基于OMNeT++的航母编队网络仿真研究

郝英川

(海军驻石家庄地区通信军事代表室，河北石家庄050081)

0 引言

航母在现代海军作战中起着至关重要的作用，是国家海上军事力量的核心组成部分，是夺取海上制空权和制海权、实现全球战略和战术目标的关键所在。不论在战时还是平时，航母既可担负多种战略任务，又可实施灵活多变的战术攻击任务。

航母的海上行动以航母编队方式进行。航母作为编队的中心，与各种作战舰艇、辅助舰艇以及搭载的战斗机、预警机等一起组成海上战斗群。航母编队还可能与空军、陆军等协同作战，成为海陆空一体化联合作战的战斗群。

航母活动远离海岸，要与岸基指挥所、其他舰艇以及空中飞机保持联络，需要实时准确地传递指挥控制、战场态势等战略战术信息。因此，航母编队通信系统是完成协同作战任务不可或缺的一部分，是航母编队作战和指挥的中枢，也是夺取战争最后胜利的关键。本文以防空战为例，利用OMNeT++建模仿真软件，对航母编队通信系统进行建模仿真，并对仿真结果进行分析。

1 OMNeT++

OMNeT++软件是一种开源的、基于组件的、模块化的和开放的建模仿真平台。可进行通信系统模型仿真、协议仿真、硬件体系结构验证、复杂软件系统性能评估以及任何其他离散事件驱动应用的建模与仿真。具体仿真步骤如下:

①建立网络拓扑文件，定义本仿真实例的网络拓扑结构;

②建立节点模型，使用C++语言实现各节点模型中各模块的功能;

③ 建立一个omnetpp．ini，通过这个文件告知仿真工具目前所仿真网络的名称，还可以通过这个文件改变网络模块中参量的值，而不必重新编译;

④编译、链接这些文件，生成可执行文件，并运行该仿真程序;

⑤记录仿真程序运行情况，并根据运行结果图中的数据分析网络性能。

2 航母编队通信系统建模

一个典型的航母战斗群通常编配有航空母舰、若干艘护卫舰、驱逐舰、巡逻舰以及舰载飞机。航母编队借助于飞机的高度机动性，把控制区域扩大到方圆几百海里的范围。航母编队的作战被划分以下几种海战职能:防空战、反舰作战、加强反潜战、战区反潜战、战略反潜战、攻击战、两栖作战、空间和电子战、水陆两栖作战及反导作战等。

以防空战为例，对航母编队通信系统进行建模仿真，分析其在海战中的应用情况。防空战是航母编队对攻击机、轰炸机空中发射、海上发射和岸基发射的反舰导弹的防御。防空战的作战半径大于400 km(220 n mile)。在防空战中，航母上的海军战术数据系统(NTDS)通过目标数据处理器来处理联络报告，并通过Link11数据链交换和分发数据。一般情况下，威胁源首先由预警机或哨舰发现，通过Link11数据链，将威胁源动态数据传给NTDS的各个节点。空战中，在预警机与战斗机间靠Link4A数据链实现双向数据交换或由地面向中央处理机传送指令。防空战各个分队的详细通信示意图如图1所示。

图1 防空战的通信示意图

3 通信系统仿真

3．1 仿真场景设计

航母编队通信仿真系统由岸基指挥所和海军通信站以及航母编队组成，航母编队包括航空母舰、护卫舰艇编队、哨舰、预警机和战斗机等。

航母编队通过Link11数据链完成舰艇编队各节点监视信息、状态信息等平时信息的交换和分发。当发现异常情况时，由预警机和哨舰通过Link11数据链将敌情信息实时上报给岸基指挥所，岸基指挥所再将指挥命令通过Link4A数据链发送给战斗机，并对其进行引导控制。具体信号流程如图2所示。

图2 战术数据链指挥流程

3．2 节点模型设计

根据航母编队防空战任务以及所采用的各种传输手段的特点，节点模型参考OSI模型，省略会话层与表示层，其体系结构共分为物理层、数据链路层、网络层、传输层和应用层5层。其中用户节点包含5层功能;中继舰艇和中继飞机作为通信节点只实现网络层、链路层和物理层功能。

物理层主要功能是完成比特流在各种信道中的可靠传输;数据链路层主要完成相邻节点间点到点的可靠传输，包括帧同步、差错控制和流量控制等功能，并实现Link11和Link4A等链路协议功能;网络层需具有路由选择功能、网络分组数据逐跳保管传输功能以及网络接口的适配功能，并可兼顾多种数据链路协议;传输层负责保障数据包的端到端的可靠传输及网络流量控制等功能;应用层负责随机产生不同业务数据包，并完成仿真结果的统计。

3．3 仿真参数设计

仿真参数包括仿真时间、节点数、移动节点移动速度、发送时间间隔和信道参数等值。在本仿真中，仿真时间设为10 h，节点数为14个，其中A0为航母;A1为哨舰;A2为战斗机;A3～A5和A8～A9为护卫舰艇编队;A6为中继舰艇;A7为预警机;A11为海军通信站;A12为中继飞机;A13为岸基指挥所。A1、A3、A7和A8直接与A0通信，A4和 A5通过A3中继转发与A0通信，A9和A10通过A8中继转发与A0通信，A2通过A6中继转发与A0通信，A13通过A11直接或经由无人机中继转发与A0通信，机载移动速度100 m/s，舰载移动速度20 m/s。信道模型采用OMNeT++平台的抽象模型，Link11的信息传输速率为2 400 bps，Link4A的信息传输速率为5 kbps，在时间窗口区间内［T1，T2］随机停留一个时间作为时延。数据包发送间隔时间为服从指数分布的伪随机数，平时航母编队数据交换和分发的时间间隔设为60 s;异常情况间隔设为600 s。仿真运行场景图如图3所示。

图3 仿真运行场景

4 仿真结果分析

仿真结果包括时延、吞吐量、信道利用率和丢包率等。下面以时延和吞吐量为例，对仿真结果进行分析。

i节点到j节点之间的数据包的平均时延为:

式中，NRij为i节点收到j节点数据包的数量。

网络平均时延为:

式中，n为节点数量。

i节点到j节点之间的吞吐量为:

式中，LRij为i节点收到j节点应答的数据包长度;T为仿真运行时间。

网络总吞吐量为:

OMNET++提供2种性能结果分析工具，即矢量分析工具Plove和标量分析工具Scalars。矢量分析工具Plove用于仿真过程中向量文件的在线观测或仿真结束后统计;标量分析工具Scalars用于仿真结束后分析总的统计量。图4和图5分别为使用Scalars得到的链路时延和节点吞吐量的仿真结果。由图4和图5可以看出，需要中继转发的链路时延较长，而航空母舰A0和含转发功能的护卫舰A3节点的吞吐量最大，这是因为经由它们交换和分发的数据最多。

图4 链路时延仿真结果

图5 节点吞吐量仿真结果

5 结束语

介绍了航母编队的作战流程，并据此对防空站进行了系统建模设计:航母编队通过Link11数据链完成各节点间平时数据的交换和分发，通过Link11数据链完成敌情信息的上报，通过Link4A数据链完成战斗指令的下发;节点模型参考OSI模型分层设计并实现功能，根据本系统特点简化为物理层、数据链路层、网络层、传输层和应用层5层。系统建模完成后，对仿真参数进行了设置，对航母编队的通信流程以及通信协议进行了仿真，并使用标量分析工具Scalars对时延和吞吐量的仿真结果进行了分析。本文的建模方法和设计思路能够为其他海军通信系统的建模仿真提供参考。

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