短波IP廣域網(wǎng)建模與仿真

1、短波IP廣域網(wǎng)建模與仿真短波IP廣域網(wǎng)建模與仿真引言近年來(lái)隨著短波數(shù)據(jù)通信技術(shù)的飛速開(kāi)展，短波通信網(wǎng)絡(luò)重新回到人們的視野。特別是隨著美軍和北約越來(lái)越重視短波IP廣域網(wǎng)研究與建立，相關(guān)網(wǎng)絡(luò)研究也逐步展開(kāi)。由于短波IP廣域網(wǎng)是一種新興的網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)渖珊蛡鬏斝阅芘c以往的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)及傳統(tǒng)短波網(wǎng)絡(luò)具有較大的差異，為此有必要對(duì)短波IP廣域網(wǎng)進(jìn)展建模研究，分析網(wǎng)絡(luò)在運(yùn)行過(guò)程中所展現(xiàn)出的拓?fù)涮匦?，進(jìn)而更好地推進(jìn)網(wǎng)絡(luò)的建立和使用。目前關(guān)于短波網(wǎng)絡(luò)的性能研究主要有三種方法。第一種是對(duì)網(wǎng)路性能進(jìn)展實(shí)際測(cè)試：例如北約在2022年IDalitinarrirInterperabilityDenstratin軍演中設(shè)置

2、了結(jié)合高頻廣域網(wǎng)的驗(yàn)證場(chǎng)景，主要測(cè)試短波網(wǎng)絡(luò)與其他軍事通信網(wǎng)絡(luò)之間無(wú)縫互聯(lián)和信息共享的才能；2022年，澳大利亞海軍和加拿大海軍在太平洋東部海域開(kāi)展了寬帶短波IP數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)戰(zhàn)性研究，測(cè)試寬帶短波通信中IP數(shù)據(jù)的傳輸效率和性能1。這類方法得到的實(shí)際數(shù)據(jù)更加貼近實(shí)際，但是測(cè)試結(jié)果受到現(xiàn)場(chǎng)隨機(jī)因素和測(cè)試時(shí)間的影響較大。第二種是對(duì)網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浜腿萘啃阅苓M(jìn)展計(jì)算機(jī)仿真：例如美軍專門為其高頻全球通信系統(tǒng)開(kāi)發(fā)了一種網(wǎng)絡(luò)仿真軟件NetSi2，用于網(wǎng)絡(luò)的建模與仿真2。這類方法針對(duì)詳細(xì)的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)展仿真研究，仿真軟件屬于專用仿真軟件，仿真結(jié)果更加詳細(xì)，但仿真結(jié)論并不具有普適性，相關(guān)結(jié)論在其他短波IP廣域網(wǎng)中并不適用。

3、第三種是理論建模的方法。文獻(xiàn)3在短本文由論文聯(lián)盟.Ll.搜集整理波IP廣域網(wǎng)場(chǎng)景下對(duì)令牌環(huán)A協(xié)議進(jìn)展了仿真研究，這一種方法仿真代價(jià)更小，結(jié)果更具有普適性，對(duì)短波IP廣域網(wǎng)這種新型網(wǎng)絡(luò)的研究來(lái)說(shuō)更加具有指導(dǎo)意義。此外，復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論建模方法在無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)的建模研究中展現(xiàn)出諸多優(yōu)點(diǎn)，可以對(duì)網(wǎng)絡(luò)在開(kāi)展變化過(guò)程中的各類屬性進(jìn)展充分描繪，文獻(xiàn)4-8通過(guò)對(duì)不同指標(biāo)的研究可以得到網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)?、網(wǎng)絡(luò)容量、抗毀性和魯棒性等特性的結(jié)論，同時(shí)又不失一般性。為此本文結(jié)合復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論中的和諧統(tǒng)一混合擇優(yōu)模型HarniusUnifyingHybridPreferentialdel，HUHP9，對(duì)短波IP網(wǎng)絡(luò)進(jìn)展建模研究，并在

4、原有模型根底上增加節(jié)點(diǎn)刪除的場(chǎng)景，分析了網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)溲莼匦浴?復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論從人際關(guān)系網(wǎng)絡(luò)中的六度分割10首次被發(fā)現(xiàn)，再到網(wǎng)絡(luò)的小世界11和無(wú)標(biāo)度12特性被證明，特別是在BABarabsi-Albert無(wú)標(biāo)度網(wǎng)絡(luò)模型的提出推進(jìn)了復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)研究熱潮。隨著這一開(kāi)展以及統(tǒng)計(jì)物理方法的使用，實(shí)際網(wǎng)絡(luò)的各類復(fù)雜現(xiàn)象所表現(xiàn)出的統(tǒng)計(jì)特性逐漸被人們所認(rèn)知。結(jié)合研究側(cè)重點(diǎn)的不同，理論模型12-16被運(yùn)用到各類實(shí)際問(wèn)題中進(jìn)展分析。本文正是基于復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的研究思想和方法，分析和仿真短波IP廣域網(wǎng)在網(wǎng)絡(luò)增長(zhǎng)和開(kāi)展變化過(guò)程中的網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)特性，如網(wǎng)絡(luò)中短波鏈路的拓?fù)涮匦院途W(wǎng)絡(luò)的連通性問(wèn)題。2網(wǎng)絡(luò)模型2.1混合網(wǎng)絡(luò)模型短波IP廣

5、域網(wǎng)先期是一個(gè)增長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)，在到達(dá)一定規(guī)模之后變?yōu)橐粋€(gè)成員數(shù)量趨于穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)。在增長(zhǎng)過(guò)程中伴隨著成員的挪動(dòng)、通信的建立與撤除、新成員的參加、特定成員的退出等情況。在以往的研究中雖然也考慮到成員的各種行為參加、退出、挪動(dòng)等，但是對(duì)于節(jié)點(diǎn)的選擇方式確是固定的，或者為隨機(jī)擇優(yōu)選擇，或者為隨機(jī)反擇優(yōu)選擇。眾多模型都把注意力主要集中在網(wǎng)絡(luò)的隨機(jī)性現(xiàn)象，對(duì)真實(shí)網(wǎng)絡(luò)中存在確實(shí)定性特性并沒(méi)有充分的重視，為此方錦清等提出了和諧統(tǒng)一混合擇優(yōu)模型17，考慮了網(wǎng)絡(luò)更一般的特性。本文結(jié)合混合網(wǎng)絡(luò)模型中目的節(jié)點(diǎn)的選擇方式之間設(shè)置混合比的思想展開(kāi)研究。混合網(wǎng)絡(luò)模型的思想是在單位時(shí)間增加節(jié)點(diǎn)并創(chuàng)立新邊時(shí)，老節(jié)點(diǎn)的選取通過(guò)一個(gè)混合

6、比dr來(lái)決定是隨機(jī)選擇還是確定選擇。同樣還可以增加混合比gr來(lái)決定隨機(jī)選擇方式為隨機(jī)擇優(yōu)或者完全隨機(jī)，以及混合比f(wàn)d來(lái)決定確定選擇中使用度值最大還是度值最校通過(guò)不同的混合比的搭配使用使網(wǎng)絡(luò)表現(xiàn)出截然不同的特性。2.2模型分析假設(shè)網(wǎng)絡(luò)初始有0個(gè)節(jié)點(diǎn)，各節(jié)點(diǎn)之間實(shí)現(xiàn)有線或者衛(wèi)星鏈路的全聯(lián)通，初始節(jié)點(diǎn)具有吸引度i1i1，0。1假設(shè)單位時(shí)間內(nèi)網(wǎng)絡(luò)增加了一個(gè)挪動(dòng)成員，例如一艘艦艇或者一架偵察機(jī)。該成員需要和地面或者海上就近的指揮中心建立信息傳輸?shù)慕粨Q鏈路，即與度值較大的節(jié)點(diǎn)建立隨機(jī)擇優(yōu)連接；其次當(dāng)詳細(xì)執(zhí)行某項(xiàng)任務(wù)時(shí)又需要與詳細(xì)作戰(zhàn)單元實(shí)現(xiàn)通信，通信的對(duì)象那么是隨機(jī)選擇。此外假如該成員處于某個(gè)戰(zhàn)斗的關(guān)鍵位

7、置，那么將和最高指揮中心直接建立連接，即選擇度值最大的節(jié)點(diǎn)。為確保所有成員都處于網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中，該成員可能還需要與一些度值較小的節(jié)點(diǎn)建立連接?？傊畬?duì)于新參加節(jié)點(diǎn)的類型不同，以及需要傳輸?shù)臉I(yè)務(wù)種類不同，它們初始建立連接的對(duì)象以及選擇方式的混合比可能也不同。同時(shí)對(duì)于不同的通信手段，其被使用的概率和鏈路建立的成功概率也不同對(duì)于短波通信，鏈路建立的成功率與信道特性、節(jié)點(diǎn)的挪動(dòng)狀態(tài)等都有直接關(guān)系。單位時(shí)間依概率p1增加一個(gè)新的節(jié)點(diǎn)，該節(jié)點(diǎn)和老節(jié)點(diǎn)之間建立條邊任意兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間只有1條邊，新節(jié)點(diǎn)的吸引度為=1；Nt為網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)數(shù)量，St為網(wǎng)絡(luò)中總度值，lt為網(wǎng)絡(luò)中邊總數(shù)；Pdr1為老節(jié)點(diǎn)選擇時(shí)隨機(jī)選擇和確定選擇的

8、混合比即二者的概率比值；Pgr1表示隨機(jī)選擇中，擇優(yōu)隨機(jī)選擇和一般隨機(jī)選擇的混合比；Pfd1表示在確定性選擇時(shí)按照度值最大和最小選擇的混合比；同時(shí)創(chuàng)立邊的成功率為p2。對(duì)于不同的通信手段，其邊創(chuàng)立的概率是不同的，假設(shè)第種邊被使用的概率和創(chuàng)立的概率分別為pa，和pb，那么：p2=pa，1pb，1+pa，2pb，2+pa，pb，+JY1本文在后續(xù)的研究中認(rèn)為鏈路建立的成功概率為95%。2網(wǎng)絡(luò)中成員在網(wǎng)絡(luò)增長(zhǎng)過(guò)程中由于任務(wù)的需要和其他節(jié)點(diǎn)建立新的連接。發(fā)起連接的節(jié)點(diǎn)可以是任意一個(gè)，而通信對(duì)象的選擇方式也是隨機(jī)性和確定性的混合。單位時(shí)間在網(wǎng)絡(luò)中增加n1條邊，其中第1個(gè)節(jié)點(diǎn)隨機(jī)選擇，第二個(gè)節(jié)點(diǎn)和1中老節(jié)

9、點(diǎn)的選擇使用一樣的方式，只是對(duì)應(yīng)的混合比大小不同，分別為Pdr2、Pgr2和Pfd2。短波IP網(wǎng)絡(luò)中根據(jù)業(yè)務(wù)量的大小，老節(jié)點(diǎn)之間需要不斷建立新的邊，且在一個(gè)時(shí)間步內(nèi)新邊建立的概率和數(shù)量都較大，這也與一般的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)模型有較大的不同。3網(wǎng)絡(luò)中的無(wú)線通信鏈路特別是短波鏈路在通信完畢后需要撤除，以減少對(duì)無(wú)線頻譜和時(shí)隙資源的占用，同時(shí)衛(wèi)星鏈路和有線鏈路同樣存在鏈路中斷和撤除的可能。單位時(shí)間刪除n2條邊，其中第一個(gè)節(jié)點(diǎn)隨機(jī)選擇，第二個(gè)節(jié)點(diǎn)的選擇方式與1中老節(jié)點(diǎn)的選擇使用一樣的方式，只是在隨機(jī)擇優(yōu)時(shí)使用反擇優(yōu)概率，同樣在第二個(gè)節(jié)點(diǎn)的選擇過(guò)程中，不同選擇方式的混合比也不一樣，分別為Pdr3、Pgr3和Pfd3

10、。需要說(shuō)明的是在短波IP網(wǎng)絡(luò)中的無(wú)線鏈路在沒(méi)有數(shù)據(jù)傳輸時(shí)應(yīng)當(dāng)盡量釋放，將網(wǎng)絡(luò)的無(wú)線鏈路資源釋放出來(lái)供其他成員使用。而這種高的邊建立和刪除概率及數(shù)量特性與一般的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)模型也不盡一樣。4網(wǎng)絡(luò)中的成員并不是一成不變的，在短波IP廣域網(wǎng)中成員退出和參加的情況較為普遍。那么這些成員的退出有主動(dòng)退出及被動(dòng)摧毀，而成員在網(wǎng)絡(luò)中的地位不同，其退出對(duì)網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生的影響也不一樣。單位時(shí)間內(nèi)以概率p3刪除1個(gè)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)的選擇方式與3中第二個(gè)節(jié)點(diǎn)的選擇方式一樣同時(shí)需要?jiǎng)h除該節(jié)點(diǎn)所連接的邊。不同選擇方式的混合比分別為Pdr4、Pgr4和Pfd4。kt表示網(wǎng)絡(luò)成員的平均節(jié)點(diǎn)度，表示節(jié)點(diǎn)的平均吸引度。3仿真研究3.1網(wǎng)絡(luò)中度分

11、布特性與傳統(tǒng)的BA增長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)模型相比，這里的網(wǎng)絡(luò)模型增加了對(duì)節(jié)點(diǎn)選擇的一般隨機(jī)和確定性方式，同時(shí)增加了網(wǎng)絡(luò)中邊的刪除和重連的概率及數(shù)量。通過(guò)仿真發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的度分布特性與傳統(tǒng)BA模型相比既有差異也有相似的局部。以下仿真中選擇初始有5個(gè)節(jié)點(diǎn)，每個(gè)新節(jié)點(diǎn)參加與老節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生3條新邊。其中圖1a表示只有隨機(jī)擇優(yōu)策略時(shí)網(wǎng)絡(luò)的度分布情況，可以看到網(wǎng)絡(luò)的度分布近似服從冪率分布，曲線中出現(xiàn)度值小于3的點(diǎn)，這是由于存在邊刪除的情況導(dǎo)致的。由于網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)增長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)，且節(jié)點(diǎn)的選擇方式以擇優(yōu)隨機(jī)方式為主，也與文獻(xiàn)12的結(jié)論一樣，即冪率特性主要是網(wǎng)絡(luò)增長(zhǎng)和擇優(yōu)連接兩個(gè)因素導(dǎo)致的。圖1b表示只有一般隨機(jī)連接時(shí)網(wǎng)絡(luò)中度分布情況，可以

12、看到網(wǎng)絡(luò)的度分布并不是一個(gè)冪率分布。圖1和d是分別在圖1a和b的根底上增加了確定性因素其中在確定性因素中選擇度值最大和度值最小的概率一樣。從兩個(gè)圖中可以看出，網(wǎng)絡(luò)中存在一些度值較大的點(diǎn)由確定性因素導(dǎo)致的。以圖和圖a進(jìn)展比擬發(fā)現(xiàn)圖a中最大度為206，而圖中最大度為453圖b與圖d比擬發(fā)現(xiàn)一樣的效果。在比擬詳細(xì)數(shù)據(jù)之后還發(fā)現(xiàn)圖中冪率局部的冪率指數(shù)大于圖a中指數(shù)。圖2中那么綜合考慮網(wǎng)絡(luò)中存在擇優(yōu)隨機(jī)和一般隨機(jī)，以及確定性因素。從圖2中可以看到，網(wǎng)絡(luò)中的度分布并不是一個(gè)嚴(yán)格的冪率分布，這主要是由一般隨機(jī)連接造成的。此外網(wǎng)絡(luò)中存在局部節(jié)點(diǎn)度值較大的節(jié)點(diǎn)，這些節(jié)點(diǎn)的出現(xiàn)那么是由確定因素造成的。3.2網(wǎng)絡(luò)的

13、最短途徑由于短波IP廣域網(wǎng)的特點(diǎn)，網(wǎng)絡(luò)中的邊在每一個(gè)時(shí)間步內(nèi)都具有一定概率的刪除和建立。從圖3中可以看出增加確定性因素可有效降低網(wǎng)絡(luò)中的平均最短途徑間隔 仿真中節(jié)點(diǎn)的選擇方式擇優(yōu)隨機(jī)和一般隨機(jī)的混合比為1。從圖4中可以看出不管是以度值最大作為主要選擇準(zhǔn)那么或是度值最小作為選擇準(zhǔn)那么都具有較小的平均最短途徑長(zhǎng)度，只有在兩種方式等概率出現(xiàn)時(shí)平均最短途徑較大仿真中節(jié)點(diǎn)的選擇方式以確定性為主，而選擇度值最大和最小的混合比為1。從圖5中可以看出在以隨機(jī)性為主時(shí)，增加擇優(yōu)隨機(jī)性的概率時(shí)，網(wǎng)絡(luò)具有更小的最短途徑間隔 。由于一般隨機(jī)性選擇節(jié)點(diǎn)時(shí)，網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)之間的平均最短途徑和網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)之間是一個(gè)同向增長(zhǎng)的關(guān)系

14、，文中仿真選擇的節(jié)點(diǎn)數(shù)量有限，在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)量增多時(shí)曲線的前半局部還將增大，而后半局部那么變化不明顯。3.3網(wǎng)絡(luò)中的聚集系數(shù)圖6顯示的是網(wǎng)絡(luò)中隨機(jī)性和確定性按照不同概率出現(xiàn)時(shí)網(wǎng)絡(luò)聚集系數(shù)的變化?？梢钥闯鲈诖_定性業(yè)務(wù)為主時(shí)網(wǎng)絡(luò)具有較大的聚集系數(shù)，而在隨機(jī)性業(yè)務(wù)為主時(shí)網(wǎng)絡(luò)的聚集系數(shù)下降非?？欤抡娼Y(jié)果與文獻(xiàn)9一致。3.4節(jié)點(diǎn)刪除對(duì)平均最短間隔 影響一般來(lái)說(shuō)網(wǎng)絡(luò)中某個(gè)節(jié)點(diǎn)的度值越大或者介數(shù)中心值越大在網(wǎng)絡(luò)中越重要，承當(dāng)著更多的最短途徑，當(dāng)個(gè)這節(jié)點(diǎn)在受到攻擊或者無(wú)法工作時(shí)將直接影響網(wǎng)絡(luò)的連通狀態(tài)，例如網(wǎng)絡(luò)中兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的最短途徑可能發(fā)生變化。下面將仿真刪除網(wǎng)絡(luò)中某一個(gè)節(jié)點(diǎn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)連通性的影響。前面分析的是刪除網(wǎng)絡(luò)中某一個(gè)節(jié)點(diǎn)時(shí)對(duì)網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生的影響。在實(shí)際的網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)刪除伴隨著網(wǎng)絡(luò)的整個(gè)開(kāi)展變化過(guò)程中，下面分析在網(wǎng)絡(luò)開(kāi)展的每一個(gè)時(shí)間步內(nèi)有節(jié)點(diǎn)按照一定的概率刪除時(shí)對(duì)網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生的影響。表2顯示的是在網(wǎng)絡(luò)的增長(zhǎng)過(guò)程中，每一個(gè)時(shí)間步內(nèi)都按照一定概率刪除節(jié)點(diǎn)，刪除節(jié)點(diǎn)的選擇方式不同對(duì)網(wǎng)絡(luò)造成的影響?？梢钥吹剑哼x擇度值最大節(jié)點(diǎn)刪除對(duì)網(wǎng)絡(luò)的平均最短間隔 產(chǎn)生的影響最大，其次是擇優(yōu)隨機(jī)選擇方式；同時(shí)一般隨機(jī)方式對(duì)網(wǎng)絡(luò)的特性沒(méi)有明顯的影響，而刪除度值最小的節(jié)點(diǎn)反而降