无线电战术接入网的构建和测试

魏正曦，蹇红梅

（四川理工学院计算机学院，四川自贡643000）

无线电战术接入网的构建和测试

魏正曦，蹇红梅

（四川理工学院计算机学院，四川自贡643000）

利用现有短波/微波电台或其他通信设备的数据传输能力，研制构建无线电战术互联网所需的互联网控制器和战术多网网关，从而使各类无线终端组成无中心的自组织网络，并通过TCP/IP协议与外部网络互连互通。采用VxWorks系统作为开发平台，经过系统裁剪和软件编码，将软硬件嵌入到网络核心设备中，运用无线仿真器进行辅助开发和性能测试。室内仿真和野外试验表明：组建的无线电战术接入网能够实现网络异构、路由自动选择等功能；在3～4节点的任意拓扑环境下，网络时延不超过30s，并成功地接入有线网，能较好地提供各项数据传输业务。

战术互联网；互联网控制器；战术多网网关；无线网仿真；全通网测试

短波/超短波电台是战术级电台，是前方作战地域重要的通信手段。战术无线电互联网[2]是以战术电台为基础，通过嵌入网络互联技术，为师级作战地域内进行运动中作战的各要素之间提供基本的态势、指控和话音保障能力的机动通信网络。通过与野战综合业务数字网（野战地域网）的综合集成，可以实现与其他通信网系的互连互通，保障各作战要素达成密切协同，形成强大整体作战能力。

美军早已使用路由器将原有的SINCGARS[3]无线电系统和增强定位报告系统EPLRS[4]连接起来，形成一个更加完善的通信网络，其发展处于世界领先地位。为应对数字化战备技术的新挑战，我军也在积极构建战略和战役战术级的作战信息系统。无线电战术接入网属于战役战术级网络的组成部分，它使得军队集团化作战能力加强，支持高度机动的移动指挥，还能较好地解决系统的抗毁性问题，因此受到各国军方的普遍关注。

1 系统需求分析

系统的建设目标是以军队使用的HF/VHF（高频/甚高频）电台为通信设备，借助战术电台或其他通信工具的数据传输能力，自主开发组网所需的关键核心设备——互联网控制器[5]和战术多网网关[6]。无线终端通过现有的电台和互联网控制器组成无中心的自组织网络；通过支持TCP/IP协议的路由设备战术多网网关与外部的有线网络进行互联，接入有线网。战术接入网可用于原有通信网络内的数据通信，实现图形、图像、文件等数据信息的快速传递，支持其各种复杂的应用环境。

接入网系统的实现方式主要利用军队中已经大量装备和使用的短波/超短波跳频改进型电台，将自主开发的联网软硬件内置于电台中，为电台提供分组数据传输和自组织网络组网能力。系统的核心网络设备主要是互联网控制器和战术多网网关，它们在网络中通过数据口即标准RS-232接口与用户的无线终端或PC机相连；电台之间的硬件通过一个标准接插件互连，电源、所有信号线都通过该插槽相互连通。数据传输模块的数据通信采用RS-232接口标准。通常情况下，一个超短波分组无线网由8个节点组成，最多可扩展到16个节点。网络结构可以是多跳、自动中继的复杂网络。一般情况下为2～3跳，最多跳数为6跳。

构建真实的无线分组网络环境存在以下问题：首先是调试困难，无线通信的距离较远，对于VHF电台，通信距离也达到10km以上，在这样的环境下，实际上无法调试，只能测试和验证功能和性能指标；其次是难以针对调试的需求建立任意拓扑结构，难以实时检测动态变化的网络拓扑结构。因此，必须开发一个网络仿真系统，以便在室内提供各种模拟的网络仿真环境，方便网络设备的调试。

2 网络的构建

2.1 系统设计

图1 网络拓扑结构图

根据上述分析，拟建网络拓扑结构如图1所示。无线电分组网络包括无线终端和基站两个部分。其中，便携式/通用PC、互联网控制器和HF/VHF电台构成无线终端部分；基站包括HF单工电台、便携式/通用PC终端和战术多网网关。终端与电台之间通过互联网控制器/战术多网网关连接，设备间的接口均采用标准RS-232接口。各无线终端可利用互联网控制器构建独立的无线网络，也可采用战术多网网关作为基站，通过RJ45接口与有线网相连。

系统硬件平台采用X86 CPU芯片，选用VxWorks[7]作为底层操作系统，构建一个嵌入式计算机系统。考虑到技术的成熟度，选用AMD SC400 MCU，需要配备两个异步RS-232的串行口，4Mb RAM（优先考虑采用SRAM），2Mb Flash RAM。考虑到超短波电台的背负使用环境，要求硬件的整体功耗＜1W，全部电路设计采用3.3V低电压、低功耗器件，同时，利用CPU的电源管理能力尽量降低功耗。电路板的物理尺寸、电磁辐射必须满足VHF超短波电台的要求。与电台的硬件连接通过一个专用插座贴在电台的跳频、数据传输板上。由电台提供3.3V电源。另外，电台还提供信道载波检测（信道忙闲）、数据信道忙闲、话音信道忙闲、电台跳信号等信道状态指示信号。

2.2 网络协议栈

无线电接入网的软件系统总体上要实现两个关键目标：1）IP数据包在不同数据链路层协议之间传输，需要在数据链路层进行协调转换；2）IP的路由策略，要求选路适应复杂多变的无线链路环境。

互联网控制器/战术多网网关之间的数据链路层和物理层通信协议采用美军标MIL-STD-188-220B[8]（美军战术互联网——“数字消息传输设备子系统互操作标准”所规定强制执行的网络下三层协议），互联网控制器/战术多网网关与终端间采用PPP/SLIP协议，两个设备的通信模型如图2和图3所示。

从图2中可以看到，无线终端与互联网控制器之间采用PPP链路连接，终端运行的应用程序通过拨号接入互联网控制器，后者把收到的IP数据报在链路层进行PPP协议和220B协议的转换，然后把IP数据报重新封装，通过串口流经220B无线链路发送至电台，最后由HF/VHF电台将IP数据报发送出去。无线终端接收网络数据的过程正好与上述流程相反，从而实现基于IP数据报的异种设备互联。

图2 互联网控制器协议栈

图3 战术多网网关协议栈

结合图1和图3还可以看出，战术多网网关除了连接无线终端，还连接有线网，承载着无线终端接入有线网的功能。具体实现方案是战术多网网关增加了一个RJ45接口，220B无线链路流入/流出的IP数据报可以在战术多网网关进行IP交换，然后根据路由表，选择IP数据报的下一跳是走PPP链路与无线终端通信，还是走以太网链路接入有线局域网中。

由于战术多网网关具备与有线网连接的以太网接口，它几乎涵盖了互联网控制器的所有功能，因此在研制时主要以开发战术多网网关的软硬件为主，而互联网控制器则可以通过对战术多网网关的软硬件进行适当裁剪而得到。

至于IP数据报的路由选择，设计了一种基于源定向选路的路由策略[9]，基本思路是无线节点根据实时更新的网络拓扑，选择公共传输次数最多的链路作为它的下一跳，确保已建立的无线链路最大复用率；如果需要中继，则选择中继节点路由表中复用率高的链路作为下一跳，如此重复直到目的节点。

2.3 网络仿真系统

网络仿真系统主要通过一个PCI多串口卡连接多个终端构成，如图4所示。根据组网需要，设计了仿真测试程序，分别从端口设置、数据接收/发送/分析、网络拓扑和数据显示/存储等方面进行模拟测试。

仿真系统主要实现以下具体功能：

1）仿真无线网络拓扑结构及其动态变化；

2）存储网络中各节点发出的报文及离线分析；

3）同步模拟真实环境中的无线数据传输，完成数据转发功能；

4）对传输报文进行实时监视和在线分析。

3 网络测试

网络测试分室内网络仿真环境和野外现场试验两部分。首先在2400 b/s的数据传输速率下进行测试，然后再在1200b/s速率下进行测试。设计要求实现无中心自组织网络结构，由于条件限制，无法构建完全满足设计指标要求的测试网络，试验构建了室内4个节点、室外3个节点的分组无线网络，并进行了相关的测试和验证。

3.1 室内仿真测试

室内模拟仿真测试在图4所示的系统仿真平台，进行了静态与动态网络结构两种情况的试验。

图4 仿真分组无线网络结构图

3.1.1 静态4节点任意网络拓扑结构测试

静态4节点Ping任意站点的传输时延测试，该测试的仿真网络结构如图5所示。

图5 静态4节点任意网络拓扑图

Ping测试步骤如下：

1）终端3、4同时Ping终端1，每个Ping操作间隔2min；

2）每个终端均连续Ping终端120次，记录每次Ping是否成功及时延；

3）终端3、4同时对Ping，每个Ping操作间隔2min；

4）每个终端均连续对Ping 20次，记录每次Ping是否成功及时延。在数据传输速率为2400b/s的情况下，终端3、4 Ping终端1，测试结果如表1所示。

3.1.2 动态4节点任意网络拓扑结构测试

仿真任意动态拓扑结构的网络结构图如图6所示。图中实线表示节点间的初始连接关系，虚线表示相应节点的运动轨迹。

表1 静态4节点Ping传输时延

图6 动态四节点任意网络拓扑图

该项测试的试验步骤与静态节点的测试相似，在数据传输速率为2 400 b/s的情况下，终端1、4互Ping的测试结果如表2所示。

表2 动态4节点Ping传输时延

3.2 野外测试

试验小组在野外随机建立了如图7所示的网络结构，利用短波TCR-154电台加短波数传[10]提供的数据通道，在真实的无线通信环境和电台的定频工作模式下，分别对3个节点组成的全通网进行了多项功能和性能测试。其中，数据传输速率设置为1200b/s，两个终端互Ping的测试结果如表3所示。

图7 野外3节点全通网拓扑图

表3 野外3节点Ping传输时延

此外，野外试验还对短消息通信、文件传输、WWW浏览等测试项进行了试验，测试结果证明该网络能够通过TCP/IP协议接入有线网，支持文件、图像数据的传输业务，而且性能基本稳定。

4 结束语

单就Ping测试项所获得的数据来看，野外实验跟室内实验的时延基本相差不大，只是由于实际信道比室内模拟信道要差一点，因而在网络通信方面时延更长。无线信道的选择直接影响网络的性能，它对网络建立和通信效果的好坏起着关键性作用。

各项测试表明自研发的组网核心设备实现了网络异构、路由自动选择等功能，能成功地接入有线网，能较好地提供各项数据传输业务。

[1]陈辉.以色列打响首场数字化战争——加沙之战以色列C～4I远程数字化系统初露锋芒[J].华北民兵，2014（11）：48.

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[4]Childs M J.Intelligence support to combined-arms maneuver[J].Cavalry and Armor Journal，2012，3（4）：35.

[5]米志超，郑少仁.无线战术互联网控制器通信协议的设计与实现[J].解放军理工大学学报，2000，1（6）：24-29.

[6]赵明，金浩，屈晔彬.VxWorksEND学习桥的战术多网网关软件的设计与实现[J].火力与指挥控制，2013，38（2）：153-156.

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[8]Kim J，Kim D，Lim J，et al.Effective packet transmission scheme for real-time situational awareness based on MIL-STD-188-220 tactical ad-hoc networks[C]∥Military Communications Conference，2011-Milcom 2011. IEEE，2011：956-960.

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[10]李旭东.短波数传系统硬件设计与数据检测技术研究[D].西安：西安电子科技大学，2011.

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文章编号：1674-5124（2015）08-0099-04

10.11857/j.issn.1674-5124.2015.08.023

0 引言

现代数字化战争[1]是以信息技术为基础，以信息环境为依托，用数字化设备将指挥、控制、通信、计算机、情报、电子对抗等网络系统联为一体，能实现各类信息资源共享、作战信息实时交换，以支持战斗员和保障人员信息活动的整个作战多维信息空间。数字化战争的特点决定了战斗部队需要以武器和武器平台、指挥和控制系统、传感器以及后勤系统4个部分作为支持。如果能把这4个部分通过数字化通信网络有效连接起来，通信网络就将成为数字化战争获胜的重要基础。

2015-01-29；

2015-03-02

四川省院士（专家）工作站基金项目（2014YSGZZ02）

四川省教育厅重点项目（14ZA0210）

人工智能四川省重点实验室项目（2013RYY04）

物联网测控四川省高校重点实验室项目（2013WYY09）

魏正曦（1976-），男，四川自贡市人，副教授，主要从事计算机应用方面的研究。