一種多節(jié)點綜合仿真系統(tǒng)及方法技術(shù)方案

本發(fā)明專利技術(shù)公開了一種多節(jié)點綜合仿真系統(tǒng)及方法。該系統(tǒng)包括場景仿真模塊、仿真主控制模塊、網(wǎng)絡(luò)仿真模塊、信道傳輸仿真模塊和實物平臺。方法為：場景仿真模塊按預(yù)設(shè)腳本運行，產(chǎn)生格式化消息；各個節(jié)點按場景腳本在指定地圖上行進(jìn)，在運行過程中，如發(fā)現(xiàn)環(huán)境變化，則通知仿真主控制程序調(diào)整信道傳輸仿真模塊中鏈路模型；信道傳輸仿真模塊通過仿真主控制程序轉(zhuǎn)換接收場景仿真模塊發(fā)送的數(shù)據(jù)信息；通過網(wǎng)絡(luò)仿真模塊將數(shù)據(jù)包的丟包情況實時反饋給仿真主控制模塊，仿真主控制模塊根據(jù)丟包情況映射到場景仿真各個節(jié)點推演流程，模擬復(fù)雜環(huán)境下數(shù)據(jù)傳輸對場景仿真的影響，形成仿真閉環(huán)。本發(fā)明專利技術(shù)滿足了多種綜合仿真的需要，降低了系統(tǒng)開發(fā)周期和難度。

A multi node integrated simulation system and method

【技術(shù)實現(xiàn)步驟摘要】
一種多節(jié)點綜合仿真系統(tǒng)及方法
本專利技術(shù)涉及系統(tǒng)仿真軟件
，特別是一種多節(jié)點綜合仿真系統(tǒng)及方法。
技術(shù)介紹
隨著移動通信網(wǎng)絡(luò)、物聯(lián)網(wǎng)飛速發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)規(guī)模數(shù)和復(fù)雜度快速上升，硬件設(shè)備研制成本高、開發(fā)周期長、糾錯成本高，通過硬件設(shè)備堆疊的方式完成網(wǎng)絡(luò)功能驗證越來越困難。一般在硬件設(shè)備研制前，先進(jìn)行場景應(yīng)用、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、通信協(xié)議等模塊仿真，用以評估方案是否滿足設(shè)計要求，以減少后期研制風(fēng)險；而具體模塊仿真時都會針對場景應(yīng)用、網(wǎng)絡(luò)層、物理層等協(xié)議算法進(jìn)行分層、分模塊仿真，也即：(1)利用VR-Force等場景仿真軟件，可對戰(zhàn)術(shù)指揮訓(xùn)練、兵力生成以及人在回路中的模擬訓(xùn)練等進(jìn)行仿真模擬；(2)利用OPNET、QualNet、NS等網(wǎng)絡(luò)仿真軟件，對路由協(xié)議、接入控制算法等進(jìn)行多用戶節(jié)點仿真，可對網(wǎng)絡(luò)負(fù)載、端到端延遲、接入成功率等進(jìn)行仿真模擬；(3)利用MATLAB、Simulink等數(shù)字信號仿真軟件，對調(diào)制解調(diào)、編解碼、擴(kuò)頻解擴(kuò)、上下變頻、鏈路模型等進(jìn)行仿真模擬。上述各仿真軟件能夠在評估方案是否滿足設(shè)計要求、指導(dǎo)系統(tǒng)研制實現(xiàn)等方面發(fā)揮積極作用，但對于各模塊之間的相互影響多以靜態(tài)模型體現(xiàn)，不能反應(yīng)系統(tǒng)運行過程中的真實環(huán)境變化。具體而言，現(xiàn)有仿真模型一般先于硬件研制或與硬件設(shè)備研制同步進(jìn)行，待硬件設(shè)備研制完成后，再將各算法移植至硬件設(shè)備開展系統(tǒng)驗證，該過程存在以下缺陷：(1)一般僅針對場景、網(wǎng)絡(luò)仿真、通信仿真及信道模型仿真等某一軟件協(xié)議或功能模塊進(jìn)行單獨仿真，缺乏從上層到下完整的系統(tǒng)仿真結(jié)果和綜合評價能力，例如場景仿真過程中的復(fù)雜地形環(huán)境影響、節(jié)點平臺相互位置變化會導(dǎo)致通信鏈路狀態(tài)變化，而通信鏈路狀態(tài)變化又會影響網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)、業(yè)務(wù)傳輸成功率，進(jìn)而影響場景仿真，而現(xiàn)有仿真系統(tǒng)無法體現(xiàn)這一相互影響的關(guān)聯(lián)關(guān)系；(2)各模塊相互之間影響只能通過簡化模型去逼近，在仿真過程中只能采用單一模型去逼近，模型無法結(jié)合場景仿真過程中動態(tài)反應(yīng)鏈路變化，仿真與真實環(huán)境差異較大；(3)一般在通信仿真過程中會引入實物平臺仿真，但是其它模塊仿真較少將實物平臺引入仿真系統(tǒng)進(jìn)行整體評估，模型環(huán)境整體偏向理想環(huán)境，仿真模型與真實環(huán)境存在差異；(4)設(shè)計初期系統(tǒng)仿真驗證充分性不足，系統(tǒng)建模不夠完備、不確定性大，導(dǎo)致后期問題處理代價較高。
技術(shù)實現(xiàn)思路
本專利技術(shù)的目的在于提供一種集場景仿真、網(wǎng)絡(luò)仿真、通信仿真及信道模型仿真為一體的多節(jié)點綜合仿真系統(tǒng)及方法，從而實現(xiàn)系統(tǒng)級仿真，并能夠?qū)⒏鱾€仿真模塊相互耦合進(jìn)行總體性能評估與分析。實現(xiàn)本專利技術(shù)目的的技術(shù)解決方案為：一種多節(jié)點綜合仿真系統(tǒng)，包括場景仿真模塊、仿真主控模塊、網(wǎng)絡(luò)仿真模塊、信道傳輸仿真模塊和實物平臺；所述場景仿真模塊，采用VR-Force仿真軟件實現(xiàn)，模擬戰(zhàn)術(shù)級通信網(wǎng)絡(luò)仿真場景，并模擬多種傳感器數(shù)據(jù)生成作為業(yè)務(wù)原始數(shù)據(jù)源，對包括城市空間、山地、叢林、島嶼的復(fù)雜地形及惡劣電磁環(huán)境下的網(wǎng)絡(luò)運用進(jìn)行仿真模擬，為實際使用提供參考建議；所述仿真主控模塊，包括消息處理器、狀態(tài)控制模塊及仿真性能統(tǒng)計模塊，用于完成包括目標(biāo)軌跡、己方狀態(tài)、協(xié)同控制、指揮命令、網(wǎng)管信令、傳感器原始數(shù)據(jù)的各類數(shù)據(jù)的格式化處理及指令映射、仿真劇情腳本設(shè)計、性能統(tǒng)計；所述網(wǎng)絡(luò)仿真模塊，采用OPNET或QualNet仿真軟件，用于完成無線自組網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議仿真、MAC接入算法仿真以及密集節(jié)點組網(wǎng)情況下對網(wǎng)絡(luò)容量、信道阻塞進(jìn)行仿真；所述信道傳輸仿真模塊，用于完成調(diào)制解調(diào)、編解碼、信號檢測、信道模型的仿真，并提供外部接口適配；所述實物平臺，用于仿真系統(tǒng)的通信、組網(wǎng)應(yīng)用，實現(xiàn)算法功能仿真到實物平臺演示驗證，并將真實環(huán)境影響引入仿真系統(tǒng)。作為一種具體示例，所述場景仿真模塊，具體如下：所述場景仿真模塊，模擬任務(wù)場景變化，根據(jù)預(yù)設(shè)任務(wù)腳本及地圖特性，將包括城市空間、山地、叢林、島嶼的復(fù)雜地形特征通過仿真主控模塊傳遞給信道傳輸仿真模塊，由信道傳輸仿真模塊評估計算出相應(yīng)的誤碼率或者分組成功率曲線，再折算出相應(yīng)的格式化消息丟包率或鏈路中斷，并在此基礎(chǔ)上推演時變通信鏈路變化對任務(wù)場景仿真的影響。作為一種具體示例，所述仿真主控模塊，包括消息處理器、狀態(tài)控制模塊及仿真性能統(tǒng)計模塊，其中：所述消息處理器，將包括目標(biāo)軌跡、己方狀態(tài)、協(xié)同控制、指揮命令、網(wǎng)管信令、傳感器原始數(shù)據(jù)的各類數(shù)據(jù)進(jìn)行格式化轉(zhuǎn)換，并對格式化后的數(shù)據(jù)進(jìn)行融合、協(xié)同處理，包括對指控類、傳感器數(shù)據(jù)類消息的融合、處理及封裝，并適配各種不同模塊接口；所述狀態(tài)控制模塊，用于實現(xiàn)場景邏輯、劇情腳本設(shè)計及狀態(tài)轉(zhuǎn)換功能，通過網(wǎng)絡(luò)接口實現(xiàn)與VR-FORCES層、網(wǎng)絡(luò)層、物理層的對接；所述仿真性能統(tǒng)計模塊，用于對系統(tǒng)仿真性能指標(biāo)，包括網(wǎng)絡(luò)傳輸時延、業(yè)務(wù)傳輸時延、波形加卸載時間進(jìn)行仿真結(jié)果收集與統(tǒng)計，然后將相應(yīng)統(tǒng)計數(shù)據(jù)匯總進(jìn)行仿真數(shù)據(jù)分析與評估。作為一種具體示例，所述網(wǎng)絡(luò)仿真模塊中，無線自組網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議仿真包括：1)初始化：包括讀取配置參數(shù)、初始化全局變量和為變量分配內(nèi)存空間；2)空閑狀態(tài)：等待服務(wù)狀態(tài)，不做任何操作；3)結(jié)束：仿真結(jié)束，生成統(tǒng)計文件和釋放被占用的內(nèi)存；4)接收信道傳輸仿真模塊數(shù)據(jù)：接收、處理來自信道傳輸仿真模塊的報文數(shù)據(jù)，按接口協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)解析、過濾報文；5)發(fā)送業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)：按接口協(xié)議將通信仿真數(shù)據(jù)解析處理后，送往場景仿真模塊、仿真主控模塊；6)接收業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)：接收并處理來自場景仿真模塊、仿真主控模塊的報文和控制指令，包括解析、過濾報文和相應(yīng)指令，并將待發(fā)送數(shù)據(jù)按照相應(yīng)規(guī)則組幀后送入發(fā)送隊列等待發(fā)送；7)發(fā)送數(shù)據(jù)到信道傳輸仿真模塊：按照MAC模塊輸出的發(fā)送時機(jī)以“先進(jìn)先出”的方式對消息進(jìn)行相應(yīng)處理，包括組幀、添加幀頭，然后送往信道傳輸仿真模塊。作為一種具體示例，所述信道傳輸仿真模塊，具體如下：所述信道傳輸仿真模塊基于MATLAB/Simulink來完成物理層模塊仿真，所述物理層模塊包括調(diào)制解調(diào)、編解碼、信道噪聲、信號檢測及同步模塊，使用Simulink來搭建各物理層模塊間通信數(shù)據(jù)信號處理模型及可視化窗口，定義好通信仿真框架和各模塊間交互接口，以此作為算法仿真的基礎(chǔ)環(huán)境；所述信道傳輸仿真模塊的外部接口采用網(wǎng)絡(luò)接口，實現(xiàn)與數(shù)字中頻板卡互通和對信號源控制的功能，構(gòu)建完整半實物環(huán)境，并且與實際終端通過有線或無線方式實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸及接口控制，物理層處理完的數(shù)據(jù)通過控制信號發(fā)生器進(jìn)行展示；所述信道傳輸仿真模塊根據(jù)劇情腳本設(shè)定和場景推演進(jìn)程選取信道傳輸模型，或在鏈路傳輸過程中增加相應(yīng)的噪聲環(huán)境、鏈路模型，以模擬復(fù)雜地形、電磁環(huán)境對通信傳輸?shù)挠绊懀⒃诖嘶A(chǔ)上仿真計算出該環(huán)境下的丟包率曲線。作為一種具體示例，所述實物平臺包含基帶模塊、中頻模塊，其中基帶模塊用于通信的物理層實現(xiàn)、接入及組網(wǎng)功能，中頻模塊包含發(fā)送模塊和接收模塊，發(fā)送模塊用于將信號轉(zhuǎn)為適合無線信道傳輸?shù)闹蓄l信號，并對接射頻將信號發(fā)送出去，接收模塊用于將收到的中頻信號轉(zhuǎn)為基帶模塊能夠處理的數(shù)字信號。一種多節(jié)點本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點】
1.一種多節(jié)點綜合仿真系統(tǒng)，其特征在于，包括場景仿真模塊、仿真主控模塊、網(wǎng)絡(luò)仿真模塊、信道傳輸仿真模塊和實物平臺；/n所述場景仿真模塊，采用VR-Force仿真軟件實現(xiàn)，模擬戰(zhàn)術(shù)級通信網(wǎng)絡(luò)仿真場景，并模擬多種傳感器數(shù)據(jù)生成作為業(yè)務(wù)原始數(shù)據(jù)源，對包括城市空間、山地、叢林、島嶼的復(fù)雜地形及惡劣電磁環(huán)境下的網(wǎng)絡(luò)運用進(jìn)行仿真模擬，為實際使用提供參考建議；/n所述仿真主控模塊，包括消息處理器、狀態(tài)控制模塊及仿真性能統(tǒng)計模塊，用于完成包括目標(biāo)軌跡、己方狀態(tài)、協(xié)同控制、指揮命令、網(wǎng)管信令、傳感器原始數(shù)據(jù)的各類數(shù)據(jù)的格式化處理及指令映射、仿真劇情腳本設(shè)計、性能統(tǒng)計；/n所述網(wǎng)絡(luò)仿真模塊，采用OPNET或QualNet仿真軟件，用于完成無線自組網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議仿真、MAC接入算法仿真以及密集節(jié)點組網(wǎng)情況下對網(wǎng)絡(luò)容量、信道阻塞進(jìn)行仿真；/n所述信道傳輸仿真模塊，用于完成調(diào)制解調(diào)、編解碼、信號檢測、信道模型的仿真，并提供外部接口適配；/n所述實物平臺，用于仿真系統(tǒng)的通信、組網(wǎng)應(yīng)用，實現(xiàn)算法功能仿真到實物平臺演示驗證，并將真實環(huán)境影響引入仿真系統(tǒng)。/n

【技術(shù)特征摘要】
1.一種多節(jié)點綜合仿真系統(tǒng)，其特征在于，包括場景仿真模塊、仿真主控模塊、網(wǎng)絡(luò)仿真模塊、信道傳輸仿真模塊和實物平臺；
所述場景仿真模塊，采用VR-Force仿真軟件實現(xiàn)，模擬戰(zhàn)術(shù)級通信網(wǎng)絡(luò)仿真場景，并模擬多種傳感器數(shù)據(jù)生成作為業(yè)務(wù)原始數(shù)據(jù)源，對包括城市空間、山地、叢林、島嶼的復(fù)雜地形及惡劣電磁環(huán)境下的網(wǎng)絡(luò)運用進(jìn)行仿真模擬，為實際使用提供參考建議；
所述仿真主控模塊，包括消息處理器、狀態(tài)控制模塊及仿真性能統(tǒng)計模塊，用于完成包括目標(biāo)軌跡、己方狀態(tài)、協(xié)同控制、指揮命令、網(wǎng)管信令、傳感器原始數(shù)據(jù)的各類數(shù)據(jù)的格式化處理及指令映射、仿真劇情腳本設(shè)計、性能統(tǒng)計；
所述網(wǎng)絡(luò)仿真模塊，采用OPNET或QualNet仿真軟件，用于完成無線自組網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議仿真、MAC接入算法仿真以及密集節(jié)點組網(wǎng)情況下對網(wǎng)絡(luò)容量、信道阻塞進(jìn)行仿真；
所述信道傳輸仿真模塊，用于完成調(diào)制解調(diào)、編解碼、信號檢測、信道模型的仿真，并提供外部接口適配；
所述實物平臺，用于仿真系統(tǒng)的通信、組網(wǎng)應(yīng)用，實現(xiàn)算法功能仿真到實物平臺演示驗證，并將真實環(huán)境影響引入仿真系統(tǒng)。


2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多節(jié)點綜合仿真系統(tǒng)，其特征在于，所述場景仿真模塊，具體如下：
所述場景仿真模塊，模擬任務(wù)場景變化，根據(jù)預(yù)設(shè)任務(wù)腳本及地圖特性，將包括城市空間、山地、叢林、島嶼的復(fù)雜地形特征通過仿真主控模塊傳遞給信道傳輸仿真模塊，由信道傳輸仿真模塊評估計算出相應(yīng)的誤碼率或者分組成功率曲線，再折算出相應(yīng)的格式化消息丟包率或鏈路中斷，并在此基礎(chǔ)上推演時變通信鏈路變化對任務(wù)場景仿真的影響。


3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多節(jié)點綜合仿真系統(tǒng)，其特征在于，所述仿真主控模塊，包括消息處理器、狀態(tài)控制模塊及仿真性能統(tǒng)計模塊，其中：
所述消息處理器，將包括目標(biāo)軌跡、己方狀態(tài)、協(xié)同控制、指揮命令、網(wǎng)管信令、傳感器原始數(shù)據(jù)的各類數(shù)據(jù)進(jìn)行格式化轉(zhuǎn)換，并對格式化后的數(shù)據(jù)進(jìn)行融合、協(xié)同處理，包括對指控類、傳感器數(shù)據(jù)類消息的融合、處理及封裝，并適配各種不同模塊接口；
所述狀態(tài)控制模塊，用于實現(xiàn)場景邏輯、劇情腳本設(shè)計及狀態(tài)轉(zhuǎn)換功能，通過網(wǎng)絡(luò)接口實現(xiàn)與VR-FORCES層、網(wǎng)絡(luò)層、物理層的對接；
所述仿真性能統(tǒng)計模塊，用于對系統(tǒng)仿真性能指標(biāo)，包括網(wǎng)絡(luò)傳輸時延、業(yè)務(wù)傳輸時延、波形加卸載時間進(jìn)行仿真結(jié)果收集與統(tǒng)計，然后將相應(yīng)統(tǒng)計數(shù)據(jù)匯總進(jìn)行仿真數(shù)據(jù)分析與評估。


4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多節(jié)點綜合仿真系統(tǒng)，其特征在于，所述網(wǎng)絡(luò)仿真模塊中，無線自組網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議仿真包括：
1)初始化：包括讀取配置參數(shù)、初始化全局變量和為變量分配內(nèi)存空間；
2)空閑狀態(tài)：等待服務(wù)狀態(tài)，不做任何操作；
3)結(jié)束：仿真結(jié)束，生成統(tǒng)計文件和釋放被占用的內(nèi)存；
4)接收信道傳輸仿真模塊數(shù)據(jù)：接收、處理來自信道傳輸仿真模塊的報文數(shù)據(jù)，按接口協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)解析、過濾報文；
5)發(fā)送業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)：按接口協(xié)議將通信仿真數(shù)據(jù)解析處理后，送往場景仿真模塊、仿真主控模塊；
6)接收業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)：接收并處理來自場景仿...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：張周，王彤彤，武欣桐，桑瑋，郄志鵬，閆野，
申請(專利權(quán))人：中國人民解放軍軍事科學(xué)院國防科技創(chuàng)新研究院，天津濱海人工智能軍民融合創(chuàng)新中心，
類型：發(fā)明
國別省市：北京;11