基于半实物仿真的通信对抗效能评估研究

2014-10-18刘校矢

无线电工程 2014年8期

刘校矢

(广州海格通信集团股份有限公司，广东广州 510663)

0 引言

随着战争形式向“网络为中心”转变，以战术互联网为首的外军通信装备已形成了多层级、多体系、多维度的立体通信网络，大大提高了通信系统的健壮性与抗毁性。一方面是通信链路的抗干扰能力已大大提高，如PR4G电台具有多种抗干扰波形，且能抗70%阻塞干扰;另一方面，由于通信网络本身具有自组织、自恢复功能，导致部分链路失效对网络通信能力的影响小，单一网络节点失效很难阻断网络通信。为了适应未来战争的需要，实现从“信号战”向“信息战”的转变，必须研究以美军战术互联网为目标的通信对抗目标仿真及干扰效能评估技术［1－3］，以便为国内网络侦察与干扰产品的研制提供作战效能检验依据。

1 美军初级战术互联网

就美军初级战术互联网结构而言，分为上层的战场地域通信网和下层的战术电台互联网［4］。上层战场地域通信网属军师战术通信网络，主要连接旅级以上的作战指挥单元;下层战术电台互联网属旅和旅以下的战术通信网络，主要用于连接旅和旅以下作战单元，具体包括EPLRS网络和SINCGARS网络［5，6］。EPLRS网络作为主要通信设备的态势感知数据网，用于支持旅/营之间的近实时数据分发和位置导航服务;SINCGARS网络作为主要通信设备的末端用户分组无线网，主要用于保障连以下用户的话音与数据通信。

2 美军目标网络模拟系统构建

为了验证针对美军初级战术互联网侦察与干扰技术的有效性，需构建战术电台互联网模拟系统，并尽量确保各种传输设备、传输信道、网络节点、网络拓扑、业务种类和网络流量模型在原理和功能上与实物基本吻合。但是，无论是从战术电台互联网模拟系统的设备种类、数量和成本来看，还是从各种应用模式、信道模型来看，用全实物的方式都难以有效验证针对目标对象的侦察、干扰效果。因此，构建战术电台互联网模拟系统以实物通信设备为主，软件模拟部分通信设备、信道条件为辅，形成实物与计算机仿真相结合的半实物仿真环境［7］。

构建思想:以INC、EPLRS和SINCGARS网络模拟通信设备为基础，基于HLA/RTI分布式仿真技术，依托OPNET仿真平台，构建模拟实物设备、软件仿真一体化的半实物战术电台互联网模拟系统，其中实物网络主要包括SINCGARS等网络模拟系统，如图1所示。

图1 半实物战术电台互联网侦察系统

3 目标网络软件仿真设计

基于战术电台互联网模拟系统总体框架设计，通过分析美军 JTA、建模与仿真主计划(Modeling＆Simulation Master Plan)相关HLA的技术标准、协议，研究美军NETWARS仿真系统的相关建模方法(OPFAC、OE和SE)系统结构、基于HLA的可重用建模技术，建立战术互联网仿真系统的通信作战想定业务仿真、目标网络节点设备仿真、目标网络拓扑结构仿真、目标网络节点移动仿真、目标网络通信环境仿真、网络侦察与干扰仿真和网络干扰效能评估［8］，如图2 所示。

图2 战术电台互联网通信、侦察仿真系统

3.1 通信作战想定业务仿真

通信作战想定网络业务发生器如图3所示，通信作战想定业务仿真可根据实际应用，同时基于各类业务流量的统计与分布特性(包大小、包到达率、包转发率和链路容量等)，产生不同的业务流量，并可将业务流量加载于指定的网络(源/目的)节点。

图3 通信作战想定网络业务发生器

3.2 目标网络节点设备仿真

网络节点设备包括:INC、EPLRS和SINCGARS等通信设备，各设备仿真主要包括以下4类模块:

①源模块:实现作战想定业务模型在设备节点的加载，可以基于OPNET EMA API标准进行规范和定义，以支持多种业务流量的接入和适配;

②网络层模块:实现多种协议的堆栈，主要包括EPLRS网络协议 OSPF、SINCGARS网络协议MIL-STD-188-220B/C/D和PR4G网络协议等，这些专用路由协议算法模块需要根据标准规范自行开发;

③链路层模块:包括仿真各种战术电台的接入控制与信道资源算法和纠错算法，标准的TDMA和时隙ALOHA/CSMA无线接入协议可基于OPNET标准模块过程得到，专用协议算法模块需根据标准规范自行开发;

④物理层模块:形式上是OPNET的标准发射机/接收机对，对不同的战术电台设备，由于调制解调算法、加密算法和物理帧结构的不同，仍需根据OPNET的标准结构进行自行开发［9－12］。一般使用MATLAB构建信道、调制和解调等物理层模型，并将原来的OPNET网络仿真器自带的抽象模型中的物理层和信道的计算，替换成为MATLAB模型进行计算，如图4所示。

图4 基于MATLAB的目标网络物理层信道仿真

3.3 目标网络拓扑结构仿真

网络拓扑结构仿真包括两部分:一类是网络拓扑结构的初始化模型(网络节点个数、链路特性及节点间的连接关系与连通性);另一类是网络拓扑结构变化模型(网络各个节点的移动特性模型、网络链路性能变化模型和网络路径损耗模型)。

根据战术电台互联网的一般作战应用，网络拓扑多级分层分布式结构，主要包括EPLRS为主的高速骨干分组无线网、SINCGARS为主的接入网和SINCGARS为主的末端用户分组无线网。分组无线网的拓扑结构生成方法如图5所示。

图5 目标网络拓扑结构生成方式

3.4 目标网络节点移动仿真

目标网络节点移动仿真主要反应战术电台互联网的移动特性，有多种实现方法:一种是直接采用仿真工具OPNET自带的定义节点运动轨迹菜单，直接通过拖、放和节点停留时间等操作来定义某电台的运动轨迹;另一种方法就是根据战术电台互联网作战要求设置节点运动速度、运动区域，通过运用C语言编程编写函数，来定义节点运动速度、方向等。

3.5 目标网络通信环境仿真

目标网络通信环境仿真主要给出网络构建的地形、地理模型等。地理/地形环境直接影响网络仿真的效果，不同的地理/地形下，节点之间的通信距离、地形遮挡等都有可能造成网络拓扑的变化。基于地理/地形数据库及多种地理/地形电子地图，通过数据采集或数字地图的数据提取、转换工具，将所需特征数据、DEM数据导入MultigenCreatorPor(MultiGen公司)等三维实时建模工具中，以构建三维地形模型等网络通信环境模型，在网络仿真中逼真地模拟真实地理环境。

4 网络侦察、干扰仿真设计

4.1 网络侦察仿真

基于目标网络系统的收发流程，按照协议分层的方式，在接收方实现信号接收后，在物理层进行调制模式等识别;在链路层进行交织、编码、扰码和信道接入方式等识别;在网络层进行网络拓扑识别、关键节点发现等;在应用层进行FTP等上层协议的识别，如图6所示。

图6 目标网络侦察仿真

4.2 网络干扰仿真

同网络侦察一样，按照协议分层的方式，在物理层进行同步头、勤务信息和信道均衡等干扰;在链路层进行ACK/RTS/CTS欺骗干扰、关键节点干扰和存储转发式干扰等;在网络层进行虚假路由请求、路由黑洞等入侵式干扰［13］，如图7所示。

图7 目标网络干扰仿真

4.3 网络干扰效能评估模型

为了对网络干扰效能进行有效评估，需进行多种干扰效果数据的统计分析，包括话音呼损率、数据丢包率、平均时延和网络吞吐量等［14，15］。实际评估时，可根据网络和节点/链路模型的运行结果在网络级、节点级和链路级进行统计分析，相关指标如图8所示。

图8 网络干扰效能评估指标

①链路级:对于链路级的干扰效能评估，主要从2个节点之间通信链路统计分析链路误码率、链路误帧率和信道利用率等。

②节点级:对于节点级的干扰效能评估，主要从传输方面主要检测传输设备误码率、同步失败率、节点拥塞度和节点误码率等。

③网络级:对于网络级的干扰效能评估，主要从分组成功率、话音呼损率、网络吞吐量、平均传输时延、信道利用率、网络连通度、节点连通度和链路损失率等。

5 结束语

目标通信网络建立与通信网络对抗仿真技术的研究，将弥补我国在基础设施建设和现代网络信息战研究方面的不足，为制定合理的通信网络安全保障措施和制定对敌方有效的通信网络攻击策略提供实践方法和理论依据。本文针对美军初级战术互联网目标通信网络建立及对抗仿真体系做了一定的探索研究，旨在说明通信网络对抗仿真的重要性及可行性，以期达到抛砖引玉的效果。 ■

［1］李艳斌.通信电子战面临的挑战［J］.无线电通信技术，2013，39(2):1 －3.

［2］谢军.电子对抗组网仿真技术研究［J］.无线电工程，2011，41(4):56 －58，61.

［3］陈静，杨明.通信抗干扰训练效果评估方法研究［J］.无线电通信技术，2011，37(1):47 －49.

［4］王猛，孟晓波，陈伟.美军战术通信网络发展简介［J］.电子对抗，2007(3):45 －46.

［5］喻飞.战术互联网对抗技术研究［D］.西安:西安电子科技大学，2009.

［6］汤少钰.战术互联网侦察技术研究［D］.西安:西安电子科技大学，2009.

［7］周丽丽，张宗恕.一种OPNET网络仿真与实物终端的互联实现［J］.无线电工程，2011，41(6):15 －18.

［8］孔令涛，汤浩.战术通信无线传播研究［J］.无线电通信技术，2011，37(3):26 －29.

［9］刘秀文.基于HLA的多传感器侦察系统仿真技术［J］.无线电工程，2011，41(11):22 －24，45.

［10］王满喜，聂皞，孙武.复杂环境下电波传播损耗的测试与仿真［J］.无线电工程，2012，42(3):47－50.

［11］李大为.基于无线移动信道建模与仿真技术探究［J］.无线电通信技术，2013，39(2):32 －35.

［12］白立锋，闫宁.通信系统中调制类型自动识别方法分析［J］.无线电通信技术，2011，37(4):59 －61.