軍用通信組網模擬訓練系統(tǒng)的設計

文/蔡錦華

隨著計算機通信技術的飛速發(fā)展和我軍數字化建設的不斷深入,日益突出的數字化部隊裝備訓練問題使得采用模擬器進行武器裝備的操作和通信組網訓練成為了新的發(fā)展趨勢。由于當前裝備我軍的信息化裝備技術先進，操作使用復雜，部隊官兵掌握起來比較困難。因此如何在數字化部隊的建設過程中，同步或提前開展新裝備的訓練，使新裝備盡快形成戰(zhàn)斗力，是一項必須要解決的課題。

本文利用計算機網絡技術和虛擬仿真技術對軍用通信組網系統(tǒng)相應的模擬訓練器進行開發(fā)。軍用通信組網模擬訓練系統(tǒng)可以實裝通信組網進行模擬，進行實裝通信設備的操作使用訓練和聯(lián)動訓練，并為戰(zhàn)術指揮、射擊指揮等指揮信息系統(tǒng)提供話音、圖文、數據報的通信鏈路?？梢杂糜趩窝b教學與指揮信息系統(tǒng)建鏈組網訓練以及綜合演練。該系統(tǒng)解決了借助實裝進行操作訓練帶來的不便和資源大量浪費的問題，簡化訓練保障條件，減少實裝和物資器材的損耗，節(jié)省經費，可提高部隊信息化裝備的訓練質量和訓練效益。

1 系統(tǒng)構成和基本工作原理

軍用通信組網模擬訓練系統(tǒng)由通信管理服務器、半實物設備節(jié)點、半實物+計算機虛擬設備節(jié)點、計算機虛擬設備節(jié)點等組成，各節(jié)點有通信設備模擬器（短波電臺模擬設備、超短波電臺模擬設備、高速電臺模擬設備、通信控制器模擬設備等）、模擬網關設備等半實物仿真模擬器、計算機仿真虛擬設備、指控計算機、網關模擬設備等。

單體設備模擬器作為一個通信節(jié)點中的端點，對通信控制軟件上報當前工作參數，通信控制軟件根據參數匹配規(guī)則對比相關參數信息，生成通話組網信息表。通信控制軟件通知SIP服務器軟件把相應的電臺模擬設備或通信控制機模擬器加入一個會議，任意一臺電臺模擬設備或通信控制機模擬器按下PTT話音輸入時會議中的其它對應的電臺模擬設備或通信控制機模擬器就能聽到話音。

通信控制軟件通過對電臺模擬設備或通信控制機模擬器當前數傳參數的匹配情況以及當前參數的判斷，建立數傳組網信息表，同時下發(fā)組網信息到各通信節(jié)點的網關模擬設備，從而實現(xiàn)對通信節(jié)點間數傳的通斷、傳輸速率的控制。所有的節(jié)點間通信的數據必須經由網關模擬設備處理轉發(fā)，這也是進行節(jié)點間電臺通信干擾的必要條件。通信控制軟件根據通信干擾模型計算后發(fā)送干擾信息到各通信節(jié)點的網關模擬設備，可以通過修改數據帶寬或數據干擾仿真處理以達到電臺干擾效果仿真的目的。軍用通信組網模擬訓練系統(tǒng)的網絡組織架構圖如圖1所示。

2 通信干擾模擬

電磁環(huán)境仿真是軍用通信組網模擬訓練系統(tǒng)重要的一部分，為部隊提供近似實戰(zhàn)的訓練和檢驗武器效能提供真實、客觀的訓練環(huán)境，有利于嚴格摔打鍛煉部隊，增強部隊信心，將大大提高我軍在信息化背景下作戰(zhàn)的能力。在未來戰(zhàn)場，通信模擬器只有具備了很強的通信抗干擾能力，才能保證我軍整個通信系統(tǒng)在未來戰(zhàn)場上充分發(fā)揮效能。

圖1:軍用通信組網模擬訓練系統(tǒng)的網絡組織架構圖

為再現(xiàn)通信設備在復雜電磁環(huán)境下的通信效果，訓練操作人員快速應對電磁變化，有效對抗電磁干擾的能力，軍用通信組網模擬訓練系統(tǒng)能模擬系統(tǒng)各分節(jié)點通信信道鏈路干擾效果，可以根據導調下發(fā)的分節(jié)點環(huán)境參數、位置信息、干擾源種類形成相應等級的干擾效果，體現(xiàn)到話音、數傳相應等級的丟包、錯包處理，導致應用軟件數據包出現(xiàn)發(fā)送失敗，以及話音通話出現(xiàn)背景噪音或斷續(xù)。干擾模擬模塊使用Simulink實現(xiàn)，其數據接口使用MATLAB/Simulink內置的C++接口函數與外部程序對接。

通信干擾模擬分成為模擬天然電磁干擾與模擬人為電磁干擾兩部分。

2.1 天然噪聲干擾分為以下幾種

（1）大氣噪聲干擾。通常來說，大氣噪聲包括背景噪聲和脈沖噪聲兩部分：

而脈沖噪聲可以由式表示：

τ1，τ2，τm是脈沖延遲序列，α1，α2，αm是脈沖延遲序列的幅度序列。

（2）地面雜亂發(fā)射干擾。由于復雜地形地面對電磁波存在折射效應和散射效應，從而引起電磁波的直達波與經由地面反射的電磁波相互疊加，形成地面雜亂發(fā)射干擾現(xiàn)象。

（3）電臺內部噪聲。電臺內部噪聲是由電臺電路中的電壓和電流起伏,以及電阻和復數阻抗實部中電子起伏產生的。在1012Hz以下的頻率范圍內,噪聲電壓的頻譜密度是固定不變的,可以表示為：

式中K為玻爾茲曼常數，T為絕對溫度，R為電阻。

（4）天線噪聲。天線上的天然干擾可以看作高斯白噪聲，概率密度函數為：

2.2 人為電磁干擾

（1）人為電磁干擾按照干擾的方式將其劃分成欺騙性干擾和壓制性干擾。其中壓制性干擾顧名思義利用較強的電磁波抑制以及破壞對方通信的條件。壓制性干擾表達式一般形式是：

式中，N(t)是干擾振幅，ωc是干擾載頻，ψ(t)是干擾相位。

（2）欺騙性干擾采取偽裝敵方的工作方式，發(fā)出錯誤指令，引起敵方通信失誤或時間延誤，對己方有利的行動。通常來說，欺騙性干擾是有計劃執(zhí)行的，采取偽裝變化己方電磁形象來實現(xiàn)對敵方的通信活動偵察。

同時地理因素對無線通信傳輸的影響較大，不同的地形條件產生的路徑損耗具有明顯的差異，利用GIS的空間分析功可以進行數字地形分析。GIS系統(tǒng)中包含地形高度、地表覆蓋等對無線電波傳播有重要影響的地理信息,從數字地圖中可以直接獲取通信雙方準確的地理坐標和距離,這些信息用于對無線電信號傳播損耗進行預測。

當電臺模擬設備通話模式為模話時，受到干擾會出現(xiàn)噪聲現(xiàn)象，該現(xiàn)象采用音頻融合技術實現(xiàn)。通信規(guī)劃軟件的SIP服務模塊中存儲了多種噪聲音頻數據，當電臺模擬設備受到干擾后，SIP服務模塊對電臺模擬設備收到的音頻數據進行融合處理，疊加噪聲音頻數據，此時用戶聽到的話音是融合后帶噪聲的話音。電臺模擬設備通話模式為數話時，通信規(guī)劃軟件會根據干擾信息計算干擾等級，并通知模擬網關設備，后者在運行過程中能實時監(jiān)控經過的各種話音、數據包，當其收到命令后會根據命令中的干擾等級對受干擾電臺模擬設備接收的話音包采用隨機添加無效包、丟包等技術手段進行處理，從而模擬出話音斷續(xù)的現(xiàn)象。

數傳干擾的原理與數話類似，若該節(jié)點受到干擾，通信規(guī)劃軟件會根據干擾信息計算干擾等級，并通知模擬網關設備，后者在其收到命令后會根據命令中的干擾等級對受干擾指揮節(jié)點接收的數據包采用隨機添加無效包、丟包、延遲發(fā)送等技術手段進行處理，從而模擬出數據丟包、錯包、延遲等現(xiàn)象。同時通信規(guī)劃軟件根據組網建鏈信令，對各模擬設備的匹配參數情況進行判斷，從而控制各設備之間的數傳通信鏈路的通斷。

3 系統(tǒng)設計

3.1 系統(tǒng)組網

軍用通信組網模擬訓練系統(tǒng)的組網形式是以三層交換機為中心節(jié)點構成星型組網拓撲結構，每個模擬指揮節(jié)點作為星型拓撲網絡的一個分節(jié)點連接在三層交換機上，模擬指揮節(jié)點的數量可以按照訓練編組進行的配置。每個模擬指揮節(jié)點內的通信單體設備模擬器和計算機仿真虛擬設備都以模擬網關設備為網關連接在三層網絡交換機上，各類模擬器的數量可以按照用戶需求自由組合、編配。

在各節(jié)點中加入指控計算機及指控軟件后可形成指揮模擬訓練系統(tǒng)。當系統(tǒng)規(guī)模較大時，可采用計算機虛擬設備節(jié)點和計算機仿真虛擬設備代替相應節(jié)點和設備，節(jié)約系統(tǒng)成本，保障訓練效果。系統(tǒng)組網靈活，配置方便，規(guī)?？煽兀瑪U容簡單，經濟效益好。

3.2 通信設備模擬器

通信設備模擬器設計采用模塊化設計，由鍵顯模塊、業(yè)務模塊和外殼組成。

鍵顯模塊完成界面顯示和按鍵操作使用，根據用戶輸入完成信息采集，實現(xiàn)參數存儲、參數上報等功能，以及展開、撤收訓練的設備開關電的功能，同時通過和訓練考評軟件交互，下發(fā)根據電臺配置參數構成的網絡拓撲信令，進行組網訓練。

業(yè)務模塊則需要完成控制信令解析功能、話音處理、SIP信令交互功能、收發(fā)控制功能?？刂菩帕罱馕龉δ軐崿F(xiàn)了來自導控和訓練考評軟件的控制信令的解析，當接收到信令包是導控下發(fā)保障維修信令時，通知鍵顯軟件進行對應故障設置指示或清除。話音處理功能主要是完成話音編解碼芯片的驅動，以支持PCM到PCMA格式G711數據的相互轉換工程。嵌入式SIP終端軟件由話音處理模塊、SIP信令交互模塊和收發(fā)控制模塊組成。為了能更加貼近實裝，真正達到訓練目的，要求通信設備模擬器具有按照類型不同、模式不同、參數不同等條件進行快速匹配、快速組網；能組織多臺不同類型通信設備模擬器組成一個或多個話音網絡實現(xiàn)單呼、組呼、網呼的功能。

3.3 計算機虛擬設備

通過LabVIEW開發(fā)平臺設計計算機虛擬設備，這樣可以節(jié)約成本，適合大規(guī)模部署。LabVIEW作為虛擬儀器應用程序的開發(fā)平臺，避免了復雜、煩瑣、費時的文本式編程語言，而代之以圖形化的軟件設計方法[8]。LabVIEW支持的數據類型有數值型、文本型、布爾型、字符串型等，它還支持順序、循環(huán)、選擇、條件等結構框架。同時LabVIEW也是一種通用編程系統(tǒng)，具有各種各樣、功能強大的函數庫，包括數據采集、GPIB、串行儀器控制、數據分析、數據顯示及數據存儲和網絡功能。合理利用LabVIEW圖形語言的一些特性，能提高軟件的性能和執(zhí)行效率。LabVIEW開發(fā)平臺提供多線程的編寫模式，因為在圖形化的編程環(huán)境中，用戶可以很容易的看到并行代碼。另外，LabVIEW把線程管理、線程間通信等復雜操作封裝起來，因此用戶能夠很容易的開發(fā)多線程程序。Datasocket是LabVIEW提供的一種網絡傳輸技術，它建立在TCP/IP協(xié)議的基礎之上，但是卻不用進行復雜的底層TCP編程，就可以通過計算機網絡向遠端的終端同時廣播現(xiàn)場的數據。Datasocket由Datasocket API和Datasocket Server兩部分組成。DatasocketAPI是用于用戶訪問網絡數據的接口，Datasocket Server負責提供DSTP協(xié)議和管理底層網絡通信。Datasocket API是協(xié)議獨立的、編程語言獨立和操作系統(tǒng)獨立的用語簡化二進制數據傳輸的API。它的實現(xiàn)方式可以是ActiveX控件、LabWindows/CVI C代碼庫或一系列LabVIEW VI，因此可以在任何編程環(huán)境中使用它。Datasocket Server是一個輕量級的獨立組件。Datasocket API訪問DSTP對象就是通過訪問它來實現(xiàn)數據的高速傳輸的。Datasocket Server通過自動管理與客戶端的連接，從而極大簡化了TCP編程，用戶可以不用了解任何TCP/IP編程的知識。

通過LabVIEW中提供豐富的控件組合設計設備顯示面板。在LabVIEW中利用其提供的動態(tài)程序控制技術和LabVIEW自帶函數可以得到計算機的IP地址來完成組網通信。采用Matlab自帶的RTW工具包把電磁環(huán)境仿真模型生成DLL文件，利用LabVIEW所提供的DLL接口與其進行交互式仿真。RTW(Real-Time Workshop)是MATLAB圖形建模和仿真環(huán)境Simulink的一個重要的補充功能模塊，它是一個基于MATLAB/Simulink的代碼自動生成環(huán)境。它能直接從MATLAB/Simulink的模型中產生優(yōu)化的、可移植的和個性化的代碼,或生成可在不同的快速原型化實時環(huán)境或產品目標下運行的程序。另外,RTW提供自定義目標配置功能，用戶可根據自己的需要定制代碼的格式和應用程序的類型。在通信模塊中運用了多線程技術，接收語音模塊和發(fā)送語音模塊同時運行。接收語音模塊從網絡中接收到語音信號后，通過仿真模塊的處理送到聲卡，而聲卡同時也采集從話筒所傳的聲音經過仿真模塊后發(fā)送到網絡。數據傳輸的流向與語音是類似的。通過LabVIEW開發(fā)平臺設計計算機仿真虛擬設備，通過DLL接口工具完成Simulink電磁環(huán)境的仿真的無縫連接。

該計算機仿真虛擬設備因為易于維護、具備成本優(yōu)勢便于大規(guī)模訓練使用。解決了部隊規(guī)模教學訓練硬件資源不足的瓶頸問題，同時可以和半實物模擬設備混合組網，極大地提高了部隊訓練的靈活性和擴展性。

3.4 模擬網關設備

模擬網關設備需要完成通信設備模擬器、計算機仿真虛擬設備以及指揮席位指控計算機的接入，以及網絡數據包的交換、轉發(fā)和丟包、錯包和流量控制處理，以達到數據交換和干擾模擬訓練的效果。模擬網關設備軟件由數據交換模塊、狀態(tài)指示管理模塊、轉發(fā)控制模塊和信息管理模塊組成。

數據交換主要完成了節(jié)點之間的話音數據、指控數據和協(xié)議信令數據的交換傳輸的功能，統(tǒng)一將節(jié)點內所有模擬器的數據流傳輸到三層網絡交換機進行節(jié)點間數據交互。

轉發(fā)控制模塊是實現(xiàn)干擾效果仿真功能的關鍵，由于在模擬通信組網系統(tǒng)中，所有的節(jié)點內通信模擬設備都接在模擬網關設備上，所有的數據都統(tǒng)一經由模擬網關設備轉發(fā)給三層網絡交換機。在模擬網關設備底層網絡數據處理采用QoS技術進行流量控制處理來管理信道帶寬。同時在模擬網關設備中對Linux內核的協(xié)議棧進行二次開發(fā)，實現(xiàn)可以響應導控下發(fā)的干擾信令。對干擾效果進行仿真模擬采用的是對指定設備IP地址的話音數據包進行丟包處理，即產生話音斷續(xù)的效果，數據包進行隨機處理則可以產生話音不清晰的效果。

3.5 通信管理服務器

通信管理服務器采用是FreeSwitch服務器，它是一個跨平臺，且代碼完全開源的電話交換平臺，能夠支持標準的SIP協(xié)議的交互，可以提供一個穩(wěn)定的通話組網平臺。

組網訓練系統(tǒng)當中的每個通信設備模擬器都包含有SIP客戶端模塊軟件，每個通信設備模擬器在FreeSwitch服務器上都會注冊唯一的用戶ID，通信規(guī)劃軟件根據組網拓撲情況，構建對應的無線話音或是有線話音鏈接，調用FreeSwitch的SDK接口將對應SIP終端用戶拉入同一會議當中，通過軟交換處理建立了話音通信鏈路的構建，實現(xiàn)了配置參數匹配成功的通信設備模擬器間的話音通話功能。

通信控制軟件運行在通信管理服務器上，由網絡規(guī)劃模塊、數據管理模塊、參數匹配模塊、交換機控制模塊、會話控制模塊、數據收發(fā)模塊、組網圖繪制模塊組成。主要實現(xiàn)通信組網的控制。通過配置實現(xiàn)網絡規(guī)劃，管理各模擬設備上報的參數設置信息。通信控制軟件通過對通信模擬器當前數傳參數的匹配情況以及當前參數的判斷，建立數傳組網信息，同時下發(fā)組網信息到各節(jié)點的模擬網關設備，從而實現(xiàn)對節(jié)點間數傳的通斷、傳輸速率、丟包、錯包的控制。如果兩節(jié)點間數傳組網參數匹配成功，那么兩節(jié)點的指控計算機間就可以實現(xiàn)數傳，形成指揮控制模擬訓練系統(tǒng)。

4 結論

本文以基于TCP/IP局域網的軍用通信組網訓練系統(tǒng)，加上戰(zhàn)場通信環(huán)境的模擬，可以為部隊提供近似實裝訓練和實戰(zhàn)訓練環(huán)境。半實物通信設備模擬器的外觀接口、操作方式、顯示界面和狀態(tài)指示與實際裝備保持一致,受訓人員在模擬設備上操作時，獲得的視覺效果和操作感受與在實際設備上相同。計算機虛擬設易于維護，具備成本優(yōu)勢便于大規(guī)模訓練使用，可以和半實物通信設備模擬器混合組網，解決了部隊、院校規(guī)模教學訓練硬件資源不足的瓶頸問題。各節(jié)點可靈活增加指控計算機，形成指揮模擬訓練系統(tǒng)，系統(tǒng)組織靈活，擴容簡單，擴展性好，極大地提高了產品在部隊、院校指控通信訓練適用性。