主頁（http://www.130131.com）：HLA 和OPNET 的戰(zhàn)術(shù)通信網(wǎng)半實物仿真

􀀁 摘　要: 
軟件仿真已經(jīng)成為戰(zhàn)術(shù)通信網(wǎng)驗證、分析和評估的有效手段, 但戰(zhàn)術(shù)通信網(wǎng)復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和許多自身專有的特性使仿真建模的準(zhǔn)確性和仿真結(jié)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(shè)備引入到軟件仿真中來, 有效地提高了對戰(zhàn)術(shù)通信網(wǎng)仿真建模的準(zhǔn)確性和仿真結(jié)果的可靠性。
􀀁 引　言
戰(zhàn)術(shù)通信網(wǎng)是以分組無線網(wǎng)技術(shù)為基礎(chǔ)的互聯(lián)的戰(zhàn)術(shù)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(zhàn)術(shù)通信網(wǎng)是軍隊信息化的基礎(chǔ)和保障, 戰(zhàn)術(shù)通信網(wǎng)研究人員一方面要不斷思考新的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和算法, 為網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展作前瞻性的研究; 另一方面也要研究如何利用和整合現(xiàn)有的資源,使網(wǎng)絡(luò)達到最高的效能。無論是哪一方面都需要對新的網(wǎng)絡(luò)方案進行驗證和分析, 對網(wǎng)絡(luò)技術(shù)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(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)進行初步分析, 根據(jù)一定的限定條件和合理假設(shè),對研究對象和系統(tǒng)進行描述, 抽象出研究對象的數(shù)學(xué)分析模型, 利用數(shù)學(xué)模型對問題進行求解。
􀀁 2、實驗法。設(shè)計出研究所需要的合理硬件和軟件配置環(huán)境, 建立測試床和實驗室, 在現(xiàn)實的網(wǎng)絡(luò)上實現(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、網(wǎng)絡(luò)行為和網(wǎng)絡(luò)性能的研究。
􀀁 3、仿真法。應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)仿真軟件建立所研究的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)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(jié)果。
􀀁 然而, 采用分析法對戰(zhàn)術(shù)通信網(wǎng)進行評估和驗證的精確性和有效性受假設(shè)限制很大; 實驗法又不現(xiàn)實, 不可能搭建幾百個節(jié)點的軟硬件平臺在野外動態(tài)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(jù)需要設(shè)計所需的網(wǎng)絡(luò)模型, 用相對較少的時間和費用了解網(wǎng)絡(luò)在不同條件下的各種特性, 獲取網(wǎng)絡(luò)研究的豐富有效的數(shù)據(jù)。
采用純數(shù)學(xué)仿真方法對戰(zhàn)術(shù)通信網(wǎng)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(zhàn)術(shù)通信網(wǎng)包含大量實時性和隨機性業(yè)務(wù),采用純數(shù)學(xué)仿真的方式不能精確有效地建立業(yè)務(wù)模型及正確地反映戰(zhàn)術(shù)通信網(wǎng)的實際業(yè)務(wù), 從而導(dǎo)致不能有效評估網(wǎng)絡(luò)對戰(zhàn)術(shù)通信業(yè)務(wù)的保障能力。
􀀁 2、在戰(zhàn)場環(huán)境下, 戰(zhàn)術(shù)通信網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓�頻繁, 動態(tài)節(jié)點隨機加入和退出, 純數(shù)學(xué)仿真不能提供實時的節(jié)點狀態(tài)跟蹤和監(jiān)控機制, 難以有效地評估關(guān)鍵節(jié)點對網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的影響。
􀀁 3、戰(zhàn)術(shù)通信網(wǎng)包含大量的無線通信, 無線信道資源有限且不穩(wěn)定受外部環(huán)境影響較大, 無論是對戰(zhàn)術(shù)通信網(wǎng)的規(guī)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(shù)學(xué)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(zhàn)術(shù)通信網(wǎng)的評估和驗證。
􀀁 半實物仿真又稱為硬件在回路的系統(tǒng)仿真, 是一種實時的動態(tài)仿真, 仿真系統(tǒng)中部分節(jié)點可以被實物代替, 仿真過程中可以引入真實的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)流,彌補純數(shù)學(xué)業(yè)務(wù)建模的不足; 半實物仿真還可以支持真實節(jié)點的熱插拔, 可真實有效地評估關(guān)鍵節(jié)點的整個網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的影響; 半實物仿真中可以直接接入信道設(shè)備, 有效地模擬無線信道的信道特性和抗干擾能力; 仿真結(jié)果更加趨于真實, 且比采用實驗法需要的硬件設(shè)備少, 降低成本, 可行性高。半實物仿真結(jié)合了仿真法和實驗法各自的優(yōu)點。
1、　基于HLA 和OPNET 的半實物仿真關(guān)鍵技術(shù)
1. 1　體系結(jié)構(gòu)
為了與其他仿真模塊進行分布式聯(lián)合仿真,OPNET 提供了HLA 的接口模塊, 以O(shè)PNET 為仿真核心網(wǎng)絡(luò)仿真系統(tǒng)可以作為H L A 的聯(lián)邦成員加入整個分布式仿真的聯(lián)邦中, 實物節(jié)點也可以通過半實物接口作為標(biāo)準(zhǔn)的聯(lián)邦成員加入到聯(lián)邦, 二者可以通過H L A 聯(lián)邦體系結(jié)構(gòu)連接起來實現(xiàn)半實物仿真[ 1] 。
OPNET 利用自帶的HLA 接口模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送到RT I 上, RT I 通過自身機制完成與其他聯(lián)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(jié)點與仿真節(jié)點的映射與包轉(zhuǎn)發(fā)機制OPNET 仿真數(shù)據(jù)包不是比特流, 而是OPNET

內(nèi)部特殊的數(shù)據(jù)類型, 因此OPNET 仿真不能和真實網(wǎng)絡(luò)直接進行通信, 必須通過半實物接口進行仿真數(shù)據(jù)包的真實數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)換, 完成虛擬IP 和真實IP的映射。
實物節(jié)點與仿真節(jié)點映射關(guān)系和包轉(zhuǎn)發(fā)機制如圖2 所示, 實物設(shè)備A 和實物設(shè)備B 由仿真代理通過HLA 接口映射到通信仿真子系統(tǒng)中的仿真模型A ’和仿真模型B’。例如設(shè)備A 向設(shè)備B 發(fā)送數(shù)據(jù),首先設(shè)備A 發(fā)送真實數(shù)據(jù)流到仿真代理, 仿真代理將數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)化為仿真數(shù)據(jù)流通過HLA 接口映射到A’,然后A ’根據(jù)通信仿真子系統(tǒng)中對仿真的想定,經(jīng)過尋址和路由將仿真數(shù)據(jù)流傳遞到設(shè)備B 的映射節(jié)點B’,B’將仿真數(shù)據(jù)發(fā)送到實物仿真代理, 由代理將仿真數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)化為真實數(shù)據(jù)流發(fā)送到實物設(shè)備B 。 

1. 3　仿真時間管理機制
OPNET 仿真采用離散事件驅(qū)動, 真實網(wǎng)絡(luò)則是采用時間驅(qū)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?qū)�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(xiàn), 如果仿真虛擬時間比真實時間慢, 可以采用多線程并發(fā)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(dāng)t R ≥ts+ Vt 開始仿真, 當(dāng)仿真運行至t R=t s- Vt時暫停仿真, 等待真實時間推進, 當(dāng)再次t R ≥t s+ Vt時繼續(xù)仿真。􀀁
  (2) 當(dāng)包從虛擬仿真進入真實網(wǎng)絡(luò)時將其放入發(fā)送隊列, 當(dāng)tR 推進至t s 時將其發(fā)出去。
􀀁(3)當(dāng)數(shù)據(jù)包從真實網(wǎng)絡(luò)進入虛擬仿真時, 不管仿真處于什么狀態(tài), 都要作為離散時間驅(qū)動仿真進行。
􀀁如果能夠?qū)�V t 控制在一個合理的范圍內(nèi)就可以認(rèn)為虛擬仿真和真實仿真是準(zhǔn)同步的。
2　設(shè)計與實現(xiàn)
半實物仿真結(jié)構(gòu)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(wǎng)絡(luò)模型和自定義接口模型cosim構(gòu)成。

其中半實物仿真節(jié)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(xiàn)的, 其功能主要包括: 􀀁 將仿真包轉(zhuǎn)換成c 數(shù)據(jù)類型發(fā)送到外部接口; 􀀁 將外部接口發(fā)來的真實包轉(zhuǎn)換成仿真包發(fā)送到相應(yīng)的仿真節(jié)點; 􀀁 實現(xiàn)仿真環(huán)境的時間控制。實現(xiàn)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(wǎng)絡(luò)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(yīng)功能。

半實物接口模塊用socket 來實現(xiàn), 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(jié)點的IP 信息, 偵聽所有發(fā)到本機的IP 數(shù)據(jù)包, 分析數(shù)據(jù)包的包頭, 將需要發(fā)送到半實物節(jié)點的數(shù)據(jù)包通過HLA 發(fā)送到cosim 模塊。仿真控制平臺分為聯(lián)邦仿真和聯(lián)邦管理兩個層。聯(lián)邦仿真主要關(guān)注仿真的邏輯和分布式協(xié)助, 如協(xié)議交互、性能統(tǒng)計等; 聯(lián)邦管理主要關(guān)注仿真前后的處理和仿真運行時的程序調(diào)度, 如啟動和關(guān)閉仿真、想定配置、結(jié)果收集等。
邦仿真獨立于聯(lián)邦管理, 在脫離聯(lián)邦管理的情況下也可以正常運行。每個聯(lián)邦成員都遵循HLA標(biāo)準(zhǔn), 集成了自研的HLA 封裝接口, 通過發(fā)布和訂閱HLA 交互以完成分布式的仿真任務(wù)。
聯(lián)邦管理被設(shè)計為架設(shè)于仿真之上的一個管理和控制層, 分為主控平臺、監(jiān)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(fā)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(jiān)控代理綁定一個仿真成員, 負(fù)責(zé)接收主控指令管理下的仿真成員; 守護進程是整個聯(lián)邦管理層持續(xù)有效和可靠運行的保障。分布式系統(tǒng)的部署結(jié)構(gòu)圖如圖5 所示:

從圖5 可以看到, 整個仿真系統(tǒng)存在兩個通信環(huán), 其中監(jiān)控環(huán)是主控平臺與監(jiān)控代理進行交互的通信環(huán), 采用socket 網(wǎng)絡(luò)通信機制, 每個監(jiān)控都配備一個守護進程以保障其持續(xù)的監(jiān)控功能。三者共同構(gòu)成聯(lián)邦仿真的管理層。
HLA 環(huán)是聯(lián)邦成員進行交互的通信環(huán), 每個邦元都通過發(fā)布和訂閱HLA 消息與別的邦元進行交互, 共同協(xié)作, 完成分布式仿真功能。主控平臺作為聯(lián)邦仿真管理節(jié)點, 既具備socket 通信接口, 也具備HLA 通信接口, 可統(tǒng)一管理監(jiān)控代理和聯(lián)邦成員, 用戶可從主控平臺的用戶界面上查看任何一個監(jiān)控代理或聯(lián)邦成員的運行狀況。
3　結(jié)束語
本文將半實物仿真引入到戰(zhàn)術(shù)通信網(wǎng)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(jié)構(gòu)只能檢測到兩顆以上衛(wèi)星故障,但不能識別具體的故障星。需要指出的是, 在容錯導(dǎo)航中, GPS/ SINS 系統(tǒng)一般作為聯(lián)邦濾波器的一個子系統(tǒng), 當(dāng)GPS 故障時, 就棄用該子系統(tǒng), 采用其他子系統(tǒng)進行導(dǎo)航。而如果能將GPS 故障衛(wèi)星加以隔離, 繼續(xù)使用GPS/SINS 子系統(tǒng), 則將提高容錯導(dǎo)航系統(tǒng)的性能。
4　結(jié)　論
對于GPS/ SINS 組合導(dǎo)航系統(tǒng), 當(dāng)GPS 故障時需要及時識別故障衛(wèi)星并對其進行隔離以保證正常導(dǎo)航的進行。本文提出了一種層次濾波器結(jié)構(gòu), 主濾波器使用所有衛(wèi)星量測, 而每個子濾波器分別排除一個衛(wèi)星量測, 當(dāng)單顆星故障時總有一個濾波器隔離掉了故障衛(wèi)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(tǒng)對該結(jié)構(gòu)的故障診斷性能進行了研究, 仿真結(jié)果表明, 該結(jié)構(gòu)實現(xiàn)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(xù)進行導(dǎo)航。仿真還驗證了該結(jié)構(gòu)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(dǎo)航, 當(dāng)故障消失后再進行組合導(dǎo)航。