军用通信组网模拟训练系统的设计

文/蔡锦华

随着计算机通信技术的飞速发展和我军数字化建设的不断深入,日益突出的数字化部队装备训练问题使得采用模拟器进行武器装备的操作和通信组网训练成为了新的发展趋势。由于当前装备我军的信息化装备技术先进，操作使用复杂，部队官兵掌握起来比较困难。因此如何在数字化部队的建设过程中，同步或提前开展新装备的训练，使新装备尽快形成战斗力，是一项必须要解决的课题。

本文利用计算机网络技术和虚拟仿真技术对军用通信组网系统相应的模拟训练器进行开发。军用通信组网模拟训练系统可以实装通信组网进行模拟，进行实装通信设备的操作使用训练和联动训练，并为战术指挥、射击指挥等指挥信息系统提供话音、图文、数据报的通信链路。可以用于单装教学与指挥信息系统建链组网训练以及综合演练。该系统解决了借助实装进行操作训练带来的不便和资源大量浪费的问题，简化训练保障条件，减少实装和物资器材的损耗，节省经费，可提高部队信息化装备的训练质量和训练效益。

1 系统构成和基本工作原理

军用通信组网模拟训练系统由通信管理服务器、半实物设备节点、半实物+计算机虚拟设备节点、计算机虚拟设备节点等组成，各节点有通信设备模拟器（短波电台模拟设备、超短波电台模拟设备、高速电台模拟设备、通信控制器模拟设备等）、模拟网关设备等半实物仿真模拟器、计算机仿真虚拟设备、指控计算机、网关模拟设备等。

单体设备模拟器作为一个通信节点中的端点，对通信控制软件上报当前工作参数，通信控制软件根据参数匹配规则对比相关参数信息，生成通话组网信息表。通信控制软件通知SIP服务器软件把相应的电台模拟设备或通信控制机模拟器加入一个会议，任意一台电台模拟设备或通信控制机模拟器按下PTT话音输入时会议中的其它对应的电台模拟设备或通信控制机模拟器就能听到话音。

通信控制软件通过对电台模拟设备或通信控制机模拟器当前数传参数的匹配情况以及当前参数的判断，建立数传组网信息表，同时下发组网信息到各通信节点的网关模拟设备，从而实现对通信节点间数传的通断、传输速率的控制。所有的节点间通信的数据必须经由网关模拟设备处理转发，这也是进行节点间电台通信干扰的必要条件。通信控制软件根据通信干扰模型计算后发送干扰信息到各通信节点的网关模拟设备，可以通过修改数据带宽或数据干扰仿真处理以达到电台干扰效果仿真的目的。军用通信组网模拟训练系统的网络组织架构图如图1所示。

2 通信干扰模拟

电磁环境仿真是军用通信组网模拟训练系统重要的一部分，为部队提供近似实战的训练和检验武器效能提供真实、客观的训练环境，有利于严格摔打锻炼部队，增强部队信心，将大大提高我军在信息化背景下作战的能力。在未来战场，通信模拟器只有具备了很强的通信抗干扰能力，才能保证我军整个通信系统在未来战场上充分发挥效能。

图1:军用通信组网模拟训练系统的网络组织架构图

为再现通信设备在复杂电磁环境下的通信效果，训练操作人员快速应对电磁变化，有效对抗电磁干扰的能力，军用通信组网模拟训练系统能模拟系统各分节点通信信道链路干扰效果，可以根据导调下发的分节点环境参数、位置信息、干扰源种类形成相应等级的干扰效果，体现到话音、数传相应等级的丢包、错包处理，导致应用软件数据包出现发送失败，以及话音通话出现背景噪音或断续。干扰模拟模块使用Simulink实现，其数据接口使用MATLAB/Simulink内置的C++接口函数与外部程序对接。

通信干扰模拟分成为模拟天然电磁干扰与模拟人为电磁干扰两部分。

2.1 天然噪声干扰分为以下几种

（1）大气噪声干扰。通常来说，大气噪声包括背景噪声和脉冲噪声两部分：

而脉冲噪声可以由式表示：

τ1，τ2，τm是脉冲延迟序列，α1，α2，αm是脉冲延迟序列的幅度序列。

（2）地面杂乱发射干扰。由于复杂地形地面对电磁波存在折射效应和散射效应，从而引起电磁波的直达波与经由地面反射的电磁波相互叠加，形成地面杂乱发射干扰现象。

（3）电台内部噪声。电台内部噪声是由电台电路中的电压和电流起伏,以及电阻和复数阻抗实部中电子起伏产生的。在1012Hz以下的频率范围内,噪声电压的频谱密度是固定不变的,可以表示为：

式中K为玻尔兹曼常数，T为绝对温度，R为电阻。

（4）天线噪声。天线上的天然干扰可以看作高斯白噪声，概率密度函数为：

2.2 人为电磁干扰

（1）人为电磁干扰按照干扰的方式将其划分成欺骗性干扰和压制性干扰。其中压制性干扰顾名思义利用较强的电磁波抑制以及破坏对方通信的条件。压制性干扰表达式一般形式是：

式中，N(t)是干扰振幅，ωc是干扰载频，ψ(t)是干扰相位。

（2）欺骗性干扰采取伪装敌方的工作方式，发出错误指令，引起敌方通信失误或时间延误，对己方有利的行动。通常来说，欺骗性干扰是有计划执行的，采取伪装变化己方电磁形象来实现对敌方的通信活动侦察。

同时地理因素对无线通信传输的影响较大，不同的地形条件产生的路径损耗具有明显的差异，利用GIS的空间分析功可以进行数字地形分析。GIS系统中包含地形高度、地表覆盖等对无线电波传播有重要影响的地理信息,从数字地图中可以直接获取通信双方准确的地理坐标和距离,这些信息用于对无线电信号传播损耗进行预测。

当电台模拟设备通话模式为模话时，受到干扰会出现噪声现象，该现象采用音频融合技术实现。通信规划软件的SIP服务模块中存储了多种噪声音频数据，当电台模拟设备受到干扰后，SIP服务模块对电台模拟设备收到的音频数据进行融合处理，叠加噪声音频数据，此时用户听到的话音是融合后带噪声的话音。电台模拟设备通话模式为数话时，通信规划软件会根据干扰信息计算干扰等级，并通知模拟网关设备，后者在运行过程中能实时监控经过的各种话音、数据包，当其收到命令后会根据命令中的干扰等级对受干扰电台模拟设备接收的话音包采用随机添加无效包、丢包等技术手段进行处理，从而模拟出话音断续的现象。

数传干扰的原理与数话类似，若该节点受到干扰，通信规划软件会根据干扰信息计算干扰等级，并通知模拟网关设备，后者在其收到命令后会根据命令中的干扰等级对受干扰指挥节点接收的数据包采用随机添加无效包、丢包、延迟发送等技术手段进行处理，从而模拟出数据丢包、错包、延迟等现象。同时通信规划软件根据组网建链信令，对各模拟设备的匹配参数情况进行判断，从而控制各设备之间的数传通信链路的通断。

3 系统设计

3.1 系统组网

军用通信组网模拟训练系统的组网形式是以三层交换机为中心节点构成星型组网拓扑结构，每个模拟指挥节点作为星型拓扑网络的一个分节点连接在三层交换机上，模拟指挥节点的数量可以按照训练编组进行的配置。每个模拟指挥节点内的通信单体设备模拟器和计算机仿真虚拟设备都以模拟网关设备为网关连接在三层网络交换机上，各类模拟器的数量可以按照用户需求自由组合、编配。

在各节点中加入指控计算机及指控软件后可形成指挥模拟训练系统。当系统规模较大时，可采用计算机虚拟设备节点和计算机仿真虚拟设备代替相应节点和设备，节约系统成本，保障训练效果。系统组网灵活，配置方便，规模可控，扩容简单，经济效益好。

3.2 通信设备模拟器

通信设备模拟器设计采用模块化设计，由键显模块、业务模块和外壳组成。

键显模块完成界面显示和按键操作使用，根据用户输入完成信息采集，实现参数存储、参数上报等功能，以及展开、撤收训练的设备开关电的功能，同时通过和训练考评软件交互，下发根据电台配置参数构成的网络拓扑信令，进行组网训练。

业务模块则需要完成控制信令解析功能、话音处理、SIP信令交互功能、收发控制功能。控制信令解析功能实现了来自导控和训练考评软件的控制信令的解析，当接收到信令包是导控下发保障维修信令时，通知键显软件进行对应故障设置指示或清除。话音处理功能主要是完成话音编解码芯片的驱动，以支持PCM到PCMA格式G711数据的相互转换工程。嵌入式SIP终端软件由话音处理模块、SIP信令交互模块和收发控制模块组成。为了能更加贴近实装，真正达到训练目的，要求通信设备模拟器具有按照类型不同、模式不同、参数不同等条件进行快速匹配、快速组网；能组织多台不同类型通信设备模拟器组成一个或多个话音网络实现单呼、组呼、网呼的功能。

3.3 计算机虚拟设备

通过LabVIEW开发平台设计计算机虚拟设备，这样可以节约成本，适合大规模部署。LabVIEW作为虚拟仪器应用程序的开发平台，避免了复杂、烦琐、费时的文本式编程语言，而代之以图形化的软件设计方法[8]。LabVIEW支持的数据类型有数值型、文本型、布尔型、字符串型等，它还支持顺序、循环、选择、条件等结构框架。同时LabVIEW也是一种通用编程系统，具有各种各样、功能强大的函数库，包括数据采集、GPIB、串行仪器控制、数据分析、数据显示及数据存储和网络功能。合理利用LabVIEW图形语言的一些特性，能提高软件的性能和执行效率。LabVIEW开发平台提供多线程的编写模式，因为在图形化的编程环境中，用户可以很容易的看到并行代码。另外，LabVIEW把线程管理、线程间通信等复杂操作封装起来，因此用户能够很容易的开发多线程程序。Datasocket是LabVIEW提供的一种网络传输技术，它建立在TCP/IP协议的基础之上，但是却不用进行复杂的底层TCP编程，就可以通过计算机网络向远端的终端同时广播现场的数据。Datasocket由Datasocket API和Datasocket Server两部分组成。DatasocketAPI是用于用户访问网络数据的接口，Datasocket Server负责提供DSTP协议和管理底层网络通信。Datasocket API是协议独立的、编程语言独立和操作系统独立的用语简化二进制数据传输的API。它的实现方式可以是ActiveX控件、LabWindows/CVI C代码库或一系列LabVIEW VI，因此可以在任何编程环境中使用它。Datasocket Server是一个轻量级的独立组件。Datasocket API访问DSTP对象就是通过访问它来实现数据的高速传输的。Datasocket Server通过自动管理与客户端的连接，从而极大简化了TCP编程，用户可以不用了解任何TCP/IP编程的知识。

通过LabVIEW中提供丰富的控件组合设计设备显示面板。在LabVIEW中利用其提供的动态程序控制技术和LabVIEW自带函数可以得到计算机的IP地址来完成组网通信。采用Matlab自带的RTW工具包把电磁环境仿真模型生成DLL文件，利用LabVIEW所提供的DLL接口与其进行交互式仿真。RTW(Real-Time Workshop)是MATLAB图形建模和仿真环境Simulink的一个重要的补充功能模块，它是一个基于MATLAB/Simulink的代码自动生成环境。它能直接从MATLAB/Simulink的模型中产生优化的、可移植的和个性化的代码,或生成可在不同的快速原型化实时环境或产品目标下运行的程序。另外,RTW提供自定义目标配置功能，用户可根据自己的需要定制代码的格式和应用程序的类型。在通信模块中运用了多线程技术，接收语音模块和发送语音模块同时运行。接收语音模块从网络中接收到语音信号后，通过仿真模块的处理送到声卡，而声卡同时也采集从话筒所传的声音经过仿真模块后发送到网络。数据传输的流向与语音是类似的。通过LabVIEW开发平台设计计算机仿真虚拟设备，通过DLL接口工具完成Simulink电磁环境的仿真的无缝连接。

该计算机仿真虚拟设备因为易于维护、具备成本优势便于大规模训练使用。解决了部队规模教学训练硬件资源不足的瓶颈问题，同时可以和半实物模拟设备混合组网，极大地提高了部队训练的灵活性和扩展性。

3.4 模拟网关设备

模拟网关设备需要完成通信设备模拟器、计算机仿真虚拟设备以及指挥席位指控计算机的接入，以及网络数据包的交换、转发和丢包、错包和流量控制处理，以达到数据交换和干扰模拟训练的效果。模拟网关设备软件由数据交换模块、状态指示管理模块、转发控制模块和信息管理模块组成。

数据交换主要完成了节点之间的话音数据、指控数据和协议信令数据的交换传输的功能，统一将节点内所有模拟器的数据流传输到三层网络交换机进行节点间数据交互。

转发控制模块是实现干扰效果仿真功能的关键，由于在模拟通信组网系统中，所有的节点内通信模拟设备都接在模拟网关设备上，所有的数据都统一经由模拟网关设备转发给三层网络交换机。在模拟网关设备底层网络数据处理采用QoS技术进行流量控制处理来管理信道带宽。同时在模拟网关设备中对Linux内核的协议栈进行二次开发，实现可以响应导控下发的干扰信令。对干扰效果进行仿真模拟采用的是对指定设备IP地址的话音数据包进行丢包处理，即产生话音断续的效果，数据包进行随机处理则可以产生话音不清晰的效果。

3.5 通信管理服务器

通信管理服务器采用是FreeSwitch服务器，它是一个跨平台，且代码完全开源的电话交换平台，能够支持标准的SIP协议的交互，可以提供一个稳定的通话组网平台。

组网训练系统当中的每个通信设备模拟器都包含有SIP客户端模块软件，每个通信设备模拟器在FreeSwitch服务器上都会注册唯一的用户ID，通信规划软件根据组网拓扑情况，构建对应的无线话音或是有线话音链接，调用FreeSwitch的SDK接口将对应SIP终端用户拉入同一会议当中，通过软交换处理建立了话音通信链路的构建，实现了配置参数匹配成功的通信设备模拟器间的话音通话功能。

通信控制软件运行在通信管理服务器上，由网络规划模块、数据管理模块、参数匹配模块、交换机控制模块、会话控制模块、数据收发模块、组网图绘制模块组成。主要实现通信组网的控制。通过配置实现网络规划，管理各模拟设备上报的参数设置信息。通信控制软件通过对通信模拟器当前数传参数的匹配情况以及当前参数的判断，建立数传组网信息，同时下发组网信息到各节点的模拟网关设备，从而实现对节点间数传的通断、传输速率、丢包、错包的控制。如果两节点间数传组网参数匹配成功，那么两节点的指控计算机间就可以实现数传，形成指挥控制模拟训练系统。

4 结论

本文以基于TCP/IP局域网的军用通信组网训练系统，加上战场通信环境的模拟，可以为部队提供近似实装训练和实战训练环境。半实物通信设备模拟器的外观接口、操作方式、显示界面和状态指示与实际装备保持一致,受训人员在模拟设备上操作时，获得的视觉效果和操作感受与在实际设备上相同。计算机虚拟设易于维护，具备成本优势便于大规模训练使用，可以和半实物通信设备模拟器混合组网，解决了部队、院校规模教学训练硬件资源不足的瓶颈问题。各节点可灵活增加指控计算机，形成指挥模拟训练系统，系统组织灵活，扩容简单，扩展性好，极大地提高了产品在部队、院校指控通信训练适用性。