基于半實物仿真的通信對抗效能評估研究

劉校矢

(廣州海格通信集團股份有限公司，廣東廣州 510663)

0 引言

隨著戰爭形式向“網絡為中心”轉變，以戰術互聯網為首的外軍通信裝備已形成了多層級、多體系、多維度的立體通信網絡，大大提高了通信系統的健壯性與抗毀性。一方面是通信鏈路的抗干擾能力已大大提高，如PR4G電臺具有多種抗干擾波形，且能抗70%阻塞干擾;另一方面，由于通信網絡本身具有自組織、自恢復功能，導致部分鏈路失效對網絡通信能力的影響小，單一網絡節點失效很難阻斷網絡通信。為了適應未來戰爭的需要，實現從“信號戰”向“信息戰”的轉變，必須研究以美軍戰術互聯網為目標的通信對抗目標仿真及干擾效能評估技術［1－3］，以便為國內網絡偵察與干擾產品的研制提供作戰效能檢驗依據。

1 美軍初級戰術互聯網

就美軍初級戰術互聯網結構而言，分為上層的戰場地域通信網和下層的戰術電臺互聯網［4］。上層戰場地域通信網屬軍師戰術通信網絡，主要連接旅級以上的作戰指揮單元;下層戰術電臺互聯網屬旅和旅以下的戰術通信網絡，主要用于連接旅和旅以下作戰單元，具體包括EPLRS網絡和SINCGARS網絡［5，6］。EPLRS網絡作為主要通信設備的態勢感知數據網，用于支持旅/營之間的近實時數據分發和位置導航服務;SINCGARS網絡作為主要通信設備的末端用戶分組無線網，主要用于保障連以下用戶的話音與數據通信。

2 美軍目標網絡模擬系統構建

為了驗證針對美軍初級戰術互聯網偵察與干擾技術的有效性，需構建戰術電臺互聯網模擬系統，并盡量確保各種傳輸設備、傳輸信道、網絡節點、網絡拓撲、業務種類和網絡流量模型在原理和功能上與實物基本吻合。但是，無論是從戰術電臺互聯網模擬系統的設備種類、數量和成本來看，還是從各種應用模式、信道模型來看，用全實物的方式都難以有效驗證針對目標對象的偵察、干擾效果。因此，構建戰術電臺互聯網模擬系統以實物通信設備為主，軟件模擬部分通信設備、信道條件為輔，形成實物與計算機仿真相結合的半實物仿真環境［7］。

構建思想:以INC、EPLRS和SINCGARS網絡模擬通信設備為基礎，基于HLA/RTI分布式仿真技術，依托OPNET仿真平臺，構建模擬實物設備、軟件仿真一體化的半實物戰術電臺互聯網模擬系統，其中實物網絡主要包括SINCGARS等網絡模擬系統，如圖1所示。

圖1 半實物戰術電臺互聯網偵察系統

3 目標網絡軟件仿真設計

基于戰術電臺互聯網模擬系統總體框架設計，通過分析美軍 JTA、建模與仿真主計劃(Modeling＆Simulation Master Plan)相關HLA的技術標準、協議，研究美軍NETWARS仿真系統的相關建模方法(OPFAC、OE和SE)系統結構、基于HLA的可重用建模技術，建立戰術互聯網仿真系統的通信作戰想定業務仿真、目標網絡節點設備仿真、目標網絡拓撲結構仿真、目標網絡節點移動仿真、目標網絡通信環境仿真、網絡偵察與干擾仿真和網絡干擾效能評估［8］，如圖2 所示。

圖2 戰術電臺互聯網通信、偵察仿真系統

3.1 通信作戰想定業務仿真

通信作戰想定網絡業務發生器如圖3所示，通信作戰想定業務仿真可根據實際應用，同時基于各類業務流量的統計與分布特性(包大小、包到達率、包轉發率和鏈路容量等)，產生不同的業務流量，并可將業務流量加載于指定的網絡(源/目的)節點。

圖3 通信作戰想定網絡業務發生器

3.2 目標網絡節點設備仿真

網絡節點設備包括:INC、EPLRS和SINCGARS等通信設備，各設備仿真主要包括以下4類模塊:

①源模塊:實現作戰想定業務模型在設備節點的加載，可以基于OPNET EMA API標準進行規范和定義，以支持多種業務流量的接入和適配;

②網絡層模塊:實現多種協議的堆棧，主要包括EPLRS網絡協議 OSPF、SINCGARS網絡協議MIL-STD-188-220B/C/D和PR4G網絡協議等，這些專用路由協議算法模塊需要根據標準規范自行開發;

③鏈路層模塊:包括仿真各種戰術電臺的接入控制與信道資源算法和糾錯算法，標準的TDMA和時隙ALOHA/CSMA無線接入協議可基于OPNET標準模塊過程得到，專用協議算法模塊需根據標準規范自行開發;

④物理層模塊:形式上是OPNET的標準發射機/接收機對，對不同的戰術電臺設備，由于調制解調算法、加密算法和物理幀結構的不同，仍需根據OPNET的標準結構進行自行開發［9－12］。一般使用MATLAB構建信道、調制和解調等物理層模型，并將原來的OPNET網絡仿真器自帶的抽象模型中的物理層和信道的計算，替換成為MATLAB模型進行計算，如圖4所示。

圖4 基于MATLAB的目標網絡物理層信道仿真

3.3 目標網絡拓撲結構仿真

網絡拓撲結構仿真包括兩部分:一類是網絡拓撲結構的初始化模型(網絡節點個數、鏈路特性及節點間的連接關系與連通性);另一類是網絡拓撲結構變化模型(網絡各個節點的移動特性模型、網絡鏈路性能變化模型和網絡路徑損耗模型)。

根據戰術電臺互聯網的一般作戰應用，網絡拓撲多級分層分布式結構，主要包括EPLRS為主的高速骨干分組無線網、SINCGARS為主的接入網和SINCGARS為主的末端用戶分組無線網。分組無線網的拓撲結構生成方法如圖5所示。

圖5 目標網絡拓撲結構生成方式

3.4 目標網絡節點移動仿真

目標網絡節點移動仿真主要反應戰術電臺互聯網的移動特性，有多種實現方法:一種是直接采用仿真工具OPNET自帶的定義節點運動軌跡菜單，直接通過拖、放和節點停留時間等操作來定義某電臺的運動軌跡;另一種方法就是根據戰術電臺互聯網作戰要求設置節點運動速度、運動區域，通過運用C語言編程編寫函數，來定義節點運動速度、方向等。

3.5 目標網絡通信環境仿真

目標網絡通信環境仿真主要給出網絡構建的地形、地理模型等。地理/地形環境直接影響網絡仿真的效果，不同的地理/地形下，節點之間的通信距離、地形遮擋等都有可能造成網絡拓撲的變化。基于地理/地形數據庫及多種地理/地形電子地圖，通過數據采集或數字地圖的數據提取、轉換工具，將所需特征數據、DEM數據導入MultigenCreatorPor(MultiGen公司)等三維實時建模工具中，以構建三維地形模型等網絡通信環境模型，在網絡仿真中逼真地模擬真實地理環境。

4 網絡偵察、干擾仿真設計

4.1 網絡偵察仿真

基于目標網絡系統的收發流程，按照協議分層的方式，在接收方實現信號接收后，在物理層進行調制模式等識別;在鏈路層進行交織、編碼、擾碼和信道接入方式等識別;在網絡層進行網絡拓撲識別、關鍵節點發現等;在應用層進行FTP等上層協議的識別，如圖6所示。

圖6 目標網絡偵察仿真

4.2 網絡干擾仿真

同網絡偵察一樣，按照協議分層的方式，在物理層進行同步頭、勤務信息和信道均衡等干擾;在鏈路層進行ACK/RTS/CTS欺騙干擾、關鍵節點干擾和存儲轉發式干擾等;在網絡層進行虛假路由請求、路由黑洞等入侵式干擾［13］，如圖7所示。

圖7 目標網絡干擾仿真

4.3 網絡干擾效能評估模型

為了對網絡干擾效能進行有效評估，需進行多種干擾效果數據的統計分析，包括話音呼損率、數據丟包率、平均時延和網絡吞吐量等［14，15］。實際評估時，可根據網絡和節點/鏈路模型的運行結果在網絡級、節點級和鏈路級進行統計分析，相關指標如圖8所示。

圖8 網絡干擾效能評估指標

①鏈路級:對于鏈路級的干擾效能評估，主要從2個節點之間通信鏈路統計分析鏈路誤碼率、鏈路誤幀率和信道利用率等。

②節點級:對于節點級的干擾效能評估，主要從傳輸方面主要檢測傳輸設備誤碼率、同步失敗率、節點擁塞度和節點誤碼率等。

③網絡級:對于網絡級的干擾效能評估，主要從分組成功率、話音呼損率、網絡吞吐量、平均傳輸時延、信道利用率、網絡連通度、節點連通度和鏈路損失率等。

5 結束語

目標通信網絡建立與通信網絡對抗仿真技術的研究，將彌補我國在基礎設施建設和現代網絡信息戰研究方面的不足，為制定合理的通信網絡安全保障措施和制定對敵方有效的通信網絡攻擊策略提供實踐方法和理論依據。本文針對美軍初級戰術互聯網目標通信網絡建立及對抗仿真體系做了一定的探索研究，旨在說明通信網絡對抗仿真的重要性及可行性，以期達到拋磚引玉的效果。 ■

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