分布式網絡及抗干擾仿真研究*

王立夫 饒建國 商西達

(海軍駐武漢地區通信軍事代表室1) 武漢 430079)(中國船舶重工集團第七二二研究所2) 武漢 430079)

分布式網絡及抗干擾仿真研究*

王立夫1)饒建國1)商西達2)

(海軍駐武漢地區通信軍事代表室1)武漢 430079)(中國船舶重工集團第七二二研究所2)武漢 430079)

隨著軍用分布式通信網絡規模日趨龐大,使得電子對抗環境下網絡維護、運行與能力評估變得越來越復雜。采用仿真方法可以在試驗室條件下對網絡進行數字分析與性能驗證,并為分布式網絡抗干擾、抗毀性與可維性提供評判依據與場景再現。

分布式網絡;抗干擾;網絡仿真

Class NumberTP391.9

1 引言

1.1 通信網絡的復雜性和脆弱性

隨著軍用信息網絡的發展,分布式網絡的規模與復雜性日益增加。龐大而復雜的網絡體系結構對其運行、維護和安全帶來了巨大的挑戰。由于電磁頻譜空間的開放性,無線信道容易被敵方偵查、截獲和干擾。因此,基于無線通信的分布式網絡,特別是網絡體系的對抗能力在信息戰環境下顯得尤為重要。西方軍事強國十分重視軍事通信系統與網絡抗干擾問題[1]。美國國防部在總結海灣戰爭的過程中,根據當前和未來戰爭的特點,對電子戰的定義做了較大幅度的修改,由原來的ECM(電子干擾)、ECCM(電子反干擾)、ESM(電子支援)改成了現在的EA(電子進攻)、EP(電子防護)和ES(電子支援),并專門提出在無線通信網絡建設中,需要采用有效的抗干擾措施以提升網絡EP能力,形成具有強抗干擾能力的、健壯的軍事無線通信網絡。

1.2 分布式通信網絡試驗室評估方法

模擬戰時通信干擾與電磁環境并對現役軍用分布式網絡進行“受力”分析評估,是一件費時且非常復雜的工作。常用的主要評估方法是試驗室環境下建立分布式網絡模型,并構建基于軟件計算的仿真系統來研究與驗證網絡的性能。

分布式通信網絡仿真系統的功能與組成主要包括以下幾個部分:一是對網絡化設備進行型號認證測試和入網前驗證測試,以保證其符合相應的標準和規范的要求;二是在常態環境下進行各種通信網絡功能模擬,并建立外界電磁環境與電子對抗條件;三是在不同邊界與假定干擾條件下,進行網絡間互聯互通測試與能力評估;四是不斷增加各種應力與測試條件,進一步分析網絡性能,特別是業務服務能力下降程度,并為網絡管理者與運行者提供應對措施與方法[2～3]。

2 國內外仿真技術發展現狀

2.1 國內發展現狀

我國從90年代中期開始對分布交互、虛擬現實等先進仿真技術及其應用進行研究,開展的規模較大,且應用復雜的系統級仿真,形成了由單個武器平臺的性能仿真到多武器平臺在作戰環境下的對抗仿真。研制出了連續系統仿真語言ICSL II和ICSL++仿真環境、連續/離散事件系統仿真語言IHSL和圖形輸入仿真語言IFAS等通用仿真語言,以及射頻、紅外、反坦克導彈、衛星、戰略導彈和運載火箭等半實物仿真專用軟件,開發出了基于高檔微機與工作站通用的、多任務并發的一體化仿真軟件。

在先進分布交互仿真技術方面,我國初步建成了分布交互綜合仿真系統。該系統是一個含有虛擬現實技術的、開放的、支持分布交互仿真的支撐環境,支持復雜系統設計、運行和評估,并應用于實際系統的研制和開發工作。總的說來,我軍仿真技術在某些方面達到了國際先進水平,但總體技術水平,特別是應用水平與發達國家相比還有較大差距。

2.2 國外發展現狀

國外,特別是西方強國一直非常重視利用計算機對軍事通信系統進行仿真,并利用仿真結果進行能力評估決策支持。美軍最初的計算機仿真側重于訓練應用軟件的研究,稱為模擬網絡(SIMNET),其實質是將位于不同地域節點、同一虛擬環境的由人工操作的訓練模擬器連接起來。操作者在這個共同的虛擬環境中可以進行近乎實時的交互訪問。其最初的目的不是用于通信仿真,而是構建一個坦克火炮訓練系統。只是其仿真思想對通信系統的仿真也適用,所以后來逐漸擴展到通信仿真領域。經過多年的發展,SIMNET引入一項新技術—分布交互仿真DIS(Distributed Interactive Simulation)技術。但由于DIS的主要針對仿真及合成環境下與人的交互作用,在數據傳輸的速率和實時性上有一定的局限性,難以滿足硬件在回路的仿真系統要求。由此產生了ADS(Advanced Distribute Simulation)的概念。ADS的仿真系統實現不一定完全遵照IEEE STD 1278的規定,但基本原則與DIS一致。ADS包括DIS,且支持虛擬、實物以及結構實體的混合仿真。

ADS與DIS的主要不同在于:在DIS中,為節省帶寬,只有狀態信息被傳送,而在ADS中如果仿真需要的話,可允許進行實際的數據通信,這為系統測試與評估提供了條件。人們現在經常看到一個概念:HLA,它是ADS的一種實現形式。H LA的實施規則更有利于用現代計算機軟件方法實現(面向對象方法),更有利于系統擴展和維護。H LA將參與仿真的各成員進行功能封裝,各成員之間通過“軟總線”RTI(RunTime Infrastructure)進行數據交換,突出人與系統的交互過程。

分布式網絡的可靠性越高,網絡可以提供的服務質量越好,網絡的抗干擾能力也就越強。因此在網絡設計中,可靠性是一個非常重要的指標[5～6]。用以標識可靠性的參數包括節點存活時間、鏈路可通率等。本文選取節點存活時間作為度量網絡可靠性的參數。對于具有N條獨立路徑的多徑路由而言,第 j條路徑的路由存活時間Δj可以表示為路徑上所有節點的存活時間的最小值,即 Δj=min{t1,j,t2,j,…,tLj,j},其中 ti,j表示路徑j的第i個獨立節點的存活時間。假定ti,j服從指數分布且相互獨立,參數為 εi,j,那么路徑 j的存活時間 Δj也是服從指數分布的,其參數為

考慮到路徑之間長度的差異性,如主路由有3跳,備用路由也有3跳。假設節點的存活時間為l,則ε1=ε2=3/l,那么根據式(1)可以計算得到多徑路由的平均存活時間為l/2,而對于跳數為3的單徑路由協議而言,其平均路徑存活時間只有l/3。含有兩條路徑的多徑路由存活時間提高了50%。

E[ Δ]=ε21+ε22+ε1ε2

ε1ε2(ε1+ε2)

綜上所述,增加網絡中源節點和目的節點之間的路由數目可以有效提高網絡的存活時間,增加網絡的健壯性和抗干擾能力。

4 分布式網絡抗干擾仿真系統組成

通信系統仿真系統技術體系結構如圖1所示。下兩層是仿真系統數據傳輸通道,可依托研制單位的內部企業網實現。RTI是一個軟總線,主要提供一個仿真軟件環境,它能將符合仿真要求的對象連接起來,完成對象之間的實時信息交互。RTI是通信仿真系統運行的核心。HLA應用層程序框架為其它各子模塊提供統一的仿真軟件框架及規范的數據表達,保證各實體模型與RTI接口。

通信鏈路實體模型和電磁環境/電波傳播實體模型是通信系統仿真的基礎,主要用專業的仿真工具軟件(如 Matlab、HFSS、SPW)完成在電波傳播衰耗、特定天線電磁環境下的通信鏈路的計算機原型仿真[7]。

半實物仿真機可以將實際物理設備或測試儀表接入到仿真系統如QualNet仿真器中進行驗證。不僅可實現新型通信設備的功能和性能驗證測試,同時為復雜通信系統仿真結果的校核、驗證和認可提供平臺。可視化仿真,通過對抽象的仿真結果數據形象化的處理,能夠逼真形象地反映通信系統運行狀態和通信效能。系統效能分析,根據電磁環境/電波傳播模型、通信鏈路模型以及加載的通信數據,分析通信系統的效能。

圖1 通信仿真系統體系結構圖

5 仿真結果及分析

計算機仿真基于QualNet仿真器,仿真拓撲如圖2所示。圖2展示了通過采用多徑路由通信方法對抗敵方干擾的有效性。圖2(a)表示一個艦艇編隊的通信子網布置,其中節點 N1、N3、N5、N6、N7采用S頻段組成一個任務子網,節點 N2、N4、N5、N6、N7采用 UHF頻段組成一個 UHF任務子網。在圖2(b)中,敵方對我艦艇編隊實時了通信干擾,干擾頻段為 UHF頻段,此時我方艦艇N6、N7處于敵方干擾范圍之內,UHF通信手段不能夠正常通信。由于S波段仍可以進行正常通信,艦艇N6、N7仍處于任務子網中。此時如果N2或者N4若欲與N6或者N7進行通信,無法通過單一子網直接到達,而必須通過跨子網方式進行通信。以N2到N6的通信為例,此時N2應先通過UHF子網將數據發送至N5,然后N5在通過S波段子網將數據報文轉發至 N6。圖2(c)表示我方將敵方干擾源摧毀后,各任務子網重新建立。此時N2和N6的通信將采用UHF頻段。

仿真時間為10min,干擾源起始時間為3min,5min后干擾源被摧毀。即干擾時間為 180s～480s。仿真結果為5次仿真的平均值。

圖2 分布式網絡抗干擾仿真場景

QualNet仿真場景如圖3所示。其中,對網絡節點的仿真采用復合模型,即由多個QualNet節點進行組合模擬網絡的一個節點。如圖2中的節點N5由圖 3中的節點9、10、11和20進行模擬,其中節點9模擬網絡互連控制器,節點10、11模擬子網路由器,節點20模擬業務子節點。

5.1 時延性能

拓撲如圖3所示。建立節點18到節點19的CBR,觀測節點19的時延性能,此處的時延指的是節點在10s內接收到的報文的平均時延。如果節點在該時間段內沒有接收到報文,則定義其時延為無窮大。仿真結果如圖4所示,圖中180s～190s的時延尖峰表示此時間區間內未收到數據報文。

從上圖中可以看出,在網絡受到干擾、拓撲發生變化后,經過短暫的路由中斷,節點19在200s～480s內可以采用跨子網路由接收數據報文。如果不采用跨子網路由機制,那么節點19在干擾時間段內將收不到任何數據。由于此時切換到速率更高的S波段子網,因此時延略有下降。在10s～180s內,節點19的數據時延均值為0.23s,而在200s～480s內,采用跨子網路由傳輸的數據報文平均時延為0.18s。

5.2 吞吐量性能

拓撲如上所示。建立節點18到節點19的CBR,觀測節點19的吞吐量性能,如圖5所示。在圖5中可以看出,在出現干擾的3min～8min(180s～480s)時間內,節點19的吞吐量水平幾乎沒有變化,這說明網關節點的跨子網路由流程工作正常。值得注意的是,節點19的吞吐量性能在190s下降到0,在200s維持在較低水平。這是由干擾造成的鏈路中斷造成的。由于需要一段時間進行路由自愈重組,因此在此期間會出現吞吐量下降的情況。當子網檢測到拓撲變化時,網關會收到該變化,啟動跨子網路由發現流程,并采用跨子網路由進行數據傳輸,從而使得吞吐量性能恢復正常。

6 結語

通過采用多子網及多徑路由技術,并且設計合理的多徑路由發現和路由維護機制,可以有效提高網絡的抗干擾能力,提高網絡的健壯性和存活時間。通過計算機仿真驗證了該技術和策略的有效性,結果表明敵方干擾未能影響網絡的時延和吞吐量性能,網絡的抗干擾能力得到了大幅提升。

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Anti-jamming Simulation Research of Distributed Network

Wang Lifu1)Rao Jianguo1)Shang Xida2)
(Communication Representative of Navy in Wuhan1),Wuhan 430079)
(No.722 Research Institute of CSIC2),Wuhan 430079)

As the size of communication networks is becoming more and more large,the operation,maintenance and verification of military networks is more complex.Network simulation method provides computer modeling and performance analysis for network designing and also provides scenarios recurrence of distributed wireless networks.

distributed network,anti-jamming,network simulation

TP391.9

2010年9月3日,

2010年10月8日

王立夫,男,工程師,研究方向:無線通信。饒建國,男,碩士,研究方向:無線通信。商西達,男,博士,研究方向:無線通信。