时间同步包括：虚拟节点周期性地向外发送探测包以探测邻居节点，其他节点在接收到探测包后会记录领居节点表，计算每次更新邻居表的变化程度并将其量化，判断所处网络是否处在高动态变化，同时判断所处节点是否为骨干节点；时间同步功能包括：点到点的时间同步，即骨干节点向其他节点发送同步信息使得其他邻居节点与其同步，在非高动态网络与高动态网络中采用不同的时间同步策略；以及端口链路参数信息的更新与SDN控制器拓扑更新的逻辑同步；

所述业务处理与数据处理包括：基于控制器控制指令进行业务切换，在仿真网络中进行控制命令发送、文件传输以及多媒体信息传输业务；以及对其他节点发送的数据包进行解包分析，根据数据包所处业务不同进行分类转发处理；

所述资源存储包括：通过虚拟节点内置的数据库存储业务数据、仿真数据以及链路参数数据。

进一步的，所述实物节点包括空中节点与地面节点。

进一步的，所述实物节点由嵌入式无线设备实现。

有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优势：

本发明提出的面向大规模无人集群网络的半实物仿真要素设计方法，通过对仿真资源进行设计提供了真实可靠的信道资源；通过对仿真节点进行针对性设计，最大程度地保证大规模无人集群网络的仿真性能的真实性，实现了仿真节点的计算、存储、传输融合设计；通过对控制器进行接口设计，能够对仿真网络进行实时监控，同时满足高动态网络的仿真需求。

附图说明

图1是实施例所述仿真虚拟节点结构图；

图2是实施例所述控制器结构示意图；

图3是实施例所述无线信道模拟示意图。

图4是实施例所述面向大规模无人集群网络的半实物仿真系统的结构图。

图5是本实施例所述无线信道模拟总体流程图。

具体实施方式

下面将结合附图和具体实施例对本发明作更进一步的说明。但应当理解的是，本发明可以以各种形式实施，以下在附图中出示并且在下文中描述的一些示例性和非限制性实施例，并不意图将本发明限制于所说明的具体实施例。

应当理解的是，在技术上可行的情况下，以上针对不同实施例所列举的技术特征可以相互组合，从而形成本发明范围内的另外的实施例。此外，本发明所述的特定示例和实施例是非限制性的，并且可以对以上所阐述的结构、步骤、顺序做出相应修改而不脱离本发明的保护范围。

实施例：

附图4显示了本实施例涉及的面向大规模无人集群网络的半实物仿真系统的整体构架，其中，上层仿真系统负责构建动态的网络拓扑，包含地面和空中节点，并模拟不同场景下无线链路传输质量；控制器负责对仿真系统的整体监控控制以及拓扑参数与链路参数的下发；SDN服务器中运行虚拟SDN交换机与虚拟节点；接入设备负责将实物交换机与SDN服务器中的虚拟交换机相连，共同构建大规模无人集群网络环境；实物节点包含空中节点与地面节点。

附图3与附图5显示了无线信道模拟与节点进行链路参数设置的流程。针对特定的大规模移动自组网仿真环境或者实验用户提供的网络场景，利用上层仿真系统构建动态的网络拓扑，包含地面和空中节点。无线信道模拟使用matlab与NS3软件模拟以及硬件信道模拟器结合的方式进行模拟，对软件进行接口封装使得能够方便的得到仿真结果。

无线信道模拟步骤为：1)构建数据链模型；2)构建无线发射机模块；3)构建无线接收机模块；4)生成无线链路参数；5)虚拟节点信道模拟模块进行信道模拟。

数据链构建包含模拟节点的工作状态，设置工作频段与工作带宽，设定发射功率与数据包发送速率，设定缓冲区大小以及最计算大传输距离；

无线发射机模块配置无线信道，模块功能包含匹配接收组群，计算传输延时，进行链路闭合，匹配本节点与目的节点信道，进行天线增益；

无线接收机模块匹配无线信道，对数据速率、数据包格式、通信带宽、工作频段、扩频码和处理增益进行设置，同时配置检纠错门限；

无线信道模拟模块采用复合衰落信道模型，主要功能包含多径延时，频移以及信道衰落。对于每一条通信链路，根据两个节点实时的位置信息调整衰落参数，并添加高斯白噪声。

对于需要测试无线信道参数的两个真实节点尽可能多地进行通信，对比收发信息得到链路实时的带宽、丢包率、时延、抖动以及误码率相关参数信息，这些链路参数将被储存在虚拟节点控制器数据库中，并在仿真建立时下发至该条链路所对应两个虚拟节点的数据库中。

附图2显示了本实施例中控制器的结构。控制器包含SDN控制器与节点控制器两个模块。SDN控制器用于控制仿真环境整体的网络配置以及数据监控，节点控制器面向各个仿真节点，用于控制各个节点的业务切换、数据传输以及数据监控。

SDN控制器中对SDN交换机北向接口进行了设计，可以接受特定格式的拓扑参数输入，并将其转换为openflow格式下发给SDN交换机，同时接口可以支持高频率的拓扑参数输入以模拟高动态的无人集群网络。SDN控制器对接SDN交换机的各个端口，能够实时读取各个端口的吞吐量信息并输出统计。

节点控制器直接控制虚拟节点，控制各个虚拟节点的端口信息更新，同时因为无人集群网络中节点都采用广播形式发送数据包，所以节点控制器接收所有虚拟节点的广播数据包，并对其进行解包分析，实时显示仿真网络中数据流的信息。

附图1显示了虚拟节点的结构。虚拟节点运行在服务器中，由docker与QEMU虚拟化技术生成。虚拟节点接收控制器下发的节点模拟参数信息，根据该信息首先进行硬件资源分配，之后进行状态模拟，设定位置参数与运动状态参数，再根据无人集群网络中节点需求构建各个应用模块，同时模拟无线信道的参数。虚拟节点内安装多种协议栈，接入同一SDN服务器，虚拟节点模拟地面、空中与卫星节点，并与物理节点进行自组网，构建大规模无人集群网络的仿真环境。虚拟节点由以下功能实现。

1)硬件资源分配。根据仿真想要模拟的实物节点的物理信息，控制器向节点发送硬件资源信息，虚拟节点进行内存资源分配，硬盘资源分配以及进程资源分配，并将硬件资源进行封装并使用命名空间隔离，虚拟节点内部应用程序都将在隔离的命名空间内运行，模拟实物节点的性能。

2)节点状态模拟。虚拟节点内部运行状态模拟程序，根据控制器的控制信息模拟地面节点、空中节点或者卫星节点；状态模拟程序维护虚拟节点的三维位置坐标以及运动矢量，并计算在真实的无线信道中对不同方向发送信息的偏差，输出偏差信息给无线信道模拟模块。

3)无线链路模拟。使用硬件进行无线信道模拟后得到了各个节点之间的整个仿真周期内的链路参数，并储存在对应的节点的数据库内。虚拟节点中设置有无线链路模拟模块，在仿真过程中，无线链路模拟模块周期性的读取数据库的链路参数信息，并于网络端口创建队列绑定目标IP，发送给目标IP的数据包将在对应的队列中排队转发，所有队列的可用带宽之和模拟真实的物理设备。考虑高动态变化的无人集群网络，无线链路模拟模块的设计也支持高频率的读取数据库的链路参数信息并将其映射到端口队列中。

4)态势感知与时间同步。仿真节点运行于同一个物理设备中，因而不会产生时钟的频率偏移，所以仿真节点中的时间同步模块添加了固定的随机频率偏移模拟现实设备，时间同步将会同时同步节点系统时钟与记录频率偏移。时间同步模块与态势感知模块一起工作。态势感知模块周期性向外发送探测包探测邻居节点，其他节点在接收到探测包后将会记录领居节点表，由于每个节点都会发送探测包，所以在很小的开销下就能很快地确定邻居节点。态势感知模块将会计算每次更新邻居表的变化程度并将其量化，判断所处网络是否处在高动态变化情况下，同时判断所处节点是否为骨干节点。时间同步模块有两个功能模块，其一会进行点到点的时间同步，骨干节点向其他节点发送同步信息使得其他邻居节点与其同步，在非高动态网络中同步方案采用PTP协议，在高动态网络中只由骨干节点向外广播发送包含时间戳的时间同步信息，其二时间同步模块会确保端口链路参数信息的更新与SDN控制器拓扑更新的逻辑同步。

5)业务处理与数据处理。虚拟节点内包含业务处理模块，业务处理模块根据节点控制器控制命令进行业务切换，在仿真网络中进行控制命令发送、文件传输以及多媒体信息传输业务。数据处理模块会对其他节点发送的数据包进行解包分析，根据数据包所处业务不同进行分类转发，如果以本节点为目的地址，则解析数据包内容并发送给其他模块。

6)资源存储。虚拟节点内置数据库，存储业务数据，仿真数据以及链路参数数据。数据库模拟真实节点存储性能，向无线链路模拟模块提供链路参数数据，同时接收业务处理与数据处理模块所生成的处理结果。

实物节点，实物节点由嵌入式无线设备实现，实物节点中主要包含态势感知模块、时间同步模块，业务处理模块以及数据处理模块，各个节点主要功能与虚拟节点相同；通过接入设备接入虚拟仿真环境中，嵌入式设备安装至智能移动小车中模拟地面移动节点，安装至无人机中模拟空中无人机节点，实现大规模集群网络的模拟。

具体的，虚拟节点中还安装有协议栈，包括：batman-adv、OLSR、AODV、DSR、CGSR、TCP/IP。

本发明设计的面向大规模无人集群网络半实物仿真要素设计，对仿真资源进行设计提供了真实可靠的信道资源；对仿真节点进行针对性设计，最大程度地保证大规模无人集群网络的仿真性能的真实性，实现了仿真节点的计算、存储、传输融合设计；对控制器进行接口设计，能够对仿真网络进行实时监控，同时满足高动态网络的仿真需求。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (5)

1.面向大规模无人集群网络的半实物仿真要素设计方法，其特征在于，包括：

设计控制器，用于对仿真网络进行整体监控控制，以及根据上层仿真系统的控制指令完成拓扑参数与链路参数的下发；

设计无线信道模拟，使用软件与硬件对无线信道进行模拟得到无线链路参数并由控制器下发至虚拟节点内；

设计仿真节点，分为虚拟节点与实物节点，虚拟节点用于模拟真实节点，实现以下功能：硬件资源分配、对真实节点的状态模拟、无线链路模拟、对所处网络进行动态态势感知及时间同步、业务处理与数据处理、资源存储；实物节点实现对所处网络进行动态态势感知及时间同步、业务处理与数据处理、资源存储。

2.根据权利要求1所述的面向大规模无人集群网络的半实物仿真要素设计方法，其特征在于，所述控制器包括SDN控制器与节点控制器；其中，SDN控制器用于控制仿真环境整体的网络配置以及数据监控，而节点控制器用于控制各个仿真节点的业务切换、数据传输以及数据监控。

3.根据权利要求书1所述的面向大规模无人集群网络的半实物仿真要素设计方法，其特征在于，所述的无线信道模拟过程为：1)构建数据链模型；2)构建无线发射机模块；3)构建无线接收机模块；4)信道模拟生成无线链路参数；5)虚拟节点信道模拟模块进行信道模拟。

4.根据权利要求1所述的面向大规模无人集群网络的半实物仿真要素设计方法，其特征在于，所述硬件资源分配包括：虚拟节点进行内存资源分配、硬盘资源分配以及进程资源分配，并将硬件资源进行封装后使用命名空间隔离，虚拟节点内部的不同应用程序分别在相应的命名空间内运行，以模拟实物节点的性能；

所述对真实节点的状态模拟包括：虚拟节点根据控制器下发的拓扑参数与链路参数模拟相应的实物节点；通过内置的状态模拟程序维护虚拟节点的三维位置坐标以及运动矢量，并计算在真实的无线信道中对不同方向发送信息的偏差以进行无线信道模拟；

所述无线链路模拟包括：在网络端口创建队列并绑定目标IP，基于无线信道模拟所得到的各个虚拟节点之间的整个仿真周期内的链路参数，将发送给目标IP的数据包在对应的队列中排队转发；

所述对所处网络进行动态态势感知及时间同步包括：虚拟节点周期性地向外发送探测包以探测邻居节点，其他节点在接收到探测包后会记录领居节点表，计算每次更新邻居表的变化程度并将其量化，判断所处网络是否处在高动态变化，同时判断所处节点是否为骨干节点；时间同步功能包括：点到点的时间同步，即骨干节点向其他节点发送同步信息使得其他邻居节点与其同步，在非高动态网络与高动态网络中采用不同的时间同步策略；以及端口链路参数信息的更新与SDN控制器拓扑更新的逻辑同步；

所述业务处理与数据处理包括：基于控制器控制指令进行业务切换，在仿真网络中进行控制命令发送、文件传输以及多媒体信息传输业务；以及对其他节点发送的数据包进行解包分析，根据数据包所处业务不同进行分类转发处理；

所述资源存储包括：通过虚拟节点内置的数据库存储业务数据、仿真数据以及链路参数数据。

5.根据权利要求1所述的面向大规模无人集群网络的半实物仿真要素设计方法，其特征在于，所述实物节点由嵌入式无线设备实现。

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