林中華　謝玉川

摘 要 本文在分析近期數(shù)字化電臺(tái)網(wǎng)（NTDR，Near Term Digital Radio）的基礎(chǔ)上，利用OPNET網(wǎng)絡(luò)仿真平臺(tái)對(duì)NTDR網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了建模。在不同網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議情況下對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能進(jìn)行仿真分析，仿真結(jié)果與理論基本一致，從而為對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)無(wú)線自組網(wǎng)的進(jìn)一步研究與設(shè)計(jì)提供了現(xiàn)實(shí)基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞 戰(zhàn)場(chǎng)無(wú)線自組網(wǎng) NTDR OPNET 網(wǎng)絡(luò)仿真

1 引言

在現(xiàn)代戰(zhàn)場(chǎng)上，各種軍事車輛間、士兵間、士兵與軍事車輛之間都需要保持密切的聯(lián)系，以完成指揮、部署和協(xié)調(diào)作戰(zhàn)。信息化條件作戰(zhàn)，戰(zhàn)場(chǎng)電磁環(huán)境極其復(fù)雜。為了滿足信息戰(zhàn)和數(shù)字化戰(zhàn)場(chǎng)的需要，具有抗毀性強(qiáng)、自恢復(fù)、部署迅速等特點(diǎn)的無(wú)線Ad hoc網(wǎng)成為戰(zhàn)場(chǎng)通信的首選技術(shù)。如今，Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)技術(shù)已成為美軍戰(zhàn)術(shù)互聯(lián)網(wǎng)的核心技術(shù)。美軍研制了大量的無(wú)線自組織網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，用于單兵、車載、指揮所等不同的場(chǎng)合，并大量裝備部隊(duì)。

目前對(duì)Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的研究逐漸成為一個(gè)熱點(diǎn)問(wèn)題，對(duì)民用Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景建模的研究比較多，但是對(duì)結(jié)合軍事應(yīng)用的研究卻相對(duì)較少。尤其是到目前為止在公開(kāi)發(fā)表的文章中沒(méi)有針對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)無(wú)線自組網(wǎng)NTDR網(wǎng)絡(luò)的研究，一般都只有對(duì)該網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的概述[1][2][3]。由于構(gòu)建真實(shí)的戰(zhàn)場(chǎng)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)需要耗費(fèi)巨大的人力和財(cái)力，而且還具有一定的不確定性。因此對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)無(wú)線自組網(wǎng)進(jìn)行建模仿真就顯得尤為重要。本文通過(guò)分析對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)無(wú)線自組網(wǎng)系統(tǒng)NTDR，對(duì)各節(jié)點(diǎn)仿真實(shí)現(xiàn)其主要功能，設(shè)計(jì)合理的網(wǎng)絡(luò)模型。為對(duì)其進(jìn)一步的研究打下基礎(chǔ)，具有一定的理論意義。

2 戰(zhàn)場(chǎng)無(wú)線自組網(wǎng)的特點(diǎn)及應(yīng)用

2.1 戰(zhàn)場(chǎng)無(wú)線自組網(wǎng)的特點(diǎn)

根據(jù)部隊(duì)的編制體制和參戰(zhàn)規(guī)模的關(guān)系，在戰(zhàn)場(chǎng)上通常使用分層次的無(wú)線自組網(wǎng)。士兵攜帶具有通訊和感知能力的移動(dòng)終端，相互之間以多跳形式通信，并將自身位置以及搜集到的地形、聲音、圖像等戰(zhàn)場(chǎng)信息報(bào)告給分隊(duì)指揮所。分隊(duì)指揮所對(duì)信息進(jìn)行分析，決策，并向士兵下達(dá)作戰(zhàn)命令，必要時(shí)，通過(guò)遠(yuǎn)距離通信設(shè)備與上級(jí)指揮中心或其他分隊(duì)聯(lián)絡(luò)。

分級(jí)結(jié)構(gòu)易于實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)性管理和保障通信業(yè)務(wù)的服務(wù)質(zhì)量。因此，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)規(guī)模較大并需要提供一定的服務(wù)質(zhì)量保障時(shí)宜采用分級(jí)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。分層結(jié)構(gòu)具有管理方便，網(wǎng)絡(luò)維護(hù)開(kāi)銷小等優(yōu)點(diǎn)，是軍事無(wú)線自組網(wǎng)的重要特點(diǎn)和發(fā)展的趨勢(shì)。盡管無(wú)物理中心節(jié)點(diǎn)，但是具有邏輯上的簇頭，簇頭可通過(guò)簇頭選舉算法產(chǎn)生，使它在那些不能依賴于預(yù)先架設(shè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)施的場(chǎng)合下，依然能夠?qū)崿F(xiàn)臨時(shí)的快速組網(wǎng)。

2.2 近期數(shù)字化電臺(tái)（NTDR）網(wǎng)

當(dāng)前，Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在軍事通信上最為重要的應(yīng)用當(dāng)屬戰(zhàn)術(shù)互聯(lián)網(wǎng)[1]。戰(zhàn)術(shù)互聯(lián)網(wǎng)是互聯(lián)的戰(zhàn)術(shù)無(wú)線電臺(tái)、路由器、計(jì)算機(jī)硬件和軟件的集合，是數(shù)字化部隊(duì)建設(shè)的基礎(chǔ)設(shè)施， 目前唯一進(jìn)入實(shí)用階段的戰(zhàn)術(shù)移動(dòng)自組網(wǎng)絡(luò)是美陸軍在上世紀(jì)末期開(kāi)發(fā)的數(shù)字無(wú)線電系統(tǒng)NTDR[2]（Near Term Digital Radio），已作為陸軍戰(zhàn)術(shù)互連網(wǎng)的主干網(wǎng)絡(luò)設(shè)備進(jìn)入裝備序列。在移動(dòng)無(wú)線環(huán)境下支持IP數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，以實(shí)現(xiàn)旅或旅以下戰(zhàn)術(shù)作戰(zhàn)中心TOC（TOC，Tactical Operation Center）之間的通信。近期數(shù)字化電臺(tái)網(wǎng)的收、發(fā)信機(jī)通常用在作戰(zhàn)指揮車、指揮控制車、戰(zhàn)術(shù)作戰(zhàn)中心和戰(zhàn)術(shù)指揮所、裝備陸軍機(jī)載指揮控制系統(tǒng)的UH-60直升機(jī)的指揮控制平臺(tái)上[3]。NTDR電臺(tái)可以自動(dòng)地組織成一個(gè)動(dòng)態(tài)的兩層網(wǎng)絡(luò)。在該網(wǎng)絡(luò)中，電臺(tái)分成若干個(gè)群，每個(gè)群由一個(gè)群首和若干成員組成，各個(gè)群的群首構(gòu)成一個(gè)骨干網(wǎng)，見(jiàn)圖1所示。

在以簇（Cluster）為基礎(chǔ)的兩層分級(jí)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)NTDR中，普通節(jié)點(diǎn)距群首只有一跳，所有群的群首相互連接構(gòu)成骨干網(wǎng)絡(luò)。NTDR結(jié)構(gòu)將相鄰群之間的通信限制在只能通過(guò)群首完成。NTDR分群方案是專門為了應(yīng)付戰(zhàn)術(shù)網(wǎng)絡(luò)中可能出現(xiàn)的頻繁的節(jié)點(diǎn)移動(dòng)和節(jié)點(diǎn)失效而特別設(shè)計(jì)的。每部電臺(tái)最大運(yùn)行功率是20W，在225～450MHZ工作頻率范圍內(nèi)，電臺(tái)的通信覆蓋范圍約為10～20km。由于每部電臺(tái)都可充當(dāng)一個(gè)信息中繼點(diǎn)，因此整個(gè)系統(tǒng)的有效通信范圍可達(dá)數(shù)百公里。2003年4月美軍第四師在伊拉克戰(zhàn)場(chǎng)上檢驗(yàn)了戰(zhàn)術(shù)互連網(wǎng)的戰(zhàn)術(shù)性能，并給予了很高的評(píng)價(jià)。

3 仿真設(shè)計(jì)方案

3.1 仿真軟件簡(jiǎn)介

建模與仿真技術(shù)是當(dāng)前研究、分析、設(shè)計(jì)、評(píng)估與優(yōu)化通信網(wǎng)絡(luò)的最有效的工具。在美軍眾多的戰(zhàn)術(shù)互聯(lián)網(wǎng)仿真系統(tǒng)中，OPNET都是主要的仿真平臺(tái)[4]。

本文選用的建模與仿真工具也是OPNET。它采用三層建模機(jī)制[5]，最底層為進(jìn)程（Process）模型，以狀態(tài)機(jī)來(lái)描述協(xié)議；其次為節(jié)點(diǎn)（Node）模型，由相應(yīng)的協(xié)議模型構(gòu)成，反映設(shè)備特性；最上層為網(wǎng)絡(luò)模型。三層模型和實(shí)際的網(wǎng)絡(luò)、設(shè)備、協(xié)議層次完全對(duì)應(yīng)，全面反映了網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)特性。OPNET采用離散事件驅(qū)動(dòng)的模擬機(jī)理（Discrete event driven），即只有網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)，模擬機(jī)才工作。因此，與時(shí)間驅(qū)動(dòng)相比，離散事件驅(qū)動(dòng)的模擬機(jī)計(jì)算效率得到很大提高。OPNET最初是為有線網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)和規(guī)劃開(kāi)發(fā)的仿真軟件，通過(guò)增加無(wú)線模塊為WLAN、GSM、衛(wèi)星和Ad hoc網(wǎng)絡(luò)仿真提供必須的組件，包括IEEE802.11的MAC協(xié)議和主要的Ad hoc路由協(xié)議。

3.2 網(wǎng)絡(luò)模型

根據(jù)NTDR的技術(shù)特點(diǎn)，建立如圖2所示的網(wǎng)絡(luò)模型。在30km*20km的矩形區(qū)域中，各個(gè)節(jié)點(diǎn)構(gòu)成了兩層結(jié)構(gòu)的戰(zhàn)場(chǎng)無(wú)線自組網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)級(jí)仿真模型，網(wǎng)絡(luò)中的各個(gè)節(jié)點(diǎn)通過(guò)無(wú)線信道模型相互通信。本文仿真中配置了Ftp業(yè)務(wù)。

一個(gè)旅戰(zhàn)術(shù)作戰(zhàn)中心和一個(gè)機(jī)械化營(yíng)戰(zhàn)術(shù)作戰(zhàn)中心、一個(gè)裝甲營(yíng)戰(zhàn)術(shù)作戰(zhàn)中心、一個(gè)步兵營(yíng)戰(zhàn)術(shù)作戰(zhàn)中心構(gòu)成了NTDR網(wǎng)絡(luò)模型的骨干網(wǎng)絡(luò)。旅戰(zhàn)術(shù)作戰(zhàn)中心不僅支持與營(yíng)戰(zhàn)術(shù)作戰(zhàn)中心之間大量數(shù)據(jù)與圖像傳輸，而且還要為旅級(jí)機(jī)載指揮控制系統(tǒng)、作戰(zhàn)指揮車和指揮控制車提供高數(shù)據(jù)率的信息傳送。其功能相當(dāng)于下級(jí)節(jié)點(diǎn)的服務(wù)器；而營(yíng)戰(zhàn)術(shù)作戰(zhàn)中心作為網(wǎng)絡(luò)中的第二級(jí)骨干，不僅要實(shí)現(xiàn)上傳下達(dá)的功能，還要實(shí)現(xiàn)與同級(jí)營(yíng)戰(zhàn)術(shù)作戰(zhàn)中心的數(shù)據(jù)傳輸。普通節(jié)點(diǎn)分別隸屬旅戰(zhàn)術(shù)作戰(zhàn)中心和各營(yíng)戰(zhàn)術(shù)作戰(zhàn)中心。隸屬于同一上級(jí)的節(jié)點(diǎn)之間能夠?qū)崿F(xiàn)互聯(lián)互通，否則就必須通過(guò)各自的上級(jí)進(jìn)行數(shù)據(jù)信息交換。

3.3 節(jié)點(diǎn)模型

本文中的所有仿真節(jié)點(diǎn)都具有相同的節(jié)點(diǎn)模型，從實(shí)現(xiàn)的功能來(lái)分為兩類，骨干節(jié)點(diǎn)和普通節(jié)點(diǎn)。其中，骨干節(jié)點(diǎn)作為NTDR網(wǎng)絡(luò)中的簇頭，實(shí)現(xiàn)戰(zhàn)術(shù)作戰(zhàn)中心的功能；普通節(jié)點(diǎn)具有想同的節(jié)點(diǎn)模型，根據(jù)實(shí)際情況設(shè)置各節(jié)點(diǎn)以分別實(shí)現(xiàn)指揮控制車、作戰(zhàn)指揮車和陸軍機(jī)載指揮控制系統(tǒng)的功能，如圖3所示。

在對(duì)基于移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)分析評(píng)價(jià)時(shí)，選擇一種與現(xiàn)實(shí)情況相符合的移動(dòng)模型是非常重要的。本文自定義了一個(gè)比較符合戰(zhàn)場(chǎng)實(shí)際移動(dòng)情況的模型。每個(gè)節(jié)點(diǎn)在相應(yīng)的區(qū)域內(nèi)移動(dòng)，速度服從（0m，10m）之間的均勻分布。陸軍機(jī)載指揮控制系統(tǒng)在仿真中的高度假設(shè)為100米，其余車載平臺(tái)在平坦的地域，高度為0米。

4 仿真分析

在仿真中，選用不同路由協(xié)議 DSR和AODV并分析比較其在分層無(wú)線自組網(wǎng)中的性能。在戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境下，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)占據(jù)相對(duì)較大比重，所以端到端時(shí)延是網(wǎng)絡(luò)性能評(píng)估的一個(gè)重要參數(shù)，同時(shí)我們還需要重點(diǎn)關(guān)注報(bào)文平均反應(yīng)時(shí)間、路由平均跳數(shù)、吞吐量等參數(shù)的變化情況：從4（a）中可以看出，網(wǎng)絡(luò)中報(bào)文的上傳、下載的平均時(shí)間都在0.03s左右，在數(shù)值上選取DSR路由時(shí)報(bào)文平均反應(yīng)時(shí)間要稍微高于選取AODV時(shí)的平均反應(yīng)時(shí)間。平均跳數(shù)是指網(wǎng)絡(luò)中成功交付的數(shù)據(jù)包所經(jīng)歷的平均跳數(shù)，主要用于表示路由協(xié)議對(duì)多跳數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的影響。從4（b）中可以看出，網(wǎng)絡(luò)中選取DSR時(shí)路由平均跳數(shù)為1.25，而采選取AODV時(shí)路由平均跳數(shù)為1。

吞吐量是衡量網(wǎng)絡(luò)性能的重要參數(shù)，體現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)承載能力，在軍用系統(tǒng)中，該指標(biāo)非常重要，因?yàn)橥ㄐ啪W(wǎng)絡(luò)的擁塞會(huì)導(dǎo)致作戰(zhàn)信息的延遲，從而有可能導(dǎo)致作戰(zhàn)任務(wù)的失敗。從4（c）中可以看出，選取AODV協(xié)議時(shí)網(wǎng)絡(luò)的吞吐量遠(yuǎn)大于選取DSR路由協(xié)議時(shí)的吞吐量，數(shù)值上約是8倍的關(guān)系。

時(shí)延是衡量網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸能力的一個(gè)重要指標(biāo)， 反映了數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)中傳播的效率。從4（d）中可以看出，選取DSR路由協(xié)議時(shí)網(wǎng)絡(luò)時(shí)延要明顯高于選取AODV路由時(shí)。

綜上所述，仿真網(wǎng)絡(luò)在分別選取DSR和AODV路由協(xié)議時(shí)所選參數(shù)在數(shù)值上比較穩(wěn)定，存在一定的差值。對(duì)于報(bào)文傳輸業(yè)務(wù)，時(shí)延和吞吐量的性能指標(biāo)，在比較寬松（即節(jié)點(diǎn)較少和載荷較輕或移動(dòng)性較弱）的環(huán)境中，DSR協(xié)議優(yōu)于AODV協(xié)議，這與文獻(xiàn)[6]的仿真結(jié)論是一致的，從而驗(yàn)證了模型的正確性。

5 結(jié)束語(yǔ)

NTDR作為美軍戰(zhàn)術(shù)互聯(lián)網(wǎng)裝備的重要組成部分，為陸軍戰(zhàn)術(shù)作戰(zhàn)中心、指揮控制平臺(tái)以及選用的情報(bào)共用平臺(tái)的指揮員提供了一個(gè)無(wú)線廣域網(wǎng)，允許指揮員在戰(zhàn)術(shù)指揮中心之間以高數(shù)據(jù)率傳送信息，以支持指揮控制數(shù)據(jù)和圖像信息流。本文使用OPNET仿真軟件，建立了近期數(shù)字無(wú)線電臺(tái)的戰(zhàn)場(chǎng)無(wú)線自組網(wǎng)的仿真模型，根據(jù)裝備的現(xiàn)實(shí)物理情況進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)設(shè)置和業(yè)務(wù)配置，得到了一個(gè)性能比較穩(wěn)定的戰(zhàn)場(chǎng)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，并對(duì)其網(wǎng)絡(luò)性能進(jìn)行分析，為對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)無(wú)線自組網(wǎng)的進(jìn)一步研究提供了基礎(chǔ)，具有一定的參考價(jià)值。（文中所做的研究只是初步的，模型也是有欠缺的，以后工作的方向是完善模型，建立完善的NTDR網(wǎng)絡(luò)仿真平臺(tái)。）

參 考 文 獻(xiàn)

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[5] 陳敏.OPNET網(wǎng)絡(luò)仿真[M].清華大學(xué)出版社，2004

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