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)、實現(xiàn)全球戰(zhàn)略和戰(zhàn)術(shù)目標的關(guān)鍵所在。不論在戰(zhàn)時還是平時，航母既可擔負多種戰(zhàn)略任務，又可實施靈活多變的戰(zhàn)術(shù)攻擊任務。

航母的海上行動以航母編隊方式進行。航母作為編隊的中心，與各種作戰(zhàn)艦艇、輔助艦艇以及搭載的戰(zhàn)斗機、預警機等一起組成海上戰(zhàn)斗群。航母編隊還可能與空軍、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。

航母活動遠離海岸，要與岸基指揮所、其他艦艇以及空中飛機保持聯(lián)絡，需要實時準確地傳遞指揮控制、戰(zhàn)場態(tài)勢等戰(zhàn)略戰(zhàn)術(shù)信息。因此，航母編隊通信系統(tǒng)是完成協(xié)同作戰(zhàn)任務不可或缺的一部分，是航母編隊作戰(zhàn)和指揮的中樞，也是奪取戰(zhàn)爭最后勝利的關(guān)鍵。本文以防空戰(zhàn)為例，利用OMNeT++建模仿真軟件，對航母編隊通信系統(tǒng)進行建模仿真，并對仿真結(jié)果進行分析。

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?？蛇M行通信系統(tǒng)模型仿真、協(xié)議仿真、硬件體系結(jié)構(gòu)驗證、復雜軟件系統(tǒng)性能評估以及任何其他離散事件驅(qū)動應用的建模與仿真。具體仿真步驟如下:

①建立網(wǎng)絡拓撲文件，定義本仿真實例的網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu);

②建立節(jié)點模型，使用C++語言實現(xiàn)各節(jié)點模型中各模塊的功能;

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

④編譯、鏈接這些文件，生成可執(zhí)行文件，并運行該仿真程序;

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

2 航母編隊通信系統(tǒng)建模

一個典型的航母戰(zhàn)斗群通常編配有航空母艦、若干艘護衛(wèi)艦、驅(qū)逐艦、巡邏艦以及艦載飛機。航母編隊借助于飛機的高度機動性，把控制區(qū)域擴大到方圓幾百海里的范圍。航母編隊的作戰(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)及反導作戰(zhàn)等。

以防空戰(zhàn)為例，對航母編隊通信系統(tǒng)進行建模仿真，分析其在海戰(zhàn)中的應用情況。防空戰(zhàn)是航母編隊對攻擊機、轟炸機空中發(fā)射、海上發(fā)射和岸基發(fā)射的反艦導彈的防御。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)通過目標數(shù)據(jù)處理器來處理聯(lián)絡報告，并通過Link11數(shù)據(jù)鏈交換和分發(fā)數(shù)據(jù)。一般情況下，威脅源首先由預警機或哨艦發(fā)現(xiàn)，通過Link11數(shù)據(jù)鏈，將威脅源動態(tài)數(shù)據(jù)傳給NTDS的各個節(jié)點?？諔?zhàn)中，在預警機與戰(zhàn)斗機間靠Link4A數(shù)據(jù)鏈實現(xiàn)雙向數(shù)據(jù)交換或由地面向中央處理機傳送指令。防空戰(zhàn)各個分隊的詳細通信示意圖如圖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 仿真場景設(shè)計

航母編隊通信仿真系統(tǒng)由岸基指揮所和海軍通信站以及航母編隊組成，航母編隊包括航空母艦、護衛(wèi)艦艇編隊、哨艦、預警機和戰(zhàn)斗機等。

航母編隊通過Link11數(shù)據(jù)鏈完成艦艇編隊各節(jié)點監(jiān)視信息、狀態(tài)信息等平時信息的交換和分發(fā)。當發(fā)現(xiàn)異常情況時，由預警機和哨艦通過Link11數(shù)據(jù)鏈將敵情信息實時上報給岸基指揮所，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，并對其進行引導控制。具體信號流程如圖2所示。

圖2 戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈指揮流程

3．2 節(jié)點模型設(shè)計

根據(jù)航母編隊防空戰(zhàn)任務以及所采用的各種傳輸手段的特點，節(jié)點模型參考OSI模型，省略會話層與表示層，其體系結(jié)構(gòu)共分為物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡層、傳輸層和應用層5層。其中用戶節(jié)點包含5層功能;中繼艦艇和中繼飛機作為通信節(jié)點只實現(xiàn)網(wǎng)絡層、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)點間點到點的可靠傳輸，包括幀同步、差錯控制和流量控制等功能，并實現(xiàn)Link11和Link4A等鏈路協(xié)議功能;網(wǎng)絡層需具有路由選擇功能、網(wǎng)絡分組數(shù)據(jù)逐跳保管傳輸功能以及網(wǎng)絡接口的適配功能，并可兼顧多種數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議;傳輸層負責保障數(shù)據(jù)包的端到端的可靠傳輸及網(wǎng)絡流量控制等功能;應用層負責隨機產(chǎn)生不同業(yè)務數(shù)據(jù)包，并完成仿真結(jié)果的統(tǒng)計。

3．3 仿真參數(shù)設(shè)計

仿真參數(shù)包括仿真時間、節(jié)點數(shù)、移動節(jié)點移動速度、發(fā)送時間間隔和信道參數(shù)等值。在本仿真中，仿真時間設(shè)為10 h，節(jié)點數(shù)為14個，其中A0為航母;A1為哨艦;A2為戰(zhàn)斗機;A3～A5和A8～A9為護衛(wèi)艦艇編隊;A6為中繼艦艇;A7為預警機;A11為海軍通信站;A12為中繼飛機;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)由無人機中繼轉(zhuǎn)發(fā)與A0通信，機載移動速度100 m/s，艦載移動速度20 m/s。信道模型采用OMNeT++平臺的抽象模型，Link11的信息傳輸速率為2 400 bps，Link4A的信息傳輸速率為5 kbps，在時間窗口區(qū)間內(nèi)［T1，T2］隨機停留一個時間作為時延。數(shù)據(jù)包發(fā)送間隔時間為服從指數(shù)分布的偽隨機數(shù)，平時航母編隊數(shù)據(jù)交換和分發(fā)的時間間隔設(shè)為60 s;異常情況間隔設(shè)為600 s。仿真運行場景圖如圖3所示。

圖3 仿真運行場景

4 仿真結(jié)果分析

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

i節(jié)點到j節(jié)點之間的數(shù)據(jù)包的平均時延為:

式中，NRij為i節(jié)點收到j節(jié)點數(shù)據(jù)包的數(shù)量。

網(wǎng)絡平均時延為:

式中，n為節(jié)點數(shù)量。

i節(jié)點到j節(jié)點之間的吞吐量為:

式中，LRij為i節(jié)點收到j節(jié)點應答的數(shù)據(jù)包長度;T為仿真運行時間。

網(wǎng)絡總吞吐量為:

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或仿真結(jié)束后統(tǒng)計;標量分析工具Scalars用于仿真結(jié)束后分析總的統(tǒng)計量。圖4和圖5分別為使用Scalars得到的鏈路時延和節(jié)點吞吐量的仿真結(jié)果。由圖4和圖5可以看出，需要中繼轉(zhuǎn)發(fā)的鏈路時延較長，而航空母艦A0和含轉(zhuǎn)發(fā)功能的護衛(wèi)艦A3節(jié)點的吞吐量最大，這是因為經(jīng)由它們交換和分發(fā)的數(shù)據(jù)最多。

圖4 鏈路時延仿真結(jié)果

圖5 節(jié)點吞吐量仿真結(jié)果

5 結(jié)束語

介紹了航母編隊的作戰(zhàn)流程，并據(jù)此對防空站進行了系統(tǒng)建模設(shè)計:航母編隊通過Link11數(shù)據(jù)鏈完成各節(jié)點間平時數(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，通過Link4A數(shù)據(jù)鏈完成戰(zhàn)斗指令的下發(fā);節(jié)點模型參考OSI模型分層設(shè)計并實現(xiàn)功能，根據(jù)本系統(tǒng)特點簡化為物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡層、傳輸層和應用層5層。系統(tǒng)建模完成后，對仿真參數(shù)進行了設(shè)置，對航母編隊的通信流程以及通信協(xié)議進行了仿真，并使用標量分析工具Scalars對時延和吞吐量的仿真結(jié)果進行了分析。本文的建模方法和設(shè)計思路能夠為其他海軍通信系統(tǒng)的建模仿真提供參考。

［1］ WATERS J，STELMACH M，CERUTI M．Concepts of Composable FORCEnet［R］．美國政府科技報告，2005:2－9．

［2］ KRAJACICH C A．Designing a Forcenet Information Topology［R］．美國政府科技報告2007:4 －36．

［3］ 羅道昆，于浩杰．OSI參考模型與TCP/IP參考模型的比較［J］．鄭州航空工業(yè)管理學院學報，2001(4):71－730．

［4］ 李 振，鄭連澤，饒廣然．基于OMNeT++的Link11網(wǎng)絡建模仿真研究［J］．現(xiàn)代電子技術(shù)，2012(3):21 －28．

［5］ 曹國英，李群英．航母戰(zhàn)斗群通信系統(tǒng)及其作戰(zhàn)應用分析［J］．軍事通信，2005(5):28－30．

［6］ 曹國英．美航母戰(zhàn)斗群通信系統(tǒng)及其作戰(zhàn)應用分析［J］．外軍信息戰(zhàn)，2007(4):19 －25．

［7］ 黃 鋒．國外航母通信系統(tǒng)及裝備發(fā)展研究［J］．世界軍事電子裝備與技術(shù)發(fā)展研究，2007(1):1－18．

［8］ BETTERTON T，BRINKMAN C J，DREW P A，et al．Navy S＆T in FORCENet Assessment［R］．美國政府科技報告，2004:1－50．

［9］ 王 娟．MILSTD188220C協(xié)議標準分析及改進［J］．無線電工程，2007，37(5):1 －3．

［10］丁緒星，潘承先，蔡 偉．一種基于LEACH的改進分簇路由協(xié)議［J］．無線電通信技術(shù)，2010，36(6):21－29．