1. 仿真及半實(shí)物仿真   

1.1   仿真及其分類   

仿真方法的應(yīng)用早可追溯到1773年，法國自然學(xué)家用仿真方法做物理實(shí)驗(yàn)估計π值。經(jīng)過200多年的發(fā)展，仿真技術(shù)已經(jīng)成為科學(xué)實(shí)驗(yàn)的有效手段，對科學(xué)技術(shù)的發(fā)展起到了巨大的推動作用。1992年美國提出22項(xiàng)國家關(guān)鍵技術(shù)，仿真技術(shù)列第16項(xiàng)；提出21項(xiàng)國防關(guān)鍵技術(shù)，仿真技術(shù)列第6項(xiàng)。近年來美國更加重視仿真，將發(fā)展“合成仿真環(huán)境”作為國際科技發(fā)展的7個科技推動領(lǐng)域之一^[1]。   

根據(jù)仿真過程中所建立模型對象的方式不同，可以將系統(tǒng)仿真分為三種模式^[1]：  

(1)計算機(jī)仿真。其特點(diǎn)是系統(tǒng)用嚴(yán)格的數(shù)學(xué)模型表示，不使用實(shí)際系統(tǒng)的任何部件。計算機(jī)仿真的模型抽象程度，仿真費(fèi)用省，仿真所花的時間少，作各種變量控制試驗(yàn)也方便。但它有一個致命的弱點(diǎn)，即仿真結(jié)果的可信度較差。   

(2)實(shí)物仿真。即系統(tǒng)原型方法，特點(diǎn)是全部使用實(shí)際系統(tǒng)的子系統(tǒng)或部件，系統(tǒng)原型可以任意接近的系統(tǒng)配置。實(shí)物仿真與實(shí)際系統(tǒng)接近，仿真結(jié)果可信，但費(fèi)用高，執(zhí)行起來所花時間長，作變量控制試驗(yàn)也不方便。   

(3)半實(shí)物仿真，又稱為硬件在回路（Hardware-In-Loop，HWIL）仿真。被仿真系統(tǒng)有一部分用與實(shí)際系統(tǒng)相同或相近的實(shí)物，其它部分則采用計算機(jī)仿真形式。半實(shí)物仿真是一種將控制器(實(shí)物)與在計算機(jī)上實(shí)現(xiàn)的控制對象的仿真模型（數(shù)學(xué)仿真）聯(lián)接在一起進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的技術(shù)。在這種實(shí)驗(yàn)中，控制器的動態(tài)特性、靜態(tài)特性和非線性因素等都能真實(shí)地反映出來，因此它是一種更接近實(shí)際的仿真實(shí)驗(yàn)技術(shù)。這種仿真技術(shù)可用于修改控制器設(shè)計，同時也廣泛用于產(chǎn)品的修改定型、產(chǎn)品改型和出廠檢驗(yàn)等方面。   

1.2   半實(shí)物仿真及其特點(diǎn)仿真及其分類   

半實(shí)物仿真技術(shù)自20世紀(jì)60年代問世直到目前美國研制航天飛機(jī)，始終盛行不衰^[2]。美國大多數(shù)國防承包商都有一個或多個半實(shí)物仿真實(shí)驗(yàn)室，這些實(shí)驗(yàn)室代表了當(dāng)前世界先進(jìn)水平。其先進(jìn)性體現(xiàn)在：(1)有高速高精度的仿真機(jī)；(2)有先進(jìn)完備的環(huán)境模擬設(shè)備。國內(nèi)半實(shí)物仿真技術(shù)在導(dǎo)彈制導(dǎo)、火箭控制、衛(wèi)星姿態(tài)控制等應(yīng)用研究方面也達(dá)到了較高水平。自20世紀(jì)80年代開始，我國建設(shè)了一批高水平、大規(guī)模的半實(shí)物仿真系統(tǒng)，如射頻、紅外制導(dǎo)導(dǎo)彈、殲擊機(jī)、驅(qū)逐艦半實(shí)物仿真系統(tǒng)等。  

半實(shí)物仿真的特點(diǎn)是^[1]：①在回路中接入實(shí)物，必須實(shí)時運(yùn)行，即仿真模型的時間標(biāo)尺和自然時間標(biāo)尺相同。②需要解決控制器與仿真計算機(jī)之間的接口問題。③半實(shí)物仿真的實(shí)驗(yàn)結(jié)果比數(shù)學(xué)仿真更接近實(shí)際。  

2. 半實(shí)物網(wǎng)絡(luò)仿真   

2.1   半實(shí)物仿真及其特點(diǎn)仿真及其分類   

網(wǎng)絡(luò)的半實(shí)物仿真是一種重要的網(wǎng)絡(luò)研究方法。它允許現(xiàn)實(shí)世界的網(wǎng)絡(luò)分組流量和仿真器中模擬的流量進(jìn)行交互，經(jīng)受用戶定義的分組延時、丟失、重排序和復(fù)制。利用網(wǎng)絡(luò)仿真，用戶能夠測試現(xiàn)實(shí)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備在各種不同模擬的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中的功能和性能，而無需獲得、了解或修改它的內(nèi)部協(xié)議棧。正由于此，半實(shí)物仿真被廣泛應(yīng)用于測試網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和設(shè)備。    

實(shí)時模擬IP網(wǎng)絡(luò)對于網(wǎng)絡(luò)仿真引擎來說是一個很大的挑戰(zhàn)和負(fù)擔(dān)。網(wǎng)絡(luò)仿真器必須同時監(jiān)視實(shí)際運(yùn)行的網(wǎng)絡(luò)作為輸入數(shù)據(jù)流量、仿真流量并將仿真結(jié)果重新遞交給實(shí)際運(yùn)行的IP網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)仿真器必須具有下列的特性才能夠進(jìn)行上述的網(wǎng)絡(luò)模擬^[3]：   

速度快（Fast）——仿真器處理單個分組的時候必須比實(shí)際的網(wǎng)絡(luò)要快。如果分組在模擬網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部需要10ms，那么就要將分組在10ms以內(nèi)重新遞交給目的端IP電話所在的實(shí)際網(wǎng)絡(luò)。如果這個時間增加到了50ms或者更多，那么模擬IP網(wǎng)絡(luò)就不稱職了——實(shí)際的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備將經(jīng)歷很高的端到端延時，這與實(shí)際網(wǎng)絡(luò)情況出入太大，沒有反映出真實(shí)性。 

擴(kuò)展性強(qiáng)（Scalable）——即使在網(wǎng)絡(luò)規(guī)模達(dá)到數(shù)以千計的時候，仿真器也要執(zhí)行得比實(shí)際網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行要快。一個模擬的IP網(wǎng)絡(luò)如果只能支持小規(guī)模網(wǎng)絡(luò)，那么它的有用性就大打折扣了。  

高保真度（High-Fidelity）——仿真器必須對模擬IP網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行精確建模的情況下滿足前面的兩個要求。   

這樣就對網(wǎng)絡(luò)仿真提出了很高的要求，我們需要開發(fā)能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時IP網(wǎng)絡(luò)模擬的網(wǎng)絡(luò)半實(shí)物仿真方法。   

2.2   半實(shí)物網(wǎng)絡(luò)仿真的原理   

IP網(wǎng)絡(luò)模擬應(yīng)該允許真實(shí)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備（例如VoIP電話和計算機(jī)程序）通過模擬的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信^[4]。這個功能是通過從實(shí)際的網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中讀取實(shí)際的IP流量，并將讀取到的數(shù)據(jù)流量添加到仿真當(dāng)中，然后在仿真結(jié)束時，將仿真器中的數(shù)據(jù)流量重新注入到實(shí)際的IP網(wǎng)絡(luò)。盡管IP網(wǎng)絡(luò)的通信效果是仿真得到的，但是對于實(shí)際的設(shè)備來說，卻和真實(shí)的網(wǎng)絡(luò)流量毫無二致。  

我們開發(fā)的IP網(wǎng)絡(luò)模擬是通過QualNet外部接口（External Interface）API實(shí)現(xiàn)的。這個API使得QualNet和其它的仿真器、圖形用戶接口（Graphic User Interface, GUI）和物理設(shè)備容易接口。它將接口簡化為兩個函數(shù)：獲取（Get）數(shù)據(jù)和發(fā)送（Send）數(shù)據(jù)。 

“Get Data”函數(shù)利用libpcap庫從實(shí)際運(yùn)行的IP網(wǎng)絡(luò)中接收數(shù)據(jù)。Libpcap是一個開放源代碼的網(wǎng)絡(luò)管理工具，允許QualNet從實(shí)際網(wǎng)絡(luò)中直接讀取IP分組。當(dāng)QualNet確定要仿真某個讀取到的IP分組（例如該分組是兩個QualNet已經(jīng)作了標(biāo)記的真實(shí)設(shè)備之間通信的數(shù)據(jù)），QualNet將使用外部API將此IP分組添加到仿真內(nèi)部。IP分組將在仿真場景中的節(jié)點(diǎn)之間傳輸，終要么到達(dá)目的端，要么由于網(wǎng)絡(luò)問題被丟棄。   

如果某個IP分組到達(dá)其目的地，那么外部接口API將調(diào)用“Send Data”函數(shù)。此函數(shù)將該IP分組重新導(dǎo)入實(shí)際運(yùn)行的IP網(wǎng)絡(luò)。此過程調(diào)用另一個稱為“libnet”的開源工具。目前，IP分組重新被送回到實(shí)際運(yùn)行網(wǎng)絡(luò)中的實(shí)際接收者——目的端IP設(shè)備。  

  

 

圖1  IP網(wǎng)絡(luò)模擬器原理圖

    圖1當(dāng)中，源端IP電話（真實(shí)設(shè)備）向目的端IP電話（另一個真實(shí)設(shè)備）發(fā)起呼叫。呼叫的語音數(shù)據(jù)是以逐個IP分組的形式在網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)摹Ｔ趥鬏數(shù)倪^程中，這些IP數(shù)據(jù)分組被QualNet導(dǎo)入模擬IP網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部，從洛杉磯經(jīng)過Internet傳輸?shù)郊~約，然后再重新導(dǎo)出模擬IP網(wǎng)絡(luò)，遞交給目的端IP電話。對于源端和目的端IP電話而言，模擬網(wǎng)絡(luò)也提供了實(shí)際網(wǎng)絡(luò)一樣的傳輸延時和分組丟失，語音分組就好像經(jīng)過了實(shí)際的Internet傳輸一樣。從目的端的體驗(yàn)效果來看，是無法區(qū)分出分組是經(jīng)過實(shí)際網(wǎng)絡(luò)還是模擬網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)摹?/span>  

 

實(shí)時IP網(wǎng)絡(luò)模擬具有許多好處。它使模擬網(wǎng)絡(luò)代替了實(shí)際網(wǎng)絡(luò)，節(jié)省了人力和財力，加速了實(shí)際設(shè)備的研發(fā)。   

3. 建立半實(shí)物網(wǎng)絡(luò)仿真   

我們基于QualNet建立了半實(shí)物網(wǎng)絡(luò)仿真環(huán)境。  

3.1   實(shí)驗(yàn)床的配置   

我們的實(shí)驗(yàn)床包含3臺運(yùn)行Windows XP系統(tǒng)的電腦：一個作為仿真服務(wù)器，其它兩個作為物理網(wǎng)絡(luò)收發(fā)設(shè)備。  

圖2  配置QualNet半實(shí)物仿真實(shí)驗(yàn)床

 

 

 

         實(shí)驗(yàn)床按照圖2中標(biāo)示的IP地址進(jìn)行配置。這三臺計算機(jī)連接到了同一個有線（或無線）交換機(jī)上。

這樣，這三臺計算機(jī)就處于同一個網(wǎng)段內(nèi)并且能夠相互訪問，我們需要對192.168.0.1和192.168.0.4這兩臺計算機(jī)進(jìn)行如下的靜態(tài)路由配置，使得二者之間的通信都必須經(jīng)過仿真服務(wù)器轉(zhuǎn)發(fā)：

route -p add 100.100.10.0 mask 255.255.255.0 192.168.0.100   

3.2   仿真場景的配置  

我們在仿真服務(wù)器上運(yùn)行的仿真網(wǎng)絡(luò)場景示例如圖3所示^[5]。

 

圖3  半實(shí)物仿真場景示例

    這個示例場景一共有四個節(jié)點(diǎn)，IP地址分別是100.100.10.1、100.100.10.2、100.100.10.3和100.100.10.4，組成了一個移動自組織網(wǎng)絡(luò)（Mobile Ad Hoc Networks，MANET）。它們都具有802.11射頻，運(yùn)行AODV（Ad Hoc On Demand Vector）路由協(xié)議。左邊的1號節(jié)點(diǎn)向右邊的4號節(jié)點(diǎn)發(fā)送恒定比特率（Constant Bit Rate，CBR）流量，數(shù)據(jù)經(jīng)由中間的2號或3號節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)。

3.3   半實(shí)物仿真的配置  

 

 

上述仿真場景中的節(jié)點(diǎn)IP地址都屬于100.100.10.0子網(wǎng)，需要和實(shí)際物理網(wǎng)絡(luò)收發(fā)設(shè)備進(jìn)行影射。

影射的結(jié)果就是將100.100.10.1和100.100.10.4這兩個節(jié)點(diǎn)分別和192.168.0.1和192.168.0.4這兩個計算機(jī)建立匹配關(guān)系。由192.168.0.1計算機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)發(fā)送到192.168.0.100后，仿真器會將數(shù)據(jù)導(dǎo)入100.100.10.1節(jié)點(diǎn)，接著由100.100.10.1節(jié)點(diǎn)把數(shù)據(jù)通過仿真器中模擬的場景進(jìn)行傳輸，終到達(dá)100.100.10.4節(jié)點(diǎn)，再由100.100.10.4節(jié)點(diǎn)把數(shù)據(jù)導(dǎo)出到192.168.0.4計算機(jī)。

對于192.168.0.1和192.168.0.4上運(yùn)行的端到端應(yīng)用程序而言，仿真器是透明的。192.168.0.4收到的數(shù)據(jù)就好象是經(jīng)過這四個仿真節(jié)點(diǎn)組成的Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)囊粯印?/span> 

4. 仿真實(shí)例  

我們使用VLC 8.0.2版網(wǎng)絡(luò)視頻播放程序作為192.168.0.1和192.168.0.4計算機(jī)上運(yùn)行的端到端應(yīng)用程序。

192.168.0.1在本地運(yùn)行一個視頻文件，通過半實(shí)物仿真將視頻數(shù)據(jù)經(jīng)由模擬的無線Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)傳輸后，再由192.168.0.4上運(yùn)行的VLC接收并回放出來。由于這個我們運(yùn)行的這個仿真網(wǎng)絡(luò)場景非常簡單，所以只能明顯的察覺出仿真網(wǎng)絡(luò)傳輸帶來的延時，但是視頻圖像本身并沒有出現(xiàn)明顯的質(zhì)量損失。

我們設(shè)置的仿真場景如圖4所示：

圖4  半實(shí)物仿真實(shí)驗(yàn)場景實(shí)例 
 

左端和右端的兩個節(jié)點(diǎn)分別是視頻的發(fā)送端和接收端。中間的節(jié)點(diǎn)個數(shù)可變，用來表示視頻分組從信源到信宿經(jīng)過了幾跳的中繼傳輸。我們進(jìn)行了1~9跳的仿真實(shí)驗(yàn)。

在接收端，我們將接收到的視頻數(shù)據(jù)分組進(jìn)行了實(shí)時記錄，從終文件的大小我們可以看出經(jīng)過不同網(wǎng)絡(luò)環(huán)境傳輸后的視頻分組的丟包情況，根據(jù)對接收視頻文件的主觀評價標(biāo)準(zhǔn)，我們可以看出經(jīng)過不同網(wǎng)絡(luò)環(huán)境傳輸后的視頻分組的出錯情況。 

 

 

圖5  記錄文件大小的曲線 
 

從圖5可以看出，Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)中的中繼跳數(shù)是一個非常重要的性能參數(shù)指標(biāo)。 

1跳	2跳
3跳	4跳
5跳	6跳
7跳	8跳

     圖6  1~8跳情況下的視頻某幀截圖比較  

根據(jù)記錄視頻文件回放的主觀視頻質(zhì)量評價，我們可以看出，在我們實(shí)驗(yàn)設(shè)置的參數(shù)下，隨著跳數(shù)的增加，視頻質(zhì)量的下降趨勢和圖6所示的文件大小的變化趨勢相同：超過4跳的Ad Hoc傳輸以后，我們幾乎無法觀察視頻圖像；從3跳開始，音頻質(zhì)量就已經(jīng)下降了很多，令人無法接受了。

4. 結(jié)論  

本文研究開發(fā)了半實(shí)物網(wǎng)絡(luò)仿真環(huán)境，并通過實(shí)例驗(yàn)證了這個方法，為研究大規(guī)模無線移動通信網(wǎng)絡(luò)提供了一個新的實(shí)時、可擴(kuò)展和高保真的實(shí)驗(yàn)平臺。

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