HLA 和OPNET 的战术通信网半实物仿真

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􀀁 摘　要: 
软件仿真已经成为战术通信网验证、分析和评估的有效手段, 但战术通信网复杂的网络架构和许多自身专有的特性使仿真建模的准确性和仿真结果的可靠性难以保证。提出了一种基于HLA 和OPNET 的半实物仿真模型, 有效地将硬件设备引入到软件仿真中来, 有效地提高了对战术通信网仿真建模的准确性和仿真结果的可靠性。
􀀁 引　言
战术通信网是以分组无线网技术为基础的互联的战术无线电台、计算机硬件和软件的集合, 能够在通信保障与指挥控制平台之间提供可靠的、无缝的C2 和SA 信息交换。战术通信网是军队信息化的基础和保障, 战术通信网研究人员一方面要不断思考新的网络协议和算法, 为网络的发展作前瞻性的研究; 另一方面也要研究如何利用和整合现有的资源,使网络达到最高的效能。无论是哪一方面都需要对新的网络方案进行验证和分析, 对网络技术的研究一般有以下3 种手段。
􀀁 1、分析法。对所研究的对象和所依存的网络系统进行初步分析, 根据一定的限定条件和合理假设,对研究对象和系统进行描述, 抽象出研究对象的数学分析模型, 利用数学模型对问题进行求解。
􀀁 2、实验法。设计出研究所需要的合理硬件和软件配置环境, 建立测试床和实验室, 在现实的网络上实现对网络协议、网络行为和网络性能的研究。
􀀁 3、仿真法。应用网络仿真软件建立所研究的网络系统的模拟模型, 然后在计算机上运行这个模型并分析运行输出结果。
􀀁 然而, 采用分析法对战术通信网进行评估和验证的精确性和有效性受假设限制很大; 实验法又不现实, 不可能搭建几百个节点的软硬件平台在野外动态实验。仿真方法前两种方法存在着很大程度上的不足, 仿真方法可以根据需要设计所需的网络模型, 用相对较少的时间和费用了解网络在不同条件下的各种特性, 获取网络研究的丰富有效的数据。
采用纯数学仿真方法对战术通信网进行仿真,基于以下几个原因, 仿真的精确性和置信度难以保证。
􀀁 1、战术通信网包含大量实时性和随机性业务,采用纯数学仿真的方式不能精确有效地建立业务模型及正确地反映战术通信网的实际业务, 从而导致不能有效评估网络对战术通信业务的保障能力。
􀀁 2、在战场环境下, 战术通信网网络拓扑变化频繁, 动态节点随机加入和退出, 纯数学仿真不能提供实时的节点状态跟踪和监控机制, 难以有效地评估关键节点对网络系统的影响。
􀀁 3、战术通信网包含大量的无线通信, 无线信道资源有限且不稳定受外部环境影响较大, 无论是对战术通信网的规划还是评估, 都要充分考虑既要保证信道资源合理高效的利用, 又要考虑信道冗余, 纯数学仿真难以对无线信道的信道特征作出真实可靠的模拟仿真, 从而影响对战术通信网的评估和验证。
􀀁 半实物仿真又称为硬件在回路的系统仿真, 是一种实时的动态仿真, 仿真系统中部分节点可以被实物代替, 仿真过程中可以引入真实的业务数据流,弥补纯数学业务建模的不足; 半实物仿真还可以支持真实节点的热插拔, 可真实有效地评估关键节点的整个网络系统的影响; 半实物仿真中可以直接接入信道设备, 有效地模拟无线信道的信道特性和抗干扰能力; 仿真结果更加趋于真实, 且比采用实验法需要的硬件设备少, 降低成本, 可行性高。半实物仿真结合了仿真法和实验法各自的优点。
1、　基于HLA 和OPNET 的半实物仿真关键技术
1. 1　体系结构
为了与其他仿真模块进行分布式联合仿真,OPNET 提供了HLA 的接口模块, 以OPNET 为仿真核心网络仿真系统可以作为H L A 的联邦成员加入整个分布式仿真的联邦中, 实物节点也可以通过半实物接口作为标准的联邦成员加入到联邦, 二者可以通过H L A 联邦体系结构连接起来实现半实物仿真[ 1] 。
OPNET 利用自带的HLA 接口模块将数据发送到RT I 上, RT I 通过自身机制完成与其他联邦成员的信息交互。基于HLA 的半实物仿真框图如图1所示。
1. 2　实物节点与仿真节点的映射与包转发机制OPNET 仿真数据包不是比特流, 而是OPNET

内部特殊的数据类型, 因此OPNET 仿真不能和真实网络直接进行通信, 必须通过半实物接口进行仿真数据包的真实数据包的转换, 完成虚拟IP 和真实IP的映射。
实物节点与仿真节点映射关系和包转发机制如图2 所示, 实物设备A 和实物设备B 由仿真代理通过HLA 接口映射到通信仿真子系统中的仿真模型A ’和仿真模型B’。例如设备A 向设备B 发送数据,首先设备A 发送真实数据流到仿真代理, 仿真代理将数据流转化为仿真数据流通过HLA 接口映射到A’,然后A ’根据通信仿真子系统中对仿真的想定,经过寻址和路由将仿真数据流传递到设备B 的映射节点B’,B’将仿真数据发送到实物仿真代理, 由代理将仿真数据流转化为真实数据流发送到实物设备B 。 

1. 3　仿真时间管理机制
OPNET 仿真采用离散事件驱动, 真实网络则是采用时间驱动的, 虚拟时间和真实时间并不能同步。这就要求仿真的时间管理机制能够将oPNET 仿真改为实时仿真[ 2-3] 。若将OPNET 仿真改为实时仿真, 虚拟仿真必须快于真实时间才能实现, 如果仿真虚拟时间比真实时间慢, 可以采用多线程并发仿真提高仿真速度。假定真实时间为tR 、仿真时间为ts、微小时间量为Vt :
􀀁(1)当t R ≥ts+ Vt 开始仿真, 当仿真运行至t R=t s- Vt时暂停仿真, 等待真实时间推进, 当再次t R ≥t s+ Vt时继续仿真。􀀁
  (2) 当包从虚拟仿真进入真实网络时将其放入发送队列, 当tR 推进至t s 时将其发出去。
􀀁(3)当数据包从真实网络进入虚拟仿真时, 不管仿真处于什么状态, 都要作为离散时间驱动仿真进行。
􀀁如果能够将V t 控制在一个合理的范围内就可以认为虚拟仿真和真实仿真是准同步的。
2　设计与实现
半实物仿真结构如图3 所示, 由OPNET 仿真、半实物接口和仿真控制平台3 部分组成, 其中OPNET 仿真由网络模型和自定义接口模型cosim构成。

其中半实物仿真节点通过HLA 与半实物接口进行交互是通过自定义接口模型cosim 实现的, 其功能主要包括: 􀀁 将仿真包转换成c 数据类型发送到外部接口; 􀀁 将外部接口发来的真实包转换成仿真包发送到相应的仿真节点; 􀀁 实现仿真环境的时间控制。实现过程如图4 所示: init 0、init 1、init2 完成OPNET 仿真初始化, 并通知仿真控制平台仿真网络的配置, w ait 进程等待仿真控制平台的仿真开始指令并完成1、2 和3 的相应功能。

半实物接口模块用socket 来实现, 仿真开始时通过查询cosim 模块在仿真控制平台注册的配置信息获取半实物节点的IP 信息, 侦听所有发到本机的IP 数据包, 分析数据包的包头, 将需要发送到半实物节点的数据包通过HLA 发送到cosim 模块。仿真控制平台分为联邦仿真和联邦管理两个层。联邦仿真主要关注仿真的逻辑和分布式协助, 如协议交互、性能统计等; 联邦管理主要关注仿真前后的处理和仿真运行时的程序调度, 如启动和关闭仿真、想定配置、结果收集等。
邦仿真独立于联邦管理, 在脱离联邦管理的情况下也可以正常运行。每个联邦成员都遵循HLA标准, 集成了自研的HLA 封装接口, 通过发布和订阅HLA 交互以完成分布式的仿真任务。
联邦管理被设计为架设于仿真之上的一个管理和控制层, 分为主控平台、监控代理、守护进程3 个子程序。主控平台是连接管理和仿真的桥梁, 是发布管理和仿真命令的起点, 也是项目操作员主要面对的仿真管理接口; 监控代理绑定一个仿真成员, 负责接收主控指令管理下的仿真成员; 守护进程是整个联邦管理层持续有效和可靠运行的保障。分布式系统的部署结构图如图5 所示:

从图5 可以看到, 整个仿真系统存在两个通信环, 其中监控环是主控平台与监控代理进行交互的通信环, 采用socket 网络通信机制, 每个监控都配备一个守护进程以保障其持续的监控功能。三者共同构成联邦仿真的管理层。
HLA 环是联邦成员进行交互的通信环, 每个邦元都通过发布和订阅HLA 消息与别的邦元进行交互, 共同协作, 完成分布式仿真功能。主控平台作为联邦仿真管理节点, 既具备socket 通信接口, 也具备HLA 通信接口, 可统一管理监控代理和联邦成员, 用户可从主控平台的用户界面上查看任何一个监控代理或联邦成员的运行状况。
3　结束语
本文将半实物仿真引入到战术通信网的仿真中去, 建立了一种基于HLA 和OPNET 的半实物仿果。由图7 可见, 所有子滤波器都检测出了故障, 因此, 层次滤波器结构只能检测到两颗以上卫星故障,但不能识别具体的故障星。需要指出的是, 在容错导航中, GPS/ SINS 系统一般作为联邦滤波器的一个子系统, 当GPS 故障时, 就弃用该子系统, 采用其他子系统进行导航。而如果能将GPS 故障卫星加以隔离, 继续使用GPS/SINS 子系统, 则将提高容错导航系统的性能。
4　结　论
对于GPS/ SINS 组合导航系统, 当GPS 故障时需要及时识别故障卫星并对其进行隔离以保证正常导航的进行。本文提出了一种层次滤波器结构, 主滤波器使用所有卫星量测, 而每个子滤波器分别排除一个卫星量测, 当单颗星故障时总有一个滤波器隔离掉了故障卫星, 因而能对单颗星进行故障检测与识别。文中采用GPS/ SIN S 紧耦合系统对该结构的故障诊断性能进行了研究, 仿真结果表明, 该结构实现了对单星故障的检测与识别, 并用未包含故障星的滤波器继续进行导航。仿真还验证了该结构能检测但不能识别多星故障, 这种情况下需采用纯SINS进行导航, 当故障消失后再进行组合导航。