OPNET 在军事通信网络建模与仿真中的应用研究

Jun. 2006, Volume 3, No.6 (Serial No.19) 通讯和计算机 Journal of Communication and Computer, ISSN1548-7709, USA
OPNET 在军事通信网络建模与仿真中的应用研究
潘习林1
（1 解放军炮兵学院南京分院炮兵指挥系，南京 211132；1 解放军理工大学通信工程学院，南京 210007）
摘 要：在通信系统领域，出现了许多强大的商用建模仿真工具。

本文主要探讨OPNET 在现代军事通信网络建模与仿真中的应用，介绍了OPNET 的主要特点和一般建模方法，讨论了军事通信网络建模仿真的主要发展趋势以及OPNET 提供的相应支持，最后得出结论：由于OPNET 强大的表示和分析能力，以及其特有的灵活性与开放性，将其作为军事通信网络的核心仿真引擎是很合适的。

关键词：军事通信系统；建模仿真；OPNET
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潘习林（1976-），男，江西萍乡人，博士研究生，讲师；研究方向：无线通信、分布式系统、军事通信网络的建模仿真。

1. 引 言
军事通信网络是一种庞大的分布式网络系统，对其进行建模与性能评估，如果都从零开始的话，无论是费用还是时间都是难以承受的。

目前，各国军队都清楚地认识到，在部队的信息领域需要使用现有的商用标准以减少开发费用，缩短开发周期。

在通信系统领域，经过近十年的发展，出现了许多强大的商用仿真软件工具包，系统算法级的如CADENCE 公司的SPW 、Synopsys 公司的COSSAP 、Elanix 公司的SystemView 等；网络层的仿真软件如CADENCE 公司的BoNes 、OPNET 公司的OPNET 等。

这些一体化的商用仿真工具的出现，极大地减少了通信系统的开发时间和费用。

本文主要探讨使用OPNET 作为军事通信网络建模与仿真的核心仿真引擎。

文章组织如下：第二部分介绍OPNET 的主要特点和一般使用方法；第三部分讨论和分析军事通信网络建模仿真的主要发展趋势和OPNET 提供的相应支持；第四部分对本文进行总结。

2. OPNET 的特点和建模仿真方法
一个好的仿真环境应该是模块化、层次化的，并能充分利用当今工作站的图形能力。

OPNET 就是这样一个强大的面向对象的通用网络仿真环境。

作为一个全面的集成开发环境，OPNET 主要用于对通信网络进行描述、仿真和性能分析。

各种通信系统，从单个的LAN 到全球的卫星通信网它都能支持。

OPNET 使用详细的协议模型和性能分析对大型通信网络、计算机系统和应用以及分布式系统进行建模与仿真，其最显著的特点是：图形化的模型描述；一个动态的基于事件调度的仿真内核；一体化的数据分析工具；分层的基于对象的建模。

OPNET Modeler 建模环境分为三层，分别为网络层、节点层和进程层，并相应地提供了三种图形化的编辑器，即网络编辑器、节点编辑器和进程编辑器[1]。

这些编辑器以层次化的方式组织，支持模型级的重用，即在某一层开发的模型可以被另一高层的模型使用。

OPNET 网络模型规定通信网络的物理拓扑，定义节点的位置和链路的互连情况。

每一个节点由一个结构化的数据流方框图，或称OPNET 节点模型描述，它描述了进程、协议和子系统之间的相互关系。

节点模型中的每个可编程模块的功能，由OPNET 进程模型定义。

该进程模型综合了状态转移图的形式化能力和C 编程语言的灵活性。

OPNET 提供一个详尽的C 语言函数库（内核函数库），包含各种预定义的建模函数。

参数化和模块化可以最大限度地实现模型重用，OPNET 的建模过程充分利用了这一特点。

上到网络/子网级，下到进程级，开发者都可以根据自
己的需要，使用合适的参数“组装”出各种组件。

典型的网络模型可以通过信道/链路将各子网模块互连而成。

子网模型本身则由客户/服务器、链路和路由器/网关组成。

客户和服务器之间的通信可以是面向连接的协议如TCP也可以是无连接的协议如UDP。

客户和服务器还可以利用诸如以太网之类的协议进行基本的网络连接。

链路由链路类型（如点对点或总线）和各种配置参数（如传输速率和传播时延）定义。

网关的特征参数则由交换/路由算法和端口连接配置（如串行链路和以太网）。

作为一个全面的网络仿真工具，OPNET具有强大的表示和分析能力，十分适于用作军事通信网络的核心仿真引擎。

目前，美军已经有了许多以OPNET 作为核心仿真引擎的成功范例，如战术互联网建模仿真系统（TIMS），网络作战仿真系统（NETWARS），作战计划与仿真系统（OPSIM）等[2,3]。

当然，战场环境与和平时期的商用环境是十分不同的，能用于商用数据和语音交换通信的商用系统并不一定能用于战场的信息系统。

这就要求在将商用系统用于军事领域的时候，要对这些商用系统进行评估，确定它们是否能在战场环境下起作用，能有什么样的帮助，还需要哪些方面的改进等等。

相应地，为满足不断变化的战场情况，需要我们针对具体的战术运用环境对这些商用系统进行适当的改造。

下一部分将主要讨论军事通信网络建模与仿真的一些主要需求和OPNET提供的相应支持。

3. OPNET对军事通信网络建模与仿真的支
持
3.1 建模仿真系统的互操作——高层体系结构接口
现代战争的趋势要求各联合军兵种互相之间实现无缝交互，联合作战的呼声越来越高，不同军种之间系统的相互依赖性也越来越复杂。

随着高层体系结构（HLA）日趋成熟，现有仿真系统及其下一代系统都可能要通过HLA交换数据。

HLA最初由美军国防部提出，现已被接纳为IEEE和OMG 的分布仿真标准。

其目的是提供一个标准的体系结构实现不同仿真系统之间的互操作，从而支持现有和新的建模仿真系统的集成与互操作，增强系统的开放性。

在HLA的联邦概念下，具有HLA接口的单个仿真或为同一目的而开发的一组仿真能组合成一个大的协同工作的交互仿真。

为了适应这一趋势，OPNET提供了一个HLA 模块来支持HLA接口。

OPNET HLA接口支持HLA 接口规范的大部分子集，它提供了必要的机制使不同的联邦成员之间能共享公共对象表示、交换消息（交互）和维护正确的时间同步等。

OPNET HLA模块包含一个Modeler仿真单元，可作为一个联邦成员参与到一个HLA联邦中，它既可以影响其它联邦成员的事件，也可以受其它联邦成员的事件所影响。

一个Modeler联邦成员主要包括下列要素[4]：
•一个网络模型，包含节点和链路模型的实例和一个专门的HLA-handling节点，该节点提
供HLA<－>OPNET之间的接口，连接整个
HLA联邦的全局仿真状态和Modeler的局部
组件（子网、节点等）状态；
•实现仿真行为的节点模型和链路模型；
•一个仿真对象模型（SOM）文件，描述HLA 接口；
•一系列Modeler分组格式，表示由联邦成员处理或生成的交互；
•一个类映射文件，描述下列内容之间的映射：联邦对象模型（FOM）对象类和Modeler对
象类型
FOM类属性和Modeler对象属性
FOM交互和Modeler分组格式
FOM参数和Modeler分组域
•一个fed文件，列出了所有的对象类和属性、交互类和参数，联邦中的任何联邦成员都可
以生成、接收或处理这些数据。

3.2 建模仿真系统的重用——外部模型访问
军事通信网络的仿真工具应能支持对各军兵种的通信系统进行建模与仿真研究。

为了最大限度地重用模型，在军事通信系统的建模仿真中，可以开发出一些通信模型，用于表示现有的各种作战装备，如各种军用电台等，以及各种通信技术如ATM、ISDN等。

对此，OPNET也提供了许多标准的进程
模型，作为标准OPNET模型库的一部分。

这些模型可以对标准协议进行建模，如TCP/IP、FDDI以及高级的动态路由协议如OSPF和BGP4等。

OPNET通过参数化和模块化能很好地支持其内部的模型重用。

实际上，OPNET还能够连接外部的模型，是一个开放的体系结构。

它提供了一个应用程序接口，称为外部模型访问（EMA），可与其它程序一起用于自动地创建对应于仿真设定的OPNET网络。

EMA的主要用途是访问独立于OPNET（即不使用OPNET图形编辑器提供的服务）的模型。

访问模型包括创建、修改模型和从模型中提取数据。

EMA由一个C调用函数库支持，该函数库扮演着编程规范和查询语言的角色。

该函数库就称为EMA软件包，可以将其视为一个应用程序接口，用于从OPNET模型文件中生成和提取数据。

编辑一个包含许多对象和交互的大型模型，如果使用图形编辑器就会显得过于繁琐，而且很容易在设定属性值时省略某些内容而带来错误。

如果大型模型有比较规则的结构（如环、网格、树等等），通过EMA这种程序化的接口对算法进行描述就是很自然而方便的事情。

此外，许多OPNET应用程序构造模型时，需要利用与真实的设备结构相关的参数集。

通常，这些参数都方便地存储在一个在线的数据库中。

这时，使用一个自动化的模型构造过程就十分有效，尤其是如果需要建造的模型规模庞大时更是如此。

有EMA这么一个程序化的描述语言，模型构造自动化就有了可能。

为支持OPNET 模型文件而提供的这个接口，允许用户编写的程序打开或查询模型，这在将OPNET模型数据导出到其它应用时也是非常有用的。

3.3 建模仿真系统的环境因素——地形建模模块
现代军事通信系统中，对无线移动通信的依赖越来越大，尤其是随着分组无线网络的发展与应用，网络的移动性和自组织特性越来越明显，更需要重视地形对通信系统性能的影响。

这时，OPNET 同样能提供强力的支持。

在OPNET软件包中，有一个地形建模模块（TMM），它建立在OPNET无线模块的基础上，考虑了地形对信号传播损耗的影响，因而可以提高网络仿真的精度。

TMM可以综合使用自然地貌（如山地和地球曲率）和环境因素（如地面传导率和表面折射率）作为输入参数来计算信号损耗。

用于计算信号损耗的传播模型和参数可由用户指定。

TMM 包含两种传播模型：自由空间模型和Longley-Rice 模型。

其它模型可以根据需要添加。

在TMM的传播模型中，模型的参数可以单个地改变也可成批地改变。

如果某个特定的参数没有预先分配值就使用缺省值。

TMM提供了一个读取地形数据的接口，可以从已有的地形文件得到自然地貌，如山地地形等地形数据。

这些数据与其它的环境参数一起应用于传播模型计算路径损耗。

由于这些开放性和灵活性，TMM得到了标准无线收发管线的支持，这使开发者更容易实现自定义的传播模型。

4. 结束语
由于OPNET强大的表示和分析能力，以及其特有的灵活性与开放性，将其作为军事通信网络的核心仿真引擎是很合适的。

目前，在商用通信网络仿真领域中，OPNET是一个主流的网络层仿真产品，有大量现成的成熟模型。

在用于军事领域时，可以对这些模型根据具体的战术环境适当地进行修改，从而节省大量的开发时间和费用。

参考文献：
[1]Xinjie Chang, Network Simulations with OPNET,
Proceedings of the 1999 Winter Simulation Conference, 1999.
[2]Atamna Y., OPNET-based Modeling and Simulation of C4
Systems, Military, Government, and Aerospace Simulation Symposium Part of 1999 Advanced Simulation Technologies Conference, 1999.
[3]Atamna Y., NETWARS: Toward the Definition of A
Unified Framework for Modeling and Simulation of Joint Communication Systems, In Proceedings of SPIE’s 12th Annual International Symposium on Aerospace/Defense Sensing, Simulation, and Controls —Digitization of the Battlespace III, Orlando, FL, Vol. 3393, 1998: pp.
162-169.
[4]OPNET Technology Inc., OPNET HLA Modeler User
Guide, 2000.
Jun. 2006, Volume 3, No.6 (Serial No.19) 通讯和计算机 Journal of Communication and Computer, ISSN1548-7709, USA The Application of OPNET in Modeling and Simulation of MCN
Xilin Pan1
(1 Department of Artillery Command, Nanjing Artillery Academy of PLA, Nanjing 211132, China; 1 Department of Communication
Engineering, PLA University of Science and Technology, Nanjing 210007, China)
Abstract: In the domain of communication systems, several powerful tools are available for modeling and simulation. Focusing on the application of OPNET in Modeling and Simulation (M&S) of Military Communication Networks (MCN), this paper introduces the key features of OPNET and its way to model and simulate, and then discusses the trends in M&S of MCN and the corresponding supports provided by OPNET, and concludes that the selection of OPNET as the core simulation engine to M&S of MCN is appropriate.
Key words: Military Communication Networks; Modeling and Simulation; OPNET
（责任编辑：Nory，Susan）。