罗鸿秋,胡圣波,2*,莫金容

(1.贵州师范大学 智能信息处理研究所，贵州 贵阳 550025；2.贵州省教育厅射频识别与传感网络工程中心，贵州 贵阳 550025)

0 引言

从海湾战争、科索沃战争到阿富汗战争、伊拉克战争，再到叙利亚战争，无人战车在信息化战争中成为战场不可或缺的重要角色[1-2]。近年来，随着无线通信与人工智能发展，分布式作战成为一种新的作战范式，代表着未来作战的方向[3]，而无人战车将成为这种新的作战范式的主要装备。分布式作战的新范式对复杂地形环境下的自动化指挥系统(Command,control,communications,computers intelligence,surveillance and reconnaissance,C4ISR)提出了更高的要求，而这对分布式无人战车(Distributed unmanned combat vehicle,D-UCV)上下级之间的指挥通信又提出了更严峻的挑战。

截至目前，对于分布式无人作战平台已有大量研究。比如Long等[4]运用复杂网络理论对分布式战斗网络进行了研究；Fan等[5]根据协同作战的实际情况，提出了基于复杂网络的新型无人协同作战网络模式建设方法；刘诗瑶等[6]提出了无人作战系统指控网络可控性优化方法等。尽管这些研究兼具多种类型的特点，然而并没有考虑网络拓扑结构对分布式无人作战平台通信的影响，本文拟解决此问题。

此外，近年以长期演进(Long term evolution,LTE)为主要内容的5G无线通信已成为全球高技术领域竞争热点。LTE技术具有传输速率高、频谱效率高、抗衰落强等特点，是4G、5G通信的关键技术，具有很好的发展前景[7-8]。正因为如此，如将LTE应用于分布式无人作战平台，则能够满足D-UCV对于复杂地形环境的通信需求。此外，采用LTE技术，也可为未来无线网络与分布式无人作战平台之间数据传输提供重要支持[9]。

因此，本文通过搭建一个LTE无线基站和12辆D-UCV的分布式无人作战平台星型网络拓扑，以模拟指挥车与D-UCV群之间通信与数据传输场景，并采用NS3研究该场景指挥车与D-UCV上下行链路通信的网络性能，以为分布式无人作战平台无线通信系统的研究和设计提供一些理论支持[10-11]。

1 LTE基本原理

1.1 LTE网络架构

LTE系统与第三代合作伙伴计划(3rd Generation partnership project,3GPP)系统相似，空中接口在无线接入网终止。LTE系统架构主要分为两部分，一是演进后的核心网，二是演进后的无线接入网[12]。LTE网络实现了全IP路由，其网络结构趋近于IP带宽结构，最大优势在于低时延、低成本及高吞吐量等，又适用于分布式无人作战平台。

LTE网络架构如图1所示。无线接入网管理无线资源，以保证传输数据的安全。无线基站连接到提供网络空中接口的用户设备。无线接入网和核心网的网络组件通过标准接口连接。核心网能够在保持给定的服务质量(Quality of service,QoS)条件下，同时与网络和用户设备交换数据包。核心网包括家庭用户服务、策略控制和计费规则功能、移动性管理实体、分组数据网网关和服务网关。

图1 LTE系统架构Fig.1 System architecture for LTE

1.2 LTE协议架构

LTE系统的接口协议可以分成用户面和控制面两部分[12]。用户面保证数据流进行可靠性传输；控制面主要涉及控制和支撑用户面功能，包括无线接入网的无线资源管理请求、控制网络接入属性等来满足用户需求的变化，控制面内主要传输的为信令流。

在分布式无人作战通信的数据处理过程中，LTE系统可分解成不同的协议层，数据以IP形式传送，通过多个协议层实体进行处理[13-14]。其中，物理层处理编译码、调制解调以及其他功能；媒体访问层执行重传与上下行调度；无线链路控制层用来实现分段与连接、重传处理以及高层数据的顺序传送；分组数据汇聚层执行头压缩以减少无线接口必须传送的比特流量。本文的仿真主要针对无线链路控制层进行数据分析。LTE系统用户面传输的总体协议架构如图2所示。

图2 LTE系统用户协议架构Fig.2 User-plane protocol architecture for LTE system

图3给出LTE系统控制面传输的总体协议架构。非接入层协议主要管理用户设备和移动性管理实体之间的信息传输，无线资源控制层支持用户设备和LTE无线基站间多种功能的最为关键的信令协议。

图3 LTE系统控制协议架构Fig.3 Control plane protocol architecture for LTE system

2 网络拓扑

网络拓扑是指用传输媒体互联各种设备的物理布局。星型结构是目前应用最广、实用性最好的一种拓扑结构[15-16]。星型网络各节点通过点到点方式连接到中央节点，中央节点向目的节点传送信息，执行集中式通信控制策略。作为运用最为古老的连通结构，星型网络拓扑具有结构简单，网络传输数据快、容易维护，故障容易检测和隔离，可以很方便地排除故障节点等优势[15]，被广泛应用于网络智能集中于中央节点的场合[17-18]，尤其受到军事领域的青睐，用于满足D-UCV对于复杂地形环境的数据通信需求。

因此，本文采用星型结构作为仿真环境搭建的网络拓扑，基于NS3构建的LTE无线基站与12辆D-UCV之间的星型网络拓扑如图4所示。节点1-12分别对应第1-12辆D-UCV，图中坐标(0.0,0.0)为LTE无线基站位置。

图4 指挥车与分布式无人战车星型网络拓扑Fig.4 Star network topology between the command vehicle and the D-UCV

3 仿真环境和网络参数

3.1 仿真工具NS3

目前对基于LTE的分布式无人作战通信系统仿真主要有两种途径：第一种是采用通用计算机语言或专门用于离散事件仿真的计算机语言编程，实现对通信系统仿真；第二种是借助已有的仿真工具进行仿真，提供一种新的通信系统设计和优化方法。采用第一种仿真方法难度大且通用性差，而借助专用仿真工具不需要大量编程，通用性好，很容易实现通信系统仿真，是通信系统仿真发展方向[19]。为了解基于LTE的分布式无人作战平台在整个网络中的通信性能，需要考虑的不仅是通信系统的本身特性，更多的要考虑作为整体网络的运行状况[19-20]，所以本文将选择通信网络仿真工具，对基于LTE的D-UCV通信进行仿真。目前有一系列高质量网络仿真工具，主要包括两种类型：一种基于大型网络，例如作战跟踪网络仿真技术软件(Operational tracking network,OPNET)；二是基于小型网络，例如网络仿真器2(Network simulator 2,NS-2)、NS3等。

NS3是一个开放和可扩展的软件[21]，是理想的分布式无人作战网络仿真工具，具有各种网络协议，如TCP服务流、开/关服务流、分层路由、组播路由、静态路由、动态路由等。它支持局域网、广域网、无线移动网络和卫星网络的模拟。广泛借鉴当前主流仿真器NS2、YANS和GTNets的成功经验和其他新技术，该项目于2006年开始进行高效仿真；核心和各种功能模块由C++代码完成。本文仿真使用的是Linux平台上的最新版本NS3.31。

3.2 仿真场景

仿真场景由一个LTE无线基站指挥车主节点及十二个D-UCV从节点组成，如图5所示。LTE无线基站与D-UCV之间上下行通信链路的吞吐量、丢包率以及时延是不同的[22]，具体将在第四节进行分析。

图5 仿真场景Fig.5 Simulation scenario

3.3 仿真参数设置

针对基于LTE的分布式无人作战平台星型网络，NS3参数设置如表1所示：

表1 参数设置Tab.1 Parameter settings

4 仿真结果

需要说明的是，图5场景中的每条链路情况相同。因此，为了分析方便，任选其中一条链路分析，并针对分布式无人作战LTE星型网络的吞吐量、丢包率和时延进行分析。

吞吐量是链路每秒成功传送到目的节点的位数[23]。根据LTE无线基站与D-UCV之间的无线链路数据传输和接收的总字节分析了吞吐量，以Kb/s为单位。图6给出LTE无线基站与D-UCV上下行链路0～1 s吞吐量曲线图。结果表明，吞吐量均在0.5 s后接近饱和，其数值可达到5 000 Kpbs。吞吐量的数值越高，性能就越强。说明星型网络环境下，LTE无线基站与D-UCV之间通信数据得到了有效传输，且传输性能较稳定。

图6 吞吐量Fig.6 Throughput

图7显示了指挥车与D-UCV上下行链路0～1 s丢包率变化情况。丢包率指链路通信丢失数据包数量占总发送数据的比率[23]。数字通信中，丢包被区分为3种主要的错误类型之一，另外两种是比特错误和由于噪声造成的假包。基于LTE的分布式无人作战通信的丢包问题要复杂得多，因为无线链路会出现传输错误，而且网络拓扑结构会动态变化。图6中吞吐量曲线起伏的原因是由0～0.5 s丢包率曲线的波动引起的。吞吐量随着丢包率的降低而增加，因为更多的数据包可以在没有重传的情况下被接收。重传会延迟丢失数据包的交付时间，因此，降低了吞吐量。由图7可见，丢包率保持在0.4 Kb/s左右的较低水平。结果表明，采取星型拓扑，LTE无线基站与D-UCV通信能够有效实现较好的数据传输。

图7 丢包率Fig.7 Packet loss rate

端到端时延指源节点产生的数据与其在目的地节点成功交付之间的平均时间间隔，定义为总时延与接收数据包的比率。图8给出LTE无线基站与D-UCV上下行链路的端到端时延变化情况。由图8可见，时延最终保持在0.003 s。较小的端到端时延可提高网络性能。结果表明，LTE无线基站与D-UCV使用星型网络拓，可使通信链路利用率高，网络运行具有实时性和可靠性等优良性能。

图8 时延Fig.8 Delay

5 结论

网络吞吐量、丢包率和时延反映传输链路的通信性能，在一定程度上会影响控制站对D-UCV的有效控制。本文在LTE无线基站与12辆D-UCV的星型网络拓扑基础上，研究了其上行、下行通信链路不同参数的网络性能。仿真结果表明，采用LTE技术及星型拓扑，能够为LTE无线基站与D-UCV的通信提供高吞吐量、低丢包率和低时延，可保证分布式无人作战平台星型网络的高QoS，是未来分布式无人战车无线通信组网的理想选择。