CN102571231B - 网络模拟中的通信效果 - Google Patents

Abstract

本发明涉及网络模拟中的通信效果。本发明模拟实时、高保真度通信效果。平台模拟中的发射器被请求发送替代消息到平台模拟中的接收器。响应于该消息而计算通信效果，并且存储该通信效果用于以后使用。当发生涉及发射器和接收器的将来的通信事件时，所存储的效果被用于模拟针对该事件的通信效果。

Description

网络模拟中的通信效果

技术领域

背景技术

网络模拟被用于设计各种种类的网络、模拟然后分析各种参数对网络性能的影响。网络模拟工具能够测试使用真实硬件来仿真可能特别困难或昂贵的情况。

在无线电网络的模拟中，消息从一个节点被无线发送到另一个节点，理想通信可以被模拟。在理想的通信中，接收每个消息都没有错误和延迟。尽管理想的通信模型显著地简化模拟，但是其没有反映无线通信在真实世界中遇到的实际情况。因此，它能够在模拟结果中引入显著的不准确性。

为了更准确的模拟，通信效果可以被合并。通信效果指模拟环境内以与现实世界中所经历的效果一致的方式的通信。例如，消息可能被丢弃、破坏、延迟、阻塞或者由地形阻断，或者可以受天气、网络拥塞等等的影响。

为了并入实际的通信效果，在每个模拟的无线电发射上进行计算，从而估计每个发射器和接收器上某些特性(例如，接收器的位置、视线的阻断、网络协议的效果)的效果。每个消息伴随实际的计算错误、噪声和延迟被传递，或者根本不被传递(也就是说，被丢弃)。

通过在模拟中出现通信效果的时候排队进行计算来模拟通信效果。对于在模拟中发生的每个单独的无线电发射，网络模拟器工具被调用以进行全部通信效果计算。

在大型网络中模拟通信效果存在问题。在低延迟网络的模拟中，传送决定可能花费过长时间来计算。模拟发射所花费的时间可能比传递该决定所需要的时间多很多。如果目标/接触计算是基于(实际)低延迟(座舱模拟器通常就是这样)，那么整个模拟可能变得无效或者不能工作。

丢弃决定能够引起额外的问题。如果网络模拟器不能在缓慢的消息和永不到达的消息之间区别，那么其会等到直到消息到达或者发生超时(无论哪个先发生)。通过等待，模拟器资源被占用。

网络可缩放性也是问题。每个通信效果都能够要求大量计算。另外，由于需要更高的保真度通信效果，每个发射的计算数目增加。因此，针对一百个节点可能可实现高保真度模拟，但是不针对几千个节点。或者，如果保持每个发射的计算数目与模拟的节点增加的数目相同，那么通信效果保真度被降低。

克服这些问题是所希望的。

发明内容

根据这里的一方面，一种方法包含为平台模拟使用通信效果引擎来模拟实时高保真度通信效果。平台模拟中的发射器被请求发送替代消息(surrogatemessage)到平台模拟中的接收器。响应于该消息计算通信效果，并且存储该通信效果用于以后使用。当发生涉及发射器和接收器的将来的通信事件(futurecommunicationevent)时，所存储的效果被用于为该事件模拟通信效果。

根据另一个方面，一种***包含用于执行平台模拟的平台模拟引擎。平台模拟包括多个发射器-接收器对。该***进一步包含通信效果引擎，其用于模拟发射器-接收器对之间发射的实时、高保真度通信效果。对于每一对，该平台模拟周期性从发射器向接收器发出探测。响应每个探测，该通信效果引擎为相应的发射器-接收器对计算并存储通信效果。当平台模拟中的将来通信事件涉及发射器-接收器对时，通信效果引擎使用该对的存储效果为该事件模拟通信效果。

根据另一个方面，用于服务器的物品包含用数据编码的存储器，其用于使服务器与平台模拟器相互作用。当被执行时，该数据使服务器周期性地要求平台模拟器为所关心的全部发射器-接收器对产生探测；响应于该探测计算通信效果数据并且存储该通信效果数据；并且在将来的通信事件之前将所存储的通信效果数据分发到多个平台模拟器，所以平台模拟器能够使用该数据模拟将来的通信事件。

附图说明

图1是包括平台模拟引擎和通信效果引擎的模拟器的图解说明。

图2是无线电网络的图解说明。

图3是无线电网络模拟内部模拟实时、高保真度通信效果的方法的图解说明。

图4是在低延迟网络中的响应时间的图解说明。

图5是包括平台/力效果模拟器、通信效果服务器和通信效果代理的分布式模拟的图解说明。

图6是由通信效果引擎的服务器实行的方法的图解说明。

图7是由通信效果引擎的CEE客户端实行的方法的图解说明。

图8是计算机的图解说明。

具体实施方式

参考图1，其图解说明模拟器110，模拟器110包括平台模拟引擎120和通信效果引擎(CEE)130。平台模拟引擎120模拟包括多个平台的环境。例如，该平台模拟引擎模拟力效果，例如平台运动、操作和交互作用。

至少一些平台具有接收器和/或发射器特性。平台模拟引擎120模拟在模拟期间的发射器-接收器对之间的发射器-接收器通信。在发射器-接收器通信中，发射器通过通信链路发送消息到接收器。

额外参考图2，其图解说明无线电网络210的实例。无线电网络210包括多个平台220，其用作无线电接收器、或者无线电发射器、或者两者。该平台220经由通信链路230和240通信，通信链路230和240具有统计的连通性(connectivity)、延迟和错误特性。这些特性可以受许多因素的影响，包括但不限于无线电发射频率、频带宽度、功率、调制、每个潜在发射器和接收器的位置、由地形或者结构造成的视线无线电信号的阻断、天线类型、特性、增益模式、方位、由于天气或者其他大气效果引起的信号衰减或者丢失、多径反射、堵塞、单独和整体网络通信量负载和网络协议的效果(其能够动态丢弃或延迟消息，从而适应较高优先级的通信量或者缓解网络拥塞)。这些特性能够随模拟的过程变化。

平台220可以是静止或者移动的。链路230和240可以是有线或者无线的或其任何组合。若干移动平台220能够形成无线专设网络(adhocnetwork)，其中通信链路是动态和无线的。

网络210不限于任何特定数目的平台220。平台220可以形成单个网络、网络内部的子网或者多个网络。图2的网络210恰好图解说明形成第一和第二网络的9个平台220。第一网络是由填充链路(filledlinks)240形成的，并且第二网络由未填充链路230形成。

消息能够影响模拟中的动作。例如，消息可以使平台改变其位置或者运行模式。因此，如果消息完全到达，那么平台模拟引擎120需要知道消息花费多长时间到达。然而，该平台模拟引擎120没有解释地形、大气状况、网络拓扑、路由协议、网络负载等。

CEE130模拟具有高级别保真度的通信效果。除了考虑发送器和接收器特性，CEE130还考虑能够影响消息传送的其他特性(包括上面所列出的那些)。

参考图3，其图解说明在无线电网络模拟内模拟实时、高保真度通信效果的方法。在块310，短的替代消息或者探测从平台模拟中的发射平台被发送到平台模拟中的接收平台。消息的尺寸和格式由模拟需求指示。但是作为一个实例，该消息可以由简单标题和几个字节的数据组成。

在块320，响应于替代消息而计算通信效果。正如为模拟期间(即，通过网络模拟器)由发射平台发送的消息计算通信效果那样计算通信效果。所模拟的路由协议提供典型的路由收敛(routeconvergence)和路由选择延迟。所模拟的消息负载是真实无线电网络的代表，和模拟的端对端延迟和拥塞一样。

存储通信效果用于以后使用。通信效果可以存储在查找表中。

在块330，当发生涉及发射器-接收器对的通信事件时，所存储的效果用于为该事件模拟通信效果。作为第一实例，所存储的效果显示没有针对接收平台的连通性。当在模拟期间在该对之间发送消息时，网络模拟立即显示丢弃决定，而不是等待超时发生。作为第二实例，所存储的效果显示该对之间的消息会被传递，伴随计算的错误、噪声和延迟。当平台模拟期间从发射平台发送消息到接收平台时，存储的效果用于确定所传递消息的错误、噪声和延迟。

额外参考图4，其图解说明这个方法的优点。考虑低延迟网络。接收平台在时间T1接收发射，并且其必须不迟于时间T2传递决定。假设决定已经被计算，其会在时间T3已经被传递，这太迟了。然而，通过从发射平台发送探测到接收平台，并且在时间T0产生并存储通信效果，所存储的效果能够在时间T2被使用。因此，所传递的决定是及时的。

另一个优点是能够立即作出丢弃决定。如果在时间T0存储的通信效果指示接收平台不能接收消息，可以在时间T1作出丢弃决定，而不是等到时间T2。这允许模拟资源被释放。

所存储的效果的准确度将部分取决于探测距离平台模拟中的发射的时间有多近(也就是说，时间T0和T1之间的差)。准确度也取决于网络模拟通信量多么严格匹配平台模拟通信量和探测消息特性多么严格匹配模拟中的消息特征(例如，尺寸、协议类型、优先级)。

所存储的效果的准确度能够通过在周期间隔发送额外探测而提高，借此更新所存储的效果。可以间隔发送探测，其足够快以便网络状态在其之间没有明显的变化，但是足够慢以便网络负载实际上未受影响。

已经针对单对发射-接收平台描述图3的方法。实际上，模拟可以包括这些发射器-接收器对中的许多个。图3的方法能够被应用于模拟中的每个发射器-接收器对。

现在参考图5，其图解说明模拟器510，模拟器510包括分布式平台模拟引擎和分布式通信效果引擎。CEE的构件被画阴影，并且该平台模拟引擎的构件未被画阴影。

平台模拟引擎包括多个平台力效果模拟器520。力效果模拟器520经由使用数据互换协议的模拟数据总线530提供平台位置和发射器信息到CEE。一个这种协议是分布交互式模拟(DistributedInteractiveSimulation，DIS)，其为公认的IEEE标准。能够使用的另一个协议是更高级架构(Higher-LevelArchitecture)(HLA)。力效果模拟器520可以驻留在多个客户端535上，其可以在硬件中实现为多个联网计算机。

CEE包括多个网络模拟器540，其使用平台位置和发射器信息来模拟具有高保真度的无线电网络。该网络模拟器540可以是独有的模拟工具或者商业成品的模拟工具，例如OPNET、QualNet或CORE。网络模拟器540模拟协议(路由选择，数据转移等等)和通信量负载。其可以产生关于所关心的连接(即与力效果模拟有关)的端对端连通性(连接的/断开连接的)和通信量统计(最小延迟、平均延迟等等)。网络模拟器540也可以产生链路连通性和负载统计量。按要求，为指定的源-目标对报告当前的端对端路由。网络模拟器540可以驻留在单个计算机550上或者多个联网的计算机上。

CEE进一步地包括CEE服务器560，其通过模拟数据总线530与CEE代理570通信。CEE代理570在CEE服务器560和平台效果模拟器520之间提供接口。

额外参考图6，其图解说明由CEE服务器560执行的功能的实例。在实例中，在网络模拟器540和CEE服务器560之间交换的数据将遵循DIS协议。使用DIS协议的模拟产生被称为协议数据单元(PDU)的数据元素从而指定数据，其关于模拟中每个实体的名称、类型、属性和行为，包括发射和接收节点。PDU的实例在下面的表1中列出。

在块610，CEE服务器560“收听”平台模拟期间产生的DIS通信量并且处理与发射和接收消息相关的那些PDU。

表1

在块620，根据DIS通信量，CEE服务器560识别平台模拟中的全部发射和接收平台。CEE服务器560也可以将发射器-接收器对的列表变窄到只有其所关心的那些。

在块630，CEE服务器560周期性地要求平台模拟引擎为所关心的全部发射器-接收器对产生探测。每个请求都中断平台模拟并且使发射器-接收器对的发射平台发送短的替代消息到其配对的接收平台。

可以在周期间隔请求探测，其能够足够频繁地被配置使得平台之间的发射特性能够被合理假设为在模拟期间在替代消息和消息之间不变化很大，但又没有频繁到使得探测本身跨网络或者在网络模拟器上施加任何显著的额外通信量负载。例如，可以每秒发出1到2次短的替代消息。

网络模拟器540处理来自力效果模拟器520的输出数据，从而产生通信效果数据。

在块640，CEE服务器560在主CEE表580中存储通信效果。表580含有有关断开以及衰变的链路的信息。表580可以由发射器-接收器对编制，并且每个表中的内容是该对的具体特征(即，连通性统计量、延迟统计量和错误统计量)。

表2提供三乘三的连通性表的简单实例。列对应于发射平台，并且行对应于接收平台。表项目“1”指示发射平台和接收平台之间的“连通性”。表项目“0”指示发射平台和接收平台之间“无连通性”。连通性表中的对角线按照惯例被设定到“0”。

表2

	平台1	平台3	平台3
				平台1	0	1	1
平台2	1	0	0
				平台3	1	0	0

在块650，表数据590被分给CEE代理570。最初，完整的表能够被发给CEE代理570。主CEE表580能够向CEE中的所有CEE代理570公布，或者CEE代理570只被提供他们需要的信息。例如，接收器可以具有接收器能够和其通信的多个发射器，然而只有一个发射器正在通信。因此，初始数据分发可以含有全部潜在的发射器(除了一个以外没有为全部发射器列出无连通性)。

在表数据590最初已经被公布之后，随后的公布可以只是包括已经变化的那些表项目。该变化能够随其发生以异步方式公布，从而最小化CEE服务器560和CEE代理570之间的信息交换。另外，不必为每个单个发射事件重新计算大量的计算，为不得不等待那些结果的CEE服务器560和CEE代理570节省时间。

现在参考图7，其图解说明由客户端535执行的操作的实例。在块710，CEE客户端535为平台模拟中的一个或更多平台处理平台效果。在块720，CEE客户端535经由其CEE代理570从CEE服务器560接收表数据。两者都是正在进行的过程。

在块730到750，当在平台模拟中在发射器-接收器对之间发生发射事件时，CEE代理570为该对在CEE表数据590中查找通信效果，并且将表数据提供到力效果模拟器520。在块760，力效果模拟器520从该对中的发射器发送消息到该对中的接收器。根据查找数据中指定的连通性、延迟和错误发送该消息。因此，表查找提供非常接近的近似，而不必等待将执行的额外计算。

在块770，可以作出由CEE代理570作出的任何额外决定。这些决定可以包括随机概率绘图，其可以以“通信量报告”的形式传输回到CEE服务器560。CEE服务器560可以使用这个“通信量报告”，从而适当改变模拟的网络的已知状态，因此提高用于创造预测结果的建模。因为客户端550向网络模拟器540报告回去(即，反馈环路)，其使得网络模拟器的通信量更加代表实际的网络通信量，所以能够改进该建模。

图8图解说明计算机，其能够用于平台模拟引擎或者CEE。计算机810包括处理单元820和用数据840编码的存储器830，例如平台模拟器工具或者网络模拟器工具或者CEE服务器应用程序、或者客户端代理应用程序。存储器830也可以存储主CEE表580或者客户端表数据590。

因此，本申请公开提供了几个优点的模拟器，尤其用于低时延网络。快的表查找减少了发射事件和已知结果之间的时滞。能够立即提供丢弃决定，而不是等待消息超时。

CEE支持对非常大的网络的可缩放性。通信效果计算能够是成熟且复杂的，而不影响整体模拟性能，其意思指CEE很好地缩放至逐渐更高的保真度模拟。

因为CEE能够在模拟数据总线上放置最小的通信量，所以可缩放性被进一步提高。CEE可以只发布所关心的通信量特性到平台模拟引擎，并且其可以只分发变化到所关心的通信量特性。

Claims (7)

1.一种包含为平台模拟使用通信效果引擎来模拟实时、高保真度通信效果的方法，所述方法包括：

请求所述平台模拟中的发射器发送替代消息到所述平台模拟中的接收器；

响应于所述消息而计算通信效果，并且存储所述通信效果用于以后使用；和

当发生涉及所述发射器和接收器的将来的通信事件时，使用存储的效果来为所述事件模拟所述通信效果；

其中存储所述通信效果包括为发射器-接收器对建造通信效果的表和将所述表分发到平台模拟器；其中所分发的表只通过发送变化的表项目被更新；并且其中平台模拟器执行表查找，从而为将来的通信事件确定所述通信效果，并且按照查找的效果传递消息。

2.根据权利要求1所述的方法，其中额外的替代消息被周期性请求；其中所存储的通信效果被更新；并且其中所存储的通信效果指示统计的连通性、延迟和错误特征。

3.根据权利要求1所述的方法，其中网络模拟器工具被用于响应于所述替代消息来计算所述通信效果。

4.根据权利要求1所述的方法，进一步包含收听所述平台模拟中的网络通信量，并且在发送所述替代消息之前识别发射器-接收器对。

5.一种***，包含：

平台模拟引擎，其用于执行平台模拟，所述平台模拟包括多个发射器-接收器对；和

通信效果引擎，其用于模拟所述发射器-接收器对之间的发射的实时、高保真度通信效果，

其中对于每一对，所述平台模拟周期性地从所述发射器向所述接收器发送探测；

其中响应于每个探测，所述通信效果引擎为相应的发射器-接收器对计算并存储通信效果；和

其中当所述平台模拟中的将来的通信事件涉及发射器-接收器对时，所述通信效果引擎使用该对的存储的效果为所述事件模拟所述通信效果；

其中所述平台模拟引擎包括用于执行所述平台模拟的多个分布式平台力效果模拟器；所述通信效果引擎包括服务器，所述服务器用于存储所述通信效果，建造所存储的通信效果的表并且将所述表分发到所述平台力效果模拟器；并且其中所述平台力效果模拟器执行表查找，从而为通信事件确定所述通信效果；其中所述服务器给每个平台力效果模拟器只供给所需的表信息；并且其中所述服务器通过只发送变化的表项目来更新所分发的表。

6.根据权利要求5所述的***，其中所述通信效果引擎还包括网络模拟器，所述网络模拟器用于响应于所述探测而计算所述通信效果，并且所述服务器将所存储的效果分发到所述平台力效果模拟器；并且其中所存储的效果指示统计的连通性、延迟和错误特征。

7.根据权利要求6所述的***，其中所述服务器也收听所述平台模拟中的网络通信量，并且识别所关心的发射器-接收器对。