基于OMNeT++的航母編隊(duì)網(wǎng)絡(luò)仿真研究

郝英川

(海軍駐石家莊地區(qū)通信軍事代表室，河北石家莊050081)

0 引言

航母在現(xiàn)代海軍作戰(zhàn)中起著至關(guān)重要的作用，是國(guó)家海上軍事力量的核心組成部分，是奪取海上制空權(quán)和制海權(quán)、實(shí)現(xiàn)全球戰(zhàn)略和戰(zhàn)術(shù)目標(biāo)的關(guān)鍵所在。不論在戰(zhàn)時(shí)還是平時(shí)，航母既可擔(dān)負(fù)多種戰(zhàn)略任務(wù)，又可實(shí)施靈活多變的戰(zhàn)術(shù)攻擊任務(wù)。

航母的海上行動(dòng)以航母編隊(duì)方式進(jìn)行。航母作為編隊(duì)的中心，與各種作戰(zhàn)艦艇、輔助艦艇以及搭載的戰(zhàn)斗機(jī)、預(yù)警機(jī)等一起組成海上戰(zhàn)斗群。航母編隊(duì)還可能與空軍、陸軍等協(xié)同作戰(zhàn)，成為海陸空一體化聯(lián)合作戰(zhàn)的戰(zhàn)斗群。

航母活動(dòng)遠(yuǎn)離海岸，要與岸基指揮所、其他艦艇以及空中飛機(jī)保持聯(lián)絡(luò)，需要實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地傳遞指揮控制、戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)等戰(zhàn)略戰(zhàn)術(shù)信息。因此，航母編隊(duì)通信系統(tǒng)是完成協(xié)同作戰(zhàn)任務(wù)不可或缺的一部分，是航母編隊(duì)作戰(zhàn)和指揮的中樞，也是奪取戰(zhàn)爭(zhēng)最后勝利的關(guān)鍵。本文以防空戰(zhàn)為例，利用OMNeT++建模仿真軟件，對(duì)航母編隊(duì)通信系統(tǒng)進(jìn)行建模仿真，并對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行分析。

1 OMNeT++

OMNeT++軟件是一種開源的、基于組件的、模塊化的和開放的建模仿真平臺(tái)?？蛇M(jìn)行通信系統(tǒng)模型仿真、協(xié)議仿真、硬件體系結(jié)構(gòu)驗(yàn)證、復(fù)雜軟件系統(tǒng)性能評(píng)估以及任何其他離散事件驅(qū)動(dòng)應(yīng)用的建模與仿真。具體仿真步驟如下:

①建立網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湮募?，定義本仿真實(shí)例的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu);

②建立節(jié)點(diǎn)模型，使用C++語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)各節(jié)點(diǎn)模型中各模塊的功能;

③ 建立一個(gè)omnetpp．ini，通過這個(gè)文件告知仿真工具目前所仿真網(wǎng)絡(luò)的名稱，還可以通過這個(gè)文件改變網(wǎng)絡(luò)模塊中參量的值，而不必重新編譯;

④編譯、鏈接這些文件，生成可執(zhí)行文件，并運(yùn)行該仿真程序;

⑤記錄仿真程序運(yùn)行情況，并根據(jù)運(yùn)行結(jié)果圖中的數(shù)據(jù)分析網(wǎng)絡(luò)性能。

2 航母編隊(duì)通信系統(tǒng)建模

一個(gè)典型的航母戰(zhàn)斗群通常編配有航空母艦、若干艘護(hù)衛(wèi)艦、驅(qū)逐艦、巡邏艦以及艦載飛機(jī)。航母編隊(duì)借助于飛機(jī)的高度機(jī)動(dòng)性，把控制區(qū)域擴(kuò)大到方圓幾百海里的范圍。航母編隊(duì)的作戰(zhàn)被劃分以下幾種海戰(zhàn)職能:防空戰(zhàn)、反艦作戰(zhàn)、加強(qiáng)反潛戰(zhàn)、戰(zhàn)區(qū)反潛戰(zhàn)、戰(zhàn)略反潛戰(zhàn)、攻擊戰(zhàn)、兩棲作戰(zhàn)、空間和電子戰(zhàn)、水陸兩棲作戰(zhàn)及反導(dǎo)作戰(zhàn)等。

以防空戰(zhàn)為例，對(duì)航母編隊(duì)通信系統(tǒng)進(jìn)行建模仿真，分析其在海戰(zhàn)中的應(yīng)用情況。防空戰(zhàn)是航母編隊(duì)對(duì)攻擊機(jī)、轟炸機(jī)空中發(fā)射、海上發(fā)射和岸基發(fā)射的反艦導(dǎo)彈的防御。防空戰(zhàn)的作戰(zhàn)半徑大于400 km(220 n mile)。在防空戰(zhàn)中，航母上的海軍戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)系統(tǒng)(NTDS)通過目標(biāo)數(shù)據(jù)處理器來(lái)處理聯(lián)絡(luò)報(bào)告，并通過Link11數(shù)據(jù)鏈交換和分發(fā)數(shù)據(jù)。一般情況下，威脅源首先由預(yù)警機(jī)或哨艦發(fā)現(xiàn)，通過Link11數(shù)據(jù)鏈，將威脅源動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)傳給NTDS的各個(gè)節(jié)點(diǎn)。空戰(zhàn)中，在預(yù)警機(jī)與戰(zhàn)斗機(jī)間靠Link4A數(shù)據(jù)鏈實(shí)現(xiàn)雙向數(shù)據(jù)交換或由地面向中央處理機(jī)傳送指令。防空戰(zhàn)各個(gè)分隊(duì)的詳細(xì)通信示意圖如圖1所示。

圖1 防空戰(zhàn)的通信示意圖

3 通信系統(tǒng)仿真

3．1 仿真場(chǎng)景設(shè)計(jì)

航母編隊(duì)通信仿真系統(tǒng)由岸基指揮所和海軍通信站以及航母編隊(duì)組成，航母編隊(duì)包括航空母艦、護(hù)衛(wèi)艦艇編隊(duì)、哨艦、預(yù)警機(jī)和戰(zhàn)斗機(jī)等。

航母編隊(duì)通過Link11數(shù)據(jù)鏈完成艦艇編隊(duì)各節(jié)點(diǎn)監(jiān)視信息、狀態(tài)信息等平時(shí)信息的交換和分發(fā)。當(dāng)發(fā)現(xiàn)異常情況時(shí)，由預(yù)警機(jī)和哨艦通過Link11數(shù)據(jù)鏈將敵情信息實(shí)時(shí)上報(bào)給岸基指揮所，岸基指揮所再將指揮命令通過Link4A數(shù)據(jù)鏈發(fā)送給戰(zhàn)斗機(jī)，并對(duì)其進(jìn)行引導(dǎo)控制。具體信號(hào)流程如圖2所示。

圖2 戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈指揮流程

3．2 節(jié)點(diǎn)模型設(shè)計(jì)

根據(jù)航母編隊(duì)防空戰(zhàn)任務(wù)以及所采用的各種傳輸手段的特點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)模型參考OSI模型，省略會(huì)話層與表示層，其體系結(jié)構(gòu)共分為物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層和應(yīng)用層5層。其中用戶節(jié)點(diǎn)包含5層功能;中繼艦艇和中繼飛機(jī)作為通信節(jié)點(diǎn)只實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)層、鏈路層和物理層功能。

物理層主要功能是完成比特流在各種信道中的可靠傳輸;數(shù)據(jù)鏈路層主要完成相鄰節(jié)點(diǎn)間點(diǎn)到點(diǎn)的可靠傳輸，包括幀同步、差錯(cuò)控制和流量控制等功能，并實(shí)現(xiàn)Link11和Link4A等鏈路協(xié)議功能;網(wǎng)絡(luò)層需具有路由選擇功能、網(wǎng)絡(luò)分組數(shù)據(jù)逐跳保管傳輸功能以及網(wǎng)絡(luò)接口的適配功能，并可兼顧多種數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議;傳輸層負(fù)責(zé)保障數(shù)據(jù)包的端到端的可靠傳輸及網(wǎng)絡(luò)流量控制等功能;應(yīng)用層負(fù)責(zé)隨機(jī)產(chǎn)生不同業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)包，并完成仿真結(jié)果的統(tǒng)計(jì)。

3．3 仿真參數(shù)設(shè)計(jì)

仿真參數(shù)包括仿真時(shí)間、節(jié)點(diǎn)數(shù)、移動(dòng)節(jié)點(diǎn)移動(dòng)速度、發(fā)送時(shí)間間隔和信道參數(shù)等值。在本仿真中，仿真時(shí)間設(shè)為10 h，節(jié)點(diǎn)數(shù)為14個(gè)，其中A0為航母;A1為哨艦;A2為戰(zhàn)斗機(jī);A3～A5和A8～A9為護(hù)衛(wèi)艦艇編隊(duì);A6為中繼艦艇;A7為預(yù)警機(jī);A11為海軍通信站;A12為中繼飛機(jī);A13為岸基指揮所。A1、A3、A7和A8直接與A0通信，A4和 A5通過A3中繼轉(zhuǎn)發(fā)與A0通信，A9和A10通過A8中繼轉(zhuǎn)發(fā)與A0通信，A2通過A6中繼轉(zhuǎn)發(fā)與A0通信，A13通過A11直接或經(jīng)由無(wú)人機(jī)中繼轉(zhuǎn)發(fā)與A0通信，機(jī)載移動(dòng)速度100 m/s，艦載移動(dòng)速度20 m/s。信道模型采用OMNeT++平臺(tái)的抽象模型，Link11的信息傳輸速率為2 400 bps，Link4A的信息傳輸速率為5 kbps，在時(shí)間窗口區(qū)間內(nèi)［T1，T2］隨機(jī)停留一個(gè)時(shí)間作為時(shí)延。數(shù)據(jù)包發(fā)送間隔時(shí)間為服從指數(shù)分布的偽隨機(jī)數(shù)，平時(shí)航母編隊(duì)數(shù)據(jù)交換和分發(fā)的時(shí)間間隔設(shè)為60 s;異常情況間隔設(shè)為600 s。仿真運(yùn)行場(chǎng)景圖如圖3所示。

圖3 仿真運(yùn)行場(chǎng)景

4 仿真結(jié)果分析

仿真結(jié)果包括時(shí)延、吞吐量、信道利用率和丟包率等。下面以時(shí)延和吞吐量為例，對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行分析。

i節(jié)點(diǎn)到j(luò)節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)包的平均時(shí)延為:

式中，NRij為i節(jié)點(diǎn)收到j(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)包的數(shù)量。

網(wǎng)絡(luò)平均時(shí)延為:

式中，n為節(jié)點(diǎn)數(shù)量。

i節(jié)點(diǎn)到j(luò)節(jié)點(diǎn)之間的吞吐量為:

式中，LRij為i節(jié)點(diǎn)收到j(luò)節(jié)點(diǎn)應(yīng)答的數(shù)據(jù)包長(zhǎng)度;T為仿真運(yùn)行時(shí)間。

網(wǎng)絡(luò)總吞吐量為:

OMNET++提供2種性能結(jié)果分析工具，即矢量分析工具Plove和標(biāo)量分析工具Scalars。矢量分析工具Plove用于仿真過程中向量文件的在線觀測(cè)或仿真結(jié)束后統(tǒng)計(jì);標(biāo)量分析工具Scalars用于仿真結(jié)束后分析總的統(tǒng)計(jì)量。圖4和圖5分別為使用Scalars得到的鏈路時(shí)延和節(jié)點(diǎn)吞吐量的仿真結(jié)果。由圖4和圖5可以看出，需要中繼轉(zhuǎn)發(fā)的鏈路時(shí)延較長(zhǎng)，而航空母艦A0和含轉(zhuǎn)發(fā)功能的護(hù)衛(wèi)艦A3節(jié)點(diǎn)的吞吐量最大，這是因?yàn)榻?jīng)由它們交換和分發(fā)的數(shù)據(jù)最多。

圖4 鏈路時(shí)延仿真結(jié)果

圖5 節(jié)點(diǎn)吞吐量仿真結(jié)果

5 結(jié)束語(yǔ)

介紹了航母編隊(duì)的作戰(zhàn)流程，并據(jù)此對(duì)防空站進(jìn)行了系統(tǒng)建模設(shè)計(jì):航母編隊(duì)通過Link11數(shù)據(jù)鏈完成各節(jié)點(diǎn)間平時(shí)數(shù)據(jù)的交換和分發(fā)，通過Link11數(shù)據(jù)鏈完成敵情信息的上報(bào)，通過Link4A數(shù)據(jù)鏈完成戰(zhàn)斗指令的下發(fā);節(jié)點(diǎn)模型參考OSI模型分層設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)功能，根據(jù)本系統(tǒng)特點(diǎn)簡(jiǎn)化為物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層和應(yīng)用層5層。系統(tǒng)建模完成后，對(duì)仿真參數(shù)進(jìn)行了設(shè)置，對(duì)航母編隊(duì)的通信流程以及通信協(xié)議進(jìn)行了仿真，并使用標(biāo)量分析工具Scalars對(duì)時(shí)延和吞吐量的仿真結(jié)果進(jìn)行了分析。本文的建模方法和設(shè)計(jì)思路能夠?yàn)槠渌＼娡ㄐ畔到y(tǒng)的建模仿真提供參考。

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