基于半實(shí)物仿真的通信對(duì)抗效能評(píng)估研究

劉校矢

(廣州海格通信集團(tuán)股份有限公司，廣東廣州 510663)

0 引言

隨著戰(zhàn)爭形式向“網(wǎng)絡(luò)為中心”轉(zhuǎn)變，以戰(zhàn)術(shù)互聯(lián)網(wǎng)為首的外軍通信裝備已形成了多層級(jí)、多體系、多維度的立體通信網(wǎng)絡(luò)，大大提高了通信系統(tǒng)的健壯性與抗毀性。一方面是通信鏈路的抗干擾能力已大大提高，如PR4G電臺(tái)具有多種抗干擾波形，且能抗70%阻塞干擾;另一方面，由于通信網(wǎng)絡(luò)本身具有自組織、自恢復(fù)功能，導(dǎo)致部分鏈路失效對(duì)網(wǎng)絡(luò)通信能力的影響小，單一網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)失效很難阻斷網(wǎng)絡(luò)通信。為了適應(yīng)未來戰(zhàn)爭的需要，實(shí)現(xiàn)從“信號(hào)戰(zhàn)”向“信息戰(zhàn)”的轉(zhuǎn)變，必須研究以美軍戰(zhàn)術(shù)互聯(lián)網(wǎng)為目標(biāo)的通信對(duì)抗目標(biāo)仿真及干擾效能評(píng)估技術(shù)［1－3］，以便為國內(nèi)網(wǎng)絡(luò)偵察與干擾產(chǎn)品的研制提供作戰(zhàn)效能檢驗(yàn)依據(jù)。

1 美軍初級(jí)戰(zhàn)術(shù)互聯(lián)網(wǎng)

就美軍初級(jí)戰(zhàn)術(shù)互聯(lián)網(wǎng)結(jié)構(gòu)而言，分為上層的戰(zhàn)場(chǎng)地域通信網(wǎng)和下層的戰(zhàn)術(shù)電臺(tái)互聯(lián)網(wǎng)［4］。上層戰(zhàn)場(chǎng)地域通信網(wǎng)屬軍師戰(zhàn)術(shù)通信網(wǎng)絡(luò)，主要連接旅級(jí)以上的作戰(zhàn)指揮單元;下層戰(zhàn)術(shù)電臺(tái)互聯(lián)網(wǎng)屬旅和旅以下的戰(zhàn)術(shù)通信網(wǎng)絡(luò)，主要用于連接旅和旅以下作戰(zhàn)單元，具體包括EPLRS網(wǎng)絡(luò)和SINCGARS網(wǎng)絡(luò)［5，6］。EPLRS網(wǎng)絡(luò)作為主要通信設(shè)備的態(tài)勢(shì)感知數(shù)據(jù)網(wǎng)，用于支持旅/營之間的近實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)分發(fā)和位置導(dǎo)航服務(wù);SINCGARS網(wǎng)絡(luò)作為主要通信設(shè)備的末端用戶分組無線網(wǎng)，主要用于保障連以下用戶的話音與數(shù)據(jù)通信。

2 美軍目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)模擬系統(tǒng)構(gòu)建

為了驗(yàn)證針對(duì)美軍初級(jí)戰(zhàn)術(shù)互聯(lián)網(wǎng)偵察與干擾技術(shù)的有效性，需構(gòu)建戰(zhàn)術(shù)電臺(tái)互聯(lián)網(wǎng)模擬系統(tǒng)，并盡量確保各種傳輸設(shè)備、傳輸信道、網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?、業(yè)務(wù)種類和網(wǎng)絡(luò)流量模型在原理和功能上與實(shí)物基本吻合。但是，無論是從戰(zhàn)術(shù)電臺(tái)互聯(lián)網(wǎng)模擬系統(tǒng)的設(shè)備種類、數(shù)量和成本來看，還是從各種應(yīng)用模式、信道模型來看，用全實(shí)物的方式都難以有效驗(yàn)證針對(duì)目標(biāo)對(duì)象的偵察、干擾效果。因此，構(gòu)建戰(zhàn)術(shù)電臺(tái)互聯(lián)網(wǎng)模擬系統(tǒng)以實(shí)物通信設(shè)備為主，軟件模擬部分通信設(shè)備、信道條件為輔，形成實(shí)物與計(jì)算機(jī)仿真相結(jié)合的半實(shí)物仿真環(huán)境［7］。

構(gòu)建思想:以INC、EPLRS和SINCGARS網(wǎng)絡(luò)模擬通信設(shè)備為基礎(chǔ)，基于HLA/RTI分布式仿真技術(shù)，依托OPNET仿真平臺(tái)，構(gòu)建模擬實(shí)物設(shè)備、軟件仿真一體化的半實(shí)物戰(zhàn)術(shù)電臺(tái)互聯(lián)網(wǎng)模擬系統(tǒng)，其中實(shí)物網(wǎng)絡(luò)主要包括SINCGARS等網(wǎng)絡(luò)模擬系統(tǒng)，如圖1所示。

圖1 半實(shí)物戰(zhàn)術(shù)電臺(tái)互聯(lián)網(wǎng)偵察系統(tǒng)

3 目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)軟件仿真設(shè)計(jì)

基于戰(zhàn)術(shù)電臺(tái)互聯(lián)網(wǎng)模擬系統(tǒng)總體框架設(shè)計(jì)，通過分析美軍 JTA、建模與仿真主計(jì)劃(Modeling＆Simulation Master Plan)相關(guān)HLA的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、協(xié)議，研究美軍NETWARS仿真系統(tǒng)的相關(guān)建模方法(OPFAC、OE和SE)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、基于HLA的可重用建模技術(shù)，建立戰(zhàn)術(shù)互聯(lián)網(wǎng)仿真系統(tǒng)的通信作戰(zhàn)想定業(yè)務(wù)仿真、目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)備仿真、目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)仿真、目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)移動(dòng)仿真、目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)通信環(huán)境仿真、網(wǎng)絡(luò)偵察與干擾仿真和網(wǎng)絡(luò)干擾效能評(píng)估［8］，如圖2 所示。

圖2 戰(zhàn)術(shù)電臺(tái)互聯(lián)網(wǎng)通信、偵察仿真系統(tǒng)

3.1 通信作戰(zhàn)想定業(yè)務(wù)仿真

通信作戰(zhàn)想定網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)發(fā)生器如圖3所示，通信作戰(zhàn)想定業(yè)務(wù)仿真可根據(jù)實(shí)際應(yīng)用，同時(shí)基于各類業(yè)務(wù)流量的統(tǒng)計(jì)與分布特性(包大小、包到達(dá)率、包轉(zhuǎn)發(fā)率和鏈路容量等)，產(chǎn)生不同的業(yè)務(wù)流量，并可將業(yè)務(wù)流量加載于指定的網(wǎng)絡(luò)(源/目的)節(jié)點(diǎn)。

圖3 通信作戰(zhàn)想定網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)發(fā)生器

3.2 目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)備仿真

網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)備包括:INC、EPLRS和SINCGARS等通信設(shè)備，各設(shè)備仿真主要包括以下4類模塊:

①源模塊:實(shí)現(xiàn)作戰(zhàn)想定業(yè)務(wù)模型在設(shè)備節(jié)點(diǎn)的加載，可以基于OPNET EMA API標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行規(guī)范和定義，以支持多種業(yè)務(wù)流量的接入和適配;

②網(wǎng)絡(luò)層模塊:實(shí)現(xiàn)多種協(xié)議的堆棧，主要包括EPLRS網(wǎng)絡(luò)協(xié)議 OSPF、SINCGARS網(wǎng)絡(luò)協(xié)議MIL-STD-188-220B/C/D和PR4G網(wǎng)絡(luò)協(xié)議等，這些專用路由協(xié)議算法模塊需要根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范自行開發(fā);

③鏈路層模塊:包括仿真各種戰(zhàn)術(shù)電臺(tái)的接入控制與信道資源算法和糾錯(cuò)算法，標(biāo)準(zhǔn)的TDMA和時(shí)隙ALOHA/CSMA無線接入?yún)f(xié)議可基于OPNET標(biāo)準(zhǔn)模塊過程得到，專用協(xié)議算法模塊需根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范自行開發(fā);

④物理層模塊:形式上是OPNET的標(biāo)準(zhǔn)發(fā)射機(jī)/接收機(jī)對(duì)，對(duì)不同的戰(zhàn)術(shù)電臺(tái)設(shè)備，由于調(diào)制解調(diào)算法、加密算法和物理幀結(jié)構(gòu)的不同，仍需根據(jù)OPNET的標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)進(jìn)行自行開發(fā)［9－12］。一般使用MATLAB構(gòu)建信道、調(diào)制和解調(diào)等物理層模型，并將原來的OPNET網(wǎng)絡(luò)仿真器自帶的抽象模型中的物理層和信道的計(jì)算，替換成為MATLAB模型進(jìn)行計(jì)算，如圖4所示。

圖4 基于MATLAB的目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)物理層信道仿真

3.3 目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)仿真

網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)仿真包括兩部分:一類是網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的初始化模型(網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)、鏈路特性及節(jié)點(diǎn)間的連接關(guān)系與連通性);另一類是網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化模型(網(wǎng)絡(luò)各個(gè)節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)特性模型、網(wǎng)絡(luò)鏈路性能變化模型和網(wǎng)絡(luò)路徑損耗模型)。

根據(jù)戰(zhàn)術(shù)電臺(tái)互聯(lián)網(wǎng)的一般作戰(zhàn)應(yīng)用，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涠嗉?jí)分層分布式結(jié)構(gòu)，主要包括EPLRS為主的高速骨干分組無線網(wǎng)、SINCGARS為主的接入網(wǎng)和SINCGARS為主的末端用戶分組無線網(wǎng)。分組無線網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)生成方法如圖5所示。

圖5 目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)生成方式

3.4 目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)移動(dòng)仿真

目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)移動(dòng)仿真主要反應(yīng)戰(zhàn)術(shù)電臺(tái)互聯(lián)網(wǎng)的移動(dòng)特性，有多種實(shí)現(xiàn)方法:一種是直接采用仿真工具OPNET自帶的定義節(jié)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡菜單，直接通過拖、放和節(jié)點(diǎn)停留時(shí)間等操作來定義某電臺(tái)的運(yùn)動(dòng)軌跡;另一種方法就是根據(jù)戰(zhàn)術(shù)電臺(tái)互聯(lián)網(wǎng)作戰(zhàn)要求設(shè)置節(jié)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)速度、運(yùn)動(dòng)區(qū)域，通過運(yùn)用C語言編程編寫函數(shù)，來定義節(jié)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)速度、方向等。

3.5 目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)通信環(huán)境仿真

目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)通信環(huán)境仿真主要給出網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建的地形、地理模型等。地理/地形環(huán)境直接影響網(wǎng)絡(luò)仿真的效果，不同的地理/地形下，節(jié)點(diǎn)之間的通信距離、地形遮擋等都有可能造成網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞淖兓??；诘乩?地形數(shù)據(jù)庫及多種地理/地形電子地圖，通過數(shù)據(jù)采集或數(shù)字地圖的數(shù)據(jù)提取、轉(zhuǎn)換工具，將所需特征數(shù)據(jù)、DEM數(shù)據(jù)導(dǎo)入MultigenCreatorPor(MultiGen公司)等三維實(shí)時(shí)建模工具中，以構(gòu)建三維地形模型等網(wǎng)絡(luò)通信環(huán)境模型，在網(wǎng)絡(luò)仿真中逼真地模擬真實(shí)地理環(huán)境。

4 網(wǎng)絡(luò)偵察、干擾仿真設(shè)計(jì)

4.1 網(wǎng)絡(luò)偵察仿真

基于目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的收發(fā)流程，按照協(xié)議分層的方式，在接收方實(shí)現(xiàn)信號(hào)接收后，在物理層進(jìn)行調(diào)制模式等識(shí)別;在鏈路層進(jìn)行交織、編碼、擾碼和信道接入方式等識(shí)別;在網(wǎng)絡(luò)層進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥R(shí)別、關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)發(fā)現(xiàn)等;在應(yīng)用層進(jìn)行FTP等上層協(xié)議的識(shí)別，如圖6所示。

圖6 目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)偵察仿真

4.2 網(wǎng)絡(luò)干擾仿真

同網(wǎng)絡(luò)偵察一樣，按照協(xié)議分層的方式，在物理層進(jìn)行同步頭、勤務(wù)信息和信道均衡等干擾;在鏈路層進(jìn)行ACK/RTS/CTS欺騙干擾、關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)干擾和存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)式干擾等;在網(wǎng)絡(luò)層進(jìn)行虛假路由請(qǐng)求、路由黑洞等入侵式干擾［13］，如圖7所示。

圖7 目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)干擾仿真

4.3 網(wǎng)絡(luò)干擾效能評(píng)估模型

為了對(duì)網(wǎng)絡(luò)干擾效能進(jìn)行有效評(píng)估，需進(jìn)行多種干擾效果數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析，包括話音呼損率、數(shù)據(jù)丟包率、平均時(shí)延和網(wǎng)絡(luò)吞吐量等［14，15］。實(shí)際評(píng)估時(shí)，可根據(jù)網(wǎng)絡(luò)和節(jié)點(diǎn)/鏈路模型的運(yùn)行結(jié)果在網(wǎng)絡(luò)級(jí)、節(jié)點(diǎn)級(jí)和鏈路級(jí)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，相關(guān)指標(biāo)如圖8所示。

圖8 網(wǎng)絡(luò)干擾效能評(píng)估指標(biāo)

①鏈路級(jí):對(duì)于鏈路級(jí)的干擾效能評(píng)估，主要從2個(gè)節(jié)點(diǎn)之間通信鏈路統(tǒng)計(jì)分析鏈路誤碼率、鏈路誤幀率和信道利用率等。

②節(jié)點(diǎn)級(jí):對(duì)于節(jié)點(diǎn)級(jí)的干擾效能評(píng)估，主要從傳輸方面主要檢測(cè)傳輸設(shè)備誤碼率、同步失敗率、節(jié)點(diǎn)擁塞度和節(jié)點(diǎn)誤碼率等。

③網(wǎng)絡(luò)級(jí):對(duì)于網(wǎng)絡(luò)級(jí)的干擾效能評(píng)估，主要從分組成功率、話音呼損率、網(wǎng)絡(luò)吞吐量、平均傳輸時(shí)延、信道利用率、網(wǎng)絡(luò)連通度、節(jié)點(diǎn)連通度和鏈路損失率等。

5 結(jié)束語

目標(biāo)通信網(wǎng)絡(luò)建立與通信網(wǎng)絡(luò)對(duì)抗仿真技術(shù)的研究，將彌補(bǔ)我國在基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)信息戰(zhàn)研究方面的不足，為制定合理的通信網(wǎng)絡(luò)安全保障措施和制定對(duì)敵方有效的通信網(wǎng)絡(luò)攻擊策略提供實(shí)踐方法和理論依據(jù)。本文針對(duì)美軍初級(jí)戰(zhàn)術(shù)互聯(lián)網(wǎng)目標(biāo)通信網(wǎng)絡(luò)建立及對(duì)抗仿真體系做了一定的探索研究，旨在說明通信網(wǎng)絡(luò)對(duì)抗仿真的重要性及可行性，以期達(dá)到拋磚引玉的效果。 ■

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