魏正曦，蹇紅梅

（四川理工學(xué)院計(jì)算機(jī)學(xué)院，四川自貢643000）

無線電戰(zhàn)術(shù)接入網(wǎng)的構(gòu)建和測(cè)試

魏正曦，蹇紅梅

（四川理工學(xué)院計(jì)算機(jī)學(xué)院，四川自貢643000）

利用現(xiàn)有短波/微波電臺(tái)或其他通信設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸能力，研制構(gòu)建無線電戰(zhàn)術(shù)互聯(lián)網(wǎng)所需的互聯(lián)網(wǎng)控制器和戰(zhàn)術(shù)多網(wǎng)網(wǎng)關(guān)，從而使各類無線終端組成無中心的自組織網(wǎng)絡(luò)，并通過TCP/IP協(xié)議與外部網(wǎng)絡(luò)互連互通。采用VxWorks系統(tǒng)作為開發(fā)平臺(tái)，經(jīng)過系統(tǒng)裁剪和軟件編碼，將軟硬件嵌入到網(wǎng)絡(luò)核心設(shè)備中，運(yùn)用無線仿真器進(jìn)行輔助開發(fā)和性能測(cè)試。室內(nèi)仿真和野外試驗(yàn)表明：組建的無線電戰(zhàn)術(shù)接入網(wǎng)能夠?qū)崿F(xiàn)網(wǎng)絡(luò)異構(gòu)、路由自動(dòng)選擇等功能；在3～4節(jié)點(diǎn)的任意拓?fù)洵h(huán)境下，網(wǎng)絡(luò)時(shí)延不超過30s，并成功地接入有線網(wǎng)，能較好地提供各項(xiàng)數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務(wù)。

戰(zhàn)術(shù)互聯(lián)網(wǎng)；互聯(lián)網(wǎng)控制器；戰(zhàn)術(shù)多網(wǎng)網(wǎng)關(guān)；無線網(wǎng)仿真；全通網(wǎng)測(cè)試

短波/超短波電臺(tái)是戰(zhàn)術(shù)級(jí)電臺(tái)，是前方作戰(zhàn)地域重要的通信手段。戰(zhàn)術(shù)無線電互聯(lián)網(wǎng)[2]是以戰(zhàn)術(shù)電臺(tái)為基礎(chǔ)，通過嵌入網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)技術(shù)，為師級(jí)作戰(zhàn)地域內(nèi)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)中作戰(zhàn)的各要素之間提供基本的態(tài)勢(shì)、指控和話音保障能力的機(jī)動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)。通過與野戰(zhàn)綜合業(yè)務(wù)數(shù)字網(wǎng)（野戰(zhàn)地域網(wǎng)）的綜合集成，可以實(shí)現(xiàn)與其他通信網(wǎng)系的互連互通，保障各作戰(zhàn)要素達(dá)成密切協(xié)同，形成強(qiáng)大整體作戰(zhàn)能力。

美軍早已使用路由器將原有的SINCGARS[3]無線電系統(tǒng)和增強(qiáng)定位報(bào)告系統(tǒng)EPLRS[4]連接起來，形成一個(gè)更加完善的通信網(wǎng)絡(luò)，其發(fā)展處于世界領(lǐng)先地位。為應(yīng)對(duì)數(shù)字化戰(zhàn)備技術(shù)的新挑戰(zhàn)，我軍也在積極構(gòu)建戰(zhàn)略和戰(zhàn)役戰(zhàn)術(shù)級(jí)的作戰(zhàn)信息系統(tǒng)。無線電戰(zhàn)術(shù)接入網(wǎng)屬于戰(zhàn)役戰(zhàn)術(shù)級(jí)網(wǎng)絡(luò)的組成部分，它使得軍隊(duì)集團(tuán)化作戰(zhàn)能力加強(qiáng)，支持高度機(jī)動(dòng)的移動(dòng)指揮，還能較好地解決系統(tǒng)的抗毀性問題，因此受到各國軍方的普遍關(guān)注。

1 系統(tǒng)需求分析

系統(tǒng)的建設(shè)目標(biāo)是以軍隊(duì)使用的HF/VHF（高頻/甚高頻）電臺(tái)為通信設(shè)備，借助戰(zhàn)術(shù)電臺(tái)或其他通信工具的數(shù)據(jù)傳輸能力，自主開發(fā)組網(wǎng)所需的關(guān)鍵核心設(shè)備——互聯(lián)網(wǎng)控制器[5]和戰(zhàn)術(shù)多網(wǎng)網(wǎng)關(guān)[6]。無線終端通過現(xiàn)有的電臺(tái)和互聯(lián)網(wǎng)控制器組成無中心的自組織網(wǎng)絡(luò)；通過支持TCP/IP協(xié)議的路由設(shè)備戰(zhàn)術(shù)多網(wǎng)網(wǎng)關(guān)與外部的有線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行互聯(lián)，接入有線網(wǎng)。戰(zhàn)術(shù)接入網(wǎng)可用于原有通信網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的數(shù)據(jù)通信，實(shí)現(xiàn)圖形、圖像、文件等數(shù)據(jù)信息的快速傳遞，支持其各種復(fù)雜的應(yīng)用環(huán)境。

接入網(wǎng)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方式主要利用軍隊(duì)中已經(jīng)大量裝備和使用的短波/超短波跳頻改進(jìn)型電臺(tái)，將自主開發(fā)的聯(lián)網(wǎng)軟硬件內(nèi)置于電臺(tái)中，為電臺(tái)提供分組數(shù)據(jù)傳輸和自組織網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)能力。系統(tǒng)的核心網(wǎng)絡(luò)設(shè)備主要是互聯(lián)網(wǎng)控制器和戰(zhàn)術(shù)多網(wǎng)網(wǎng)關(guān)，它們?cè)诰W(wǎng)絡(luò)中通過數(shù)據(jù)口即標(biāo)準(zhǔn)RS-232接口與用戶的無線終端或PC機(jī)相連；電臺(tái)之間的硬件通過一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)接插件互連，電源、所有信號(hào)線都通過該插槽相互連通。數(shù)據(jù)傳輸模塊的數(shù)據(jù)通信采用RS-232接口標(biāo)準(zhǔn)。通常情況下，一個(gè)超短波分組無線網(wǎng)由8個(gè)節(jié)點(diǎn)組成，最多可擴(kuò)展到16個(gè)節(jié)點(diǎn)。網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可以是多跳、自動(dòng)中繼的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)。一般情況下為2～3跳，最多跳數(shù)為6跳。

構(gòu)建真實(shí)的無線分組網(wǎng)絡(luò)環(huán)境存在以下問題：首先是調(diào)試?yán)щy，無線通信的距離較遠(yuǎn)，對(duì)于VHF電臺(tái)，通信距離也達(dá)到10km以上，在這樣的環(huán)境下，實(shí)際上無法調(diào)試，只能測(cè)試和驗(yàn)證功能和性能指標(biāo)；其次是難以針對(duì)調(diào)試的需求建立任意拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，難以實(shí)時(shí)檢測(cè)動(dòng)態(tài)變化的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。因此，必須開發(fā)一個(gè)網(wǎng)絡(luò)仿真系統(tǒng)，以便在室內(nèi)提供各種模擬的網(wǎng)絡(luò)仿真環(huán)境，方便網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的調(diào)試。

2 網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建

2.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

圖1 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

根據(jù)上述分析，擬建網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。無線電分組網(wǎng)絡(luò)包括無線終端和基站兩個(gè)部分。其中，便攜式/通用PC、互聯(lián)網(wǎng)控制器和HF/VHF電臺(tái)構(gòu)成無線終端部分；基站包括HF單工電臺(tái)、便攜式/通用PC終端和戰(zhàn)術(shù)多網(wǎng)網(wǎng)關(guān)。終端與電臺(tái)之間通過互聯(lián)網(wǎng)控制器/戰(zhàn)術(shù)多網(wǎng)網(wǎng)關(guān)連接，設(shè)備間的接口均采用標(biāo)準(zhǔn)RS-232接口。各無線終端可利用互聯(lián)網(wǎng)控制器構(gòu)建獨(dú)立的無線網(wǎng)絡(luò)，也可采用戰(zhàn)術(shù)多網(wǎng)網(wǎng)關(guān)作為基站，通過RJ45接口與有線網(wǎng)相連。

系統(tǒng)硬件平臺(tái)采用X86 CPU芯片，選用VxWorks[7]作為底層操作系統(tǒng)，構(gòu)建一個(gè)嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)?？紤]到技術(shù)的成熟度，選用AMD SC400 MCU，需要配備兩個(gè)異步RS-232的串行口，4Mb RAM（優(yōu)先考慮采用SRAM），2Mb Flash RAM?？紤]到超短波電臺(tái)的背負(fù)使用環(huán)境，要求硬件的整體功耗＜1W，全部電路設(shè)計(jì)采用3.3V低電壓、低功耗器件，同時(shí)，利用CPU的電源管理能力盡量降低功耗。電路板的物理尺寸、電磁輻射必須滿足VHF超短波電臺(tái)的要求。與電臺(tái)的硬件連接通過一個(gè)專用插座貼在電臺(tái)的跳頻、數(shù)據(jù)傳輸板上。由電臺(tái)提供3.3V電源。另外，電臺(tái)還提供信道載波檢測(cè)（信道忙閑）、數(shù)據(jù)信道忙閑、話音信道忙閑、電臺(tái)跳信號(hào)等信道狀態(tài)指示信號(hào)。

2.2 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧

無線電接入網(wǎng)的軟件系統(tǒng)總體上要實(shí)現(xiàn)兩個(gè)關(guān)鍵目標(biāo)：1）IP數(shù)據(jù)包在不同數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議之間傳輸，需要在數(shù)據(jù)鏈路層進(jìn)行協(xié)調(diào)轉(zhuǎn)換；2）IP的路由策略，要求選路適應(yīng)復(fù)雜多變的無線鏈路環(huán)境。

互聯(lián)網(wǎng)控制器/戰(zhàn)術(shù)多網(wǎng)網(wǎng)關(guān)之間的數(shù)據(jù)鏈路層和物理層通信協(xié)議采用美軍標(biāo)MIL-STD-188-220B[8]（美軍戰(zhàn)術(shù)互聯(lián)網(wǎng)——“數(shù)字消息傳輸設(shè)備子系統(tǒng)互操作標(biāo)準(zhǔn)”所規(guī)定強(qiáng)制執(zhí)行的網(wǎng)絡(luò)下三層協(xié)議），互聯(lián)網(wǎng)控制器/戰(zhàn)術(shù)多網(wǎng)網(wǎng)關(guān)與終端間采用PPP/SLIP協(xié)議，兩個(gè)設(shè)備的通信模型如圖2和圖3所示。

從圖2中可以看到，無線終端與互聯(lián)網(wǎng)控制器之間采用PPP鏈路連接，終端運(yùn)行的應(yīng)用程序通過撥號(hào)接入互聯(lián)網(wǎng)控制器，后者把收到的IP數(shù)據(jù)報(bào)在鏈路層進(jìn)行PPP協(xié)議和220B協(xié)議的轉(zhuǎn)換，然后把IP數(shù)據(jù)報(bào)重新封裝，通過串口流經(jīng)220B無線鏈路發(fā)送至電臺(tái)，最后由HF/VHF電臺(tái)將IP數(shù)據(jù)報(bào)發(fā)送出去。無線終端接收網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的過程正好與上述流程相反，從而實(shí)現(xiàn)基于IP數(shù)據(jù)報(bào)的異種設(shè)備互聯(lián)。

圖2 互聯(lián)網(wǎng)控制器協(xié)議棧

圖3 戰(zhàn)術(shù)多網(wǎng)網(wǎng)關(guān)協(xié)議棧

結(jié)合圖1和圖3還可以看出，戰(zhàn)術(shù)多網(wǎng)網(wǎng)關(guān)除了連接無線終端，還連接有線網(wǎng)，承載著無線終端接入有線網(wǎng)的功能。具體實(shí)現(xiàn)方案是戰(zhàn)術(shù)多網(wǎng)網(wǎng)關(guān)增加了一個(gè)RJ45接口，220B無線鏈路流入/流出的IP數(shù)據(jù)報(bào)可以在戰(zhàn)術(shù)多網(wǎng)網(wǎng)關(guān)進(jìn)行IP交換，然后根據(jù)路由表，選擇IP數(shù)據(jù)報(bào)的下一跳是走PPP鏈路與無線終端通信，還是走以太網(wǎng)鏈路接入有線局域網(wǎng)中。

由于戰(zhàn)術(shù)多網(wǎng)網(wǎng)關(guān)具備與有線網(wǎng)連接的以太網(wǎng)接口，它幾乎涵蓋了互聯(lián)網(wǎng)控制器的所有功能，因此在研制時(shí)主要以開發(fā)戰(zhàn)術(shù)多網(wǎng)網(wǎng)關(guān)的軟硬件為主，而互聯(lián)網(wǎng)控制器則可以通過對(duì)戰(zhàn)術(shù)多網(wǎng)網(wǎng)關(guān)的軟硬件進(jìn)行適當(dāng)裁剪而得到。

至于IP數(shù)據(jù)報(bào)的路由選擇，設(shè)計(jì)了一種基于源定向選路的路由策略[9]，基本思路是無線節(jié)點(diǎn)根據(jù)實(shí)時(shí)更新的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，選擇公共傳輸次數(shù)最多的鏈路作為它的下一跳，確保已建立的無線鏈路最大復(fù)用率；如果需要中繼，則選擇中繼節(jié)點(diǎn)路由表中復(fù)用率高的鏈路作為下一跳，如此重復(fù)直到目的節(jié)點(diǎn)。

2.3 網(wǎng)絡(luò)仿真系統(tǒng)

網(wǎng)絡(luò)仿真系統(tǒng)主要通過一個(gè)PCI多串口卡連接多個(gè)終端構(gòu)成，如圖4所示。根據(jù)組網(wǎng)需要，設(shè)計(jì)了仿真測(cè)試程序，分別從端口設(shè)置、數(shù)據(jù)接收/發(fā)送/分析、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜蛿?shù)據(jù)顯示/存儲(chǔ)等方面進(jìn)行模擬測(cè)試。

仿真系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)以下具體功能：

1）仿真無線網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及其動(dòng)態(tài)變化；

2）存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點(diǎn)發(fā)出的報(bào)文及離線分析；

3）同步模擬真實(shí)環(huán)境中的無線數(shù)據(jù)傳輸，完成數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)功能；

4）對(duì)傳輸報(bào)文進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)視和在線分析。

3 網(wǎng)絡(luò)測(cè)試

網(wǎng)絡(luò)測(cè)試分室內(nèi)網(wǎng)絡(luò)仿真環(huán)境和野外現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)兩部分。首先在2400 b/s的數(shù)據(jù)傳輸速率下進(jìn)行測(cè)試，然后再在1200b/s速率下進(jìn)行測(cè)試。設(shè)計(jì)要求實(shí)現(xiàn)無中心自組織網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，由于條件限制，無法構(gòu)建完全滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求的測(cè)試網(wǎng)絡(luò)，試驗(yàn)構(gòu)建了室內(nèi)4個(gè)節(jié)點(diǎn)、室外3個(gè)節(jié)點(diǎn)的分組無線網(wǎng)絡(luò)，并進(jìn)行了相關(guān)的測(cè)試和驗(yàn)證。

3.1 室內(nèi)仿真測(cè)試

室內(nèi)模擬仿真測(cè)試在圖4所示的系統(tǒng)仿真平臺(tái)，進(jìn)行了靜態(tài)與動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)兩種情況的試驗(yàn)。

圖4 仿真分組無線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

3.1.1 靜態(tài)4節(jié)點(diǎn)任意網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)測(cè)試

靜態(tài)4節(jié)點(diǎn)Ping任意站點(diǎn)的傳輸時(shí)延測(cè)試，該測(cè)試的仿真網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 靜態(tài)4節(jié)點(diǎn)任意網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

Ping測(cè)試步驟如下：

1）終端3、4同時(shí)Ping終端1，每個(gè)Ping操作間隔2min；

2）每個(gè)終端均連續(xù)Ping終端120次，記錄每次Ping是否成功及時(shí)延；

3）終端3、4同時(shí)對(duì)Ping，每個(gè)Ping操作間隔2min；

4）每個(gè)終端均連續(xù)對(duì)Ping 20次，記錄每次Ping是否成功及時(shí)延。在數(shù)據(jù)傳輸速率為2400b/s的情況下，終端3、4 Ping終端1，測(cè)試結(jié)果如表1所示。

3.1.2 動(dòng)態(tài)4節(jié)點(diǎn)任意網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)測(cè)試

仿真任意動(dòng)態(tài)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖如圖6所示。圖中實(shí)線表示節(jié)點(diǎn)間的初始連接關(guān)系，虛線表示相應(yīng)節(jié)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡。

表1 靜態(tài)4節(jié)點(diǎn)Ping傳輸時(shí)延

圖6 動(dòng)態(tài)四節(jié)點(diǎn)任意網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

該項(xiàng)測(cè)試的試驗(yàn)步驟與靜態(tài)節(jié)點(diǎn)的測(cè)試相似，在數(shù)據(jù)傳輸速率為2 400 b/s的情況下，終端1、4互Ping的測(cè)試結(jié)果如表2所示。

表2 動(dòng)態(tài)4節(jié)點(diǎn)Ping傳輸時(shí)延

3.2 野外測(cè)試

試驗(yàn)小組在野外隨機(jī)建立了如圖7所示的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，利用短波TCR-154電臺(tái)加短波數(shù)傳[10]提供的數(shù)據(jù)通道，在真實(shí)的無線通信環(huán)境和電臺(tái)的定頻工作模式下，分別對(duì)3個(gè)節(jié)點(diǎn)組成的全通網(wǎng)進(jìn)行了多項(xiàng)功能和性能測(cè)試。其中，數(shù)據(jù)傳輸速率設(shè)置為1200b/s，兩個(gè)終端互Ping的測(cè)試結(jié)果如表3所示。

圖7 野外3節(jié)點(diǎn)全通網(wǎng)拓?fù)鋱D

表3 野外3節(jié)點(diǎn)Ping傳輸時(shí)延

此外，野外試驗(yàn)還對(duì)短消息通信、文件傳輸、WWW瀏覽等測(cè)試項(xiàng)進(jìn)行了試驗(yàn)，測(cè)試結(jié)果證明該網(wǎng)絡(luò)能夠通過TCP/IP協(xié)議接入有線網(wǎng)，支持文件、圖像數(shù)據(jù)的傳輸業(yè)務(wù)，而且性能基本穩(wěn)定。

4 結(jié)束語

單就Ping測(cè)試項(xiàng)所獲得的數(shù)據(jù)來看，野外實(shí)驗(yàn)跟室內(nèi)實(shí)驗(yàn)的時(shí)延基本相差不大，只是由于實(shí)際信道比室內(nèi)模擬信道要差一點(diǎn)，因而在網(wǎng)絡(luò)通信方面時(shí)延更長。無線信道的選擇直接影響網(wǎng)絡(luò)的性能，它對(duì)網(wǎng)絡(luò)建立和通信效果的好壞起著關(guān)鍵性作用。

各項(xiàng)測(cè)試表明自研發(fā)的組網(wǎng)核心設(shè)備實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)異構(gòu)、路由自動(dòng)選擇等功能，能成功地接入有線網(wǎng)，能較好地提供各項(xiàng)數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務(wù)。

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Construction and testing for radio tactical access network

WEI Zhengxi，JIAN Hongmei
（School of Computer Science，Sichuan University of Science and Engineering，Zigong 643000，China）

Based on the data transmission capacity of the existing shortwave/microwave radio or other communication equipment，an internet controller and a tactical multi-network gateway were developed to build a radio tactical access internet，enabling wireless terminals to form a selforganizing network and to interconnect with the external network through the TCP/IP protocol. Hardware and software，after being cut and programmed，were embedded to the core equipment in the network through VxWorks，a development platform.Indoor simulation and outfield tests show that the radio tactical access network is heterogeneous，can automatically select routes，and shortens network delay to no more than 30 seconds under any topology with three or four nodes，having been accessed to the wired network to provide various data transmission services.

tactical internet；internet controller；tactical multi-network gateways；wireless network simulation；fully connected network testing

A文章編號(hào)：1674-5124（2015）08-0099-04

10.11857/j.issn.1674-5124.2015.08.023

0 引言

現(xiàn)代數(shù)字化戰(zhàn)爭(zhēng)[1]是以信息技術(shù)為基礎(chǔ)，以信息環(huán)境為依托，用數(shù)字化設(shè)備將指揮、控制、通信、計(jì)算機(jī)、情報(bào)、電子對(duì)抗等網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)聯(lián)為一體，能實(shí)現(xiàn)各類信息資源共享、作戰(zhàn)信息實(shí)時(shí)交換，以支持戰(zhàn)斗員和保障人員信息活動(dòng)的整個(gè)作戰(zhàn)多維信息空間。數(shù)字化戰(zhàn)爭(zhēng)的特點(diǎn)決定了戰(zhàn)斗部隊(duì)需要以武器和武器平臺(tái)、指揮和控制系統(tǒng)、傳感器以及后勤系統(tǒng)4個(gè)部分作為支持。如果能把這4個(gè)部分通過數(shù)字化通信網(wǎng)絡(luò)有效連接起來，通信網(wǎng)絡(luò)就將成為數(shù)字化戰(zhàn)爭(zhēng)獲勝的重要基礎(chǔ)。

2015-01-29；

2015-03-02

四川省院士（專家）工作站基金項(xiàng)目（2014YSGZZ02）

四川省教育廳重點(diǎn)項(xiàng)目（14ZA0210）

人工智能四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室項(xiàng)目（2013RYY04）

物聯(lián)網(wǎng)測(cè)控四川省高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室項(xiàng)目（2013WYY09）

魏正曦（1976-），男，四川自貢市人，副教授，主要從事計(jì)算機(jī)應(yīng)用方面的研究。