战术互联网半实物仿真研究

王 莉, 李 浩, 刘 敏, 崔建岭

(中国人民解放军63892部队， 河南 洛阳 471003)

0 引 言

战术互联网(Tactical Internet，TI)是通过互联协议将战术无线电设备、网络设备、终端及应用系统等互联而成的面向网络中心战的一体化战术通信系统，可为战场各类传感器系统、武器平台系统和指挥控制系统提供信息传输与交换的平台。

自美军“沙漠铁锤”演习后提出了战术互联网的定义，各军事强国争相开展战术互联网技术研究，力求掌握战场信息主动权，加快推进数字化部队建设。美军指战员信息网(WIN-T)、法军RITA2000系统等都是典型的战术互联网系统。

文献[1-3]以美军战术互联网组成为例研究了战术互联网组成要素及发展。文献[4-8]构建了典型战术互联网，分析了从复杂地形、干扰因素等不同侧重点分析了战术互联网网络性能。上述研究均是在纯数学仿真环境条件下进行的。文献[9-10]利用EXata实现了航空数据链及低空无人机数据链半实物仿真，本文在此基础上探索EXata应用于构建虚实结合的战术互联网半实物仿真。

1 战术互联网

1.1 战术互联网体系架构

战术互联网[11-12]大都采用栅格化骨干网加接入网的典型组网结构，栅格化的战术互联网骨干网络覆盖整个作战地域，接入网由战术电台组成分组无线网，采用多跳方式接入骨干网络，组网模式如图1所示。

图1 战术互联网典型组网模式

栅格化骨干网是一种宽带无线栅格状的网络结构。网络中的节点可以与通信范围内的其他节点建立点对点连接，网络各节点通过相邻的其他节点以多跳方式连接。

分组无线网是由一组无线移动节点组成的多跳、无基础设施支持、临时开设的无中心网络，强调多跳、自组织和无中心概念。

1.2 战术互联网特点

战术互联网特点主要包括以下四个方面。

1)具有多维战场覆盖能力。战术互联网通过传输设备将节点与接入节点连接，实现了节点间大容量、远距离群路传输，形成了覆盖多维战场的一体化公共信息传输网络。

2)具有快速部署和整体移动能力。战术互联网中的战术平台、卫星等具备“动中通”能力，战术电台能够在保留分组网的基础上引入随遇接入、无缝切换等功能，可有效构建在高机动条件下具备不间断通信保障能力的公共信息传输与交换平台，能够满足数字化部队的作战需求。

3)具有多种通信手段综合集成和组网能力。战术互联网基于短波、超短波、微波、卫星等多种通信手段，通过综合运用，综合组网，构建此断彼通、互为补充、抗毁顽存的机动通信网络。

4)具有较强的恶劣战场环境适应能力。通过综合采用跳频/扩频通信、大功率通信等抗干扰技术，迂回路由、多径备份、动态自组网等组网技术和网络安全、节点加固等防护技术，使系统具备较强的战场环境生存能力。

1.3 战术互联网组成

战术互联网主要由干线传输设备、战术电台设备、路由交换设备、终端设备、网络管理设备、安全保密设备等组成。分别将这些设备装载于干线节点车、用户节点车、无线节点车、通信管理车等主要的通信车中，再配合无人升空通信中继系统、机动卫星通信系统等共同构成，典型组成如图2所示。

(1)干线节点车

用于构建覆盖作战地域的骨干网。干线节点车之间主要依托微波通信链路通信，在平原地区最大传输距离为几十公里，可根据所需骨干网覆盖面积计算出干线节点车数量。

(2)无线节点车

用于构建覆盖作战地域的战术互联网无线接入点，可为覆盖范围内的移动用户和用户群提供移动中的数据、话音通信服务。

(3)用户节点车

用于保障军、师、团等指挥所内部组网及接入骨干网。

(4)通信管理车

用于构建通信管理中心，对全网资源进行统筹分配，实时监控网络状态，战术互联网高效、可靠运行。

(5)无人升空平台中继系统

为作战地域通信提供中继，扩展通信距离，可根据战术互联网作战需要选择性配置。

(6)机动卫星通信系统

可为指挥控制、侦察情报、后勤支援、通信等提供灵活可靠的传输，通信距离跨度大、不需要地面中继。

图2 战术互联网典型组成示意图

2 半实物仿真环境构建

常见的网络仿真工具主要有OPNET、OMNET++、NS2、EXata等，其中OPNET和EXata都具有成熟的半实物接口，可实现半实物网络仿真环境搭建。本文基于EXata构建战术互联网网络，进行半实物网络仿真验证。

2.1 EXata软件架构

EXata软件主要由五部分组成，包括主软件EXata、模拟内核(Simulation Kernel)与仿真内核(Emulation Kernel)、连接管理器(Connection Manager，CM)、外部工具接口(Extenal Interface)及协议模型库(Model Libraries)，软件架构如图3所示。

图3 EXata软件架构

模拟内核的核心是并行离散事件调度机制，可以精确模拟上千个节点的网络，用户可通过应用程序接口开发需要的协议模型。仿真内核提供了高精度的实时接口，可将外部真实的应用软件和硬件与仿真网络连接起来。其核心是实时事件调度机制，以现实所需的时间为基准，协调和处理来自EXata内部和外部事件。连接管理器是EXata仿真软件的配套模块，可为真实网络中的各种业务应用、硬件设备提供“透明”接口，使它们能够像接入真实存在的物理网络一样，连接到EXata提供的虚拟网络上。CM支持多种应用业务接入，例如网页、战术通信、传感器数据、即时消息、VoIP、视频流等，不需要经过任何改动或定制就可以在EXata上运行[13]。

2.2 基于EXata半实物仿真映射方式

在EXata仿真内核下，将运行主软件EXata的主机作为仿真服务器，在EXata中构建虚拟网络仿真场景，其中部分虚拟节点映射实物节点。运行CM的作为操作主机，即实物节点，通过在EXata和CM中完成相配置实现实物节点到虚拟节点的映射。

EXata提供了两种半实物映射方式，一种是在操作主机和虚拟节点之间创建一对一映射，操作主机上启动任何应用都使用映射的外部节点的协议栈进行通信。第二种方式是将操作主机上的不同应用映射到仿真网络中的不同虚拟节点上。此模式下，一个操作主机可在不同虚拟节点上运行多个应用[14]，两种半实物映射方式如图4所示。

图4 EXata半实物仿真映射示意图

3 基于半实物接口的战术互联网仿真

3.1 战术互联网半实物仿真场景构建

构建典型战术互联网仿真场景如图5所示，组成要素包括干线节点车组成的骨干网、无线电节点车接入的三个电台子网、机动卫星中继系统、无人机等。

图5 典型战术互联网仿真场景

主要仿真参数配置如下：

1)节点8映射业务源主机，节点13映射目的端主机；

2)干线节点车组成的骨干网传输链路配置为微波方式；电台子网传输链路配置为无线方式；

3)网路由协议为OLSR。构建半实物仿真网络的配置模式为“真实-虚拟-真实”，节点8和节点13分别映射实物节点的业务源主机和目的端主机，虚拟网络由运行EXata的仿真服务器(双网卡)构建，共同构成半实物仿真结构，实物节点和仿真服务器的连接关系如图6所示。

图6 实物节点和仿真服务器连接关系

要完成节点映射还必须对各实物节点和仿真服务器进行IP配置，具体配置如表1所示。

表1 节点IP配置

3.2 仿真结果分析

3.2.1业务传输

以视频业务传输为例，当无线子网电台用户节点8向另一子网节点用户13传输信息时，在节点8映射的业务源主机上配置VLC软件，将视频文件转换为用户数据报协议(User Datagram Protocol, UDP)包发送到仿真网络中。UDP包在仿真网络中传输时，依据配置好的OLSR路由协议，仿真网络会自动匹配最佳路径(8-26-1-2-4-6-11-13)实现骨干网转发，将信息传送至虚拟节点13，如图7所示。

图7 最优信息传输路径

在节点13映射的目的端主机启动VLC软件，选择播放网络串流，可实时播放接收到的视频流，接收结果如图8所示。

图8 发送及接收视频流对比

当禁用节点4时，模拟中继节点被信息阻塞或击毁，数据无法顺利到达接收端，可以观察到视频信息传输会暂时中断。此时仿真网络会重新匹配最优传输路径(8-26-1-2-3-6-11-13)，如图9所示。在完成新链路建链后，通信重新恢复，接收端能同步收到视频信息。

图9 重匹配最优传输路径

3.2.2干扰效果仿真

仿真场景如图5所示，在电台子网节点7和节点15，节点17和节点18之间配置恒定比特率业务(Constant Bit Rate，CBR)业务。节点29为敌方干扰车，在节点17和18通信时干扰车分别开启和不开启无线干扰。仿真参数为：仿真时间为2 min，CBR业务间隔0.01 s，发送起始时间10 s。

当无干扰时，在110 s时间内发送信息数量为11 000条，发送和接收CBR信息数如图10中(a)和(b)所示。当干扰车开启干扰时，节点18受干扰影响接收到的CBR信息明显减少，如图10(c)所示。

图10 发送接及接收CBR信息统计结果

4 结 语

基于EXata的战术互联网半实物仿真能够实现真实数据流在仿真网络中传输，在实际应用中可将仿真网络中映射的实物节点替换为作战指挥车，真实电台等，模拟作战网络受到敌方干扰时的性能损失，可提高网络仿真的可信度。另外，利用网络仿真可扩大战术互联网节点规模，模拟网络传输性能特征，降低试验成本。因此，研究战术互联网半实物仿真具有重要意义。