基于OMNeT++的航母編隊網絡仿真研究

郝英川

(海軍駐石家莊地區通信軍事代表室，河北石家莊050081)

0 引言

航母在現代海軍作戰中起著至關重要的作用，是國家海上軍事力量的核心組成部分，是奪取海上制空權和制海權、實現全球戰略和戰術目標的關鍵所在。不論在戰時還是平時，航母既可擔負多種戰略任務，又可實施靈活多變的戰術攻擊任務。

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，與各種作戰艦艇、輔助艦艇以及搭載的戰斗機、預警機等一起組成海上戰斗群。航母編隊還可能與空軍、陸軍等協同作戰，成為海陸空一體化聯合作戰的戰斗群。

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絡，需要實時準確地傳遞指揮控制、戰場態勢等戰略戰術信息。因此，航母編隊通信系統是完成協同作戰任務不可或缺的一部分，是航母編隊作戰和指揮的中樞，也是奪取戰爭最后勝利的關鍵。本文以防空戰為例，利用OMNeT++建模仿真軟件，對航母編隊通信系統進行建模仿真，并對仿真結果進行分析。

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。可進行通信系統模型仿真、協議仿真、硬件體系結構驗證、復雜軟件系統性能評估以及任何其他離散事件驅動應用的建模與仿真。具體仿真步驟如下:

①建立網絡拓撲文件，定義本仿真實例的網絡拓撲結構;

②建立節點模型，使用C++語言實現各節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絡的名稱，還可以通過這個文件改變網絡模塊中參量的值，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，并根據運行結果圖中的數據分析網絡性能。

2 航母編隊通信系統建模

一個典型的航母戰斗群通常編配有航空母艦、若干艘護衛艦、驅逐艦、巡邏艦以及艦載飛機。航母編隊借助于飛機的高度機動性，把控制區域擴大到方圓幾百海里的范圍。航母編隊的作戰被劃分以下幾種海戰職能:防空戰、反艦作戰、加強反潛戰、戰區反潛戰、戰略反潛戰、攻擊戰、兩棲作戰、空間和電子戰、水陸兩棲作戰及反導作戰等。

以防空戰為例，對航母編隊通信系統進行建模仿真，分析其在海戰中的應用情況。防空戰是航母編隊對攻擊機、轟炸機空中發射、海上發射和岸基發射的反艦導彈的防御。防空戰的作戰半徑大于400 km(220 n mile)。在防空戰中，航母上的海軍戰術數據系統(NTDS)通過目標數據處理器來處理聯絡報告，并通過Link11數據鏈交換和分發數據。一般情況下，威脅源首先由預警機或哨艦發現，通過Link11數據鏈，將威脅源動態數據傳給NTDS的各個節點。空戰中，在預警機與戰斗機間靠Link4A數據鏈實現雙向數據交換或由地面向中央處理機傳送指令。防空戰各個分隊的詳細通信示意圖如圖1所示。

圖1 防空戰的通信示意圖

3 通信系統仿真

3．1 仿真場景設計

航母編隊通信仿真系統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、護衛艦艇編隊、哨艦、預警機和戰斗機等。

航母編隊通過Link11數據鏈完成艦艇編隊各節點監視信息、狀態信息等平時信息的交換和分發。當發現異常情況時，由預警機和哨艦通過Link11數據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數據鏈發送給戰斗機，并對其進行引導控制。具體信號流程如圖2所示。

圖2 戰術數據鏈指揮流程

3．2 節點模型設計

根據航母編隊防空戰任務以及所采用的各種傳輸手段的特點，節點模型參考OSI模型，省略會話層與表示層，其體系結構共分為物理層、數據鏈路層、網絡層、傳輸層和應用層5層。其中用戶節點包含5層功能;中繼艦艇和中繼飛機作為通信節點只實現網絡層、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;數據鏈路層主要完成相鄰節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Link11和Link4A等鏈路協議功能;網絡層需具有路由選擇功能、網絡分組數據逐跳保管傳輸功能以及網絡接口的適配功能，并可兼顧多種數據鏈路協議;傳輸層負責保障數據包的端到端的可靠傳輸及網絡流量控制等功能;應用層負責隨機產生不同業務數據包，并完成仿真結果的統計。

3．3 仿真參數設計

仿真參數包括仿真時間、節點數、移動節點移動速度、發送時間間隔和信道參數等值。在本仿真中，仿真時間設為10 h，節點數為14個，其中A0為航母;A1為哨艦;A2為戰斗機;A3～A5和A8～A9為護衛艦艇編隊;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中繼轉發與A0通信，A9和A10通過A8中繼轉發與A0通信，A2通過A6中繼轉發與A0通信，A13通過A11直接或經由無人機中繼轉發與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，在時間窗口區間內［T1，T2］隨機停留一個時間作為時延。數據包發送間隔時間為服從指數分布的偽隨機數，平時航母編隊數據交換和分發的時間間隔設為60 s;異常情況間隔設為600 s。仿真運行場景圖如圖3所示。

圖3 仿真運行場景

4 仿真結果分析

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

i節點到j節點之間的數據包的平均時延為:

式中，NRij為i節點收到j節點數據包的數量。

網絡平均時延為:

式中，n為節點數量。

i節點到j節點之間的吞吐量為:

式中，LRij為i節點收到j節點應答的數據包長度;T為仿真運行時間。

網絡總吞吐量為:

OMNET++提供2種性能結果分析工具，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束后統計;標量分析工具Scalars用于仿真結束后分析總的統計量。圖4和圖5分別為使用Scalars得到的鏈路時延和節點吞吐量的仿真結果。由圖4和圖5可以看出，需要中繼轉發的鏈路時延較長，而航空母艦A0和含轉發功能的護衛艦A3節點的吞吐量最大，這是因為經由它們交換和分發的數據最多。

圖4 鏈路時延仿真結果

圖5 節點吞吐量仿真結果

5 結束語

介紹了航母編隊的作戰流程，并據此對防空站進行了系統建模設計:航母編隊通過Link11數據鏈完成各節點間平時數據的交換和分發，通過Link11數據鏈完成敵情信息的上報，通過Link4A數據鏈完成戰斗指令的下發;節點模型參考OSI模型分層設計并實現功能，根據本系統特點簡化為物理層、數據鏈路層、網絡層、傳輸層和應用層5層。系統建模完成后，對仿真參數進行了設置，對航母編隊的通信流程以及通信協議進行了仿真，并使用標量分析工具Scalars對時延和吞吐量的仿真結果進行了分析。本文的建模方法和設計思路能夠為其他海軍通信系統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網絡建模仿真研究［J］．現代電子技術，2012(3):21 －28．

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

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

［7］ 黃 鋒．國外航母通信系統及裝備發展研究［J］．世界軍事電子裝備與技術發展研究，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的改進分簇路由協議［J］．無線電通信技術，2010，36(6):21－29．