無線電戰(zhàn)術(shù)接入網(wǎng)的構(gòu)建和測試

魏正曦，蹇紅梅

（四川理工學(xué)院計算機學(xué)院，四川自貢643000）

無線電戰(zhàn)術(shù)接入網(wǎng)的構(gòu)建和測試

魏正曦，蹇紅梅

（四川理工學(xué)院計算機學(xué)院，四川自貢643000）

利用現(xiàn)有短波/微波電臺或其他通信設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸能力，研制構(gòu)建無線電戰(zhàn)術(shù)互聯(lián)網(wǎng)所需的互聯(lián)網(wǎng)控制器和戰(zhàn)術(shù)多網(wǎng)網(wǎng)關(guān)，從而使各類無線終端組成無中心的自組織網(wǎng)絡(luò)，并通過TCP/IP協(xié)議與外部網(wǎng)絡(luò)互連互通。采用VxWorks系統(tǒng)作為開發(fā)平臺，經(jīng)過系統(tǒng)裁剪和軟件編碼，將軟硬件嵌入到網(wǎng)絡(luò)核心設(shè)備中，運用無線仿真器進行輔助開發(fā)和性能測試。室內(nèi)仿真和野外試驗表明：組建的無線電戰(zhàn)術(shù)接入網(wǎng)能夠?qū)崿F(xiàn)網(wǎng)絡(luò)異構(gòu)、路由自動選擇等功能；在3～4節(jié)點的任意拓?fù)洵h(huán)境下，網(wǎng)絡(luò)時延不超過30s，并成功地接入有線網(wǎng)，能較好地提供各項數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務(wù)。

戰(zhàn)術(shù)互聯(lián)網(wǎng)；互聯(lián)網(wǎng)控制器；戰(zhàn)術(shù)多網(wǎng)網(wǎng)關(guān)；無線網(wǎng)仿真；全通網(wǎng)測試

短波/超短波電臺是戰(zhàn)術(shù)級電臺，是前方作戰(zhàn)地域重要的通信手段。戰(zhàn)術(shù)無線電互聯(lián)網(wǎng)[2]是以戰(zhàn)術(shù)電臺為基礎(chǔ)，通過嵌入網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)技術(shù)，為師級作戰(zhàn)地域內(nèi)進行運動中作戰(zhàn)的各要素之間提供基本的態(tài)勢、指控和話音保障能力的機動通信網(wǎng)絡(luò)。通過與野戰(zhàn)綜合業(yè)務(wù)數(shù)字網(wǎng)（野戰(zhàn)地域網(wǎng)）的綜合集成，可以實現(xiàn)與其他通信網(wǎng)系的互連互通，保障各作戰(zhàn)要素達(dá)成密切協(xié)同，形成強大整體作戰(zhàn)能力。

美軍早已使用路由器將原有的SINCGARS[3]無線電系統(tǒng)和增強定位報告系統(tǒng)EPLRS[4]連接起來，形成一個更加完善的通信網(wǎng)絡(luò)，其發(fā)展處于世界領(lǐng)先地位。為應(yīng)對數(shù)字化戰(zhàn)備技術(shù)的新挑戰(zhàn)，我軍也在積極構(gòu)建戰(zhàn)略和戰(zhàn)役戰(zhàn)術(shù)級的作戰(zhàn)信息系統(tǒng)。無線電戰(zhàn)術(shù)接入網(wǎng)屬于戰(zhàn)役戰(zhàn)術(shù)級網(wǎng)絡(luò)的組成部分，它使得軍隊集團化作戰(zhàn)能力加強，支持高度機動的移動指揮，還能較好地解決系統(tǒng)的抗毀性問題，因此受到各國軍方的普遍關(guān)注。

1 系統(tǒng)需求分析

系統(tǒng)的建設(shè)目標(biāo)是以軍隊使用的HF/VHF（高頻/甚高頻）電臺為通信設(shè)備，借助戰(zhàn)術(shù)電臺或其他通信工具的數(shù)據(jù)傳輸能力，自主開發(fā)組網(wǎng)所需的關(guān)鍵核心設(shè)備——互聯(lián)網(wǎng)控制器[5]和戰(zhàn)術(shù)多網(wǎng)網(wǎng)關(guān)[6]。無線終端通過現(xiàn)有的電臺和互聯(lián)網(wǎng)控制器組成無中心的自組織網(wǎng)絡(luò)；通過支持TCP/IP協(xié)議的路由設(shè)備戰(zhàn)術(shù)多網(wǎng)網(wǎng)關(guān)與外部的有線網(wǎng)絡(luò)進行互聯(lián)，接入有線網(wǎng)。戰(zhàn)術(shù)接入網(wǎng)可用于原有通信網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的數(shù)據(jù)通信，實現(xiàn)圖形、圖像、文件等數(shù)據(jù)信息的快速傳遞，支持其各種復(fù)雜的應(yīng)用環(huán)境。

接入網(wǎng)系統(tǒng)的實現(xiàn)方式主要利用軍隊中已經(jīng)大量裝備和使用的短波/超短波跳頻改進型電臺，將自主開發(fā)的聯(lián)網(wǎng)軟硬件內(nèi)置于電臺中，為電臺提供分組數(shù)據(jù)傳輸和自組織網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)能力。系統(tǒng)的核心網(wǎng)絡(luò)設(shè)備主要是互聯(lián)網(wǎng)控制器和戰(zhàn)術(shù)多網(wǎng)網(wǎng)關(guān)，它們在網(wǎng)絡(luò)中通過數(shù)據(jù)口即標(biāo)準(zhǔn)RS-232接口與用戶的無線終端或PC機相連；電臺之間的硬件通過一個標(biāo)準(zhǔn)接插件互連，電源、所有信號線都通過該插槽相互連通。數(shù)據(jù)傳輸模塊的數(shù)據(jù)通信采用RS-232接口標(biāo)準(zhǔn)。通常情況下，一個超短波分組無線網(wǎng)由8個節(jié)點組成，最多可擴展到16個節(jié)點。網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可以是多跳、自動中繼的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)。一般情況下為2～3跳，最多跳數(shù)為6跳。

構(gòu)建真實的無線分組網(wǎng)絡(luò)環(huán)境存在以下問題：首先是調(diào)試?yán)щy，無線通信的距離較遠(yuǎn)，對于VHF電臺，通信距離也達(dá)到10km以上，在這樣的環(huán)境下，實際上無法調(diào)試，只能測試和驗證功能和性能指標(biāo)；其次是難以針對調(diào)試的需求建立任意拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，難以實時檢測動態(tài)變化的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。因此，必須開發(fā)一個網(wǎng)絡(luò)仿真系統(tǒng)，以便在室內(nèi)提供各種模擬的網(wǎng)絡(luò)仿真環(huán)境，方便網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的調(diào)試。

2 網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建

2.1 系統(tǒng)設(shè)計

圖1 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

根據(jù)上述分析，擬建網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。無線電分組網(wǎng)絡(luò)包括無線終端和基站兩個部分。其中，便攜式/通用PC、互聯(lián)網(wǎng)控制器和HF/VHF電臺構(gòu)成無線終端部分；基站包括HF單工電臺、便攜式/通用PC終端和戰(zhàn)術(shù)多網(wǎng)網(wǎng)關(guān)。終端與電臺之間通過互聯(lián)網(wǎng)控制器/戰(zhàn)術(shù)多網(wǎng)網(wǎng)關(guān)連接，設(shè)備間的接口均采用標(biāo)準(zhǔn)RS-232接口。各無線終端可利用互聯(lián)網(wǎng)控制器構(gòu)建獨立的無線網(wǎng)絡(luò)，也可采用戰(zhàn)術(shù)多網(wǎng)網(wǎng)關(guān)作為基站，通過RJ45接口與有線網(wǎng)相連。

系統(tǒng)硬件平臺采用X86 CPU芯片，選用VxWorks[7]作為底層操作系統(tǒng)，構(gòu)建一個嵌入式計算機系統(tǒng)。考慮到技術(shù)的成熟度，選用AMD SC400 MCU，需要配備兩個異步RS-232的串行口，4Mb RAM（優(yōu)先考慮采用SRAM），2Mb Flash RAM?？紤]到超短波電臺的背負(fù)使用環(huán)境，要求硬件的整體功耗＜1W，全部電路設(shè)計采用3.3V低電壓、低功耗器件，同時，利用CPU的電源管理能力盡量降低功耗。電路板的物理尺寸、電磁輻射必須滿足VHF超短波電臺的要求。與電臺的硬件連接通過一個專用插座貼在電臺的跳頻、數(shù)據(jù)傳輸板上。由電臺提供3.3V電源。另外，電臺還提供信道載波檢測（信道忙閑）、數(shù)據(jù)信道忙閑、話音信道忙閑、電臺跳信號等信道狀態(tài)指示信號。

2.2 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧

無線電接入網(wǎng)的軟件系統(tǒng)總體上要實現(xiàn)兩個關(guān)鍵目標(biāo)：1）IP數(shù)據(jù)包在不同數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議之間傳輸，需要在數(shù)據(jù)鏈路層進行協(xié)調(diào)轉(zhuǎn)換；2）IP的路由策略，要求選路適應(yīng)復(fù)雜多變的無線鏈路環(huán)境。

互聯(lián)網(wǎng)控制器/戰(zhàn)術(shù)多網(wǎng)網(wǎng)關(guān)之間的數(shù)據(jù)鏈路層和物理層通信協(xié)議采用美軍標(biāo)MIL-STD-188-220B[8]（美軍戰(zhàn)術(shù)互聯(lián)網(wǎng)——“數(shù)字消息傳輸設(shè)備子系統(tǒng)互操作標(biāo)準(zhǔn)”所規(guī)定強制執(zhí)行的網(wǎng)絡(luò)下三層協(xié)議），互聯(lián)網(wǎng)控制器/戰(zhàn)術(shù)多網(wǎng)網(wǎng)關(guān)與終端間采用PPP/SLIP協(xié)議，兩個設(shè)備的通信模型如圖2和圖3所示。

從圖2中可以看到，無線終端與互聯(lián)網(wǎng)控制器之間采用PPP鏈路連接，終端運行的應(yīng)用程序通過撥號接入互聯(lián)網(wǎng)控制器，后者把收到的IP數(shù)據(jù)報在鏈路層進行PPP協(xié)議和220B協(xié)議的轉(zhuǎn)換，然后把IP數(shù)據(jù)報重新封裝，通過串口流經(jīng)220B無線鏈路發(fā)送至電臺，最后由HF/VHF電臺將IP數(shù)據(jù)報發(fā)送出去。無線終端接收網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的過程正好與上述流程相反，從而實現(xiàn)基于IP數(shù)據(jù)報的異種設(shè)備互聯(lián)。

圖2 互聯(lián)網(wǎng)控制器協(xié)議棧

圖3 戰(zhàn)術(shù)多網(wǎng)網(wǎng)關(guān)協(xié)議棧

結(jié)合圖1和圖3還可以看出，戰(zhàn)術(shù)多網(wǎng)網(wǎng)關(guān)除了連接無線終端，還連接有線網(wǎng)，承載著無線終端接入有線網(wǎng)的功能。具體實現(xiàn)方案是戰(zhàn)術(shù)多網(wǎng)網(wǎng)關(guān)增加了一個RJ45接口，220B無線鏈路流入/流出的IP數(shù)據(jù)報可以在戰(zhàn)術(shù)多網(wǎng)網(wǎng)關(guān)進行IP交換，然后根據(jù)路由表，選擇IP數(shù)據(jù)報的下一跳是走PPP鏈路與無線終端通信，還是走以太網(wǎng)鏈路接入有線局域網(wǎng)中。

由于戰(zhàn)術(shù)多網(wǎng)網(wǎng)關(guān)具備與有線網(wǎng)連接的以太網(wǎng)接口，它幾乎涵蓋了互聯(lián)網(wǎng)控制器的所有功能，因此在研制時主要以開發(fā)戰(zhàn)術(shù)多網(wǎng)網(wǎng)關(guān)的軟硬件為主，而互聯(lián)網(wǎng)控制器則可以通過對戰(zhàn)術(shù)多網(wǎng)網(wǎng)關(guān)的軟硬件進行適當(dāng)裁剪而得到。

至于IP數(shù)據(jù)報的路由選擇，設(shè)計了一種基于源定向選路的路由策略[9]，基本思路是無線節(jié)點根據(jù)實時更新的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，選擇公共傳輸次數(shù)最多的鏈路作為它的下一跳，確保已建立的無線鏈路最大復(fù)用率；如果需要中繼，則選擇中繼節(jié)點路由表中復(fù)用率高的鏈路作為下一跳，如此重復(fù)直到目的節(jié)點。

2.3 網(wǎng)絡(luò)仿真系統(tǒng)

網(wǎng)絡(luò)仿真系統(tǒng)主要通過一個PCI多串口卡連接多個終端構(gòu)成，如圖4所示。根據(jù)組網(wǎng)需要，設(shè)計了仿真測試程序，分別從端口設(shè)置、數(shù)據(jù)接收/發(fā)送/分析、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜蛿?shù)據(jù)顯示/存儲等方面進行模擬測試。

仿真系統(tǒng)主要實現(xiàn)以下具體功能：

1）仿真無線網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及其動態(tài)變化；

2）存儲網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點發(fā)出的報文及離線分析；

3）同步模擬真實環(huán)境中的無線數(shù)據(jù)傳輸，完成數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)功能；

4）對傳輸報文進行實時監(jiān)視和在線分析。

3 網(wǎng)絡(luò)測試

網(wǎng)絡(luò)測試分室內(nèi)網(wǎng)絡(luò)仿真環(huán)境和野外現(xiàn)場試驗兩部分。首先在2400 b/s的數(shù)據(jù)傳輸速率下進行測試，然后再在1200b/s速率下進行測試。設(shè)計要求實現(xiàn)無中心自組織網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，由于條件限制，無法構(gòu)建完全滿足設(shè)計指標(biāo)要求的測試網(wǎng)絡(luò)，試驗構(gòu)建了室內(nèi)4個節(jié)點、室外3個節(jié)點的分組無線網(wǎng)絡(luò)，并進行了相關(guān)的測試和驗證。

3.1 室內(nèi)仿真測試

室內(nèi)模擬仿真測試在圖4所示的系統(tǒng)仿真平臺，進行了靜態(tài)與動態(tài)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)兩種情況的試驗。

圖4 仿真分組無線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

3.1.1 靜態(tài)4節(jié)點任意網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)測試

靜態(tài)4節(jié)點Ping任意站點的傳輸時延測試，該測試的仿真網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 靜態(tài)4節(jié)點任意網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

Ping測試步驟如下：

1）終端3、4同時Ping終端1，每個Ping操作間隔2min；

2）每個終端均連續(xù)Ping終端120次，記錄每次Ping是否成功及時延；

3）終端3、4同時對Ping，每個Ping操作間隔2min；

4）每個終端均連續(xù)對Ping 20次，記錄每次Ping是否成功及時延。在數(shù)據(jù)傳輸速率為2400b/s的情況下，終端3、4 Ping終端1，測試結(jié)果如表1所示。

3.1.2 動態(tài)4節(jié)點任意網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)測試

仿真任意動態(tài)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖如圖6所示。圖中實線表示節(jié)點間的初始連接關(guān)系，虛線表示相應(yīng)節(jié)點的運動軌跡。

表1 靜態(tài)4節(jié)點Ping傳輸時延

圖6 動態(tài)四節(jié)點任意網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

該項測試的試驗步驟與靜態(tài)節(jié)點的測試相似，在數(shù)據(jù)傳輸速率為2 400 b/s的情況下，終端1、4互Ping的測試結(jié)果如表2所示。

表2 動態(tài)4節(jié)點Ping傳輸時延

3.2 野外測試

試驗小組在野外隨機建立了如圖7所示的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，利用短波TCR-154電臺加短波數(shù)傳[10]提供的數(shù)據(jù)通道，在真實的無線通信環(huán)境和電臺的定頻工作模式下，分別對3個節(jié)點組成的全通網(wǎng)進行了多項功能和性能測試。其中，數(shù)據(jù)傳輸速率設(shè)置為1200b/s，兩個終端互Ping的測試結(jié)果如表3所示。

圖7 野外3節(jié)點全通網(wǎng)拓?fù)鋱D

表3 野外3節(jié)點Ping傳輸時延

此外，野外試驗還對短消息通信、文件傳輸、WWW瀏覽等測試項進行了試驗，測試結(jié)果證明該網(wǎng)絡(luò)能夠通過TCP/IP協(xié)議接入有線網(wǎng)，支持文件、圖像數(shù)據(jù)的傳輸業(yè)務(wù)，而且性能基本穩(wěn)定。

4 結(jié)束語

單就Ping測試項所獲得的數(shù)據(jù)來看，野外實驗跟室內(nèi)實驗的時延基本相差不大，只是由于實際信道比室內(nèi)模擬信道要差一點，因而在網(wǎng)絡(luò)通信方面時延更長。無線信道的選擇直接影響網(wǎng)絡(luò)的性能，它對網(wǎng)絡(luò)建立和通信效果的好壞起著關(guān)鍵性作用。

各項測試表明自研發(fā)的組網(wǎng)核心設(shè)備實現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)異構(gòu)、路由自動選擇等功能，能成功地接入有線網(wǎng)，能較好地提供各項數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務(wù)。

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Construction and testing for radio tactical access network

WEI Zhengxi，JIAN Hongmei
（School of Computer Science，Sichuan University of Science and Engineering，Zigong 643000，China）

Based on the data transmission capacity of the existing shortwave/microwave radio or other communication equipment，an internet controller and a tactical multi-network gateway were developed to build a radio tactical access internet，enabling wireless terminals to form a selforganizing network and to interconnect with the external network through the TCP/IP protocol. Hardware and software，after being cut and programmed，were embedded to the core equipment in the network through VxWorks，a development platform.Indoor simulation and outfield tests show that the radio tactical access network is heterogeneous，can automatically select routes，and shortens network delay to no more than 30 seconds under any topology with three or four nodes，having been accessed to the wired network to provide various data transmission services.

tactical internet；internet controller；tactical multi-network gateways；wireless network simulation；fully connected network testing

A文章編號：1674-5124（2015）08-0099-04

10.11857/j.issn.1674-5124.2015.08.023

0 引言

現(xiàn)代數(shù)字化戰(zhàn)爭[1]是以信息技術(shù)為基礎(chǔ)，以信息環(huán)境為依托，用數(shù)字化設(shè)備將指揮、控制、通信、計算機、情報、電子對抗等網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)聯(lián)為一體，能實現(xiàn)各類信息資源共享、作戰(zhàn)信息實時交換，以支持戰(zhàn)斗員和保障人員信息活動的整個作戰(zhàn)多維信息空間。數(shù)字化戰(zhàn)爭的特點決定了戰(zhàn)斗部隊需要以武器和武器平臺、指揮和控制系統(tǒng)、傳感器以及后勤系統(tǒng)4個部分作為支持。如果能把這4個部分通過數(shù)字化通信網(wǎng)絡(luò)有效連接起來，通信網(wǎng)絡(luò)就將成為數(shù)字化戰(zhàn)爭獲勝的重要基礎(chǔ)。

2015-01-29；

2015-03-02

四川省院士（專家）工作站基金項目（2014YSGZZ02）

四川省教育廳重點項目（14ZA0210）

人工智能四川省重點實驗室項目（2013RYY04）

物聯(lián)網(wǎng)測控四川省高校重點實驗室項目（2013WYY09）

魏正曦（1976-），男，四川自貢市人，副教授，主要從事計算機應(yīng)用方面的研究。