马耀飞，段海滨，向复生

(北京航空航天大学，自动化科学与电气工程学院，北京100191)

“计算机网络与通信”是一门理论性和实践性都很强的课程，但相关实验课对面向特定领域的教学内容还比较缺乏[1，2]。计算机专业开设的实验课其内容侧重于底层通信协议，远不能满足面向专业的教学要求。针对这种情况，本文结合非计算机专业的教学要求，设计了一个层次化的网络和通信实验平台。在该平台中，学生不仅可以了解各层通信协议的具体细节，还能结合具体应用(例如战场中的无线通信场景)设置具体仿真对象，调整参数，并比较不同条件下的通信效果，从而为学生提供了一个学习、实验和研究的软件环境。

1 实验平台设计

实验平台具有层次化的软件结构，按照由下到上的顺序，分别为:①物理层:对信号从发送端到接收端的传播、接收过程进行仿真。从实现上，这一层实际也包含了传统通信协议栈中的链路层功能;②网络层:对路由功能进行仿真，建立了典型的路由协议模型;③应用层:面向领域应用建立相关仿真模型，如运动车辆和具体型号通信设备等。

1.1 物理层

信息从发送端到接收端的传输过程，需要考虑信号衰减以及各种噪声，以此判断通信链路是否存在，工作流程如图1所示。接收端将根据以下情况判断该链路是否存在，以及信息是否能正常接收:①当接收功率 最小可探测功率门限值，并且信噪比信噪比门限值时，则表示通信链路存在，且消息能正确接收;②当接收功率最小可探测功率门限值，但信噪比信噪比门限值，认为通信链路存在，但消息无法正确接收;③当接收功率最小可探测功率门限值，则表示通信链路不存在。

图1 通信链路的连通性判定过程

在图1中，有几个关键的仿真模型:电磁波传播模型，设备噪声模型，天线模型以及信噪比模型。

电磁波传输模型对不同假设环境中电磁波的传播过程进行描述。典型模型包括自由空间(Free Space)传播模型、双路(Two Ray Ground)传播模型以及山峰绕射模型等。

设备噪声模型模拟了物理设备本身的系统噪声和热噪声[5]。系统噪声是接收机设备自身的噪声。系统噪声越低，则接收机灵敏度越好。系统噪声叠加在热噪声之上。如果有前置放大器紧靠天线，典型的系统噪声系数为4-6 dB;如果没有前置放大器，则系统噪声可能会高达20 dB。

天线模型则需要根据通信设备的用途进行实现。对于无线电通讯设备，可认为天线具有无方向性，即信号增益在各个方向上相等。这个假设对于一般的军用短波和超短波战术电台(使用鞭状天线，在窄频段范围提供全方位角均匀不变约2 dB增益)是适用的。此时可将天线增益设置为常数。而对于一些专用设备，例如干扰设备，其天线增益具有明显的方向性。此时可采用表格的形式描述天线各个方向上的增益值。

信噪比模型是计算信号在接收端的信号—噪声比(S/N)，该量是判断通信链路是否联通的关键依据。假设接收设备得到的信号功率为

Ps-Pt+Gt-L+Gr

其中，Pt、Gt分别是发射端的发射功率和增益，L为路径损耗，Gr为接收端增益。这些参量均采用功率单位。

假设干扰源的数量为K，则接收端的总干扰功率为

其中，Pi和Gi为第t个干扰源的发射功率和增益，Li为第i个干扰源信号的路径损耗，Gr为接收端增益，ri为第i个干扰源的频带重叠比例。那么，接收端的信噪比为:S/N=Ps/Pj。

1.2 网络层

鉴于路由协议在网络化通信环境中的重要作用，一个主要的实验目标是让学生对路由协议有直观地认识。这里结合Ad Hoc网络的通信方式，对AODV 协议进行了实现[6，7]。Ad Hoc网络是一种没有核心节点的网络类型，拓扑结构灵活，对成员动态变化的适应性强。广泛应用在缺乏基础设施的轻量级通信环境中，如野外作业、灾难救援、军事通信等领域。AODV是Ad Hoc网络中应用较广的一种路由协议。

AODV协议只在必要的时候进行路由寻径。AODV的路由管理机制包含两部分工作。

(1)路由发现

主要过程是:发起节点向邻节点广播路由请求分组(RREQ);接收到RREQ的节点查找自己的路由表，看是否存在到达目标节点的路由。如果存在，则回复应答报文(RREP)给发起节点;否则，首先记录相应的信息，以形成到发起节点的反向路由，然后继续向邻节点转发该RREQ。若目标节点收到了该RREQ，则丢弃并以RREP报文向发起节点回传，在回传过程中建立正向路由。

(2)路由维护

当一条活动路由中的某节点发生链路中断时，其上游节点将启动路由发现过程，寻找到下一跳节点的替代路由。若修复失败，则沿着反向路由向它的上游节点发送路由错误消息，直至到达源节点。

实验平台定义了一系列数据结构来描述路由表项以及AODV的管理报文(包括:路由请求RREQ报文、路由应答RREP报文、路由错误RRER报文等)，这里不再详细列举。图2描述了AODV协议接收到一个数据报后的处理过程:首先判断是正常数据还是AODV管理报文。如果是管理报文，则调用相应的报文处理函数进一步处理。如果是一般数据，则判断该数据的信息源、是否形成环路以及生命周期 (TTL)，并进行相应处理。

图2 AODV接收数据包流程图

1.3 应用层

平台应用层面向军事应用，建立了一个包含地面车辆模型的无线通信实验环境。应用层采用了模块化设计，为各个层次的仿真模型提供了参数配置接口，方便学生在实验中修改。结构如图3所示。

图3 应用层的功能模块组成

“平台参数库”是底层数据库，保存各模型的配置参数，允许用户(通过界面)修改。“效能评估模块”主要针对各种干扰环境对通信效能进行评估。干扰包括自然环境产生的背景干扰，以及人为的电磁干扰。通信效能指标包括通信容量、通信时延和通信可靠度等。“无线信道模型库”包括前述的电磁波传输模型。“数据可视化模块”是一个二维显示界面，将车辆运动和通信链路进行动态显示。“数据统计模块”对数据包大小、发送功率、发送速率等性能参数进行统计显示。“设备模型库”包含了仿真所需的各类对象模型，如电台通信设备，干扰设备和车辆等。

2 实验设计

2.1 物理层:基本原理实验

学生需要在物理层了解电磁信号传输的基本过程。但是，作为一种功能级的实验平台，做不到信号级的实验。因此，该层的实验设计主要以观察、了解为主，侧重于掌握参数意义和工作流程。具体包括:

(1)修改接收端的功率门限和信噪比门限参数，通过可视化的“数据统计处理模块”观察变化;

(2)独立编码实现某个电磁波传输模型，模型文档已经给出;

(3)阅读代码:将仿真模型与教科书中对通信协议栈的功能规定进行对比，完成对比分析报告。

2.2 网络层:路由协议改进实验

基于AODV协议的基本功能组件，设计了路由协议的改进实验。这里要求学生在AODV的基础上实现一个基于分簇的路由算法。其基本思想是:在通信的节点数目较多时，可以按簇(Cluster)的形式将网络划分为多级网络，如图4所示。图中，数字为各节点ID，CM为簇成员，CH为簇首，GW为网关节点。每个簇由一个簇首(Cluster-head)和多个簇成员(Cluster-member)组成，这些簇首形成了高一级的网络[8，9]。簇首之间可直接或者通过网关通信。这种改进可有效减少网络中的路由请求，提升网络效能，特别是在网络拓扑结构频繁变动时。

图4 基于最小ID算法形成的簇

分簇路由算法最重要的部分是分簇算法和路由发现，前者的参考是最小ID启发式算法，后者则需要建立路由发现的逻辑过程。相关算法的基本框架已经实现，学生需要对其中某些功能段进行编程，最终编译和运行。

2.3 应用层:战场通信实验

应用层通过建立战场通信场景，使学生了解:①距离对通信链路的影响;②多节点通信链路中继;③干扰对通信链路的影响。

在实验①中，学生可以控制车辆的运动，并配置不同的电磁波传输模型，观察车辆间的通信链路是否保持。

在实验②中，将建立车辆编队行进过程中的通信结构。通过设置某个节点脱离编队，观察新拓扑结构的形成过程。在这个实验中，学生可以建立车辆编队，定义行进路径和突发事件(例如，控制车辆位置编队)，观察通信链路的变化。

在实验③中，允许学生设置电磁干扰影响某些节点的通信功能，从而观察当某些节点失效后通信拓扑结构的变化。限于篇幅，这里省略了图形描述。

3 结语

网络与通信实验平台是面向专业领域设计的通用实验平台，通过模块化的设计，实现了通信协议栈从物理层到应用层的功能组件。需要注意的是，该实验平台适用于不同水平的学生。初次接触网络与通信技术的学生，可以将平台的实现与教材上介绍的通信协议相互比对，加深理解。而具有一定技术基础的学生，则可以在不同的层次上开发自己的应用，从而进一步提高水平。

[1]钦桂;杨桃栏;计算机网络课程教学改革的体会[J];北京:中国科技信息;2006年20期

[2]李建国;高校计算机通信与网络课程教学研究[J];安徽:淮北师范大学学报(自然科学版);2011年03期

[3]李冬霞;樊志远.数据通信与计算机通信网实验教学改革与实践[J];天津:实验室科学;2010年02期

[4]Eltahir I K.The Impact of Different Radio Propagation Models for Mobile Ad hoc NETworks(MANET)in Urban Area Environment:Wireless Broadband and Ultra Wideband Communications[C]，AusWireless 2007，2007.

[5]DavidL Adamy.电子战建模与仿真理论[M].北京:电子工业出版社，2004.

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[8]邹艳.Ad Hoc网络中的分簇路由算法研究[D].西安电子科技大学，2007.

[9]付珍珍.Ad Hoc网络中分簇路由算法的研究[D].南京邮电大学，2012.

[10]Gerla，M.，Tsai，J.T.C.Multicluster，mobile，multimedia radio network[J].Wireless networks，1995，1(3):255-265.