分布式网络及抗干扰仿真研究*

王立夫 饶建国 商西达

(海军驻武汉地区通信军事代表室1) 武汉 430079)(中国船舶重工集团第七二二研究所2) 武汉 430079)

分布式网络及抗干扰仿真研究*

王立夫1)饶建国1)商西达2)

(海军驻武汉地区通信军事代表室1)武汉 430079)(中国船舶重工集团第七二二研究所2)武汉 430079)

随着军用分布式通信网络规模日趋庞大,使得电子对抗环境下网络维护、运行与能力评估变得越来越复杂。采用仿真方法可以在试验室条件下对网络进行数字分析与性能验证,并为分布式网络抗干扰、抗毁性与可维性提供评判依据与场景再现。

分布式网络;抗干扰;网络仿真

Class NumberTP391.9

1 引言

1.1 通信网络的复杂性和脆弱性

随着军用信息网络的发展,分布式网络的规模与复杂性日益增加。庞大而复杂的网络体系结构对其运行、维护和安全带来了巨大的挑战。由于电磁频谱空间的开放性,无线信道容易被敌方侦查、截获和干扰。因此,基于无线通信的分布式网络,特别是网络体系的对抗能力在信息战环境下显得尤为重要。西方军事强国十分重视军事通信系统与网络抗干扰问题[1]。美国国防部在总结海湾战争的过程中,根据当前和未来战争的特点,对电子战的定义做了较大幅度的修改,由原来的ECM(电子干扰)、ECCM(电子反干扰)、ESM(电子支援)改成了现在的EA(电子进攻)、EP(电子防护)和ES(电子支援),并专门提出在无线通信网络建设中,需要采用有效的抗干扰措施以提升网络EP能力,形成具有强抗干扰能力的、健壮的军事无线通信网络。

1.2 分布式通信网络试验室评估方法

模拟战时通信干扰与电磁环境并对现役军用分布式网络进行“受力”分析评估,是一件费时且非常复杂的工作。常用的主要评估方法是试验室环境下建立分布式网络模型,并构建基于软件计算的仿真系统来研究与验证网络的性能。

分布式通信网络仿真系统的功能与组成主要包括以下几个部分:一是对网络化设备进行型号认证测试和入网前验证测试,以保证其符合相应的标准和规范的要求;二是在常态环境下进行各种通信网络功能模拟,并建立外界电磁环境与电子对抗条件;三是在不同边界与假定干扰条件下,进行网络间互联互通测试与能力评估;四是不断增加各种应力与测试条件,进一步分析网络性能,特别是业务服务能力下降程度,并为网络管理者与运行者提供应对措施与方法[2～3]。

2 国内外仿真技术发展现状

2.1 国内发展现状

我国从90年代中期开始对分布交互、虚拟现实等先进仿真技术及其应用进行研究,开展的规模较大,且应用复杂的系统级仿真,形成了由单个武器平台的性能仿真到多武器平台在作战环境下的对抗仿真。研制出了连续系统仿真语言ICSL II和ICSL++仿真环境、连续/离散事件系统仿真语言IHSL和图形输入仿真语言IFAS等通用仿真语言,以及射频、红外、反坦克导弹、卫星、战略导弹和运载火箭等半实物仿真专用软件,开发出了基于高档微机与工作站通用的、多任务并发的一体化仿真软件。

在先进分布交互仿真技术方面,我国初步建成了分布交互综合仿真系统。该系统是一个含有虚拟现实技术的、开放的、支持分布交互仿真的支撑环境,支持复杂系统设计、运行和评估,并应用于实际系统的研制和开发工作。总的说来,我军仿真技术在某些方面达到了国际先进水平,但总体技术水平,特别是应用水平与发达国家相比还有较大差距。

2.2 国外发展现状

国外,特别是西方强国一直非常重视利用计算机对军事通信系统进行仿真,并利用仿真结果进行能力评估决策支持。美军最初的计算机仿真侧重于训练应用软件的研究,称为模拟网络(SIMNET),其实质是将位于不同地域节点、同一虚拟环境的由人工操作的训练模拟器连接起来。操作者在这个共同的虚拟环境中可以进行近乎实时的交互访问。其最初的目的不是用于通信仿真,而是构建一个坦克火炮训练系统。只是其仿真思想对通信系统的仿真也适用,所以后来逐渐扩展到通信仿真领域。经过多年的发展,SIMNET引入一项新技术—分布交互仿真DIS(Distributed Interactive Simulation)技术。但由于DIS的主要针对仿真及合成环境下与人的交互作用,在数据传输的速率和实时性上有一定的局限性,难以满足硬件在回路的仿真系统要求。由此产生了ADS(Advanced Distribute Simulation)的概念。ADS的仿真系统实现不一定完全遵照IEEE STD 1278的规定,但基本原则与DIS一致。ADS包括DIS,且支持虚拟、实物以及结构实体的混合仿真。

ADS与DIS的主要不同在于:在DIS中,为节省带宽,只有状态信息被传送,而在ADS中如果仿真需要的话,可允许进行实际的数据通信,这为系统测试与评估提供了条件。人们现在经常看到一个概念:HLA,它是ADS的一种实现形式。H LA的实施规则更有利于用现代计算机软件方法实现(面向对象方法),更有利于系统扩展和维护。H LA将参与仿真的各成员进行功能封装,各成员之间通过“软总线”RTI(RunTime Infrastructure)进行数据交换,突出人与系统的交互过程。

分布式网络的可靠性越高,网络可以提供的服务质量越好,网络的抗干扰能力也就越强。因此在网络设计中,可靠性是一个非常重要的指标[5～6]。用以标识可靠性的参数包括节点存活时间、链路可通率等。本文选取节点存活时间作为度量网络可靠性的参数。对于具有N条独立路径的多径路由而言,第 j条路径的路由存活时间Δj可以表示为路径上所有节点的存活时间的最小值,即 Δj=min{t1,j,t2,j,…,tLj,j},其中 ti,j表示路径j的第i个独立节点的存活时间。假定ti,j服从指数分布且相互独立,参数为 εi,j,那么路径 j的存活时间 Δj也是服从指数分布的,其参数为

考虑到路径之间长度的差异性,如主路由有3跳,备用路由也有3跳。假设节点的存活时间为l,则ε1=ε2=3/l,那么根据式(1)可以计算得到多径路由的平均存活时间为l/2,而对于跳数为3的单径路由协议而言,其平均路径存活时间只有l/3。含有两条路径的多径路由存活时间提高了50%。

E[ Δ]=ε21+ε22+ε1ε2

ε1ε2(ε1+ε2)

综上所述,增加网络中源节点和目的节点之间的路由数目可以有效提高网络的存活时间,增加网络的健壮性和抗干扰能力。

4 分布式网络抗干扰仿真系统组成

通信系统仿真系统技术体系结构如图1所示。下两层是仿真系统数据传输通道,可依托研制单位的内部企业网实现。RTI是一个软总线,主要提供一个仿真软件环境,它能将符合仿真要求的对象连接起来,完成对象之间的实时信息交互。RTI是通信仿真系统运行的核心。HLA应用层程序框架为其它各子模块提供统一的仿真软件框架及规范的数据表达,保证各实体模型与RTI接口。

通信链路实体模型和电磁环境/电波传播实体模型是通信系统仿真的基础,主要用专业的仿真工具软件(如 Matlab、HFSS、SPW)完成在电波传播衰耗、特定天线电磁环境下的通信链路的计算机原型仿真[7]。

半实物仿真机可以将实际物理设备或测试仪表接入到仿真系统如QualNet仿真器中进行验证。不仅可实现新型通信设备的功能和性能验证测试,同时为复杂通信系统仿真结果的校核、验证和认可提供平台。可视化仿真,通过对抽象的仿真结果数据形象化的处理,能够逼真形象地反映通信系统运行状态和通信效能。系统效能分析,根据电磁环境/电波传播模型、通信链路模型以及加载的通信数据,分析通信系统的效能。

图1 通信仿真系统体系结构图

5 仿真结果及分析

计算机仿真基于QualNet仿真器,仿真拓扑如图2所示。图2展示了通过采用多径路由通信方法对抗敌方干扰的有效性。图2(a)表示一个舰艇编队的通信子网布置,其中节点 N1、N3、N5、N6、N7采用S频段组成一个任务子网,节点 N2、N4、N5、N6、N7采用 UHF频段组成一个 UHF任务子网。在图2(b)中,敌方对我舰艇编队实时了通信干扰,干扰频段为 UHF频段,此时我方舰艇N6、N7处于敌方干扰范围之内,UHF通信手段不能够正常通信。由于S波段仍可以进行正常通信,舰艇N6、N7仍处于任务子网中。此时如果N2或者N4若欲与N6或者N7进行通信,无法通过单一子网直接到达,而必须通过跨子网方式进行通信。以N2到N6的通信为例,此时N2应先通过UHF子网将数据发送至N5,然后N5在通过S波段子网将数据报文转发至 N6。图2(c)表示我方将敌方干扰源摧毁后,各任务子网重新建立。此时N2和N6的通信将采用UHF频段。

仿真时间为10min,干扰源起始时间为3min,5min后干扰源被摧毁。即干扰时间为 180s～480s。仿真结果为5次仿真的平均值。

图2 分布式网络抗干扰仿真场景

QualNet仿真场景如图3所示。其中,对网络节点的仿真采用复合模型,即由多个QualNet节点进行组合模拟网络的一个节点。如图2中的节点N5由图 3中的节点9、10、11和20进行模拟,其中节点9模拟网络互连控制器,节点10、11模拟子网路由器,节点20模拟业务子节点。

5.1 时延性能

拓扑如图3所示。建立节点18到节点19的CBR,观测节点19的时延性能,此处的时延指的是节点在10s内接收到的报文的平均时延。如果节点在该时间段内没有接收到报文,则定义其时延为无穷大。仿真结果如图4所示,图中180s～190s的时延尖峰表示此时间区间内未收到数据报文。

从上图中可以看出,在网络受到干扰、拓扑发生变化后,经过短暂的路由中断,节点19在200s～480s内可以采用跨子网路由接收数据报文。如果不采用跨子网路由机制,那么节点19在干扰时间段内将收不到任何数据。由于此时切换到速率更高的S波段子网,因此时延略有下降。在10s～180s内,节点19的数据时延均值为0.23s,而在200s～480s内,采用跨子网路由传输的数据报文平均时延为0.18s。

5.2 吞吐量性能

拓扑如上所示。建立节点18到节点19的CBR,观测节点19的吞吐量性能,如图5所示。在图5中可以看出,在出现干扰的3min～8min(180s～480s)时间内,节点19的吞吐量水平几乎没有变化,这说明网关节点的跨子网路由流程工作正常。值得注意的是,节点19的吞吐量性能在190s下降到0,在200s维持在较低水平。这是由干扰造成的链路中断造成的。由于需要一段时间进行路由自愈重组,因此在此期间会出现吞吐量下降的情况。当子网检测到拓扑变化时,网关会收到该变化,启动跨子网路由发现流程,并采用跨子网路由进行数据传输,从而使得吞吐量性能恢复正常。

6 结语

通过采用多子网及多径路由技术,并且设计合理的多径路由发现和路由维护机制,可以有效提高网络的抗干扰能力,提高网络的健壮性和存活时间。通过计算机仿真验证了该技术和策略的有效性,结果表明敌方干扰未能影响网络的时延和吞吐量性能,网络的抗干扰能力得到了大幅提升。

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[7]S.Xida,W.Qiguo.Study of cross layer design for AODV and Spatial-TDMA protocol in Mobile Ad hoc networks[J].presented at Proceedings-2009 International Conference on Information Technology and Computer Science,ITCS 2009,2009

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,工程师,研究方向:无线通信。饶建国,男,硕士,研究方向:无线通信。商西达,男,博士,研究方向:无线通信。