林中華　謝玉川

摘 要 本文在分析近期數(shù)字化電臺網(wǎng)（NTDR，Near Term Digital Radio）的基礎(chǔ)上，利用OPNET網(wǎng)絡(luò)仿真平臺對NTDR網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了建模。在不同網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議情況下對網(wǎng)絡(luò)性能進(jìn)行仿真分析，仿真結(jié)果與理論基本一致，從而為對戰(zhàn)場無線自組網(wǎng)的進(jìn)一步研究與設(shè)計提供了現(xiàn)實(shí)基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞 戰(zhàn)場無線自組網(wǎng) NTDR OPNET 網(wǎng)絡(luò)仿真

1 引言

在現(xiàn)代戰(zhàn)場上，各種軍事車輛間、士兵間、士兵與軍事車輛之間都需要保持密切的聯(lián)系，以完成指揮、部署和協(xié)調(diào)作戰(zhàn)。信息化條件作戰(zhàn)，戰(zhàn)場電磁環(huán)境極其復(fù)雜。為了滿足信息戰(zhàn)和數(shù)字化戰(zhàn)場的需要，具有抗毀性強(qiáng)、自恢復(fù)、部署迅速等特點(diǎn)的無線Ad hoc網(wǎng)成為戰(zhàn)場通信的首選技術(shù)。如今，Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)技術(shù)已成為美軍戰(zhàn)術(shù)互聯(lián)網(wǎng)的核心技術(shù)。美軍研制了大量的無線自組織網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，用于單兵、車載、指揮所等不同的場合，并大量裝備部隊。

目前對Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的研究逐漸成為一個熱點(diǎn)問題，對民用Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)場景建模的研究比較多，但是對結(jié)合軍事應(yīng)用的研究卻相對較少。尤其是到目前為止在公開發(fā)表的文章中沒有針對戰(zhàn)場無線自組網(wǎng)NTDR網(wǎng)絡(luò)的研究，一般都只有對該網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的概述[1][2][3]。由于構(gòu)建真實(shí)的戰(zhàn)場無線網(wǎng)絡(luò)需要耗費(fèi)巨大的人力和財力，而且還具有一定的不確定性。因此對戰(zhàn)場無線自組網(wǎng)進(jìn)行建模仿真就顯得尤為重要。本文通過分析對戰(zhàn)場無線自組網(wǎng)系統(tǒng)NTDR，對各節(jié)點(diǎn)仿真實(shí)現(xiàn)其主要功能，設(shè)計合理的網(wǎng)絡(luò)模型。為對其進(jìn)一步的研究打下基礎(chǔ)，具有一定的理論意義。

2 戰(zhàn)場無線自組網(wǎng)的特點(diǎn)及應(yīng)用

2.1 戰(zhàn)場無線自組網(wǎng)的特點(diǎn)

根據(jù)部隊的編制體制和參戰(zhàn)規(guī)模的關(guān)系，在戰(zhàn)場上通常使用分層次的無線自組網(wǎng)。士兵攜帶具有通訊和感知能力的移動終端，相互之間以多跳形式通信，并將自身位置以及搜集到的地形、聲音、圖像等戰(zhàn)場信息報告給分隊指揮所。分隊指揮所對信息進(jìn)行分析，決策，并向士兵下達(dá)作戰(zhàn)命令，必要時，通過遠(yuǎn)距離通信設(shè)備與上級指揮中心或其他分隊聯(lián)絡(luò)。

分級結(jié)構(gòu)易于實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)的移動性管理和保障通信業(yè)務(wù)的服務(wù)質(zhì)量。因此，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)規(guī)模較大并需要提供一定的服務(wù)質(zhì)量保障時宜采用分級網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。分層結(jié)構(gòu)具有管理方便，網(wǎng)絡(luò)維護(hù)開銷小等優(yōu)點(diǎn)，是軍事無線自組網(wǎng)的重要特點(diǎn)和發(fā)展的趨勢。盡管無物理中心節(jié)點(diǎn)，但是具有邏輯上的簇頭，簇頭可通過簇頭選舉算法產(chǎn)生，使它在那些不能依賴于預(yù)先架設(shè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)施的場合下，依然能夠?qū)崿F(xiàn)臨時的快速組網(wǎng)。

2.2 近期數(shù)字化電臺（NTDR）網(wǎng)

當(dāng)前，Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在軍事通信上最為重要的應(yīng)用當(dāng)屬戰(zhàn)術(shù)互聯(lián)網(wǎng)[1]。戰(zhàn)術(shù)互聯(lián)網(wǎng)是互聯(lián)的戰(zhàn)術(shù)無線電臺、路由器、計算機(jī)硬件和軟件的集合，是數(shù)字化部隊建設(shè)的基礎(chǔ)設(shè)施， 目前唯一進(jìn)入實(shí)用階段的戰(zhàn)術(shù)移動自組網(wǎng)絡(luò)是美陸軍在上世紀(jì)末期開發(fā)的數(shù)字無線電系統(tǒng)NTDR[2]（Near Term Digital Radio），已作為陸軍戰(zhàn)術(shù)互連網(wǎng)的主干網(wǎng)絡(luò)設(shè)備進(jìn)入裝備序列。在移動無線環(huán)境下支持IP數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，以實(shí)現(xiàn)旅或旅以下戰(zhàn)術(shù)作戰(zhàn)中心TOC（TOC，Tactical Operation Center）之間的通信。近期數(shù)字化電臺網(wǎng)的收、發(fā)信機(jī)通常用在作戰(zhàn)指揮車、指揮控制車、戰(zhàn)術(shù)作戰(zhàn)中心和戰(zhàn)術(shù)指揮所、裝備陸軍機(jī)載指揮控制系統(tǒng)的UH-60直升機(jī)的指揮控制平臺上[3]。NTDR電臺可以自動地組織成一個動態(tài)的兩層網(wǎng)絡(luò)。在該網(wǎng)絡(luò)中，電臺分成若干個群，每個群由一個群首和若干成員組成，各個群的群首構(gòu)成一個骨干網(wǎng)，見圖1所示。

在以簇（Cluster）為基礎(chǔ)的兩層分級網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)NTDR中，普通節(jié)點(diǎn)距群首只有一跳，所有群的群首相互連接構(gòu)成骨干網(wǎng)絡(luò)。NTDR結(jié)構(gòu)將相鄰群之間的通信限制在只能通過群首完成。NTDR分群方案是專門為了應(yīng)付戰(zhàn)術(shù)網(wǎng)絡(luò)中可能出現(xiàn)的頻繁的節(jié)點(diǎn)移動和節(jié)點(diǎn)失效而特別設(shè)計的。每部電臺最大運(yùn)行功率是20W，在225～450MHZ工作頻率范圍內(nèi)，電臺的通信覆蓋范圍約為10～20km。由于每部電臺都可充當(dāng)一個信息中繼點(diǎn)，因此整個系統(tǒng)的有效通信范圍可達(dá)數(shù)百公里。2003年4月美軍第四師在伊拉克戰(zhàn)場上檢驗了戰(zhàn)術(shù)互連網(wǎng)的戰(zhàn)術(shù)性能，并給予了很高的評價。

3 仿真設(shè)計方案

3.1 仿真軟件簡介

建模與仿真技術(shù)是當(dāng)前研究、分析、設(shè)計、評估與優(yōu)化通信網(wǎng)絡(luò)的最有效的工具。在美軍眾多的戰(zhàn)術(shù)互聯(lián)網(wǎng)仿真系統(tǒng)中，OPNET都是主要的仿真平臺[4]。

本文選用的建模與仿真工具也是OPNET。它采用三層建模機(jī)制[5]，最底層為進(jìn)程（Process）模型，以狀態(tài)機(jī)來描述協(xié)議；其次為節(jié)點(diǎn)（Node）模型，由相應(yīng)的協(xié)議模型構(gòu)成，反映設(shè)備特性；最上層為網(wǎng)絡(luò)模型。三層模型和實(shí)際的網(wǎng)絡(luò)、設(shè)備、協(xié)議層次完全對應(yīng)，全面反映了網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)特性。OPNET采用離散事件驅(qū)動的模擬機(jī)理（Discrete event driven），即只有網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)發(fā)生變化時，模擬機(jī)才工作。因此，與時間驅(qū)動相比，離散事件驅(qū)動的模擬機(jī)計算效率得到很大提高。OPNET最初是為有線網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計和規(guī)劃開發(fā)的仿真軟件，通過增加無線模塊為WLAN、GSM、衛(wèi)星和Ad hoc網(wǎng)絡(luò)仿真提供必須的組件，包括IEEE802.11的MAC協(xié)議和主要的Ad hoc路由協(xié)議。

3.2 網(wǎng)絡(luò)模型

根據(jù)NTDR的技術(shù)特點(diǎn)，建立如圖2所示的網(wǎng)絡(luò)模型。在30km*20km的矩形區(qū)域中，各個節(jié)點(diǎn)構(gòu)成了兩層結(jié)構(gòu)的戰(zhàn)場無線自組網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)級仿真模型，網(wǎng)絡(luò)中的各個節(jié)點(diǎn)通過無線信道模型相互通信。本文仿真中配置了Ftp業(yè)務(wù)。

一個旅戰(zhàn)術(shù)作戰(zhàn)中心和一個機(jī)械化營戰(zhàn)術(shù)作戰(zhàn)中心、一個裝甲營戰(zhàn)術(shù)作戰(zhàn)中心、一個步兵營戰(zhàn)術(shù)作戰(zhàn)中心構(gòu)成了NTDR網(wǎng)絡(luò)模型的骨干網(wǎng)絡(luò)。旅戰(zhàn)術(shù)作戰(zhàn)中心不僅支持與營戰(zhàn)術(shù)作戰(zhàn)中心之間大量數(shù)據(jù)與圖像傳輸，而且還要為旅級機(jī)載指揮控制系統(tǒng)、作戰(zhàn)指揮車和指揮控制車提供高數(shù)據(jù)率的信息傳送。其功能相當(dāng)于下級節(jié)點(diǎn)的服務(wù)器；而營戰(zhàn)術(shù)作戰(zhàn)中心作為網(wǎng)絡(luò)中的第二級骨干，不僅要實(shí)現(xiàn)上傳下達(dá)的功能，還要實(shí)現(xiàn)與同級營戰(zhàn)術(shù)作戰(zhàn)中心的數(shù)據(jù)傳輸。普通節(jié)點(diǎn)分別隸屬旅戰(zhàn)術(shù)作戰(zhàn)中心和各營戰(zhàn)術(shù)作戰(zhàn)中心。隸屬于同一上級的節(jié)點(diǎn)之間能夠?qū)崿F(xiàn)互聯(lián)互通，否則就必須通過各自的上級進(jìn)行數(shù)據(jù)信息交換。

3.3 節(jié)點(diǎn)模型

本文中的所有仿真節(jié)點(diǎn)都具有相同的節(jié)點(diǎn)模型，從實(shí)現(xiàn)的功能來分為兩類，骨干節(jié)點(diǎn)和普通節(jié)點(diǎn)。其中，骨干節(jié)點(diǎn)作為NTDR網(wǎng)絡(luò)中的簇頭，實(shí)現(xiàn)戰(zhàn)術(shù)作戰(zhàn)中心的功能；普通節(jié)點(diǎn)具有想同的節(jié)點(diǎn)模型，根據(jù)實(shí)際情況設(shè)置各節(jié)點(diǎn)以分別實(shí)現(xiàn)指揮控制車、作戰(zhàn)指揮車和陸軍機(jī)載指揮控制系統(tǒng)的功能，如圖3所示。

在對基于移動網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)分析評價時，選擇一種與現(xiàn)實(shí)情況相符合的移動模型是非常重要的。本文自定義了一個比較符合戰(zhàn)場實(shí)際移動情況的模型。每個節(jié)點(diǎn)在相應(yīng)的區(qū)域內(nèi)移動，速度服從（0m，10m）之間的均勻分布。陸軍機(jī)載指揮控制系統(tǒng)在仿真中的高度假設(shè)為100米，其余車載平臺在平坦的地域，高度為0米。

4 仿真分析

在仿真中，選用不同路由協(xié)議 DSR和AODV并分析比較其在分層無線自組網(wǎng)中的性能。在戰(zhàn)場環(huán)境下，實(shí)時數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)占據(jù)相對較大比重，所以端到端時延是網(wǎng)絡(luò)性能評估的一個重要參數(shù)，同時我們還需要重點(diǎn)關(guān)注報文平均反應(yīng)時間、路由平均跳數(shù)、吞吐量等參數(shù)的變化情況：從4（a）中可以看出，網(wǎng)絡(luò)中報文的上傳、下載的平均時間都在0.03s左右，在數(shù)值上選取DSR路由時報文平均反應(yīng)時間要稍微高于選取AODV時的平均反應(yīng)時間。平均跳數(shù)是指網(wǎng)絡(luò)中成功交付的數(shù)據(jù)包所經(jīng)歷的平均跳數(shù)，主要用于表示路由協(xié)議對多跳數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的影響。從4（b）中可以看出，網(wǎng)絡(luò)中選取DSR時路由平均跳數(shù)為1.25，而采選取AODV時路由平均跳數(shù)為1。

吞吐量是衡量網(wǎng)絡(luò)性能的重要參數(shù)，體現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)承載能力，在軍用系統(tǒng)中，該指標(biāo)非常重要，因為通信網(wǎng)絡(luò)的擁塞會導(dǎo)致作戰(zhàn)信息的延遲，從而有可能導(dǎo)致作戰(zhàn)任務(wù)的失敗。從4（c）中可以看出，選取AODV協(xié)議時網(wǎng)絡(luò)的吞吐量遠(yuǎn)大于選取DSR路由協(xié)議時的吞吐量，數(shù)值上約是8倍的關(guān)系。

時延是衡量網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸能力的一個重要指標(biāo)， 反映了數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)中傳播的效率。從4（d）中可以看出，選取DSR路由協(xié)議時網(wǎng)絡(luò)時延要明顯高于選取AODV路由時。

綜上所述，仿真網(wǎng)絡(luò)在分別選取DSR和AODV路由協(xié)議時所選參數(shù)在數(shù)值上比較穩(wěn)定，存在一定的差值。對于報文傳輸業(yè)務(wù)，時延和吞吐量的性能指標(biāo)，在比較寬松（即節(jié)點(diǎn)較少和載荷較輕或移動性較弱）的環(huán)境中，DSR協(xié)議優(yōu)于AODV協(xié)議，這與文獻(xiàn)[6]的仿真結(jié)論是一致的，從而驗證了模型的正確性。

5 結(jié)束語

NTDR作為美軍戰(zhàn)術(shù)互聯(lián)網(wǎng)裝備的重要組成部分，為陸軍戰(zhàn)術(shù)作戰(zhàn)中心、指揮控制平臺以及選用的情報共用平臺的指揮員提供了一個無線廣域網(wǎng)，允許指揮員在戰(zhàn)術(shù)指揮中心之間以高數(shù)據(jù)率傳送信息，以支持指揮控制數(shù)據(jù)和圖像信息流。本文使用OPNET仿真軟件，建立了近期數(shù)字無線電臺的戰(zhàn)場無線自組網(wǎng)的仿真模型，根據(jù)裝備的現(xiàn)實(shí)物理情況進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)設(shè)置和業(yè)務(wù)配置，得到了一個性能比較穩(wěn)定的戰(zhàn)場無線網(wǎng)絡(luò)，并對其網(wǎng)絡(luò)性能進(jìn)行分析，為對戰(zhàn)場無線自組網(wǎng)的進(jìn)一步研究提供了基礎(chǔ)，具有一定的參考價值。（文中所做的研究只是初步的，模型也是有欠缺的，以后工作的方向是完善模型，建立完善的NTDR網(wǎng)絡(luò)仿真平臺。）

參 考 文 獻(xiàn)

[1] 鄭少仁，王海濤，趙志峰，等.Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)技術(shù)[M].北京：人民郵電出版社，2005：215-216

[2] 于宏毅.無線移動自組織網(wǎng)[M].北京：人民郵電出版社，2005：332-335

[3] 單洪.美軍戰(zhàn)場網(wǎng)絡(luò)及其通信協(xié)議[M].解放軍出版社，2007：427-428

[4] 萬永樂，張劍.戰(zhàn)術(shù)互聯(lián)網(wǎng)建模與仿真.通信技術(shù)，2002：50-53

[5] 陳敏.OPNET網(wǎng)絡(luò)仿真[M].清華大學(xué)出版社，2004

[6] 陳林星，等.移動Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)——自組織分組無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)[M].電子工業(yè)出版社，2006：441-442