王 莉, 李 浩, 劉 敏, 崔建嶺

(中國(guó)人民解放軍63892部隊(duì)， 河南 洛陽(yáng) 471003)

0 引 言

戰(zhàn)術(shù)互聯(lián)網(wǎng)(Tactical Internet，TI)是通過(guò)互聯(lián)協(xié)議將戰(zhàn)術(shù)無(wú)線(xiàn)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(chǎng)各類(lèi)傳感器系統(tǒng)、武器平臺(tái)系統(tǒng)和指揮控制系統(tǒng)提供信息傳輸與交換的平臺(tái)。

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(qiáng)國(guó)爭(zhēng)相開(kāi)展戰(zhàn)術(shù)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)研究，力求掌握戰(zhàn)場(chǎng)信息主動(dòng)權(quán)，加快推進(jìn)數(shù)字化部隊(duì)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(xiàn)[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(xiàn)[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(diǎn)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(jìn)行的。文獻(xiàn)[9-10]利用EXata實(shí)現(xiàn)了航空數(shù)據(jù)鏈及低空無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)鏈半實(shí)物仿真，本文在此基礎(chǔ)上探索EXata應(yīng)用于構(gòu)建虛實(shí)結(jié)合的戰(zhàn)術(shù)互聯(lián)網(wǎng)半實(shí)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(gè)作戰(zhàn)地域，接入網(wǎng)由戰(zhàn)術(shù)電臺(tái)組成分組無(wú)線(xiàn)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(wú)線(xiàn)柵格狀的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)可以與通信范圍內(nèi)的其他節(jié)點(diǎn)建立點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接，網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點(diǎn)通過(guò)相鄰的其他節(jié)點(diǎn)以多跳方式連接。

分組無(wú)線(xiàn)網(wǎng)是由一組無(wú)線(xiàn)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)組成的多跳、無(wú)基礎(chǔ)設(shè)施支持、臨時(shí)開(kāi)設(shè)的無(wú)中心網(wǎng)絡(luò)，強(qiáng)調(diào)多跳、自組織和無(wú)中心概念。

1.2 戰(zhàn)術(shù)互聯(lián)網(wǎng)特點(diǎn)

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

1)具有多維戰(zhàn)場(chǎng)覆蓋能力。戰(zhàn)術(shù)互聯(lián)網(wǎng)通過(guò)傳輸設(shè)備將節(jié)點(diǎn)與接入節(jié)點(diǎn)連接，實(shí)現(xiàn)了節(jié)點(diǎn)間大容量、遠(yuǎn)距離群路傳輸，形成了覆蓋多維戰(zhàn)場(chǎng)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(dòng)能力。戰(zhàn)術(shù)互聯(lián)網(wǎng)中的戰(zhàn)術(shù)平臺(tái)、衛(wèi)星等具備“動(dòng)中通”能力，戰(zhàn)術(shù)電臺(tái)能夠在保留分組網(wǎng)的基礎(chǔ)上引入隨遇接入、無(wú)縫切換等功能，可有效構(gòu)建在高機(jī)動(dòng)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(tái)，能夠滿(mǎn)足數(shù)字化部隊(duì)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(guò)綜合運(yùn)用，綜合組網(wǎng)，構(gòu)建此斷彼通、互為補(bǔ)充、抗毀頑存的機(jī)動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)。

4)具有較強(qiáng)的惡劣戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境適應(yīng)能力。通過(guò)綜合采用跳頻/擴(kuò)頻通信、大功率通信等抗干擾技術(shù)，迂回路由、多徑備份、動(dòng)態(tài)自組網(wǎng)等組網(wǎng)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)安全、節(jié)點(diǎn)加固等防護(hù)技術(shù)，使系統(tǒng)具備較強(qiáng)的戰(zhàn)場(chǎng)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(xiàn)傳輸設(shè)備、戰(zhàn)術(shù)電臺(tái)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(xiàn)節(jié)點(diǎn)車(chē)、用戶(hù)節(jié)點(diǎn)車(chē)、無(wú)線(xiàn)節(jié)點(diǎn)車(chē)、通信管理車(chē)等主要的通信車(chē)中，再配合無(wú)人升空通信中繼系統(tǒng)、機(jī)動(dòng)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(xiàn)節(jié)點(diǎn)車(chē)

用于構(gòu)建覆蓋作戰(zhàn)地域的骨干網(wǎng)。干線(xiàn)節(jié)點(diǎn)車(chē)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(jì)算出干線(xiàn)節(jié)點(diǎn)車(chē)數(shù)量。

(2)無(wú)線(xiàn)節(jié)點(diǎn)車(chē)

用于構(gòu)建覆蓋作戰(zhàn)地域的戰(zhàn)術(shù)互聯(lián)網(wǎng)無(wú)線(xiàn)接入點(diǎn)，可為覆蓋范圍內(nèi)的移動(dòng)用戶(hù)和用戶(hù)群提供移動(dòng)中的數(shù)據(jù)、話(huà)音通信服務(wù)。

(3)用戶(hù)節(jié)點(diǎn)車(chē)

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

(4)通信管理車(chē)

用于構(gòu)建通信管理中心，對(duì)全網(wǎng)資源進(jìn)行統(tǒng)籌分配，實(shí)時(shí)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)，戰(zhàn)術(shù)互聯(lián)網(wǎng)高效、可靠運(yùn)行。

(5)無(wú)人升空平臺(tái)中繼系統(tǒng)

為作戰(zhàn)地域通信提供中繼，擴(kuò)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(jī)動(dòng)衛(wèi)星通信系統(tǒng)

可為指揮控制、偵察情報(bào)、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(shí)物仿真環(huán)境構(gòu)建

常見(jiàn)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(shí)物接口，可實(shí)現(xiàn)半實(shí)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(jìn)行半實(shí)物網(wǎng)絡(luò)仿真驗(yàn)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(kù)(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(jī)制，可以精確模擬上千個(gè)節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)，用戶(hù)可通過(guò)應(yīng)用程序接口開(kāi)發(fā)需要的協(xié)議模型。仿真內(nèi)核提供了高精度的實(shí)時(shí)接口，可將外部真實(shí)的應(yīng)用軟件和硬件與仿真網(wǎng)絡(luò)連接起來(lái)。其核心是實(shí)時(shí)事件調(diào)度機(jī)制，以現(xiàn)實(shí)所需的時(shí)間為基準(zhǔn)，協(xié)調(diào)和處理來(lái)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(shí)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(shí)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(yè)、戰(zhàn)術(shù)通信、傳感器數(shù)據(jù)、即時(shí)消息、VoIP、視頻流等，不需要經(jīng)過(guò)任何改動(dòng)或定制就可以在EXata上運(yùn)行[13]。

2.2 基于EXata半實(shí)物仿真映射方式

在EXata仿真內(nèi)核下，將運(yùn)行主軟件EXata的主機(jī)作為仿真服務(wù)器，在EXata中構(gòu)建虛擬網(wǎng)絡(luò)仿真場(chǎng)景，其中部分虛擬節(jié)點(diǎn)映射實(shí)物節(jié)點(diǎn)。運(yùn)行CM的作為操作主機(jī)，即實(shí)物節(jié)點(diǎn)，通過(guò)在EXata和CM中完成相配置實(shí)現(xiàn)實(shí)物節(jié)點(diǎn)到虛擬節(jié)點(diǎn)的映射。

EXata提供了兩種半實(shí)物映射方式，一種是在操作主機(jī)和虛擬節(jié)點(diǎn)之間創(chuàng)建一對(duì)一映射，操作主機(jī)上啟動(dòng)任何應(yīng)用都使用映射的外部節(jié)點(diǎn)的協(xié)議棧進(jìn)行通信。第二種方式是將操作主機(jī)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(diǎn)上。此模式下，一個(gè)操作主機(jī)可在不同虛擬節(jié)點(diǎn)上運(yùn)行多個(gè)應(yīng)用[14]，兩種半實(shí)物映射方式如圖4所示。

圖4 EXata半實(shí)物仿真映射示意圖

3 基于半實(shí)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(shí)物仿真場(chǎng)景構(gòu)建

構(gòu)建典型戰(zhàn)術(shù)互聯(lián)網(wǎng)仿真場(chǎng)景如圖5所示，組成要素包括干線(xiàn)節(jié)點(diǎn)車(chē)組成的骨干網(wǎng)、無(wú)線(xiàn)電節(jié)點(diǎn)車(chē)接入的三個(gè)電臺(tái)子網(wǎng)、機(jī)動(dòng)衛(wèi)星中繼系統(tǒng)、無(wú)人機(jī)等。

圖5 典型戰(zhàn)術(shù)互聯(lián)網(wǎng)仿真場(chǎng)景

主要仿真參數(shù)配置如下：

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

2)干線(xiàn)節(jié)點(diǎn)車(chē)組成的骨干網(wǎng)傳輸鏈路配置為微波方式；電臺(tái)子網(wǎng)傳輸鏈路配置為無(wú)線(xiàn)方式；

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

圖6 實(shí)物節(jié)點(diǎn)和仿真服務(wù)器連接關(guān)系

要完成節(jié)點(diǎn)映射還必須對(duì)各實(shí)物節(jié)點(diǎn)和仿真服務(wù)器進(jìn)行IP配置，具體配置如表1所示。

表1 節(jié)點(diǎn)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(wú)線(xiàn)子網(wǎng)電臺(tái)用戶(hù)節(jié)點(diǎn)8向另一子網(wǎng)節(jié)點(diǎn)用戶(hù)13傳輸信息時(shí)，在節(jié)點(diǎn)8映射的業(yè)務(wù)源主機(jī)上配置VLC軟件，將視頻文件轉(zhuǎn)換為用戶(hù)數(shù)據(jù)報(bào)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(shí)，依據(jù)配置好的OLSR路由協(xié)議，仿真網(wǎng)絡(luò)會(huì)自動(dòng)匹配最佳路徑(8-26-1-2-4-6-11-13)實(shí)現(xiàn)骨干網(wǎng)轉(zhuǎn)發(fā)，將信息傳送至虛擬節(jié)點(diǎn)13，如圖7所示。

圖7 最優(yōu)信息傳輸路徑

在節(jié)點(diǎn)13映射的目的端主機(jī)啟動(dòng)VLC軟件，選擇播放網(wǎng)絡(luò)串流，可實(shí)時(shí)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(duì)比

當(dāng)禁用節(jié)點(diǎn)4時(shí)，模擬中繼節(jié)點(diǎn)被信息阻塞或擊毀，數(shù)據(jù)無(wú)法順利到達(dá)接收端，可以觀(guān)察到視頻信息傳輸會(huì)暫時(shí)中斷。此時(shí)仿真網(wǎng)絡(luò)會(huì)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(chǎng)景如圖5所示，在電臺(tái)子網(wǎng)節(jié)點(diǎn)7和節(jié)點(diǎn)15，節(jié)點(diǎn)17和節(jié)點(diǎn)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(diǎn)29為敵方干擾車(chē)，在節(jié)點(diǎn)17和18通信時(shí)干擾車(chē)分別開(kāi)啟和不開(kāi)啟無(wú)線(xiàn)干擾。仿真參數(shù)為：仿真時(shí)間為2 min，CBR業(yè)務(wù)間隔0.01 s，發(fā)送起始時(shí)間10 s。

當(dāng)無(wú)干擾時(shí)，在110 s時(shí)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(chē)開(kāi)啟干擾時(shí)，節(jié)點(diǎn)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(jì)結(jié)果

4 結(jié) 語(yǔ)

基于EXata的戰(zhàn)術(shù)互聯(lián)網(wǎng)半實(shí)物仿真能夠?qū)崿F(xiàn)真實(shí)數(shù)據(jù)流在仿真網(wǎng)絡(luò)中傳輸，在實(shí)際應(yīng)用中可將仿真網(wǎng)絡(luò)中映射的實(shí)物節(jié)點(diǎn)替換為作戰(zhàn)指揮車(chē)，真實(shí)電臺(tái)等，模擬作戰(zhàn)網(wǎng)絡(luò)受到敵方干擾時(shí)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(kuò)大戰(zhàn)術(shù)互聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)規(guī)模，模擬網(wǎng)絡(luò)傳輸性能特征，降低試驗(yàn)成本。因此，研究戰(zhàn)術(shù)互聯(lián)網(wǎng)半實(shí)物仿真具有重要意義。