主頁（http://www.by236.com）：HLA 和OPNET 的戰術通信網半實物仿真

􀀁 摘　要: 
軟件仿真已經成為戰術通信網驗證、分析和評估的有效手段, 但戰術通信網復雜的網絡架構和許多自身專有的特性使仿真建模的準確性和仿真結果的可靠性難以保證。提出了一種基于HLA 和OPNET 的半實物仿真模型, 有效地將硬件設備引入到軟件仿真中來, 有效地提高了對戰術通信網仿真建模的準確性和仿真結果的可靠性。
􀀁 引　言
戰術通信網是以分組無線網技術為基礎的互聯的戰術無線電臺、計算機硬件和軟件的集合, 能夠在通信保障與指揮控制平臺之間提供可靠的、無縫的C2 和SA 信息交換。戰術通信網是軍隊信息化的基礎和保障, 戰術通信網研究人員一方面要不斷思考新的網絡協議和算法, 為網絡的發展作前瞻性的研究; 另一方面也要研究如何利用和整合現有的資源,使網絡達到最高的效能。無論是哪一方面都需要對新的網絡方案進行驗證和分析, 對網絡技術的研究一般有以下3 種手段。
􀀁 1、分析法。對所研究的對象和所依存的網絡系統進行初步分析, 根據一定的限定條件和合理假設,對研究對象和系統進行描述, 抽象出研究對象的數學分析模型, 利用數學模型對問題進行求解。
􀀁 2、實驗法。設計出研究所需要的合理硬件和軟件配置環境, 建立測試床和實驗室, 在現實的網絡上實現對網絡協議、網絡行為和網絡性能的研究。
􀀁 3、仿真法。應用網絡仿真軟件建立所研究的網絡系統的模擬模型, 然后在計算機上運行這個模型并分析運行輸出結果。
􀀁 然而, 采用分析法對戰術通信網進行評估和驗證的精確性和有效性受假設限制很大; 實驗法又不現實, 不可能搭建幾百個節點的軟硬件平臺在野外動態實驗。仿真方法前兩種方法存在著很大程度上的不足, 仿真方法可以根據需要設計所需的網絡模型, 用相對較少的時間和費用了解網絡在不同條件下的各種特性, 獲取網絡研究的豐富有效的數據。
采用純數學仿真方法對戰術通信網進行仿真,基于以下幾個原因, 仿真的精確性和置信度難以保證。
􀀁 1、戰術通信網包含大量實時性和隨機性業務,采用純數學仿真的方式不能精確有效地建立業務模型及正確地反映戰術通信網的實際業務, 從而導致不能有效評估網絡對戰術通信業務的保障能力。
􀀁 2、在戰場環境下, 戰術通信網網絡拓撲變化頻繁, 動態節點隨機加入和退出, 純數學仿真不能提供實時的節點狀態跟蹤和監控機制, 難以有效地評估關鍵節點對網絡系統的影響。
􀀁 3、戰術通信網包含大量的無線通信, 無線信道資源有限且不穩定受外部環境影響較大, 無論是對戰術通信網的規劃還是評估, 都要充分考慮既要保證信道資源合理高效的利用, 又要考慮信道冗余, 純數學仿真難以對無線信道的信道特征作出真實可靠的模擬仿真, 從而影響對戰術通信網的評估和驗證。
􀀁 半實物仿真又稱為硬件在回路的系統仿真, 是一種實時的動態仿真, 仿真系統中部分節點可以被實物代替, 仿真過程中可以引入真實的業務數據流,彌補純數學業務建模的不足; 半實物仿真還可以支持真實節點的熱插拔, 可真實有效地評估關鍵節點的整個網絡系統的影響; 半實物仿真中可以直接接入信道設備, 有效地模擬無線信道的信道特性和抗干擾能力; 仿真結果更加趨于真實, 且比采用實驗法需要的硬件設備少, 降低成本, 可行性高。半實物仿真結合了仿真法和實驗法各自的優點。
1、　基于HLA 和OPNET 的半實物仿真關鍵技術
1. 1　體系結構
為了與其他仿真模塊進行分布式聯合仿真,OPNET 提供了HLA 的接口模塊, 以OPNET 為仿真核心網絡仿真系統可以作為H L A 的聯邦成員加入整個分布式仿真的聯邦中, 實物節點也可以通過半實物接口作為標準的聯邦成員加入到聯邦, 二者可以通過H L A 聯邦體系結構連接起來實現半實物仿真[ 1] 。
OPNET 利用自帶的HLA 接口模塊將數據發送到RT I 上, RT I 通過自身機制完成與其他聯邦成員的信息交互。基于HLA 的半實物仿真框圖如圖1所示。
1. 2　實物節點與仿真節點的映射與包轉發機制OPNET 仿真數據包不是比特流, 而是OPNET

內部特殊的數據類型, 因此OPNET 仿真不能和真實網絡直接進行通信, 必須通過半實物接口進行仿真數據包的真實數據包的轉換, 完成虛擬IP 和真實IP的映射。
實物節點與仿真節點映射關系和包轉發機制如圖2 所示, 實物設備A 和實物設備B 由仿真代理通過HLA 接口映射到通信仿真子系統中的仿真模型A ’和仿真模型B’。例如設備A 向設備B 發送數據,首先設備A 發送真實數據流到仿真代理, 仿真代理將數據流轉化為仿真數據流通過HLA 接口映射到A’,然后A ’根據通信仿真子系統中對仿真的想定,經過尋址和路由將仿真數據流傳遞到設備B 的映射節點B’,B’將仿真數據發送到實物仿真代理, 由代理將仿真數據流轉化為真實數據流發送到實物設備B 。 

1. 3　仿真時間管理機制
OPNET 仿真采用離散事件驅動, 真實網絡則是采用時間驅動的, 虛擬時間和真實時間并不能同步。這就要求仿真的時間管理機制能夠將oPNET 仿真改為實時仿真[ 2-3] 。若將OPNET 仿真改為實時仿真, 虛擬仿真必須快于真實時間才能實現, 如果仿真虛擬時間比真實時間慢, 可以采用多線程并發仿真提高仿真速度。假定真實時間為tR 、仿真時間為ts、微小時間量為Vt :
􀀁(1)當t R ≥ts+ Vt 開始仿真, 當仿真運行至t R=t s- Vt時暫停仿真, 等待真實時間推進, 當再次t R ≥t s+ Vt時繼續仿真。􀀁
  (2) 當包從虛擬仿真進入真實網絡時將其放入發送隊列, 當tR 推進至t s 時將其發出去。
􀀁(3)當數據包從真實網絡進入虛擬仿真時, 不管仿真處于什么狀態, 都要作為離散時間驅動仿真進行。
􀀁如果能夠將V t 控制在一個合理的范圍內就可以認為虛擬仿真和真實仿真是準同步的。
2　設計與實現
半實物仿真結構如圖3 所示, 由OPNET 仿真、半實物接口和仿真控制平臺3 部分組成, 其中OPNET 仿真由網絡模型和自定義接口模型cosim構成。

其中半實物仿真節點通過HLA 與半實物接口進行交互是通過自定義接口模型cosim 實現的, 其功能主要包括: 􀀁 將仿真包轉換成c 數據類型發送到外部接口; 􀀁 將外部接口發來的真實包轉換成仿真包發送到相應的仿真節點; 􀀁 實現仿真環境的時間控制。實現過程如圖4 所示: init 0、init 1、init2 完成OPNET 仿真初始化, 并通知仿真控制平臺仿真網絡的配置, w ait 進程等待仿真控制平臺的仿真開始指令并完成1、2 和3 的相應功能。

半實物接口模塊用socket 來實現, 仿真開始時通過查詢cosim 模塊在仿真控制平臺注冊的配置信息獲取半實物節點的IP 信息, 偵聽所有發到本機的IP 數據包, 分析數據包的包頭, 將需要發送到半實物節點的數據包通過HLA 發送到cosim 模塊。仿真控制平臺分為聯邦仿真和聯邦管理兩個層。聯邦仿真主要關注仿真的邏輯和分布式協助, 如協議交互、性能統計等; 聯邦管理主要關注仿真前后的處理和仿真運行時的程序調度, 如啟動和關閉仿真、想定配置、結果收集等。
邦仿真獨立于聯邦管理, 在脫離聯邦管理的情況下也可以正常運行。每個聯邦成員都遵循HLA標準, 集成了自研的HLA 封裝接口, 通過發布和訂閱HLA 交互以完成分布式的仿真任務。
聯邦管理被設計為架設于仿真之上的一個管理和控制層, 分為主控平臺、監控代理、守護進程3 個子程序。主控平臺是連接管理和仿真的橋梁, 是發布管理和仿真命令的起點, 也是項目操作員主要面對的仿真管理接口; 監控代理綁定一個仿真成員, 負責接收主控指令管理下的仿真成員; 守護進程是整個聯邦管理層持續有效和可靠運行的保障。分布式系統的部署結構圖如圖5 所示:

從圖5 可以看到, 整個仿真系統存在兩個通信環, 其中監控環是主控平臺與監控代理進行交互的通信環, 采用socket 網絡通信機制, 每個監控都配備一個守護進程以保障其持續的監控功能。三者共同構成聯邦仿真的管理層。
HLA 環是聯邦成員進行交互的通信環, 每個邦元都通過發布和訂閱HLA 消息與別的邦元進行交互, 共同協作, 完成分布式仿真功能。主控平臺作為聯邦仿真管理節點, 既具備socket 通信接口, 也具備HLA 通信接口, 可統一管理監控代理和聯邦成員, 用戶可從主控平臺的用戶界面上查看任何一個監控代理或聯邦成員的運行狀況。
3　結束語
本文將半實物仿真引入到戰術通信網的仿真中去, 建立了一種基于HLA 和OPNET 的半實物仿果。由圖7 可見, 所有子濾波器都檢測出了故障, 因此, 層次濾波器結構只能檢測到兩顆以上衛星故障,但不能識別具體的故障星。需要指出的是, 在容錯導航中, GPS/ SINS 系統一般作為聯邦濾波器的一個子系統, 當GPS 故障時, 就棄用該子系統, 采用其他子系統進行導航。而如果能將GPS 故障衛星加以隔離, 繼續使用GPS/SINS 子系統, 則將提高容錯導航系統的性能。
4　結　論
對于GPS/ SINS 組合導航系統, 當GPS 故障時需要及時識別故障衛星并對其進行隔離以保證正常導航的進行。本文提出了一種層次濾波器結構, 主濾波器使用所有衛星量測, 而每個子濾波器分別排除一個衛星量測, 當單顆星故障時總有一個濾波器隔離掉了故障衛星, 因而能對單顆星進行故障檢測與識別。文中采用GPS/ SIN S 緊耦合系統對該結構的故障診斷性能進行了研究, 仿真結果表明, 該結構實現了對單星故障的檢測與識別, 并用未包含故障星的濾波器繼續進行導航。仿真還驗證了該結構能檢測但不能識別多星故障, 這種情況下需采用純SINS進行導航, 當故障消失后再進行組合導航。