分布式網(wǎng)絡(luò)及抗干擾仿真研究*

王立夫 饒建國 商西達(dá)

(海軍駐武漢地區(qū)通信軍事代表室1) 武漢 430079)(中國船舶重工集團(tuán)第七二二研究所2) 武漢 430079)

分布式網(wǎng)絡(luò)及抗干擾仿真研究*

王立夫1)饒建國1)商西達(dá)2)

(海軍駐武漢地區(qū)通信軍事代表室1)武漢 430079)(中國船舶重工集團(tuán)第七二二研究所2)武漢 430079)

隨著軍用分布式通信網(wǎng)絡(luò)規(guī)模日趨龐大,使得電子對抗環(huán)境下網(wǎng)絡(luò)維護(hù)、運(yùn)行與能力評估變得越來越復(fù)雜。采用仿真方法可以在試驗(yàn)室條件下對網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)字分析與性能驗(yàn)證,并為分布式網(wǎng)絡(luò)抗干擾、抗毀性與可維性提供評判依據(jù)與場景再現(xiàn)。

分布式網(wǎng)絡(luò);抗干擾;網(wǎng)絡(luò)仿真

Class NumberTP391.9

1 引言

1.1 通信網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜性和脆弱性

隨著軍用信息網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展,分布式網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模與復(fù)雜性日益增加。龐大而復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)對其運(yùn)行、維護(hù)和安全帶來了巨大的挑戰(zhàn)。由于電磁頻譜空間的開放性,無線信道容易被敵方偵查、截獲和干擾。因此,基于無線通信的分布式網(wǎng)絡(luò),特別是網(wǎng)絡(luò)體系的對抗能力在信息戰(zhàn)環(huán)境下顯得尤為重要。西方軍事強(qiáng)國十分重視軍事通信系統(tǒng)與網(wǎng)絡(luò)抗干擾問題[1]。美國國防部在總結(jié)海灣戰(zhàn)爭的過程中,根據(jù)當(dāng)前和未來戰(zhàn)爭的特點(diǎn),對電子戰(zhàn)的定義做了較大幅度的修改,由原來的ECM(電子干擾)、ECCM(電子反干擾)、ESM(電子支援)改成了現(xiàn)在的EA(電子進(jìn)攻)、EP(電子防護(hù))和ES(電子支援),并專門提出在無線通信網(wǎng)絡(luò)建設(shè)中,需要采用有效的抗干擾措施以提升網(wǎng)絡(luò)EP能力,形成具有強(qiáng)抗干擾能力的、健壯的軍事無線通信網(wǎng)絡(luò)。

1.2 分布式通信網(wǎng)絡(luò)試驗(yàn)室評估方法

模擬戰(zhàn)時(shí)通信干擾與電磁環(huán)境并對現(xiàn)役軍用分布式網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行“受力”分析評估,是一件費(fèi)時(shí)且非常復(fù)雜的工作。常用的主要評估方法是試驗(yàn)室環(huán)境下建立分布式網(wǎng)絡(luò)模型,并構(gòu)建基于軟件計(jì)算的仿真系統(tǒng)來研究與驗(yàn)證網(wǎng)絡(luò)的性能。

分布式通信網(wǎng)絡(luò)仿真系統(tǒng)的功能與組成主要包括以下幾個(gè)部分:一是對網(wǎng)絡(luò)化設(shè)備進(jìn)行型號認(rèn)證測試和入網(wǎng)前驗(yàn)證測試,以保證其符合相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范的要求;二是在常態(tài)環(huán)境下進(jìn)行各種通信網(wǎng)絡(luò)功能模擬,并建立外界電磁環(huán)境與電子對抗條件;三是在不同邊界與假定干擾條件下,進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)間互聯(lián)互通測試與能力評估;四是不斷增加各種應(yīng)力與測試條件,進(jìn)一步分析網(wǎng)絡(luò)性能,特別是業(yè)務(wù)服務(wù)能力下降程度,并為網(wǎng)絡(luò)管理者與運(yùn)行者提供應(yīng)對措施與方法[2～3]。

2 國內(nèi)外仿真技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

2.1 國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀

我國從90年代中期開始對分布交互、虛擬現(xiàn)實(shí)等先進(jìn)仿真技術(shù)及其應(yīng)用進(jìn)行研究,開展的規(guī)模較大,且應(yīng)用復(fù)雜的系統(tǒng)級仿真,形成了由單個(gè)武器平臺(tái)的性能仿真到多武器平臺(tái)在作戰(zhàn)環(huán)境下的對抗仿真。研制出了連續(xù)系統(tǒng)仿真語言ICSL II和ICSL++仿真環(huán)境、連續(xù)/離散事件系統(tǒng)仿真語言IHSL和圖形輸入仿真語言IFAS等通用仿真語言,以及射頻、紅外、反坦克導(dǎo)彈、衛(wèi)星、戰(zhàn)略導(dǎo)彈和運(yùn)載火箭等半實(shí)物仿真專用軟件,開發(fā)出了基于高檔微機(jī)與工作站通用的、多任務(wù)并發(fā)的一體化仿真軟件。

在先進(jìn)分布交互仿真技術(shù)方面,我國初步建成了分布交互綜合仿真系統(tǒng)。該系統(tǒng)是一個(gè)含有虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的、開放的、支持分布交互仿真的支撐環(huán)境,支持復(fù)雜系統(tǒng)設(shè)計(jì)、運(yùn)行和評估,并應(yīng)用于實(shí)際系統(tǒng)的研制和開發(fā)工作。總的說來,我軍仿真技術(shù)在某些方面達(dá)到了國際先進(jìn)水平,但總體技術(shù)水平,特別是應(yīng)用水平與發(fā)達(dá)國家相比還有較大差距。

2.2 國外發(fā)展現(xiàn)狀

國外,特別是西方強(qiáng)國一直非常重視利用計(jì)算機(jī)對軍事通信系統(tǒng)進(jìn)行仿真,并利用仿真結(jié)果進(jìn)行能力評估決策支持。美軍最初的計(jì)算機(jī)仿真?zhèn)戎赜谟?xùn)練應(yīng)用軟件的研究,稱為模擬網(wǎng)絡(luò)(SIMNET),其實(shí)質(zhì)是將位于不同地域節(jié)點(diǎn)、同一虛擬環(huán)境的由人工操作的訓(xùn)練模擬器連接起來。操作者在這個(gè)共同的虛擬環(huán)境中可以進(jìn)行近乎實(shí)時(shí)的交互訪問。其最初的目的不是用于通信仿真,而是構(gòu)建一個(gè)坦克火炮訓(xùn)練系統(tǒng)。只是其仿真思想對通信系統(tǒng)的仿真也適用,所以后來逐漸擴(kuò)展到通信仿真領(lǐng)域。經(jīng)過多年的發(fā)展,SIMNET引入一項(xiàng)新技術(shù)—分布交互仿真DIS(Distributed Interactive Simulation)技術(shù)。但由于DIS的主要針對仿真及合成環(huán)境下與人的交互作用,在數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俾屎蛯?shí)時(shí)性上有一定的局限性,難以滿足硬件在回路的仿真系統(tǒng)要求。由此產(chǎn)生了ADS(Advanced Distribute Simulation)的概念。ADS的仿真系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)不一定完全遵照IEEE STD 1278的規(guī)定,但基本原則與DIS一致。ADS包括DIS,且支持虛擬、實(shí)物以及結(jié)構(gòu)實(shí)體的混合仿真。

ADS與DIS的主要不同在于:在DIS中,為節(jié)省帶寬,只有狀態(tài)信息被傳送,而在ADS中如果仿真需要的話,可允許進(jìn)行實(shí)際的數(shù)據(jù)通信,這為系統(tǒng)測試與評估提供了條件。人們現(xiàn)在經(jīng)常看到一個(gè)概念:HLA,它是ADS的一種實(shí)現(xiàn)形式。H LA的實(shí)施規(guī)則更有利于用現(xiàn)代計(jì)算機(jī)軟件方法實(shí)現(xiàn)(面向?qū)ο蠓椒?,更有利于系統(tǒng)擴(kuò)展和維護(hù)。H LA將參與仿真的各成員進(jìn)行功能封裝,各成員之間通過“軟總線”RTI(RunTime Infrastructure)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換,突出人與系統(tǒng)的交互過程。

分布式網(wǎng)絡(luò)的可靠性越高,網(wǎng)絡(luò)可以提供的服務(wù)質(zhì)量越好,網(wǎng)絡(luò)的抗干擾能力也就越強(qiáng)。因此在網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)中,可靠性是一個(gè)非常重要的指標(biāo)[5～6]。用以標(biāo)識可靠性的參數(shù)包括節(jié)點(diǎn)存活時(shí)間、鏈路可通率等。本文選取節(jié)點(diǎn)存活時(shí)間作為度量網(wǎng)絡(luò)可靠性的參數(shù)。對于具有N條獨(dú)立路徑的多徑路由而言,第 j條路徑的路由存活時(shí)間Δj可以表示為路徑上所有節(jié)點(diǎn)的存活時(shí)間的最小值,即 Δj=min{t1,j,t2,j,…,tLj,j},其中 ti,j表示路徑j(luò)的第i個(gè)獨(dú)立節(jié)點(diǎn)的存活時(shí)間。假定ti,j服從指數(shù)分布且相互獨(dú)立,參數(shù)為 εi,j,那么路徑 j的存活時(shí)間 Δj也是服從指數(shù)分布的,其參數(shù)為

考慮到路徑之間長度的差異性,如主路由有3跳,備用路由也有3跳。假設(shè)節(jié)點(diǎn)的存活時(shí)間為l,則ε1=ε2=3/l,那么根據(jù)式(1)可以計(jì)算得到多徑路由的平均存活時(shí)間為l/2,而對于跳數(shù)為3的單徑路由協(xié)議而言,其平均路徑存活時(shí)間只有l(wèi)/3。含有兩條路徑的多徑路由存活時(shí)間提高了50%。

E[ Δ]=ε21+ε22+ε1ε2

ε1ε2(ε1+ε2)

綜上所述,增加網(wǎng)絡(luò)中源節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)之間的路由數(shù)目可以有效提高網(wǎng)絡(luò)的存活時(shí)間,增加網(wǎng)絡(luò)的健壯性和抗干擾能力。

4 分布式網(wǎng)絡(luò)抗干擾仿真系統(tǒng)組成

通信系統(tǒng)仿真系統(tǒng)技術(shù)體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。下兩層是仿真系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸通道,可依托研制單位的內(nèi)部企業(yè)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)。RTI是一個(gè)軟總線,主要提供一個(gè)仿真軟件環(huán)境,它能將符合仿真要求的對象連接起來,完成對象之間的實(shí)時(shí)信息交互。RTI是通信仿真系統(tǒng)運(yùn)行的核心。HLA應(yīng)用層程序框架為其它各子模塊提供統(tǒng)一的仿真軟件框架及規(guī)范的數(shù)據(jù)表達(dá),保證各實(shí)體模型與RTI接口。

通信鏈路實(shí)體模型和電磁環(huán)境/電波傳播實(shí)體模型是通信系統(tǒng)仿真的基礎(chǔ),主要用專業(yè)的仿真工具軟件(如 Matlab、HFSS、SPW)完成在電波傳播衰耗、特定天線電磁環(huán)境下的通信鏈路的計(jì)算機(jī)原型仿真[7]。

半實(shí)物仿真機(jī)可以將實(shí)際物理設(shè)備或測試儀表接入到仿真系統(tǒng)如QualNet仿真器中進(jìn)行驗(yàn)證。不僅可實(shí)現(xiàn)新型通信設(shè)備的功能和性能驗(yàn)證測試,同時(shí)為復(fù)雜通信系統(tǒng)仿真結(jié)果的校核、驗(yàn)證和認(rèn)可提供平臺(tái)?？梢暬抡?通過對抽象的仿真結(jié)果數(shù)據(jù)形象化的處理,能夠逼真形象地反映通信系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)和通信效能。系統(tǒng)效能分析,根據(jù)電磁環(huán)境/電波傳播模型、通信鏈路模型以及加載的通信數(shù)據(jù),分析通信系統(tǒng)的效能。

圖1 通信仿真系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)圖

5 仿真結(jié)果及分析

計(jì)算機(jī)仿真基于QualNet仿真器,仿真拓?fù)淙鐖D2所示。圖2展示了通過采用多徑路由通信方法對抗敵方干擾的有效性。圖2(a)表示一個(gè)艦艇編隊(duì)的通信子網(wǎng)布置,其中節(jié)點(diǎn) N1、N3、N5、N6、N7采用S頻段組成一個(gè)任務(wù)子網(wǎng),節(jié)點(diǎn) N2、N4、N5、N6、N7采用 UHF頻段組成一個(gè) UHF任務(wù)子網(wǎng)。在圖2(b)中,敵方對我艦艇編隊(duì)實(shí)時(shí)了通信干擾,干擾頻段為 UHF頻段,此時(shí)我方艦艇N6、N7處于敵方干擾范圍之內(nèi),UHF通信手段不能夠正常通信。由于S波段仍可以進(jìn)行正常通信,艦艇N6、N7仍處于任務(wù)子網(wǎng)中。此時(shí)如果N2或者N4若欲與N6或者N7進(jìn)行通信,無法通過單一子網(wǎng)直接到達(dá),而必須通過跨子網(wǎng)方式進(jìn)行通信。以N2到N6的通信為例,此時(shí)N2應(yīng)先通過UHF子網(wǎng)將數(shù)據(jù)發(fā)送至N5,然后N5在通過S波段子網(wǎng)將數(shù)據(jù)報(bào)文轉(zhuǎn)發(fā)至 N6。圖2(c)表示我方將敵方干擾源摧毀后,各任務(wù)子網(wǎng)重新建立。此時(shí)N2和N6的通信將采用UHF頻段。

仿真時(shí)間為10min,干擾源起始時(shí)間為3min,5min后干擾源被摧毀。即干擾時(shí)間為 180s～480s。仿真結(jié)果為5次仿真的平均值。

圖2 分布式網(wǎng)絡(luò)抗干擾仿真場景

QualNet仿真場景如圖3所示。其中,對網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的仿真采用復(fù)合模型,即由多個(gè)QualNet節(jié)點(diǎn)進(jìn)行組合模擬網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)節(jié)點(diǎn)。如圖2中的節(jié)點(diǎn)N5由圖 3中的節(jié)點(diǎn)9、10、11和20進(jìn)行模擬,其中節(jié)點(diǎn)9模擬網(wǎng)絡(luò)互連控制器,節(jié)點(diǎn)10、11模擬子網(wǎng)路由器,節(jié)點(diǎn)20模擬業(yè)務(wù)子節(jié)點(diǎn)。

5.1 時(shí)延性能

拓?fù)淙鐖D3所示。建立節(jié)點(diǎn)18到節(jié)點(diǎn)19的CBR,觀測節(jié)點(diǎn)19的時(shí)延性能,此處的時(shí)延指的是節(jié)點(diǎn)在10s內(nèi)接收到的報(bào)文的平均時(shí)延。如果節(jié)點(diǎn)在該時(shí)間段內(nèi)沒有接收到報(bào)文,則定義其時(shí)延為無窮大。仿真結(jié)果如圖4所示,圖中180s～190s的時(shí)延尖峰表示此時(shí)間區(qū)間內(nèi)未收到數(shù)據(jù)報(bào)文。

從上圖中可以看出,在網(wǎng)絡(luò)受到干擾、拓?fù)浒l(fā)生變化后,經(jīng)過短暫的路由中斷,節(jié)點(diǎn)19在200s～480s內(nèi)可以采用跨子網(wǎng)路由接收數(shù)據(jù)報(bào)文。如果不采用跨子網(wǎng)路由機(jī)制,那么節(jié)點(diǎn)19在干擾時(shí)間段內(nèi)將收不到任何數(shù)據(jù)。由于此時(shí)切換到速率更高的S波段子網(wǎng),因此時(shí)延略有下降。在10s～180s內(nèi),節(jié)點(diǎn)19的數(shù)據(jù)時(shí)延均值為0.23s,而在200s～480s內(nèi),采用跨子網(wǎng)路由傳輸?shù)臄?shù)據(jù)報(bào)文平均時(shí)延為0.18s。

5.2 吞吐量性能

拓?fù)淙缟纤?。建立?jié)點(diǎn)18到節(jié)點(diǎn)19的CBR,觀測節(jié)點(diǎn)19的吞吐量性能,如圖5所示。在圖5中可以看出,在出現(xiàn)干擾的3min～8min(180s～480s)時(shí)間內(nèi),節(jié)點(diǎn)19的吞吐量水平幾乎沒有變化,這說明網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的跨子網(wǎng)路由流程工作正常。值得注意的是,節(jié)點(diǎn)19的吞吐量性能在190s下降到0,在200s維持在較低水平。這是由干擾造成的鏈路中斷造成的。由于需要一段時(shí)間進(jìn)行路由自愈重組,因此在此期間會(huì)出現(xiàn)吞吐量下降的情況。當(dāng)子網(wǎng)檢測到拓?fù)渥兓瘯r(shí),網(wǎng)關(guān)會(huì)收到該變化,啟動(dòng)跨子網(wǎng)路由發(fā)現(xiàn)流程,并采用跨子網(wǎng)路由進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸,從而使得吞吐量性能恢復(fù)正常。

6 結(jié)語

通過采用多子網(wǎng)及多徑路由技術(shù),并且設(shè)計(jì)合理的多徑路由發(fā)現(xiàn)和路由維護(hù)機(jī)制,可以有效提高網(wǎng)絡(luò)的抗干擾能力,提高網(wǎng)絡(luò)的健壯性和存活時(shí)間。通過計(jì)算機(jī)仿真驗(yàn)證了該技術(shù)和策略的有效性,結(jié)果表明敵方干擾未能影響網(wǎng)絡(luò)的時(shí)延和吞吐量性能,網(wǎng)絡(luò)的抗干擾能力得到了大幅提升。

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Anti-jamming Simulation Research of Distributed Network

Wang Lifu1)Rao Jianguo1)Shang Xida2)
(Communication Representative of Navy in Wuhan1),Wuhan 430079)
(No.722 Research Institute of CSIC2),Wuhan 430079)

As the size of communication networks is becoming more and more large,the operation,maintenance and verification of military networks is more complex.Network simulation method provides computer modeling and performance analysis for network designing and also provides scenarios recurrence of distributed wireless networks.

distributed network,anti-jamming,network simulation

TP391.9

2010年9月3日,

2010年10月8日

王立夫,男,工程師,研究方向:無線通信。饒建國,男,碩士,研究方向:無線通信。商西達(dá),男,博士,研究方向:無線通信。