戰(zhàn)術(shù)互聯(lián)網(wǎng)半實物仿真研究

王 莉, 李 浩, 劉 敏, 崔建嶺

(中國人民解放軍63892部隊， 河南 洛陽 471003)

0 引 言

戰(zhàn)術(shù)互聯(lián)網(wǎng)(Tactical Internet，TI)是通過互聯(lián)協(xié)議將戰(zhàn)術(shù)無線電設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、終端及應(yīng)用系統(tǒng)等互聯(lián)而成的面向網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)的一體化戰(zhàn)術(shù)通信系統(tǒng)，可為戰(zhàn)場各類傳感器系統(tǒng)、武器平臺系統(tǒng)和指揮控制系統(tǒng)提供信息傳輸與交換的平臺。

自美軍“沙漠鐵錘”演習(xí)后提出了戰(zhàn)術(shù)互聯(lián)網(wǎng)的定義，各軍事強國爭相開展戰(zhàn)術(shù)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)研究，力求掌握戰(zhàn)場信息主動權(quán)，加快推進數(shù)字化部隊建設(shè)。美軍指戰(zhàn)員信息網(wǎng)(WIN-T)、法軍RITA2000系統(tǒng)等都是典型的戰(zhàn)術(shù)互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)。

文獻[1-3]以美軍戰(zhàn)術(shù)互聯(lián)網(wǎng)組成為例研究了戰(zhàn)術(shù)互聯(lián)網(wǎng)組成要素及發(fā)展。文獻[4-8]構(gòu)建了典型戰(zhàn)術(shù)互聯(lián)網(wǎng)，分析了從復(fù)雜地形、干擾因素等不同側(cè)重點分析了戰(zhàn)術(shù)互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)性能。上述研究均是在純數(shù)學(xué)仿真環(huán)境條件下進行的。文獻[9-10]利用EXata實現(xiàn)了航空數(shù)據(jù)鏈及低空無人機數(shù)據(jù)鏈半實物仿真，本文在此基礎(chǔ)上探索EXata應(yīng)用于構(gòu)建虛實結(jié)合的戰(zhàn)術(shù)互聯(lián)網(wǎng)半實物仿真。

1 戰(zhàn)術(shù)互聯(lián)網(wǎng)

1.1 戰(zhàn)術(shù)互聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)

戰(zhàn)術(shù)互聯(lián)網(wǎng)[11-12]大都采用柵格化骨干網(wǎng)加接入網(wǎng)的典型組網(wǎng)結(jié)構(gòu)，柵格化的戰(zhàn)術(shù)互聯(lián)網(wǎng)骨干網(wǎng)絡(luò)覆蓋整個作戰(zhàn)地域，接入網(wǎng)由戰(zhàn)術(shù)電臺組成分組無線網(wǎng)，采用多跳方式接入骨干網(wǎng)絡(luò)，組網(wǎng)模式如圖1所示。

圖1 戰(zhàn)術(shù)互聯(lián)網(wǎng)典型組網(wǎng)模式

柵格化骨干網(wǎng)是一種寬帶無線柵格狀的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點可以與通信范圍內(nèi)的其他節(jié)點建立點對點連接，網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點通過相鄰的其他節(jié)點以多跳方式連接。

分組無線網(wǎng)是由一組無線移動節(jié)點組成的多跳、無基礎(chǔ)設(shè)施支持、臨時開設(shè)的無中心網(wǎng)絡(luò)，強調(diào)多跳、自組織和無中心概念。

1.2 戰(zhàn)術(shù)互聯(lián)網(wǎng)特點

戰(zhàn)術(shù)互聯(lián)網(wǎng)特點主要包括以下四個方面。

1)具有多維戰(zhàn)場覆蓋能力。戰(zhàn)術(shù)互聯(lián)網(wǎng)通過傳輸設(shè)備將節(jié)點與接入節(jié)點連接，實現(xiàn)了節(jié)點間大容量、遠(yuǎn)距離群路傳輸，形成了覆蓋多維戰(zhàn)場的一體化公共信息傳輸網(wǎng)絡(luò)。

2)具有快速部署和整體移動能力。戰(zhàn)術(shù)互聯(lián)網(wǎng)中的戰(zhàn)術(shù)平臺、衛(wèi)星等具備“動中通”能力，戰(zhàn)術(shù)電臺能夠在保留分組網(wǎng)的基礎(chǔ)上引入隨遇接入、無縫切換等功能，可有效構(gòu)建在高機動條件下具備不間斷通信保障能力的公共信息傳輸與交換平臺，能夠滿足數(shù)字化部隊的作戰(zhàn)需求。

3)具有多種通信手段綜合集成和組網(wǎng)能力。戰(zhàn)術(shù)互聯(lián)網(wǎng)基于短波、超短波、微波、衛(wèi)星等多種通信手段，通過綜合運用，綜合組網(wǎng)，構(gòu)建此斷彼通、互為補充、抗毀頑存的機動通信網(wǎng)絡(luò)。

4)具有較強的惡劣戰(zhàn)場環(huán)境適應(yīng)能力。通過綜合采用跳頻/擴頻通信、大功率通信等抗干擾技術(shù)，迂回路由、多徑備份、動態(tài)自組網(wǎng)等組網(wǎng)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)安全、節(jié)點加固等防護技術(shù)，使系統(tǒng)具備較強的戰(zhàn)場環(huán)境生存能力。

1.3 戰(zhàn)術(shù)互聯(lián)網(wǎng)組成

戰(zhàn)術(shù)互聯(lián)網(wǎng)主要由干線傳輸設(shè)備、戰(zhàn)術(shù)電臺設(shè)備、路由交換設(shè)備、終端設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)管理設(shè)備、安全保密設(shè)備等組成。分別將這些設(shè)備裝載于干線節(jié)點車、用戶節(jié)點車、無線節(jié)點車、通信管理車等主要的通信車中，再配合無人升空通信中繼系統(tǒng)、機動衛(wèi)星通信系統(tǒng)等共同構(gòu)成，典型組成如圖2所示。

(1)干線節(jié)點車

用于構(gòu)建覆蓋作戰(zhàn)地域的骨干網(wǎng)。干線節(jié)點車之間主要依托微波通信鏈路通信，在平原地區(qū)最大傳輸距離為幾十公里，可根據(jù)所需骨干網(wǎng)覆蓋面積計算出干線節(jié)點車數(shù)量。

(2)無線節(jié)點車

用于構(gòu)建覆蓋作戰(zhàn)地域的戰(zhàn)術(shù)互聯(lián)網(wǎng)無線接入點，可為覆蓋范圍內(nèi)的移動用戶和用戶群提供移動中的數(shù)據(jù)、話音通信服務(wù)。

(3)用戶節(jié)點車

用于保障軍、師、團等指揮所內(nèi)部組網(wǎng)及接入骨干網(wǎng)。

(4)通信管理車

用于構(gòu)建通信管理中心，對全網(wǎng)資源進行統(tǒng)籌分配，實時監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)，戰(zhàn)術(shù)互聯(lián)網(wǎng)高效、可靠運行。

(5)無人升空平臺中繼系統(tǒng)

為作戰(zhàn)地域通信提供中繼，擴展通信距離，可根據(jù)戰(zhàn)術(shù)互聯(lián)網(wǎng)作戰(zhàn)需要選擇性配置。

(6)機動衛(wèi)星通信系統(tǒng)

可為指揮控制、偵察情報、后勤支援、通信等提供靈活可靠的傳輸，通信距離跨度大、不需要地面中繼。

圖2 戰(zhàn)術(shù)互聯(lián)網(wǎng)典型組成示意圖

2 半實物仿真環(huán)境構(gòu)建

常見的網(wǎng)絡(luò)仿真工具主要有OPNET、OMNET++、NS2、EXata等，其中OPNET和EXata都具有成熟的半實物接口，可實現(xiàn)半實物網(wǎng)絡(luò)仿真環(huán)境搭建。本文基于EXata構(gòu)建戰(zhàn)術(shù)互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)，進行半實物網(wǎng)絡(luò)仿真驗證。

2.1 EXata軟件架構(gòu)

EXata軟件主要由五部分組成，包括主軟件EXata、模擬內(nèi)核(Simulation Kernel)與仿真內(nèi)核(Emulation Kernel)、連接管理器(Connection Manager，CM)、外部工具接口(Extenal Interface)及協(xié)議模型庫(Model Libraries)，軟件架構(gòu)如圖3所示。

圖3 EXata軟件架構(gòu)

模擬內(nèi)核的核心是并行離散事件調(diào)度機制，可以精確模擬上千個節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)，用戶可通過應(yīng)用程序接口開發(fā)需要的協(xié)議模型。仿真內(nèi)核提供了高精度的實時接口，可將外部真實的應(yīng)用軟件和硬件與仿真網(wǎng)絡(luò)連接起來。其核心是實時事件調(diào)度機制，以現(xiàn)實所需的時間為基準(zhǔn)，協(xié)調(diào)和處理來自EXata內(nèi)部和外部事件。連接管理器是EXata仿真軟件的配套模塊，可為真實網(wǎng)絡(luò)中的各種業(yè)務(wù)應(yīng)用、硬件設(shè)備提供“透明”接口，使它們能夠像接入真實存在的物理網(wǎng)絡(luò)一樣，連接到EXata提供的虛擬網(wǎng)絡(luò)上。CM支持多種應(yīng)用業(yè)務(wù)接入，例如網(wǎng)頁、戰(zhàn)術(shù)通信、傳感器數(shù)據(jù)、即時消息、VoIP、視頻流等，不需要經(jīng)過任何改動或定制就可以在EXata上運行[13]。

2.2 基于EXata半實物仿真映射方式

在EXata仿真內(nèi)核下，將運行主軟件EXata的主機作為仿真服務(wù)器，在EXata中構(gòu)建虛擬網(wǎng)絡(luò)仿真場景，其中部分虛擬節(jié)點映射實物節(jié)點。運行CM的作為操作主機，即實物節(jié)點，通過在EXata和CM中完成相配置實現(xiàn)實物節(jié)點到虛擬節(jié)點的映射。

EXata提供了兩種半實物映射方式，一種是在操作主機和虛擬節(jié)點之間創(chuàng)建一對一映射，操作主機上啟動任何應(yīng)用都使用映射的外部節(jié)點的協(xié)議棧進行通信。第二種方式是將操作主機上的不同應(yīng)用映射到仿真網(wǎng)絡(luò)中的不同虛擬節(jié)點上。此模式下，一個操作主機可在不同虛擬節(jié)點上運行多個應(yīng)用[14]，兩種半實物映射方式如圖4所示。

圖4 EXata半實物仿真映射示意圖

3 基于半實物接口的戰(zhàn)術(shù)互聯(lián)網(wǎng)仿真

3.1 戰(zhàn)術(shù)互聯(lián)網(wǎng)半實物仿真場景構(gòu)建

構(gòu)建典型戰(zhàn)術(shù)互聯(lián)網(wǎng)仿真場景如圖5所示，組成要素包括干線節(jié)點車組成的骨干網(wǎng)、無線電節(jié)點車接入的三個電臺子網(wǎng)、機動衛(wèi)星中繼系統(tǒng)、無人機等。

圖5 典型戰(zhàn)術(shù)互聯(lián)網(wǎng)仿真場景

主要仿真參數(shù)配置如下：

1)節(jié)點8映射業(yè)務(wù)源主機，節(jié)點13映射目的端主機；

2)干線節(jié)點車組成的骨干網(wǎng)傳輸鏈路配置為微波方式；電臺子網(wǎng)傳輸鏈路配置為無線方式；

3)網(wǎng)路由協(xié)議為OLSR。構(gòu)建半實物仿真網(wǎng)絡(luò)的配置模式為“真實-虛擬-真實”，節(jié)點8和節(jié)點13分別映射實物節(jié)點的業(yè)務(wù)源主機和目的端主機，虛擬網(wǎng)絡(luò)由運行EXata的仿真服務(wù)器(雙網(wǎng)卡)構(gòu)建，共同構(gòu)成半實物仿真結(jié)構(gòu)，實物節(jié)點和仿真服務(wù)器的連接關(guān)系如圖6所示。

圖6 實物節(jié)點和仿真服務(wù)器連接關(guān)系

要完成節(jié)點映射還必須對各實物節(jié)點和仿真服務(wù)器進行IP配置，具體配置如表1所示。

表1 節(jié)點IP配置

3.2 仿真結(jié)果分析

3.2.1業(yè)務(wù)傳輸

以視頻業(yè)務(wù)傳輸為例，當(dāng)無線子網(wǎng)電臺用戶節(jié)點8向另一子網(wǎng)節(jié)點用戶13傳輸信息時，在節(jié)點8映射的業(yè)務(wù)源主機上配置VLC軟件，將視頻文件轉(zhuǎn)換為用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議(User Datagram Protocol, UDP)包發(fā)送到仿真網(wǎng)絡(luò)中。UDP包在仿真網(wǎng)絡(luò)中傳輸時，依據(jù)配置好的OLSR路由協(xié)議，仿真網(wǎng)絡(luò)會自動匹配最佳路徑(8-26-1-2-4-6-11-13)實現(xiàn)骨干網(wǎng)轉(zhuǎn)發(fā)，將信息傳送至虛擬節(jié)點13，如圖7所示。

圖7 最優(yōu)信息傳輸路徑

在節(jié)點13映射的目的端主機啟動VLC軟件，選擇播放網(wǎng)絡(luò)串流，可實時播放接收到的視頻流，接收結(jié)果如圖8所示。

圖8 發(fā)送及接收視頻流對比

當(dāng)禁用節(jié)點4時，模擬中繼節(jié)點被信息阻塞或擊毀，數(shù)據(jù)無法順利到達接收端，可以觀察到視頻信息傳輸會暫時中斷。此時仿真網(wǎng)絡(luò)會重新匹配最優(yōu)傳輸路徑(8-26-1-2-3-6-11-13)，如圖9所示。在完成新鏈路建鏈后，通信重新恢復(fù)，接收端能同步收到視頻信息。

圖9 重匹配最優(yōu)傳輸路徑

3.2.2干擾效果仿真

仿真場景如圖5所示，在電臺子網(wǎng)節(jié)點7和節(jié)點15，節(jié)點17和節(jié)點18之間配置恒定比特率業(yè)務(wù)(Constant Bit Rate，CBR)業(yè)務(wù)。節(jié)點29為敵方干擾車，在節(jié)點17和18通信時干擾車分別開啟和不開啟無線干擾。仿真參數(shù)為：仿真時間為2 min，CBR業(yè)務(wù)間隔0.01 s，發(fā)送起始時間10 s。

當(dāng)無干擾時，在110 s時間內(nèi)發(fā)送信息數(shù)量為11 000條，發(fā)送和接收CBR信息數(shù)如圖10中(a)和(b)所示。當(dāng)干擾車開啟干擾時，節(jié)點18受干擾影響接收到的CBR信息明顯減少，如圖10(c)所示。

圖10 發(fā)送接及接收CBR信息統(tǒng)計結(jié)果

4 結(jié) 語

基于EXata的戰(zhàn)術(shù)互聯(lián)網(wǎng)半實物仿真能夠?qū)崿F(xiàn)真實數(shù)據(jù)流在仿真網(wǎng)絡(luò)中傳輸，在實際應(yīng)用中可將仿真網(wǎng)絡(luò)中映射的實物節(jié)點替換為作戰(zhàn)指揮車，真實電臺等，模擬作戰(zhàn)網(wǎng)絡(luò)受到敵方干擾時的性能損失，可提高網(wǎng)絡(luò)仿真的可信度。另外，利用網(wǎng)絡(luò)仿真可擴大戰(zhàn)術(shù)互聯(lián)網(wǎng)節(jié)點規(guī)模，模擬網(wǎng)絡(luò)傳輸性能特征，降低試驗成本。因此，研究戰(zhàn)術(shù)互聯(lián)網(wǎng)半實物仿真具有重要意義。